酶化學修飾

通過主鏈的“切割”、“剪接”和側鏈基團的“化學修飾”對酶蛋白進行分子改造，以改變其理化性質及生物活性，這種應用化學方法對酶分子施行種種“手術”的技術，稱為酶分子的化學修飾。自然界本身就存在着酶分子改造修飾過程，如酶源激活、可逆共價調節等，這是自然界賦予酶分子的特異功能，提高酶活力的措施。從廣義上説，凡涉及共價部分或部分共價鍵的形成或破壞的轉變都可看做是酶的化學修飾，從狹義上説，酶的化學修飾則是指在較温和的條件下，以可控制的方式使一種蛋白質同某些化學試劑起特異反應，從而引起單個氨基酸殘基或其功能基團發生共價的化學改變。

酶化學修飾的目的在於人為地改變天然酶的一些性質，創造天然酶所不具備的某些優良特性甚至創造出新的活性，來擴大酶的應用領域，促進生物技術的發展。通常，酶經過改造後，會產生各種各樣的變化，概括起來有：①提高生物活性，包括某些在修飾後對效應物反應性能的改變；②增強在不良環境（非生理條件）中的穩定性；③針對異體反應，降低生物識別能力。可以説酶化學修飾在理論上為生物大分子結構與功能關係的研究提供了實驗依據和證明，是改善酶學性質和提高其應用價值的一種非常有效的措施。 ^[1] 

1、定點突變

目前，科研人員已開始通過一些可控制的方法在酶或蛋白質特殊的位點引入特定分子進行修飾，並結合定點突變引入一種非天然氨基酸側鏈來進行化學修飾，從而得到一些新穎的酶製劑。這一策略是利用定點突變技術在酶的關鍵活性位點引入一個氨基酸殘基，然後利用化學修飾法對突變的氨基酸殘基進行修飾，引入一個小分子化合物，得到一種化學修飾突變酶（Chemically modified mutant enzymeCMM）。已利用定點突變法在枯草桿菌蛋白酶SBL的特定位點中引入半胱氨酸，然後用甲基磺酰硫醇試劑進行硫代烷基化，得到一系列新型的化學修飾突變枯草桿菌蛋白酶。酶的kcat/KM值隨疏水基團R的增大而增大，而且絕大部分CMM的kcat/KM值都大於天然酶，有些甚至增加了2.2倍，因此CMM能夠改進酶的專一性及擴大催化底物範圍。

2、交聯技術

使用雙功能基團試劑如戊二醛、PEG等將酶蛋白分子之間、亞基之間或分子內不同肽鏈部分，進行共價交聯，可使分子活性結構加固，並可提高其穩定性，擴大了酶在非水溶劑中的使用範圍。已使用戊二醛進行酶交聯的研究，證實了利用交聯酶晶體（crosslinkedenzyme cry stal，CLEC）技術提高了嗜熱菌蛋白酶的生物活性，增加了其熱穩定性。枯草桿菌蛋白酶經預處理，凍幹形成交聯酶晶體，在有機溶劑和水溶液中的穩定性大大增加，活力可提高13倍。交聯酶晶體製備分為兩步：①酶晶體的形成；②保持酶活性，保持酶晶體的晶格不被破壞，進行化學交聯。多功能交聯試劑除了傳統的戊二醛外，還包括一些新近開發成功的化合物，例如，糖基化作用與交聯技術聯合應用於青黴素G酰化酶，利用葡聚糖二乙醛將青黴素G酰化酶進行交聯，使其在55℃下的半衰期提高9倍。酶的穩定性提高的主要原因是交聯增強了葡聚糖的羥基與酶分子親水基團間的相互作用。

3、小分子化合物

利用小分子化合物對酶活性部位或活性部位之外的側鏈基團進行化學修飾，可以改變酶學性質。已被廣泛應用的小分子化合物主要有鄰苯二酸酐、氨基葡萄糖、醋酸酐、硬脂酸等。D-葡糖胺與未糖基化的RNase A進行化學偶聯，得到單糖基化酶和雙糖基化酶，其中，53位的天冬氨酸和49位的穀氨酸被認為可能是糖基化位點，經過修飾的單糖基化RNase A活力比天然酶低，但是熱穩定性大大提高。氧化還原酶中的谷胱甘肽過氧化物酶是不穩定的，但人們對它很感興趣。通過使用化學修飾的方法，用不穩定的氧化型硒原子取代胰蛋白酶中195位絲氨酸γ位的氯原子，使之轉變為硒基胰蛋白酶，硒基胰蛋白酶失去了還原酶的活性，而表現出較強的谷胱甘肽氧化酶的活性。

4、單功能聚合物

單功能試劑的化學修飾可以使酶結合成具有特異功能的單位或聚合體。兩性分子聚乙二醇PEG及其衍生物PM是最常用的化學修飾劑。它不僅能提高酶在有機溶劑中的穩定性和溶解性，而且也能降低一些治療用多肽類藥物的抗原性。例如，念珠菌屬脂肪酶CRL用對硝基苯基氯仿和氰尿酸氯化物活化的PEG處理後，在異辛烷中的穩定性大大提高，活力也提高許多。酶的PEG修飾包括兩個步驟：①PEG的活化；②活化後PEG與酶的共價結合。目前，已有一些酶採用PEG法進行修飾，如細胞色素C、內-β-葡萄糖酶、胰蛋白酶等。細胞色素C經PEG修飾，其羥基被酯化，得到性質改進的生物催化劑，其在同樣條件下，能夠氧化更多的芳香族化合物，因此，化學修飾被認為是創造新型生物催化劑的一種有效方法。辣根過氧化物酶用mPEG共價修飾，在極端PH條件下抗變性能力提高，耐熱性也有所增加。 ^[2] 

1、酶結構與功能的研究

化學修飾在研究酶的結構與功能方面的應用最多，研究也比較細，是最簡便的一種方法。特別是蛋白質的可逆化學修飾，在這方面能提供大量的信息。修飾蛋白質的氨基的過程中，可以向蛋白質引入正電荷或負電荷。通過蛋白質帶電荷的羧基同水溶液碳二亞胺反應，也可以向蛋白質引入一個正電荷，這樣就改變了蛋白質的表面電荷，由此而產生的靜電效應常引起分子膨脹，這有利於蛋白質和水的相互作用，甚至可造成蛋白質分子之間的接觸點斷裂。因此，不需要加入脲或胍，一些寡聚體蛋白質即選擇性地被解離成可溶性亞基，它們在水中很少發生聚集，並保持其生物活性，從而有利於這些蛋白質分子量的精確測定。另外，化學修飾也常用於氨基酸順序分析中。由於胰酶對精氨酸和賴氨酸具有高度特異性，故常用此酶水解蛋白質，以製備肽碎片。為防止精氨酸和賴氨酸相互干擾的問題，可利用選擇性化學修飾劑修飾賴氨酸和精氨酸，使水解侷限在其中一個殘基的肽鍵上。

2、在醫藥方面的應用

隨着科學技術的進步，人們發現許多疾病與酶有密切關係。酶在疾病的診斷、治療等方面發揮着越來越重要的作用。但是，由於各種原因使酶的作用受到了限制。例如，天冬醯胺酶是治療白血病的有效藥物，但它往往帶有抗原性，若不除去，再度使用可能引起免疫休克。因此，有人用聚乙二醇修飾此酶的兩個氨基，消除了抗原性。已利用高碘酸氧化法活化的右旋糖苷對大腸桿菌L-天門冬酰胺酶Ⅱ進行化學修飾，使酶抗胰蛋白酶水解的能力明顯提高，抗原性顯著減弱。將牛血銅鋅-超氧化物歧化酶（Cu，Zn-SOD）用β-環糊精修飾後，抗炎活性增強，抗原性降低，穩定性提高。

3、在工業方面的應用

目前，生物催化技術在工業上得到廣泛應用，大大提高了產量，降低成本，而且減少了對環境的污染。但工業生產要求高温、高壓等條件，天然酶極易失活，而經過修飾的酶則完全克服了這些缺點。 ^[2]