生物催化剂-酶学的研究

2022-04-09

        酶是生物体内具有催化功能的蛋白质,因此,又叫生物催化剂。生物机体内的化学反应,几乎都是在酶的催化下进行的,因此酶学的研究,对于了解生命活动的规律,阐明生命现象的本质。以及指导有关的医学实践,工农业生产都有重要意义。

        在研究酶的性质、作用、反应动力学、结构与功能关系等问题时,都需要使用高度纯化的酶制剂以免除其他的酶或蛋白质的干扰。

        随着对生物大分子的结构功能与合成研究工作的进展,愈来愈需要各种专一的工具酶。迫切要求生化工作者,从各种来源的生物材料中分离制备各种纯净的酶制剂,并能采用高度特异的方法,快速,超微量的分析技术鉴定酶的质量,这方面的工作已取得显著的进展。

        到目前为止,已知酶大都是蛋白质,因此酶的分离提纯方法,也就是常用来分离提纯蛋白质的文法。由于选择的生物材料不同,各种酶的特点差别也较大,因此分离提纯酶的方法很多。目前常使用的提纯方法主要有盐析、有机溶剂沉淀、等电点沉淀、选择性变性、吸附层析、离子交换、亲和层析、高效液相层析、凝胶过滤各种制备电泳及逆流分溶等。在实际工作中,往往综合使用上述几种方法才能制备出一种纯净的酶制剂。

        提纯一种酶总希望纯度好,产率高。因此理想的分离提纯方法最好是比活力和总活力的回收率越高越好。但是实际上常常两者不可兼得,因而考虑分离提纯条件和方法时不得不在比活力多提高一些和总活力多回收一些之间作适当的选择。

        在酶的分离提纯过程中由于酶蛋白容易变性失活,为了获得较好的分离提纯效果,在工作中应特别注意以下几点:

        1.取用断鲜的材料,提取工作应在获得材料后立即开始。否则应在低温下保存,例如在-15℃左右冰冻保存,是一个比较安全的方法。

        在选择材料来源时必须注意来源丰富,酶的含量高,并要考虑到由于所选用的动植物种属及组织不同,提取方法也有差异。目前常用微生物为材料制备各种工具酶。

        2.用盐分级沉淀这是一种应用非常广泛的方法。由于硫酸铵在水中溶解度很大(20℃,每L可溶760g),并且对许多酶没有有害的影响,因此它是最常用的盐。事实上,它对某些酶还有稳定作用,而且一般并不需要在低温下进行分级沉淀。

        在用不同饱和度的硫酸胺作为沉淀剂时,应当注意硫酸铵达到饱和度时的温度。因为盐的溶解度随温度不同而有较大的变化,同时酶的溶解度亦随温度的改变而改变。

        盐析生成的沉淀,最好放置15分钟以上,使其沉淀完全,再进行分离。所采用的分离方法,虽视不同情况而异,但一般说来。低盐浓度时在离心机中较易沉降,但不易过滤。高盐浓度时在离心机中较难沉降,有时必须使用高速离心机(10000r/ min 以上),但过滤却比较容易。一般可采用折叠滤纸利用重力过滤,或是加入助滤剂应用减压过滤。当要求低温时,可在冷室或冰箱中进行,但过滤法所需时间较长,而离心法可以迅速达到分离目的。

        3。由于在室温下有机溶剂能使大多数酶失活,当利用有机溶剂分离酶时,要特别注意分离提纯工作必须在低温下进行。有机溶剂应预先冷却到-10~-15℃左右。加入有机溶剂时要慢慢滴加,充分搅拌,避免局部浓度过高而引起升温和变性,整个系统应维持在-10℃或更低的温度下。为此,酶溶液应置于冰盐冷冻剂中。

        用有机溶剂法所析出的沉淀一般容易在离心过程中沉降。用短时间的冰冻离心分出沉淀后,为避免酶活力丧失,应立刻将沉淀溶于适量的冷水或缓冲液中,以使有机溶刑稀释至无害的浓度,或将它在低温下透析。

        用有机溶剂法进行分离时,除应注意pH值及蛋白质浓度外,溶液的离子强度是一个重要的因素,一般在离子强度0.05或稍低为最好。

        4.在使用各种柱层析法分级分离酶时,要根据所分离酶的性质选用合宜规格的吸附剂,离子交换剂等。柱大小要适当,特别要注意作为洗脱用缓冲液的pH和离子强度,要控制一定的流速。柱层析的操作一般要求在冷室中进行。

        5.由于酶的蛋白质的特性,除少数例外,一般是对热不稳定的,并且随着酶的逐渐提纯,杂蛋白逐渐除去,总蛋白浓度逐渐降低,蛋白质的互相保护作用也相应减少。酶越纯,其热稳定性愈差。因此在酶的整个提纯过程中,应尽可能的保持较低的温度。

        在过滤或搅拌等操作过程中,要尽量防止泡沫的生成,以避免酶蛋白在溶液的表面变性。

        重金属离子对于某些酶有破坏作用,为此制备这类酶时,在提取液中加入少量金属螯合剂 EDTA 以防止重金属离子的破坏作用。有些含巯基的酶在分离提纯过程中,往往需要加入某种巯基试剂,如巯基乙醇,二硫苏糖醇(1,4-dithiothreitol)等,可防止酶的巯基在制备过程中被氧化。

        6.在酶的制各过程中,往往需要将酶溶液对水或缓冲液进行透析,在透析过程中若操作不当常使酶严重失活。一般要选择合适的透析外液,尽量缩短透析时间,该步操作一定要在冷室中进行。

        7.在每一步提纯步骤后,应分别测定留用以及准备弃去部分中酶的总活力和比活力。只有在多次成功完成某一种酶的提纯之后,才能略去在提纯过程中对某些步骤的活力测定。

        8.当通过各种提纯方法而获得较纯的酶溶液以后,就可能将酶进行结晶。酶的结晶过程进行得很慢,如果要得到好的晶体也许需要数天或数星期。通常的方法是把盐加入一个比较浓的酶溶液中至微呈混浊为止。有时需要改变溶液的 pH 或温度,轻轻摩擦玻璃壁等方法以便达到结晶的目的。

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