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固定化酶及其在制药工业上的应用
法学（刑事司法方向）1005060169 雷宁
摘要：酶的固定化技术以其易于控制，便于运输和贮存等优点，在工业生产、化学分析和医药等领域有诱人的应用前景。本文着重探讨了固定化酶在制药工业上的应用情况。
关键词：固定化酶 制药 应用
酶作为一种生物催化剂，一经发现就被人们广泛应用于食品、酿造、制药等领域。但由于酶的催化作用需要一定的温和环境，在实际应用中出现了很多问题。固定化酶就是在这种情况下产生并发展起来的。
一、 固定化酶的定义
固定化酶（immobilized enzyme）就是限制或固定于特定空间位置的酶，即经物理的或化学的方法使酶与水不溶性大分子载体结合或把酶包埋在水不溶性凝胶或半透膜的微囊体中，使酶变成不易随水流失即运动受到限制，而又能发挥催化作用的酶制剂。
二、 固定化酶的发展历史
固定化酶是20世纪60年代发展起来的一项新技术。以往使用的酶多数是水溶性的酶。这些水溶性酶催化结束后，极难回收，因而阻碍了酶工程的进一步发展。60年代后，在酶学研究领域内涌现出固定化酶。它是通过物理化化学的手段，将酶束缚于水不溶的载体上，或将酶束缚在一定的空间内，限制酶分子的自由流动，但能使酶充分发挥催化作用。过去曾称其为水不溶酶或固相酶。1972年第一届国际酶工程会上正式建议采用固定化酶的名称。
三、 固定化酶的方法
1.载体结合法 　　
最常用的是共价结合法，即酶蛋白的非必需基团通过共价键和载体形成不可逆的连接。在温和的条件下能偶联的蛋白质基团包括：氨基、羧基、半胱氨酸的巯基、组氨酸的咪唑基、酪氨酸的酚基、丝氨酸和苏氨酸的羟基。参加和载体共价结合的基团，不能是酶表现活力所必需的基团。以中国首先采用的双功能团试剂“对位-β-硫酸酯乙砜基苯胺”偶联载体和酶为例，载体结合的步骤如下反应式。 　

此法曾先后用于3′-核糖核酸酶、5′-磷酸二酯酶和葡萄糖淀粉酶等的固定化。此外酶通过物理吸附或离子吸附于载体制备固定化酶也是常用的方法。
2.交联法 　　
依靠双功能团试剂使酶分子之间发生交联凝集成网状结构，使之不溶于水从而形成固定化酶。常采用的双功能团试剂有戊二醛、顺丁烯二酸酐等。酶蛋白的游离氨基、酚基、咪唑基及巯基均可参与交联反应。 　　
3.包埋法 　　
酶被裹在凝胶的细格子中或被半透性的聚合物膜包围而成为格子型和微胶囊型两种。包埋法制备固定化酶除包埋水溶性酶外还常包埋细胞，制成固定化细胞，例如可用明胶及戊二醛包埋具有青霉素酰化酶活力的菌体，可连续水解帤基青霉素，工业生产6-氨基青霉烷酸。 　　
酶经过固定化后，比较能耐受温度及pH的变化，最适pH往往稍有移位，对底物专一性没有任何改变，实际使用效率提高几十倍（如5′-磷酸二酯酶的工业应用）甚至几百倍（如青霉素酰化酶的工业应用）。
四、 固定化酶的优缺点
固定化酶的研究已取得重要成果，发挥着极大的作用并受到人们的关注。其重要原因是它和水溶性酶比较具有以下优点：极易将固定化酶与底物、产物分开；产物溶液中没有酶的残留，简化了提纯工艺；可以在较长时间内反复使用，有利于工艺的连续化、管道化；酶反应过程可以严格控制，有利于工艺自动化和微电脑化；在绝大多数情况下提高了酶的稳定性；较能适应于多酶反应；酶的使用效率提高，产物的率提高，产品质量有保障，成本低。
当然，固定化酶也存在一些缺点，比如酶固定化时酶的活力有所损失，同时也增加了固定化的成本，使工厂开始投资大；只是比较适应水溶性底物和小分子底物；与完整细胞相比较，不适应于酶反应，特别是需要辅因子的反应，同时对胞内酶须经分离后，才能固定化。
五、 固定化酶在制药工业上的应用
1.固定化的青霉素酰化酶生产制造抗生素
青霉素酰化酶能以青霉素或头孢霉素为原料，可以分别在青霉素的6位或者头孢霉素的7位催化酰氨键的形成与断裂。典型的应用顺序为首先催化青霉素或头孢霉素酰氨键的断裂，获得半合成抗生素的直接底物6-氨基青霉烷酸（6-APA）或7-氨基头孢霉烷酸（7-ACA）；然后在其他酰基供体存在的条件下催化形成新的酰氨键，从而获得具有全新侧链的新型抗生素。
2.生物传感器
生物传感器是用酶膜（包括细胞、组织、微生物制成的膜）与电、光、热等敏感的元件组成一种装置称。其采用固定化生物活性物质作催化剂，价值昂贵的试剂可以重复多次使用，克服了过去酶法分析试剂费用高守望缺点。其原理为：待测物质经扩散作用进入生物活性材料，经分子识别，发生生物学反应，产生的信息继而被相应的物理或化学换能器转变成可定量和可处理的电信号，再经两次仪表放大并输出，便可知道待测物浓度。
应用最早的葡萄糖传感器是采用固定化葡萄糖氧化酶的生物膜作为活性材料，在有氧气存在的情况下，当样品中的葡萄糖组分接触到固定在膜上的葡萄糖氧化酶时，就被转化为过氧化氢和葡萄糖酸。产生的过氧化氢可以通过电化学的方法通过氧电极进行准确的测量。由于葡萄糖的浓度和经酶催化产生的过氧化氢浓度之间存在线性关系，所以可以通过氧电极作为换能器将过氧化氢浓度转化为电信号，从而通过电信号的强弱来表示样品中葡萄糖的浓度。
六、 总结
固定化酶技术以其巨大的市场应用价值越来越广泛的受到社会各界的关注。随着科学领域的不断探索和发现，我们有理由相信在不久的未来，固定化酶技术将为人类社会创造更多的财富。在制药工业方面，随着生物传感器的不断研发，固定化酶技术对于医药工业的贡献也将越来越巨大。然而这一切的一切还有望科学技术的不断更新，研究领域的不断深入！

参考文献
[1]周晓云 酶学原理与酶工程 中国轻工业出版社 2005-08-01
[2]陈建龙等 固定化酶研究进展 化学与生物工程 2006,23（2）:7—9
[3]施巧琴 酶工程 科学出版社，2005
[4]陈陶声 固定化酶理论与应用 北京轻工业出版社，1987
[5]百度词条：酶工程 固定化酶等