第三章 固定化酶与固定化细胞

⾼中⽣物第三章酶的应⽤技术实践第⼆节固定化酶的制备和应⽤学案苏教版选修1第⼆节固定化酶的制备和应⽤学习导航明⽬标、知重点难点固定化酶和固定化细胞的应⽤。

(重点)固定化酶与固定化细胞的制备⽅法。

(难点)[学⽣⽤书P43]⼀、阅读教材P63分析固定化酶1．概念：是指⽤物理学或化学的⽅法将酶与固相载体结合在⼀起形成的仍具有酶活性的酶复合物。

2．优点：在催化反应中，它以固相状态作⽤于底物，反应完成后容易与⽔溶性反应物和产物分离，可被反复使⽤，且保持了酶的催化性能，可实现酶促反应的连续化和⾃动化。

3．制备固定化酶的常⽤⽅法⽬前，制备固定化酶的⽅法主要有物理吸附法、化学结合法、包埋法等。

⼆、阅读教材P64～65分析固定化细胞技术的应⽤1．应⽤：固定化细胞可以取代游离的细胞进⾏发酵，⽣产各种物质。

2．优点(1)固定化细胞技术⽆须进⾏酶的分离和纯化，减少了酶的活⼒损失，同时⼤⼤降低了⽣产成本。

(2)固定化细胞不仅可以作为单⼀的酶发挥作⽤，⽽且可以利⽤细胞中所含的复合酶系完成⼀系列的催化反应。

(3)对于活细胞来说，保持了酶的原始状态，酶的稳定性更⾼。

(4)细胞⽣长停滞时间短，反应快等。

3．缺点(1)固定化细胞只能⽤于⽣产细胞外酶和其他能够分泌到细胞外的产物。

(2)由于载体的影响，营养物质和产物的扩散受到⼀定限制。

(3)在好氧性发酵中，溶解氧的传递和输送成为关键的限制因素。

4．酵母菌细胞的固定化技术的主要流程准备各种实验药品和器材↓制备麦芽汁↓活化酵母菌细胞↓配制物质的量浓度为0.05 mol/L的氯化钙溶液↓制备固定化细胞↓浸泡凝胶珠，⽤蒸馏⽔洗涤↓发酵麦芽汁判⼀判(1)酶在催化时会发⽣变化，不可反复利⽤。

(×)(2)某种固定化酶的优势在于能催化⼀系列⽣化反应。

(×)(3)固定化细胞所固定的酶都在细胞外起作⽤。

(×)(4)制备固定化细胞的⽅法主要有包埋法、化学结合法和物理吸附法。

(×)连⼀连固定化酶技术[学⽣⽤书P44]由于酶的分离与提纯有许多技术性难题，造成酶制剂来源有限、成本⾼、不利于⼤规模使⽤。

固定化酶的制作方法固定化酶的方法主要有吸附法、包埋法、共价结合法、共价交联法、结晶法(一)、吸附法吸附法是通过载体表面和酶分子表面间的次级键相互作用而达到固定目的的方法。

只需将酶液与具有活泼表面的吸附剂接触，再经洗涤除去未吸附的酶便能制得固定化酶。

是最简单的固定化技术，在经济上也最具有吸引力.物理吸附法(physical adsorption)是通过氢键、疏水键等作用力将酶吸附于不溶性载体的方法。

常用的载体有：高岭土、皂土、硅胶、氧化铝、磷酸钙胶、微空玻璃等无机吸附剂，纤维素、胶原以及火棉胶等有机吸附剂。

离子结合法(ion binding)是指在适宜的pH和离子强度条件下，利用酶的侧链解离基团和离子交换基间的相互作用而达到酶固定化的方法（离子键）。

最常用的交换剂有CM-纤维素、DEAE-纤维素、DEAE-葡聚糖凝胶等；其他离子交换剂还有各种合成的树脂如Amberlite XE-97、Dowe X-50等。

离子交换剂的吸附容量一般大于物理吸附剂。

影响酶蛋白在载体上吸附程度的因素:1. pH：影响载体和酶的电荷变化,从而影响酶吸附。

2. 离子强度：多方面的影响，一般认为盐阻止吸附。

3. 蛋白质浓度：若吸附剂的量固定，随蛋白质浓度增加，吸附量也增加，直至饱和。

4. 温度：蛋白质往往是随温度上升而减少吸附。

5. 吸附速度：蛋白质在固体载体上的吸附速度要比小分子慢得多。

6. 载体：对于非多孔性载体，则颗粒越小吸附力越强。

多孔性载体，要考虑吸附对象的大小和总吸附面积的大小。

吸附法的优点：操作简单，可供选择的载体类型多，吸附过程可同时达到纯化和固定化的目的，所得到的固定化酶使用失活后可以重新活化和再生。

吸附法的缺点：酶和载体的结合力不强，会导致催化活力的丧失和沾污反应产物；经验性强。

（二）、包埋法包埋法是将酶物理包埋在高聚物网格内的固定化方法。

(如将聚合物的单体和酶溶液混合后，再借助聚合促进剂的作用进行聚合，将酶包埋于聚合物中以达到固定化的目的）。

固定化酶与固定化细胞技术酶是具有生物催化功能的生物大分子(蛋白质或RNA)，但通常指的是由氨基酸组成的酶，本章也仅探讨此类酶。

作为一种生物催化剂，参与生物体内各种代谢反应，而且反应后其数量和性质不发生变化。

由于酶的高级结构对环境十分敏感，各种因素(包括物理因素、化学因素和生物因素)均有可能使酶丧失活力。

但在常温常压条件下能高效地进行反应，且具有很高的专一性，副反应少，许多难以进行的有机化学反应在酶的作用下都能顺利进行。

由于酶的这些特点，大大促进了酶的应用和酶技术的研究。

酶被人们广泛应用于酿造、食品、医药等领域，特别是近几年来，随着分子生物学的发展，酶的应用更加活跃。

由于酶反应随着时间的延长，反应速度会逐渐降低，反应后酶不能回收，这就限制了酶的应用范围。

如果能将酶固定在惰性支持物上制成固定化酶，仍具有催化作用，还能回收反复使用，并且生产可以连续化、自动化。

从20世纪60年代固定化酶技术发展以来，不仅在酶学理论研究中发挥独特作用，在实际应用中也显示出强大的威力。

随着技术的不断发展，广义的固定化酶发展到固定化辅酶、固定化细胞及固定化细胞器等，固定化酶在食品、医药、化工和生物传感器制造上都有成功的应用实例。

对一个特定的目的和过程来说，是采用细胞，还是采用分离后的酶作催化剂，要根据过程本身来决定。

一般来说，对于一步或两步的转化过程用固定化酶较合适；对多步转换，采用固定化细胞显然有利。

第一节固定化酶固定化酶(immobilized enzyme)是指在一定空间内呈闭锁状态存在的酶，能连续地进行反应，反应后的酶可以回收重复使用。

酶的固定化是将酶与水不溶性载体结合，制备固定化酶的过程。

固定化酶的形状依不同用途有颗粒、线条、薄膜和酶管等，颗粒状占绝大多数；颗粒和线条主要用于工业发酵生产；薄膜主要用于酶电极；酶管机械强度较大，主要用于化学工业生产。

目前，由于固定化酶的性质比游离酶及其相关技术优越，人们对其极感兴趣，因此固定化酶的应用也与日俱增。

第三章酶的应用技术实践3.2制备和应用固定化酶探究目的：1、说出固定化酶和固定化细胞的作用和原理2、尝试制备固定化酵母细胞，并利用固定化酵母细胞进行酒精发酵。

探究预习：固定化酶技术的发展也促进了固定化细胞技术的发展。

20世纪70年代后期出现了固定化细胞技术。

通过各种方法将细胞与一定的载体结合，使细胞仍保持原有的生物活性，这一过程称为细胞固定化。

固定化细胞仍能进行正常的生长、繁殖和代谢，由于保留了细胞内原有的多酶系统，这对多步催化的连续反应优势就更加明显。

细胞固定化的方法也有多种，主要是吸附法和包埋法两大类。

吸附法是制备固定化动物细胞的主要方法。

动物细胞大多数具有附着特性，能够很好地附着在容器壁、微载体和中空纤维等载体上。

吸附法制备固定化植物细胞，是将植物细胞吸附在泡沫塑料的大孔隙或裂缝之中，也可将植物细胞吸附在中空纤维的外壁上。

包埋法是指将细胞包埋在多孔载体的内部而制成固定化细胞的方法。

凝胶包埋法是应用最广泛的细胞固定化方法，适用于各种微生物、动物和植物细胞的固定化。

凝胶包埋法所使用的载体主要有琼脂、海藻酸钠凝胶、角叉菜胶、明胶等。

海藻酸钠凝胶包埋法制备固定化细胞的操作简便，条件温和，对细胞无毒性。

通过改变海藻酸钠的浓度可以改变凝胶的孔径，适合于多种细胞的固定化。

用海藻酸钠凝胶制备的固定化细胞已用于多种酶的发酵生产与研究。

固定化细胞技术可以取代游离的细胞进行发酵，生产各种物质。

材料用具：干酵母，聚乙烯醇，海藻酸钠，无水CaCl2，蒸馏水，烧杯，玻璃棒，酒精灯，三角架，石棉网，注射器等。

探究反思：固定化酵母菌技术有哪些优点？探究示例：请参照细胞固定化技术的相关基础知识，完成下列问题。

（1）细胞固定化技术一般采用包埋法固定化，采用该方法的原因是____________________________________________________________________。

（2）包埋法固定化是指_________________________________。

⏹第三章固定化酶与固定化细胞⏹第一节概述⏹第二节固定化酶的性质及其影响因素⏹第三节固定化酶的制备⏹第四节固定化细胞⏹第五节固定化辅酶和原生质体⏹第六节酶反应器和固定化酶（细胞）的应用⏹第一节概述⏹什么是固定化酶？⏹第一节概述二．固定化酶的优缺点⏹多次使用⏹可以装塔连续反应⏹优点：纯化简单⏹提高产物质量⏹应用范围广⏹缺点：首次投入成本高⏹大分子底物较困难⏹第一节结束⏹点击返回⏹第二节固定化酶的性质及其影响因素⏹一．影响固定化酶性质的因素⏹二．固定化后酶性质的变化⏹三．评价固定化酶的指标⏹一．影响固定化酶性质的因素1．酶本身的变化，主要是由于活性中心的氨基酸残基、高级结构和电荷状态等发生了变化。

⏹二．固定化后酶性质的变化⏹1．固定化对酶活性的影响：⏹酶活性下降，反应速度下降2．固定化对酶稳定性的影响⏹稳定性提高（原因）⏹3．pH的变化（原因）⏹载体带负电荷，pH向碱性方向移动。

⏹载体带正电荷，pH向酸性方向移动。

⏹催化反应的产物为酸性时，固定化酶的pH值比游离⏹酶的pH值高；反之则低⏹固定化后酶稳定性提高的原因：⏹ a. 固定化后酶分子与载体多点连接。

⏹ b. 酶活力的释放是缓慢的。

⏹ c. 抑制自身降解，提高了酶稳定性。

⏹PH 对酶活性的影响：⏹（1）改变酶的空间构象⏹（2）影响酶的催化基团的解离⏹（3）影响酶的结合基团的解离⏹（4）改变底物的解离状态，酶与底物不能结合或结合后不能生成产物。

⏹4．最适温度变化一般与游离酶差不多，但有些会有较明显的变化。

5．底物特异性变化⏹作用于低分子底物的酶特异性没有明显变化⏹既可作用于低分子底物又可作用于大分子低物的酶⏹特异性往往会变化。

6．米氏常数Km的变化，Km值随载体性质变化（链接）⏹米氏常数Km的变化，Km值随载体性质变化由于分配效应：ρ=[Si]微环境/[S]宏观环境Km'=Km/ρ(表观米氏常数)⏹（1）载体与底物带相同电荷，Si]<[S],ρ<1,Km’>Km固定化酶降低了酶的亲和力。

酶的固定化练习1 细胞固定化技术与酶固定化技术相比，所具备的特点是( )。

A．成本更低、操作更容易、不能连续生产B．成本更高、操作更难、不能连续生产C．成本更低、操作更容易、能连续生产D．成本更低、操作更难、能连续生产2 关于固定化酶的叙述中，不正确的是（）。

A．既能与反应物接触，又能与产物分离B．固定在载体上的酶可被反复利用C．可催化一系列反应D．酶的活性和稳定性受到限制3 在包埋固定法中，下列哪一项不是常用的载体？（)A．明胶B．琼脂糖C．海藻酸钠D．纤维素4 用固定化酵母细胞发酵葡萄糖溶液时,发现无酒精产生,原因不可能是( )。

A．瓶内氧气充足,进行了有氧呼吸，通过出芽生殖繁殖了后代B．实验瓶口被密封了C．固定化酵母细胞内可能没有酵母细胞D．所谓的葡萄糖溶液可能是其他物质,使酵母菌无法进行酒精发酵5 下列不属于固定化酶在利用时的特点的是（）.A．有利于酶与产物分离B．可以被反复利用C．能自由出入依附的载体D．一种固定化酶一般情况下不能催化一系列酶促反应6 下列关于固定化酶和固定化细胞的叙述,正确的是（）.A．固定化细胞技术在多步连续催化反应方面优势明显B．固定化酶的应用中，要控制好pH、温度和溶解氧C．利用固定化酶降解水体中有机磷农药，需提供适宜的营养条件D．利用固定化酵母细胞进行发酵，糖类的作用只是作为反应底物7 乙醇等“绿色能源”的开发备受世界关注.利用玉米秸秆生产燃料酒精的大致流程为：(1)玉米秸秆经预处理后，应该选用________酶进行水解，使之转化为发酵所需的葡萄糖。

（2）（多选)从以下哪些微生物中可以提取上述酶?（）A．酿制果醋的醋酸菌B．生长在腐木上的霉菌C．制作酸奶的乳酸菌D．生产味精的谷氨酸棒状杆菌E．反刍动物瘤胃中生存的某些微生物（3）若从土壤中分离产生这种酶的微生物，所需要的培养基为________（按功能分），培养基中的碳源为________。

（4）从生物体提取出的酶首先要检测________，以便更好地将酶用于生产实践。