酶工程:微生物发酵产酶
80页1、微生物发酵产酶,本章主要内容: 酶的生产方法; 酶生物合成的基本理论; 发酵产酶的工艺条件及控制;,难点: 酶生物合成的诱导和阻遏; 发酵过程细胞生长与酶合成之间的关系。,重点: 酶生物合成的基本理论; 微生物发酵产酶工艺。,微生物发酵产酶,目前工业用酶大多数来自微生物。经过预先设计,通过人工操作,利用微生物细胞的生命活动获得所需酶的技术过程称为酶的发酵生产。 酶的发酵生产是现在酶生产的主要方法。,酶发酵生产的前提之一:选育到性能优良的产酶微生物! 对产酶微生物的要求: (1)产酶量高; (2)易培养和管理; (3)产酶性能稳定; (4)利于酶产品的分离纯化; (5)安全可靠、无毒性等。,酶发酵生产的类型,1、固体培养发酵:主要适于各种霉菌的发酵产酶 培养基以麸皮、米糠等为主要原料,经灭菌后,接入产酶菌株,在一定条件下发酵。 exp: 麸皮、米糠 酒曲、酱油曲 淀粉酶、蛋白酶 优点:设备简单,操作方便,酶浓度高。 缺点:劳动强度大,原料利用率低,生产周期长。,2、液体深层发酵(目前酶发酵生产的主要方式 ) 液体培养基,经灭菌、冷却后,接入产酶细胞,在一定条件下发酵。,适于微生物、动植物
2、细胞。 优点:机械化强度高,酶产率高,产品回收率高 缺点:技术管理要求高,3、固定化细胞发酵(70年代后期发展) 将细胞固定在载体上后,进行发酵生产。 优点:细胞密度高,可反复使用,利于产品分离纯化 缺点:需要特殊的固定化细胞反应器,只适用胞外酶生产 4、固定化原生质体发酵(80年代中期发展) 原生质体是指除去了细胞壁的微生物细胞或植物细胞。 优点:解除细胞壁扩散阻碍;易于细胞间质中的酶的 分泌;可反复或连续使用 缺点:制备复杂,维持较高的渗透压,需防止细胞壁再生,第一节 微生物细胞中酶生物合成的调节,一、酶生物合成的基本过程,DNA,RNA,蛋白质(新生多肽链),成熟蛋白质(酶),胞内,胞外,转录,翻译,加工,分泌或定位,二、酶生物合成的调节,定义:通过调节酶合成的量来控制微生物代谢速度 的调节机制,主要是在基因转录水平上进行的。 意义:通过阻止酶的过量合成,节约生物合成的原料和能量。,按酶生物合成的速度,把细胞中合成的酶分为两类:,(适应型酶、调节型酶),1960,Jacob和Monod提出的操纵子学说阐明; 与生物合成相关的四个基因: 调节基因Regulator gene ; 启
3、动基因Promoter gene ; 操纵基因Operator gene; 结构基因Structural gene ;,调节基因(R): 可产生一种变构蛋白,通过与效应物(effector) (包括诱导物和辅阻遏物)的特异结合而发生变构作用,从而改变它与操纵基因的结合力。 调节基因常位于调控区的上游。,启动基因(P)(启动子): 有两个位点: (1)RNA聚合酶的结合位点 (2)cAMP-CAP的结合位点。 CAP:分解代谢物活化剂蛋白,又称环腺苷酸受体蛋白(cAMP receptor protein,CRP)。,操纵基因(Operater gene): 位于启动基因和结构基因之间的一段碱基顺序,能特异性地与调节基因产生的变构蛋白结合,操纵酶合成的时机与速度。 结构基因(Structural gene): 决定某一多肽的DNA模板,与酶有各自的对应关系,其中的遗传信息可转录为mRNA,再翻译为蛋白质。,酶合成的基因调控类型:诱导和阻遏,1、酶合成的诱导作用,加进某些物质,使酶的生物合成开始或加速进行的现象,称为诱导作用。,诱导物一般是酶催化作用的底物或其底物类似物。,例:乳糖诱导-半乳
4、糖苷酶的合成 淀粉诱导a-淀粉酶的合成,2、酶合成的阻遏,(1)终产物阻遏 指酶催化反应的产物或代谢途径的末端产物使该酶的生物合成受到阻遏的现象。,(2)分解代谢物阻遏 是指某些物质经过分解代谢产生的物质阻遏其他酶合成的现象。,葡萄糖阻遏-半乳糖苷酶的生物合成 果糖阻遏a-淀粉酶的生物合成,A1 B1,A2 B2,E,色氨酸过量时会阻遏催化色氨酸合成的相关酶,三、酶生物合成的模式,微生物细胞在一定条件下培养生长, 其生长过程一般经历调整期、生长期、平衡期和衰退期等4个阶段,调整期,对数生长期,平衡期,衰亡期,时间,细胞数量的对数,(一)微生物生长曲线(Microbial growth curve),(二)酶生物合成的模式,(1)同步合成型 (2)延续合成型 (3)中期合成型 (4)滞后合成型,通过分析比较细胞生长与酶产生的关系, 可以把酶的 生物合成的模式分为4种类型:,1、同步合成型,酶的生物合成与细胞的生长同步进行,又称生长偶联型。大部分组成酶和部分诱导酶的生物合成属于同步合成型。,特点: (1)发酵开始,细胞生长,酶也开始合成,说明不受分解代谢物和终产物阻遏。 (2)生长至平衡期
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