酶工程在医药工业中的应用

酶工程在医药工业中的应用

1161001413168 郑峰

摘要：酶工程是现代工业生物技术的重要组成部分，它作为一项高新技术，为各工业的发展起到了极大的推动作用，本文简要介绍了酶固定化、基因工程菌(细胞)的固定化、植物细胞培养产酶、酶的化学修饰、核酸酶、杭体酶、酶标药物的理论和技术研究的最新进展以及酶工程在医药工业中的应用，对酶工程的发展前景进行了探讨。 关键词：酶工程；酶的固定化；核酸酶；抗体酶；医药应用

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目录

一、酶工程技术............................................................................................................ 3

（一）酶和细胞的固定化.................................................................................... 3 （二）酶的化学修饰............................................................................................ 3 （三）核酸酶和抗体酶........................................................................................ 4 （四）酶标药物.................................................................................................... 4 （五）职务细胞培养产酶.................................................................................... 5 二、酶工程技术在医药工业中的应用........................................................................ 5

（一）应用酶工程制备生物代谢产物................................................................ 5 （二）应用酶工程技术转化凿体........................................................................ 6 （三） 应用酶工程生产抗生素.......................................................................... 6 （四）应用酶工程生产氨基酸和有机酸............................................................ 6 （五）应用酶工程生产维生素............................................................................ 7 （六）应用酶工程生产核苷酸类药物................................................................ 7 三、酶工程在医疗中的应用........................................................................................ 7 四、展望........................................................................................................................ 8 参考文献: ...................................................................................................................... 9

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一、酶工程技术

（一）酶和细胞的固定化

将酶或细胞通过物理或化学方法固定在水溶性或非水溶性的膜状、颗粒状、管状的载体土，称为固定化酶或固定化细胞。我国研制过的固定化酶(细胞)已有 50种左右，分为二种类型:固定化单酶或含特定酶的细胞、固定化双酶、固定化各类激酶构成ATP再生系统。一般能明显地提高酶对热与酸碱度的稳定性。固定化的方法主要有吸附、共价结合、包埋和选择性热变性等。目前又发展了利用光、辐射等物理技术和定点固定化技术固定酶[1]。在制药工业中包埋法应用较多，其次是吸附法。

固定化细胞包括微生物细胞(含基因工程菌)、动物细胞和植物细胞,目前更多地注重活细胞和增殖细胞的固定化。植物细胞固定化大多采用包埋法，至今已报道了固定化南洋金花、烟草、胡萝卜等十多种细胞的研究,植物细胞固定化技术在中药有效成分的生产应用研究上有更好的前景。动物细胞只有吸附和包埋法得以成功。目前动物细胞微囊化法用得最多的是聚赖氨酸/海藻酸(PIJL/Al,G)法，细胞生长密度可达106一109个·mL。微囊化细胞主要有两方面的应用：培养微囊化动物细胞生产一些药物；作为药物直接用于治疗或作为药物筛选之用，如用来生产单克隆抗体、干扰素、组织纤溶酶原激活剂(TPA)、自细胞介素、胰岛素生长因子和乙肝病毒表面抗原等。未来将有一大批具有生物活性的蛋白质可依靠固定化细胞在生物体外大规模的合成。应用基因重组技术将生物细胞中存在极少的催化某一生化反应的酶通过基因扩增和增强表达，建立高效表达特定酶制剂的基因工程菌或基因工程细胞，从而进一步构建成固定化一工程菌或固定化工程细胞的新一代催化剂。如德国BM公司应用蛋白质工程技术对表达青霉素酞化的基因进行点突变改造，重建了青霉素酞化酶工程菌，从而大大延长了固定化青霉素酞化酶的使用半衰期，其酶柱可连续使用700d以上[2]。

（二）酶的化学修饰

酶的化学修饰是指利用化学手段将某些化学物质或基团结合到酶分子上，或

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将酶分子的某部分删除或置换,改变酶的理化性质,最终达到改变酶的催化性质的目的。修饰剂的选用和修饰方法分为：（1）修饰酶的功能基团如氨基、经基、咪哇基等可离解基团，如抗白血病药物天冬酞胺酶[3]，（2）进行酶分子内或分子间交联，应用某些双功能试剂分子两端的功能基团可使酶分子内或分子间肤链的两个游离氨基分别发生交联，如交联后的人a一半乳糖昔酶A,其热稳定性和抗蛋白酶的性能都有明显提高，（3）酶与高分子化合物结合后，可以增加酶的稳定性和活力。例如抗白血病药物天冬酞胺酶经游离氨作用、酞化反应进行修饰后，在血浆中的稳定性有很大提高；胰凝乳蛋白酶与水溶性大分子化合物右旋糖醉结合后,其催化活力提高4倍[4]。常用修饰剂主要有乙酸配、氮芥类、磷氧酞氯、环氧丙烷、重氮盐类、经胺等[5]。

（三）核酸酶和抗体酶

核酸类酶(Ribozyme)是一类由核糖核酸(RNA)组成的酶，具有核酸序列的高度特异性，从而具有很大的应用价值。只要知道某种核酸酶的核昔酸序列，就可以设计合成催化其自我切割和断裂的核酸组成，根据这些基因组的全部序列，就可以设计并合成出防治由这些病毒引起的人、畜和植物病毒病的核酸酶,如能够防治流感、肝炎、艾滋病和烟草花叶病等。核酸酶也可以治疗某些遗传病和癌症,还可以用作研究核酸图谱和基因表达工具。

抗体酶（Abzyme）又称为催化性抗体，是一类具有生物催化功能的抗体分子，可以采用诱导法和修饰法获得。抗体酶已经用于酶作用机理的研究、手性药物的合成和拆分、抗癌药物的制备等。

（四）酶标药物

近来，人们可以根据药物在生物体内可能的作用目标（如酶或受体）来设计药物，由此获得的药物被称为酶标药物。目前，这种设计方法已经成为药物设计的主流，在新药设计中发挥了巨大的作用。血管紧张素肽转换酶（ACE）抑制剂是酶标药物的一个成功的实例，AEC抑制剂已经成为重要的常用降压药物。近来的研究发现，艾滋病的感染和传播，主要是由艾滋病病毒颗粒表面的蛋白酶引起的。因此，艾滋病病毒蛋白酶的研究成为一个热点，人们希望通过对艾滋病病

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毒蛋白酶抑制剂的研究，寻找出防止艾滋病病毒感染和治疗艾滋病的方法。

（五）职务细胞培养产酶

首先，选择适宜的植物外植体，经诱导、选育得到优良的植物细胞，再在人工控制条件的生物反应器中培养植物细胞,以生产色素、香精和药物等次级代谢物。植物细胞培养不受地理环境和气候条件等的影响,具有生产周期短、产率高等显著特点,已经发展成为生物五程研究和开发的重要领域。郭勇7、先后进行了植物细胞培养生产次级代谢物的研究,选育出了优良的木瓜细胞、大蒜细胞、鼠尾草细胞、玫瑰茄细胞、黄花篙细胞、胡萝卜细胞、巴戟天细胞和银杏细胞等,分别用于生产木瓜蛋白酶、木瓜凝乳蛋白酶、过氧化氢酶、超氧化物歧化酶等药用酶以及色素、药物等次级代谢物。曾庆平等吕’在国内外首次采用植物细胞培养技术,从木瓜外植体的木瓜细胞中经细胞培养生产木瓜凝乳蛋自酶。该成果已申请中国发明专利。

二、酶工程技术在医药工业中的应用

现代酶工程具有技术先进、投资小、工艺简单、能耗粮耗低、产品收率高、效率高、效益大和污染小等优点,成为化学、医药工业应用方面的主力军。以往采用化学合成、微生物发酵及生物材料提取等传统技术生产的药品，皆可通过现代酶工程生产，甚至可获得传统技术不可能得到的昂贵药品，如人胰岛素、McAb、 lFN、6一APA、7一ACA及7一ADCA等。固定化基因工程菌、工程细胞以及固定化技术与连续生物反应器的巧妙结合，将导致整个发酵工业和化学合成工业的根本性变革。

（一）应用酶工程制备生物代谢产物

应用固定化细胞可大量生产各种初级或中间产物，如糖、有机酸和氨基酸等。产品有D葡萄糖、D一果糖、甘油、1，6一二磷酸果糖、柠檬酸、苹果酸、富马酸、乳酸、右旋糖醉、丙氨酸、天冬氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、赖氨酸等利用酶工程技术生产抗菌素、色素、生物碱、性引诱剂、信息素等生物次级代谢产

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