第九章酶的应用

第九章酶的应用第一节酶在医药方面的应用用酶进行疾病的诊断用酶进行疾病的治疗用酶制造各种药物一、酶在疾病诊断方面的应用1、酶的诊断人类疾病的治疗效果好坏，往往取决于诊断的准确性。酶催化的高效性、特异性、及作用条件温和等，因此酶学诊断方法具有可靠、简便又快捷的特点。根据体内原有酶活力的变化来诊断疾病的方法，称为酶的诊断。2、诊断用酶利用酶作为试剂，来测定体内与疾病有关的代谢物质的浓度变化，利用该物质浓度的变化程度作为诊断某种疾病及其病情严重程度的重要指标。二、酶在疾病治疗方面的应用（一）药用酶的治疗作用哪些病可以用药用酶治疗？⑴由于体内有害物质的积累所引起的疾病，可用酶来消除毒物。例：脲酶可消除血液中过量的尿素。⑵由于酶功能不正常、或酶缺乏、酶量不足所产生的疾病，可用酶来调整酶作用，或补充酶量。例：苯丙氨酸氧化酶可治疗先天性苯丙氨酸羟化酶的苯基酮尿症。⑶癌细胞内异常的生化环境可用酶来破坏，以杀死癌细胞。⑷由细菌、病毒引起机体产生的疾病，可用抗生素抑制微生物代谢所需要的酶，使微生物死亡。（二）药用酶的种类按治疗功能分，可分为六类：（三）药用酶的新剂型及新的给药方式酶治疗中遇到的几个问题⑴外源酶具有抗原性，注入人体后易产生过敏反应；⑵外源酶进入人体后极易被蛋白酶水解，被抑制剂抑制，因此在体内的半衰期很短，一般只有几分钟达不到治疗目的；⑶外源酶进入人体后如何集中到发病部位以达到最高疗效。新剂型及新的给药方式1、载酶人造细胞⑴载酶红细胞⑵载酶微囊⑶载酶脂质体2、酶用于体外循环装置透析：患者的血液，通过体外循环装置除去有毒代谢废物后，又返回体内。人的肾功能丧失时，血液中积累过多的尿素，会引起人体尿素中毒。肾病患者的血液，通过人工肾的小型透析器除去尿素后，重新返回体内。此尿素进入透析液，用定量泵将含尿素的透析液输入一个玻璃柱内。此玻璃柱一端装有脲酶微囊，另一端装有活性炭或离子交换树脂。当含尿素的透析液通过柱时，则尿素被脲酶水解成氨和CO2。氨被活性炭或离子交换树脂吸附；CO2返回血液循环，由肺排出体外。3、酶在药物制造方面的应用第二节酶在食品工业中的应用一、酶法生产葡萄糖、果葡糖浆二、酶法生产蛋白质类食品蛋白酶：催化蛋白质水解，制成混合氨基酸药物或营养品。明胶：一种可溶于热水的蛋白质凝胶。以富含胶原蛋白质的动物的皮或骨为原料，在蛋白酶的作用下，不溶性的天然胶原蛋白质水解为单链，生成可溶明胶。干酪：是乳中的酪蛋白凝固而成的食品。三、食品的酶法保鲜葡萄糖氧化酶：催化葡萄糖与氧反应生成葡萄糖酸和双氧水的一种氧化还原酶。可将葡萄糖氧化酶和食品一起密封，葡萄糖与氧反应除去密闭容器中的氧，防止氧化作用，从而达到保鲜的目的。四、酶在果蔬类食品生产中的应用柚苷酶使柚苷水解成无苦味的物质橙皮苷酶水解橙皮苷，防止柑橘类罐头制品出现白色浑浊花青素酶处理水果、蔬菜，可水解花青素，防止变为褐色或紫色果胶酶、纤维素酶、半纤维素酶、淀粉酶……五、酶法生产食品添加剂食品添加剂是指在食品加工过程中，为改善食品品质和色、香、味，防腐，以及加工需要，而加入食品中的天然或化学合成物质，如酸味剂、甜味剂、添鲜剂、增稠剂、乳化剂、强化剂等。酸味剂：乳酸、苹果酸；甜味剂：果葡糖浆、阿斯巴甜；鲜味剂：L-谷氨酸、L-天冬氨酸、肌甘酸；营养强化剂：L-赖氨酸、L-色氨酸、L-甲硫氨酸；第三节酶在轻工、化工方面的应用用酶进行原料处理用酶生产各种轻工、化工产品用酶增强产品的使用效果一、原料的处理1、发酵原料的处理微生物发酵大多以淀粉和饼粕等农副产品为原料，一些发酵生产菌不能直接利用这些原料，或需要很长时间才能用到原料中的营养成分。故必须对原料进行处理，将原料中的淀粉、纤维素等转化成易利用的小分子物质。淀粉酶、纤维素酶、蛋白酶……2、纺织原料的处理上浆：纺织工业中，为了增强纤维的强度和光滑性，以淀粉为上浆原料，用α-淀粉酶处理，经适当水解，淀粉黏度降低，符合上浆要求。退浆：纺织品在漂白、印染前，需将附在其上的浆料除去，否则染色和印花会不均匀，并易褪色。利用α-淀粉酶使浆料水解，就可使浆料褪尽了。3、生丝的脱胶处理天然蚕丝主要是不溶于水的有光泽的丝蛋白，丝蛋白的表面有一层丝胶包裹。在高级丝绸的制作过程中，采用胰蛋白酶、木瓜蛋白酶或微生物蛋白酶处理，可在比较温和的条件下催化丝胶蛋白水解，进行生丝脱胶。4、羊毛的除垢羊毛表面有鳞状物质，即一些蛋白质的聚合体。用枯草杆菌蛋白酶处理后，可消除鳞状物质，且还使毛料具有防缩水性，防止羊毛起球，形成毛毡。处理后的毛料很柔软，易于染色。5、皮革的脱毛和软化用微生物产生的碱性或中性蛋白酶，将毛与真皮连接的毛囊中的蛋白质水解除去，从而使毛脱落。脱毛后，采用酸性蛋白酶和少量脂肪酶进行皮革软化，以除去原料皮上黏附的油脂和污垢，使皮革松软、光滑。6、烟草原料的处理纤维素酶、半纤维素酶、果胶酶→烟梗、烟末→降低成本硝酸还原酶、蔗糖转化酶→烟草→增加香气α-淀粉酶、蛋白酶→促进烟叶内部有机物的分解转化，使各组分的比例趋向协调和平衡，具有缩短发酵周期，协调烟草香气，减轻刺激气味，提高香气的作用。7、造纸原料和纸浆的处理造纸原料的纤维中含有大量木质素，若不除去则会引起纸变成黄褐色，降低强度。可采用木质素酶处理。纸浆漂白，采用木聚糖酶、半纤维素酶、木质素过氧化物酶，可减轻环境污染程度，改善纸的强度和光泽。二、轻化工产品生产1、酶法生产氨基酸2、酶法生产有机酸L-苹果酸：在食品工业中是优良的酸味剂。L-酒石酸：从葡萄酒生产的副产物中可以提取，但产量有限。化学合成的是DL-型，水溶性较天然L-型差。酶法合成：①以钨酸钠为催化剂，将顺丁烯二酸与过氧化氢合成为环氧琥珀酸；②用环氧琥珀酸水解酶催化，将L-环氧琥珀酸开环成L-酒石酸。3、酶法生产核苷酸5’-磷酸二酯酶水解RNA，生产各种5’-核苷酸腺苷酸脱氨酶水解AMP生产5’-鸟苷酸核苷酸磷酸化酶，催化AMP生产ADP和ATP一般洗衣粉不易清除衣物的血渍和奶渍，但加酶洗衣粉则可以。一生物活性洗衣粉包装盒上印有以下材料：成分；蛋白酶0.2﹪，清洁剂15﹪；用法：洗涤前先将衣物用温水浸泡片刻，切勿用60℃以上的水，切勿用于丝质及羊毛衣料。20世纪80年代，日本的一家公司首先推出含有碱性纤维素酶制剂的洗衣粉。碱性纤维素酶本身不能去除衣物上的污垢，它的作用是使纤维的结构变得蓬松，从而使渗入到纤维深处的尘土和污垢能够与洗衣粉充分接触，从而达到更好的去污效果。碱性纤维素酶还能去除棉纺织品表面的浮毛，使洗涤后的棉纺织品柔软蓬松，织纹清晰，色泽更加鲜艳，穿着更加舒适。第四节酶法分析酶法分析：利用酶催化作用的高度专一性对物质进行检测。步骤：①酶反应，酶在适宜条件下进行催化反应；②检测，测定反应前后物质的变化情况。一、单酶反应定量酶电极；酶反应器……L-谷氨酸脱羧酶催化L-谷氨酸脱羧生成γ-氨基丁酸和CO2，CO2可以用华勃呼吸仪或CO2电极测定。脲酶催化尿素水解生成氨和CO2，用氨电极或CO2电极可确定尿素的含量。葡萄糖氧化酶测定葡萄糖的量。胆固醇氧化酶测定胆固醇的量。用虫萤光素酶结合光量计，测定ATP含量。二、建立酶反应系统酶法分析的目的：①测定代谢物浓度；②测定酶浓度。例：为了测定血清中胆固醇浓度，需要建立下面的反应系统：胆固醇氧化酶始发反应：胆固醇+O2→胆甾醇+H2O2过氧化物酶指示反应：H2O2+显色剂→色素+H2O可用可见光比色法测定色素的OD值，色素的OD值与胆固醇浓度成正比。三、酶盒和酶试纸1、酶盒：将酶反应系统中所需要的各种酶盒配套试剂以一定比例混合，做成酶诊断试剂盒。例：胆固醇测定试剂盒。优点：不需要配置各种试剂溶液，减少了化验的手续和误差，节省了时间，减少了工作量。2、偶联酶反应定量（酶试纸）葡萄糖氧化酶与过氧化物酶偶联，用以检测葡萄糖的含量。使用时将葡萄糖氧化酶、过氧化物酶和还原型邻联甲苯胺一起用明胶固定在滤纸上制成酶试纸。如用葡糖氧化酶测定血液、尿液中葡糖的含量：四、酶管和酶柱将酶固定在尼龙管内壁上，制成酶管，或者将固定化酶装填在柱内，制成酶柱。然后将它们与测试仪器（如分光光度计，荧光光度计，电量计等）组合在一起，可对样品中的目的物质含量进行自动分析。国外已有多种酶管自动分析仪，作为商品出售。优点：可连续、快速、自动测定微量样品。五、酶电极将酶固定在薄膜上，制成酶膜，然后将此酶膜与离子选择性电极结合，便制成了酶电极。例：葡萄糖氧化酶电极测定血液、尿液中葡萄糖含量；脲酶电极测定血液、尿液中尿素含量；乳酸脱氢酶电极测定血液中乳酸含量。六、酶标免疫测定是利用抗原与抗体专一结合的免疫反应和催化无色底物变成有色产物的酶反应，对样品中（血液中）的抗原或抗体进行定性定量测定的技术。该技术的核心是酶标免疫测定试剂（酶标记物）。用戊二醛作交联剂，将高纯度高活性的标记酶（用于标记抗原抗体的酶，常用辣根过氧化物酶）与高纯度高活性的抗原或抗体共价交联，制成酶标记物。则：辣根过氧化物酶-抗原+抗体→辣根过氧化物酶-抗原-抗体辣根过氧化物酶可催化无色底物（AH2）变成有色产物（A）：H2O2+AH2→2H2O+A第五节酶在生物技术方面的应用除去细胞壁大分子切割大分子连接第六节酶在环境保护中的应用环境监测废水处理可降解材料开发污水的来源及有毒成分：①由工业生产产生的污水，很多含有氰化物，芳香族化合物（苯酚，苯甲酸），金属有机化合物（有机汞），重金属离子（Pb2+，Hg2+，Cu2+）；②由农业产生的农业污水含有农药（有机磷）；③由家庭生活产生的污水含洗涤剂；污水中毒性成分能否被分解成无毒成分，关键在于：①所用微生物细胞是否含有能分解毒性成分的酶系或酶；②所用微生物能否在毒物诱导下，产生能分解该毒物的酶系或酶；③能否控制一定的毒物分解反应条件；对污水的生物净化的应用形式；①微生物细胞；②固定化微生物细胞；③酶制剂；④固定化酶；一、应用微生物细胞净化污水——活性污泥法①沉淀池将污水中的大颗粒、杂物沉淀下去；②在曝气池中，活性污泥吸附、分解污水中的毒性有机化合物，使之变成无毒物质；③二次沉淀池将活性污泥与无毒清水分开，然后排放清水，将一部分污泥回流入曝气池，重复使用。二、应用固定化酶净化污水净化静态污水宜选用酶布、酶片；净化动态污水，宜选用酶管。如污水含有多种有毒成分，按照分解有毒成分的反应顺序，沿污水在管内流动的方向，将分解毒物的多种酶分别固定在管内壁的不同部位。例如：用下管可以清除污水中的氰和酚两种毒物三、对环境中毒物的监测①利用胆碱酯酶监测有机磷农药污染胆碱酯酶可催化胆碱酯生成胆碱和有机酸。故可通过检测胆碱酯酶的活性变化，来判断是否受到有机磷农药的污染。②利用乳酸脱氢酶的同工酶监测重金属通过检测家鱼血清乳酸同工酶（SLDH）的活性变化，可检测水中重金属污染的情况及其危害程度。镉、铅和汞等可使SLDH活性升高；铜使之活性降低。③通过β-葡聚糖苷酸酶监测大肠杆菌污染大肠杆菌中的β-葡聚糖苷酸酶可将4-甲基香豆素基-β-葡聚糖苷酸水解成甲基香豆素基，其可在紫外光下发出荧光。④利用亚硝酸还原酶监测水中亚硝酸盐浓度亚硝酸还原酶可催化亚硝酸还原成氢氧化铵。故可用固定好的亚硝酸还原酶电极检测水中亚硝酸盐的浓度。第七节酶在能源开发中的应用一、由纤维素发酵生产乙醇纤维素经过冷冻粉碎后，利用固定化纤维素酶将其连续水解成葡萄糖。然后以纤维素水解液为原料，利用固定化酵母发酵，连续生产乙醇。二、由葡萄糖发酵生产氢利用某些微生物或蓝藻的氢化酶系，产生氢。氢化酶易失活，但固定化后，稳定性提高。三、微生物发酵生产甲烷葡萄糖通过甲烷产生菌的发酵，能产生甲烷。四、生物化学电池（微生物电池）将固定化葡萄糖氧化酶装在铂电极上，制成酶电极，与银电极组成燃料电池。在葡萄糖氧化酶催化下，产生电子，这个电子和H+可使该电池产生电流。葡萄糖氧化酶葡萄糖氧化酶+O2→葡萄糖酸+H++e-微生物电池，使利用微生物代谢产生的电极活性物质（如H2），通过阳极氧化后，获得电流的电池。