3.8　酶的应用

酶被广泛应用于日用化学品、食品、药品、大宗化学品、生物燃料、饲料、制革、污水处理等领域，与人们的日常生活越来越密切。如淀粉酶水解淀粉制备的糖浆是酒精、啤酒、味精、柠檬酸等发酵的原料；蛋白酶用于制革行业；脂肪酶常用于洗涤剂中。以下着重介绍酶在环境生物修复与监测、手性药物拆分以及治疗等方面的应用情况。

1）环境的生物修复

微生物在处理环境污染物方面发挥着重要作用，如生活和工业污水的生物处理（活性污泥法）。微生物处理的实质是利用胞内的酶催化转化污染物分子，使其成为无害物质或者有益物质。从废水处理现场经过分离富集，可以获得对难降解污染物有特殊作用的微生物菌种，在这些菌种中发现了特殊的酶，这些酶对污染物或其部分化学基团具有降解作用。如食品加工工业废水含油脂较多，处理这些含油脂工业废水的微生物富含脂肪酶；处理含酚废水的微生物则含有漆酶、辣根过氧化物酶等。除了降解或减毒外，人们越来越看重微生物具有将废物转化为有益物质的能力。例如利用微生物将农产品加工废水中的糖分转化为乳酸，将发酵工业废水中残余的葡萄糖或其他有机物质转化为沼气（甲烷+氢气），用饲养业的废弃物或生活垃圾经微生物发酵制取沼气等。

自然界中的土著微生物对人工合成的有机污染物的降解能力有限，因为它们缺乏分解人工合成的有机化合物的酶系，所以这些化合物被称为难降解污染物，如农药、多氯联苯等。通过现代生物技术手段可以对自然土著微生物进行一系列的驯化、诱变和基因改造，培育出能高效降解人工合成化合物的微生物，如利用基因工程技术可以组建具有特殊功能的基因工程菌株，将其应用于环境的生物修复中。我国在1982年首先发现了可以降解农药六六六的BHC质粒，于是将其转化导入大肠杆菌中，得到具有降解六六六功能的大肠杆菌。黄杆菌属中有能够分解尼龙寡聚物的质粒，把该质粒导入到能够在污泥中大量繁殖生存的大肠杆菌中，就可以获得能够降解尼龙的工程菌株。还有抗金属基因工程菌、抗除草剂工程菌、抗杀虫剂工程菌，这些微生物将逐渐应用到治理环境污染当中。通过细胞工程技术如原生质体融合技术也可以获得优良的菌株，比如苏云金杆菌属的大多数菌种都能够产生有毒的伴胞晶体，这些伴胞晶体对人体无害却可以杀死害虫，所以利用苏云金杆菌可以生产环境友好型杀虫剂。在应用非土著微生物，特别是基因工程菌时，生物安全性评价（微生物对环境、生态及人的影响）尤为重要。

2）污染物的环境监测

用于环境监测的酶一般以生物传感器的形式出现，该方法具有快速、灵敏的特点，适于野外现场快速检测样品。如脲酶被用于环境（如土壤）中尿素含量的快速监测；用白腐菌的漆酶和石墨制作生物传感器检测水中的酚类；用磷酸酯酶、胆碱酯酶或酪氨酸酶制作酶生物传感器，依据有机磷农药对酶的抑制作用，通过测量底物电流和抑制电流计算出抑制率，从而达到定量的目的。如用乙酰胆碱酯酶生物传感器制作蔬菜有机磷农药残留的微型测定仪。

3）酶法合成或拆分手性化合物

酶催化合成的专一性及选择性较化学催化剂合成有明显的优势，为此可以利用微生物或酶的区域、位点、立体选择性，实现化学法难以完成的化学反应，如羟化、环氧化、异构化、水解、对映体拆分、药物中间体合成等，尤其是不对称合成或拆分醇、醛、酮、酸、胺、酰胺、氨基酸、抗生素、糖苷酶抑制剂及抗病毒药物等手性化合物，作为农药、药物、香料、杀虫剂、除虫剂、昆虫激素、信息素等。作为药物，只有特定手性的化合物才具有生物活性，直接关系到药理作用、毒副作用、药效时间及疗效等。在有机材料中，如液晶、“靶”性化合物、半导体及导电性功能高分子材料，手性组分决定其物理性能。

几乎所有种类的酶均可用于有机合成及手性化合物合成，包括水解酶类、氧化还原酶类、裂解酶类、连接合成酶类、异构酶类及转移酶类。如脂肪酶可广泛用于合成各种氨基酸、羧酸、手性醇等，在非水相中催化酯化或转酯化可拆分得到光学纯的外消旋羧酸及醇手性药物中间体、催化羟基羧酸酯自身缩合得到高分子聚酯；蛋白酶用于大肽链合成；糖基化转移酶可合成有医用价值的糖基化蛋白质；过氧化物酶催化酚及芳香胺类的聚合反应，这类分子材料刚性增强且有明显导电性，与金属离子络合性，场致发光性及制备为纳米材料；大多数醇脱氢酶及羟类固醇脱氢酶催化羟-酮的氧化还原，制备药物、信息素、甾类等。酵母醇脱氢酶主要催化脂肪醇或醛酮氧化还原，马肝醇脱氢酶对脂肪环烷醇或醛酮专一氧化还原，而甾醇脱氢酶主要催化稠环脂肪醇或醛酮的氧化还原。

4）酶法治疗

酶类药物有很多，可分为以下六类。

①助消化酶类：胃蛋白酶、胰酶、胰蛋白酶、胰淀粉酶、胰脂肪酶、脂肪酶（微生物发酵）、麦芽淀粉酶。

②蛋白水解酶类：糜蛋白酶、溶菌酶、胰DNA酶、菠萝蛋白酶、无花果蛋白酶、木瓜蛋白酶、枯草杆菌蛋白酶、黑曲霉蛋白酶、胶原蛋白酶、弹性蛋白酶、胰腺、颌下腺及尿激肽释放酶。

③凝血酶及抗栓酶：凝血酶（猪血、牛血）、纤溶酶、尿激酶、链激酶、蛇毒凝血酶（或称溶栓酶、抗栓酶）、蚓激酶、曲纤溶酶。

④抗肿瘤酶类：L-天冬酰胺酶、甲硫氨酸酶、组氨酸酶、精氨酸酶、谷氨酸酶。

⑤其他酶类：超氧化物歧化酶（SOD）、RNA酶、DNA酶、青霉素酶、玻璃酸酶、抑肽酶（膜蛋白酶抑制剂）。

⑥辅酶：辅酶A（CoA）、辅酶Q10（CoQ10）、黄素单核苷酸（FMN）、黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）。

以下着重介绍一些酶类药物的功能。

①降纤酶：对急性缺血性脑血管病有治疗作用，无出血倾向等副作用，对不稳定性心绞痛症状和血流变参数亦有十分显著的改善作用。

②蚓激酶：具有抗栓溶栓作用，十二指肠给药可使家兔颈外静脉血栓溶解变小，可使脑栓塞面积明显缩小。

③链激酶：能促进体内纤维蛋白溶解系统的活力，使纤维蛋白溶酶原转变为活性的纤维蛋白溶酶，引起血栓内部崩解和血栓表面溶解。用于深静脉血栓形成、周围动脉血栓形成或血栓栓塞、血管外科手术后的血栓形成、肺栓塞、新鲜心肌梗死、中央视网膜动静脉血栓形成等。

④胰蛋白酶：具有分解肽链的作用，能消化溶解变性蛋白质，对未变性的蛋白质无作用，因此能使脓、痰液、血凝块等消化变稀，易于引流排除，加速创面净化，促进肉芽组织新生，而不损伤正常组织或损伤极微（因血清内有胰蛋白酶抑制物）。此外还有抗炎作用，临床上用于脓胸、血胸、外科炎症、溃疡、创伤性损伤、瘘管等所产生的局部水肿、血肿、脓肿等。近年发现胰蛋白酶可用于治疗毒蛇咬伤，可能是蛇毒中的某种蛋白质成分被水解破坏。

⑤抑肽酶：能抑制胰蛋白酶及糜蛋白酶，阻止胰脏中其他活性蛋白酶原的激活及胰蛋白酶原的自身激活，故可用于各型胰腺炎的治疗与预防；能抑制纤维蛋白溶酶和纤维蛋白溶酶原的激活因子，阻止纤维蛋白溶酶原的活化，用于治疗和预防各种纤维蛋白溶解所引起的急性出血；能抑制血管舒张素，从而抑制其舒张血管、增加毛细血管通透性、降低血压的作用，用于各种严重休克状态。此外，抑肽酶在腹腔手术后直接注入腹腔，能预防肠粘连。

⑥玻璃酸酶：一种能水解透明质酸的酶（透明质酸为组织基质中具有限制水分及其他细胞外物质扩散作用的成分），可促使皮下输液或局部积贮的渗出液或血液加快扩散而利于吸收。用于：a.一些以缓慢速度进行静脉滴注的药物，如各种氨基酸、水解蛋白等，在与该酶合用的情况下可改为皮注或肌注，使吸收加快；b.皮下注射大量的某种抗生素（如链霉素）或其他化疗药物（如异烟肼等）以及麦角制剂时，合用该酶，可使扩散加速，减轻痛感；c.将该酶溶解在局部麻醉药中，再加入肾上腺素，可加速麻醉，并减少麻醉药的用量；d.与胰岛素合用，可防止注射局部浓度过高而出现的脂肪组织萎缩。胰岛素休克疗法中使用该酶，可促使胰岛素吸收量增加，注射较小量即可达血中有效浓度，因而减少其危险性。

⑦复合磷酸酯酶：具有磷酸酯酶活性的一种多酶制剂，能促进或调节人体的正常代谢，用于迁延性肝炎、慢性肝炎、早期肝硬化、冠心病、硬皮病、小儿顽固性牛皮癣、再生障碍性贫血、白细胞减少症等的辅助治疗。

⑧超氧化物歧化酶：能清除炎症中伴随产生的自由基，显示抗炎作用；无免疫调节及镇痛作用，也不影响前列腺素等炎症介质的合成。可用于前列腺癌或膀胱癌放射治疗后遗症、类风湿性关节炎。

⑨胶原酶：具有独特的消化天然胶原和变性胶原的能力。由于对坏死组织有较强的消化作用，故可促进上皮细胞生长，加快创口愈合而不影响人体正常神经、血管和肌肉组织。外用油膏用于Ⅱ度灼伤的清创、脱痂和减少疤痕增生、慢性溃疡、褥疮等。