第二章___微生物发酵产酶
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酶工程期末复习题
第一章绪论
问题：试述木瓜蛋白酶的生产方法？
答：木瓜蛋白酶可以采用提取分离法、基因工程菌发酵法、植物细胞培养法等多种方法进行
生产。
(1)提取分离法：从木瓜的果皮中获得木瓜乳汁，通过各种分离纯化技术获得木瓜蛋白酶。
(2)发酵法：通过DNA重组技术将木瓜蛋白酶的基因克隆到大肠杆菌等微生物中，获得基因工程菌，在通过基因工程菌发酵获得木瓜蛋白酶。
(3)植物细胞培养法：通过愈伤组织诱导获得木瓜细胞，在通过植物细胞培养获得
木瓜蛋白酶。
第二章微生物发酵产酶
1、解释酶的发酵生产、酶的诱导、酶的反馈阻遏(产物阻遏)、分解代谢物阻遏。诱导物的种类？
答：酶的发酵生产：利用微生物的生命活动获得所需的酶的技术过程；
酶的诱导：加进某些物质，使酶的生物合成开始或加速的现象，称为诱导作用；
产物阻遏（反馈阻遏）：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。
分解代谢物阻遏（营养源阻遏）：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。
诱导物的种类：诱导物一般是酶催化作用的底物或其底物类似物，有的也是反应产物。
2、微生物产酶模式几种？特点？最理想的合成模式是什么？
答：（1）同步合成型特点：
a.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。
b.生长至平衡期后，酶浓度不再增长，说明mRNA很不稳定。
（2）延续合成型特点：
a.该类酶一般不受分解代谢产物阻遏和终产物阻遏。
b.该酶对应的mRNA是相当稳定的。
（3）中期合成型特点：
a.该类酶的合成受分解代谢物阻遏和终产物阻遏。
b.该酶对应的mRNA不稳定。
酶工程微生物发酵产酶课件
• 即产物阻遏，是指酶催 B. 有阻遏物
化反应的产物或代谢途
…R P
O
S1 S2
…
径的末端产物使该酶的
生物合成受到阻遏的现
象 阻遏物
• 阻遏物（repressor）
– 一般是酶催化反应的产
微生物发酵产酶
• 酶生物合成的模式（重点）
– 微生物细胞生长曲线（四阶段）
• 延迟期（调整期） Cell • 生长期（对数生长期a）mount • 平衡期 • 衰退期
• 酶生物合成的过程
– 肽链的合成 —— 翻译
• 以mRNA为模板，以氨基酸为底物，在核糖体上通过 各种tRNA、酶和辅助因子，合成多肽链的过程
• 氨基酸活化生成氨酰-tRNA • 肽链合成起始
微生物发酵产酶
• 酶生物合成的过程
– 肽链的合成 —— 翻 译
• 肽链延伸
• 肽链合成的终止
• 肽链翻译后加工
– 酶的生物合成模式（四类）
—— 根据酶产生与细胞生长的关系
• 同步合成型
• 延续合成型
0A
• 中期合成型
• 滞后合成型
B Time
CD
微生物发酵产酶
• 酶生物合成的模式
– 酶细生物合成的四种模式 细
胞
胞
/
/
酶
酶
浓
浓
度
第二章微生物发酵20121120
肽链从肽链-tRNA上水解出来，mRNA从 核糖体中分离，大小亚基拆开。 – 都需要释放因子RF(1,2)参与终止， – RF的作用是
• 辨认终止密码 • 促进肽链C端与tRNA3-OH酯键的水解
• 蛋白质前体加工--肽链从核蛋白体释放后， 经过细胞内各种修饰处理过程，成为有活 性的成熟蛋白质。
3.酶生物合成的调节
五种亚基的功能分别为： α 亚基：与启动子结合功能。 β 亚基：含催化部位，起催化作用，催化形
成磷酸二酯键。 亚基：在全酶中存在，功能不清楚。 β ’亚基：与DNA模板结合功能。 σ 亚基：识别起始位点。
4.真核生物的RNA聚合酶
• 三种RNA聚合酶Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,它们专一地转录不同的基因,其
转录过程和产物已各不相同
• 组成型 酶 环境因素对它们的合成速率影 响不大。如DNA、RNA聚合酶等。
• 适应型酶 环境因素对它们的合成速率影 响较大。
• 研究结果表明，转录水平的调节控制对酶 的生物合成是最重要的。
4.原核生物中酶生物合成的调节
• 转录水平的调节控制，又称为基因的调节， 它最早是由雅各(Jacnb)和莫诺德(Monod) 于1960年提出的操纵子学说来阐明的。 1965年，莫诺与雅可布即荣获诺贝尔生理 学与医学奖。
RF，等等) – 酶----氨基酰-tRNA合成酶，转肽酶，转位酶，等 – 无机离子----Mg2+
• 辨认终止密码 • 促进肽链C端与tRNA3-OH酯键的水解
• 蛋白质前体加工--肽链从核蛋白体释放后， 经过细胞内各种修饰处理过程，成为有活 性的成熟蛋白质。
3.酶生物合成的调节
五种亚基的功能分别为： α 亚基：与启动子结合功能。 β 亚基：含催化部位，起催化作用，催化形
成磷酸二酯键。 亚基：在全酶中存在，功能不清楚。 β ’亚基：与DNA模板结合功能。 σ 亚基：识别起始位点。
4.真核生物的RNA聚合酶
• 三种RNA聚合酶Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,它们专一地转录不同的基因,其
转录过程和产物已各不相同
• 组成型 酶 环境因素对它们的合成速率影 响不大。如DNA、RNA聚合酶等。
• 适应型酶 环境因素对它们的合成速率影 响较大。
• 研究结果表明，转录水平的调节控制对酶 的生物合成是最重要的。
4.原核生物中酶生物合成的调节
• 转录水平的调节控制，又称为基因的调节， 它最早是由雅各(Jacnb)和莫诺德(Monod) 于1960年提出的操纵子学说来阐明的。 1965年，莫诺与雅可布即荣获诺贝尔生理 学与医学奖。
RF，等等) – 酶----氨基酰-tRNA合成酶，转肽酶，转位酶，等 – 无机离子----Mg2+
酶工程微生物发酵产酶
（3）霉菌 黑曲霉：生产糖化酶、α-淀粉酶、果胶酶、酸性蛋白酶、过氧化氢酶、核糖核酸酶、脂肪酶等 米曲霉：生产糖化酶和蛋白酶，在我国传统的酒曲和酱油曲中得到广泛应用 红曲霉、青霉、木霉、根霉、毛霉 （4）酵母 啤酒酵母：主要用于酿造啤酒、酒精、饮料酒和面包制造。用于转化酶、丙酮酸脱羧酶、醇脱氢酶等的生产 假丝酵母：单细胞蛋白的主要生产菌
二、液体深层通气发酵法（最广泛应用） 采用液体培养基，置于发酵容器中，经灭菌、冷却后接入产酶细胞，在一定条件下进行发酵。 液体深层发酵是目前酶发酵生产的主要方式。 优点： ⑴不仅适用于微生物细胞，也可用于各种植物细胞和动物细胞的悬浮培养和发酵。 ⑵机械化程度较高，技术管理较严，酶产率较高，质量较好，产品回收率较高。 ⑶易于为人为控制。
第二章 微生物发酵产酶
本章内容
酶的发酵生产的概念——→优良菌种的筛选——→发酵的基本类型——→发酵工艺过程及条件控制 *酶的生物合成模式
在酶制剂发展的早期，酶多是从动植物原料中提取的。但是由于它们的生长周期长，酶在动植物组织中的含量低，又受地理、气候和季节等因素的影响，来源受到限制，不适于大规模的工业生产，因此除了部分用于医疗、疾病诊断及食品工业的酶外，目前基本都是以微生物作为生产酶的酶源，产酶微生Baidu Nhomakorabea的发酵技术在酶生产中是极为重要的。
六、提高酶产量的措施 1、添加诱导物 对于诱导酶的发酵生产，在发酵培养基中添加诱导物能使酶的产量显著增加。一般可分为三类： ①酶的作用底物，例如乳糖诱导ß-半乳糖苷酶的生成，青霉素是青霉素酚化酶的诱导物。 ②酶的反应产物，例如纤维素二糖可诱导纤维素酶的产生。 ③酶的底物类似物，例如异丙基-ß-D-硫代半乳糖苷（IPTG）对ß-半乳糖苷酶的诱导效果比乳糖高几百倍。其中使用最广泛的诱导物是不参与代谢的底物类似物。
第二章 微生物发酵产酶 - 2013-11-14-1
二、固定化细胞发酵产酶的工艺条件及其控制（P58） 1、固定化细胞的预培养 2、溶解氧的供给 采用适合细胞生长的生长培养基和工艺条件， 以利于固定在载体上的细胞生长繁殖。 3、温度的控制 必需增加溶解氧。 4、培养基组分的控制 方法： 一般在培养液进入反应器之前预先调节至适宜 温度。 控制影响固定化载体结构的物质含量。 加大通气量；
2.4.2 产酶动力学 研究细胞产酶速率及各种环境因素对产酶速 率的影响规律。 1、产酶动力学方程 RE=dE/dt=（αµ +β）· X
来自百度文库
RE：产酶速率
X：细胞浓度
µ ：细胞比生长速率
α ：生长偶联的比产酶系数 β ：非生长偶联的比产酶系数 E：酶浓度 t：时间
2、不同产酶模式的产酶动力学方程 （1）同步合成型（生长偶联型） dE/dt=（αµ β X +β）· 0 dE/dt=αµ X ·
2、固定化细胞产酶动力学 dE/dt= （αµ +β）Xf+γXg=εfXf+εgXg
ε f = αµ +β——游离细胞比产酶速率
ε g ＝ γ——固定在载体上细胞的比产酶速率
3、固定化细胞连续产酶动力学
dx/dt=µ · g+µ· f-DXf gX fX
D<µ时，发酵容器内的细胞浓度越来越高，直到达到 f 平衡为止。
2、细胞生长动力学方程的变型
微生物发酵产酶
第二章 微生物发酵产酶
教学要求：
➢ 掌握酶合成的基本理论； 原核生物中酶生物合成的调节机制（操纵子学说、葡
萄糖效应）； 发酵产酶工艺条件及其控制（pH调节控制、温度的调
节控制、溶解氧的调节控制）； 酶生物合成的模式。
➢ 理解提高酶产量的方法和措施； 产酶微生物的选择依据。
重点：
酶生物合成中的调节机制； 发酵过程中调节pH、温度、溶解氧的机理； 酶生物合成的4种模式。
难点：
分解代谢物阻遏作用（葡萄糖效应）。
概述
酶的发酵生产是当今大多数酶生产的主要方法。
定义： 酶的生物合成； 酶的发酵生产
1. 微生物发酵的特点：种类多、繁殖快、易培养、代谢能力强。
2. 产酶微生物应具备的条件：
酶的产量高、产酶稳定、容易培养和管理、
利于酶的分离纯化、安全可靠，无毒性。
3. 酶的发酵生产中微生物的培养方式：
与多肽链有各 自的对应关系。 每一个结构基 因对应一条多 肽链。
操 纵 子 模 型 （ 以 乳 糖 操 纵 子 为 例 ）
真核生物酶生物合成的调节
至今还没有统一的理论和模型来阐述真核生物酶生物合 成的调节规律。 这里仅从4以下方面进行讨论：
1. 细胞分化改变酶的生物合成（端粒、端粒酶）
Go
2. 基因扩增
P 29
第一节 酶生物合成的基本理论
教学要求：
➢ 掌握酶合成的基本理论； 原核生物中酶生物合成的调节机制（操纵子学说、葡
萄糖效应）； 发酵产酶工艺条件及其控制（pH调节控制、温度的调
节控制、溶解氧的调节控制）； 酶生物合成的模式。
➢ 理解提高酶产量的方法和措施； 产酶微生物的选择依据。
重点：
酶生物合成中的调节机制； 发酵过程中调节pH、温度、溶解氧的机理； 酶生物合成的4种模式。
难点：
分解代谢物阻遏作用（葡萄糖效应）。
概述
酶的发酵生产是当今大多数酶生产的主要方法。
定义： 酶的生物合成； 酶的发酵生产
1. 微生物发酵的特点：种类多、繁殖快、易培养、代谢能力强。
2. 产酶微生物应具备的条件：
酶的产量高、产酶稳定、容易培养和管理、
利于酶的分离纯化、安全可靠，无毒性。
3. 酶的发酵生产中微生物的培养方式：
与多肽链有各 自的对应关系。 每一个结构基 因对应一条多 肽链。
操 纵 子 模 型 （ 以 乳 糖 操 纵 子 为 例 ）
真核生物酶生物合成的调节
至今还没有统一的理论和模型来阐述真核生物酶生物合 成的调节规律。 这里仅从4以下方面进行讨论：
1. 细胞分化改变酶的生物合成（端粒、端粒酶）
Go
2. 基因扩增
P 29
第一节 酶生物合成的基本理论
酶工程--酶的微生物发酵生产 ppt课件
第二章 酶的微生物发酵生产
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； 酶发酵动力学；
固定化细胞和原生质体发酵产酶．
重点： 酶生物合成的基本理论； 难点：
源自文库
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。
微生物发酵产酶工艺。
第一节 酶的生产方法
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。
2、固体培养发酵
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。
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。
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。
采用各种技术，直接从动、植物细胞或组织中将 酶提取出来。提取法虽简单易行，但受原材料来源的 限制。 2、化学合成法 是20世纪60年代中期出现的新技术。 只能合成那些已知化学结构的酶；成本比较高。 目前仍然停留在实验室内合成的阶段。
3、微生物发酵法
是20世纪50年代以来生产酶的主要方法。
利用微生物细胞的生命活动合成所需酶的方法称 为发酵法。 酶的发酵生产是现在酶生产的主要方法。
[ 原始菌种 ] ↓ 试管斜面培养(活化) ↓ 摇瓶等分级扩大培养 ↓ 种子罐培养 ↓ [ 发酵罐(液体发酵) ]
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； 酶发酵动力学；
固定化细胞和原生质体发酵产酶．
重点： 酶生物合成的基本理论； 难点：
源自文库
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。
微生物发酵产酶工艺。
第一节 酶的生产方法
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。
2、固体培养发酵
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。
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。
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。
采用各种技术，直接从动、植物细胞或组织中将 酶提取出来。提取法虽简单易行，但受原材料来源的 限制。 2、化学合成法 是20世纪60年代中期出现的新技术。 只能合成那些已知化学结构的酶；成本比较高。 目前仍然停留在实验室内合成的阶段。
3、微生物发酵法
是20世纪50年代以来生产酶的主要方法。
利用微生物细胞的生命活动合成所需酶的方法称 为发酵法。 酶的发酵生产是现在酶生产的主要方法。
[ 原始菌种 ] ↓ 试管斜面培养(活化) ↓ 摇瓶等分级扩大培养 ↓ 种子罐培养 ↓ [ 发酵罐(液体发酵) ]
第二章微生物发酵产酶
浓度
特点： （1）该类酶不受分解代谢产 物阻遏和终产物阻遏。 （2）该酶对应的mRNA是相 当稳定的。
酶浓度
细胞浓度
时间(h)
4、滞后合成型
只有当细胞生长一段时间或者进入平衡期以后，酶才开始 合成并大量积累。许多水解酶的生物合成都属于这一类型。
（1）该类酶受分解代谢物 阻遏作用的影响，阻遏解除 后，酶才大量合成。 （2）该酶对应的mRNA稳定 性高。
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ß-半乳糖苷酶的合成 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。
放线菌产酶举例
链霉菌：葡萄糖异构酶、青霉素酰化酶、纤维素酶、碱 性蛋白酶、中性蛋白酶、几丁质酶等。
3、霉菌（molds）
霉菌:是一类丝状真菌。构成霉菌菌（个）体的基本单位称为 菌丝（hyphae），呈长管状，可不断自前端生长并分支。在 固体基质上生长时，部分菌丝深入基质吸收养料，称为基质 菌丝或营养菌丝；向空中伸展的称气生菌丝，可进一步发育 为繁殖菌丝，产生孢子。大量菌丝交织成绒毛状、絮状或网 状等，称为菌丝体（mycelium）。菌丝体常呈白色、褐色、 灰色，或呈鲜艳的颜色，有的可产生色素使基质着色（如赤 霉菌等）。霉菌繁殖迅速，常造成食品、用具大量霉腐变质， 但许多有益种类已被广泛应用，是人类实践活动中最早利用 和认识的一类微生物。
特点： （1）该类酶不受分解代谢产 物阻遏和终产物阻遏。 （2）该酶对应的mRNA是相 当稳定的。
酶浓度
细胞浓度
时间(h)
4、滞后合成型
只有当细胞生长一段时间或者进入平衡期以后，酶才开始 合成并大量积累。许多水解酶的生物合成都属于这一类型。
（1）该类酶受分解代谢物 阻遏作用的影响，阻遏解除 后，酶才大量合成。 （2）该酶对应的mRNA稳定 性高。
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ß-半乳糖苷酶的合成 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。
放线菌产酶举例
链霉菌：葡萄糖异构酶、青霉素酰化酶、纤维素酶、碱 性蛋白酶、中性蛋白酶、几丁质酶等。
3、霉菌（molds）
霉菌:是一类丝状真菌。构成霉菌菌（个）体的基本单位称为 菌丝（hyphae），呈长管状，可不断自前端生长并分支。在 固体基质上生长时，部分菌丝深入基质吸收养料，称为基质 菌丝或营养菌丝；向空中伸展的称气生菌丝，可进一步发育 为繁殖菌丝，产生孢子。大量菌丝交织成绒毛状、絮状或网 状等，称为菌丝体（mycelium）。菌丝体常呈白色、褐色、 灰色，或呈鲜艳的颜色，有的可产生色素使基质着色（如赤 霉菌等）。霉菌繁殖迅速，常造成食品、用具大量霉腐变质， 但许多有益种类已被广泛应用，是人类实践活动中最早利用 和认识的一类微生物。
酶工程第二章微生物发酵产酶
5. 后火
Houhuo
4.大火
Dahuo
贮 曲
Storage of Daqu
堆
曲
培
养
翻 曲 后 排 成 “人 ”字 型
成曲贮存3个月后才能使用
3 大曲酒发酵特点
采用固态配醅发酵，发酵物料的含水量较低，常 控制在55%～65%； 在较低温度下边糖化边发酵，保证酶和酵母的活
性，有利于香味物质的形成和累积；
细胞 浓度 mg/ml 酶 浓度 U/ml 细胞 浓度 mg/ml 酶 浓度 U/ml
以半乳糖醛酸为诱导物
以含有葡萄糖的果胶为诱导物
2、延续合成型
特点： 延续合成型的酶其生物合成可以受诱导物的诱 导，一般不受分解代谢物阻遏。 mRNA相当稳定。
3、滞后合成型
此类型酶是在细胞生长一段时间或者进入平衡期以后才开始其生物合成 并大量积累。又称为非生长偶联型。许多水解酶的生物合成都属于这一类型。 属于滞后合成型的酶，之所以要在细胞生长一段时间甚至进入平衡期以 后才开始合成，主要原因是由于受到培养基中存在的阻遏物的阻遏作用。只 有随着细胞的生长，阻遏物几乎被细胞用完而使阻遏解除后，酶才开始大量 合成。 若培养基中不存在阻遏物，该酶的合成可以转为延续合成型。该类 型酶所对应的mRNA稳定性很好，可以在细胞生长进入平衡期后的相当长的一 段时间内，继续进行酶的生物合成。
酶工程-02-微生物发酵产酶
17
微生物发酵产酶
一、微生物细胞中酶生物合成的调节 （三）蛋白质的生物合成——翻译 1、翻译过程 （2）肽链合成的起始 肽链合成的起始阶段是在GTP和起始因子（IF）的参与
下，核糖体30 s亚基、fMet—tRNAF、mRNA和50s亚基结合， 组成起始复合物的过程。
18
微生物发酵产酶
一、微生物细胞中酶生物合成的调节
20
微生物发酵产酶
一、微生物细胞中酶生物合成的调节
（三）蛋白质的生物合成——翻译
1、翻译过程
（4）肽链合成的终止 随着肽链的延伸，mRNA与70 s核糖体不断地作相对移
动。当mRNA分子中的终止密码子（UAA，UAG，UGA） 移动到核糖体的A位时，没有相应的氨酰—tRNA进入，此时 释放因子（Release Factor）进入A位，并与终止密码于结合。
rRNA与蛋白质一起组成核糖核蛋白体（核糖体），作为蛋白
生
质生物合成的场所。
物 （3）某些RNA具有生物催化活性，属于核酸类酶，在一定条件下，
功
可以催化有关的生化反应。
能
（4）各种小分子RNA在分子修饰和代谢调节等方面有重要作用。
14
微生物发酵产酶
一、微生物细胞中酶生物合成的调节
（三）蛋白质的生物合成——翻译
（2）适应型酶：即在细 胞中的量变化较大，环境因 素对此类酶的合成速率影响 较大。
微生物发酵产酶
一、微生物细胞中酶生物合成的调节 （三）蛋白质的生物合成——翻译 1、翻译过程 （2）肽链合成的起始 肽链合成的起始阶段是在GTP和起始因子（IF）的参与
下，核糖体30 s亚基、fMet—tRNAF、mRNA和50s亚基结合， 组成起始复合物的过程。
18
微生物发酵产酶
一、微生物细胞中酶生物合成的调节
20
微生物发酵产酶
一、微生物细胞中酶生物合成的调节
（三）蛋白质的生物合成——翻译
1、翻译过程
（4）肽链合成的终止 随着肽链的延伸，mRNA与70 s核糖体不断地作相对移
动。当mRNA分子中的终止密码子（UAA，UAG，UGA） 移动到核糖体的A位时，没有相应的氨酰—tRNA进入，此时 释放因子（Release Factor）进入A位，并与终止密码于结合。
rRNA与蛋白质一起组成核糖核蛋白体（核糖体），作为蛋白
生
质生物合成的场所。
物 （3）某些RNA具有生物催化活性，属于核酸类酶，在一定条件下，
功
可以催化有关的生化反应。
能
（4）各种小分子RNA在分子修饰和代谢调节等方面有重要作用。
14
微生物发酵产酶
一、微生物细胞中酶生物合成的调节
（三）蛋白质的生物合成——翻译
（2）适应型酶：即在细 胞中的量变化较大，环境因 素对此类酶的合成速率影响 较大。
2微生物发酵产酶
五大要素：碳源、氮源、无机盐、生长因子、水
培养基的设计原则
1、选择适宜的营养物质 2、营养物的浓度及配比合适 3、物理、化学条件适宜 4、经济节约 5、精心设计、试验比较
培养不同的微生物必须采用不同的培养条件； 培养目的不同，原料的选择和配比不同； 不同阶段，培养条件也有所差异。
2.2.2
水
水是微生物最基本的组成分（７０％—９０％）； 水是微生物体内和体外的溶剂（吸收营养成分和代谢废物）； 水是细胞质组分，直接参与各种代谢活动； 调节细胞温度和保持环境温度的稳定（比热高，传热快）。
无机盐
参与酶的组成、构成酶活性基、激活酶活性 维持细胞结构的稳定性 调节细胞渗透压 控制细胞的氧化还原电位 有时可作某些微生物生长的能源物质
常用：硫酸盐、磷 酸盐、氯化物以及 含有钾、钠、钙、 镁、铁等元素的化 合物。
生长因子
生长因子是指某些微生物不能用普通的碳源、氮源物质进 行合成，而必须另外加入少量的生长需求的有机物质。
游动放线菌葡萄糖异构酶发酵培养基：糖蜜2%，豆饼粉2%，磷酸氢二钠 0。1%，硫酸镁0。05% (pH 7.2)。
桔青霉磷酸二酯酶发酵培养基：淀粉水解糖5%，蛋白胨0.5%, 硫酸镁 0.05%, 氯化钙0.04%, 磷酸氢二钠0.05%, 磷酸二氢钾0.05% (自然pH)。
黑曲霉AS3.396果胶酶发酵培养基: 麸皮5%, 果胶0.3%, 硫酸铵2%, 磷酸二 氢钾0.25%, 硫酸镁0.05%, 硝酸钠0.02%, 硫酸亚铁0.001% (自然pH)。
培养基的设计原则
1、选择适宜的营养物质 2、营养物的浓度及配比合适 3、物理、化学条件适宜 4、经济节约 5、精心设计、试验比较
培养不同的微生物必须采用不同的培养条件； 培养目的不同，原料的选择和配比不同； 不同阶段，培养条件也有所差异。
2.2.2
水
水是微生物最基本的组成分（７０％—９０％）； 水是微生物体内和体外的溶剂（吸收营养成分和代谢废物）； 水是细胞质组分，直接参与各种代谢活动； 调节细胞温度和保持环境温度的稳定（比热高，传热快）。
无机盐
参与酶的组成、构成酶活性基、激活酶活性 维持细胞结构的稳定性 调节细胞渗透压 控制细胞的氧化还原电位 有时可作某些微生物生长的能源物质
常用：硫酸盐、磷 酸盐、氯化物以及 含有钾、钠、钙、 镁、铁等元素的化 合物。
生长因子
生长因子是指某些微生物不能用普通的碳源、氮源物质进 行合成，而必须另外加入少量的生长需求的有机物质。
游动放线菌葡萄糖异构酶发酵培养基：糖蜜2%，豆饼粉2%，磷酸氢二钠 0。1%，硫酸镁0。05% (pH 7.2)。
桔青霉磷酸二酯酶发酵培养基：淀粉水解糖5%，蛋白胨0.5%, 硫酸镁 0.05%, 氯化钙0.04%, 磷酸氢二钠0.05%, 磷酸二氢钾0.05% (自然pH)。
黑曲霉AS3.396果胶酶发酵培养基: 麸皮5%, 果胶0.3%, 硫酸铵2%, 磷酸二 氢钾0.25%, 硫酸镁0.05%, 硝酸钠0.02%, 硫酸亚铁0.001% (自然pH)。
第二章 微生物产酶
原核生物中酶生物合成的调节机制
1961年提出操纵子学说。 相关的结构基因常连在一起，形成一个基因簇。
它们编码同一个代谢途径中的不同的酶。一个基 因簇受到同一的调控，一开俱开，一闭俱闭。 也就是说它们形成了一个共同的被调控的单位， 功能相关的基因也包括在这个调控单位中。
1）乳糖可作为培养大肠杆 菌的能源； 半乳糖苷酶（LacZ），能够 催化乳糖分解为半乳糖和葡 萄糖，供细菌代谢使用。 2）调节基因编码阻遏蛋白 （LacI）； 3）阻遏蛋白结合Plac； 4）乳糖结合阻遏蛋白，解 除其对Plac的控制；
4）典型的例子， 黑曲霉培养生产聚半乳糖醛酸酶（图2-9A）。
图2-9A，以半乳糖醛酸为诱导物的情况下，培养一段时间以后（约40h）， 细胞生长旺盛，半乳糖醛酸酶开始合成；当细胞生长达到平衡期（约 80h），此酶继续合成，直至约120h以后。呈现延续合成型模式。 图2-9B，以粗果胶（含葡萄糖）为诱导物时，细胞生长较快，但是聚半乳 糖醛酸酶的合成被推迟。 因此，酶合成受到分解代谢物阻遏，葡萄糖被细胞利用完之后，酶才开始 合成，细胞进入平衡期，酶的合成还在继续。呈现滞后合成型模式。
4.近二十年来，虽然动植物细胞培养有很快发展，但 周期长、成本高，因而还有一系列问题有待研究解决。 因此目前都是以微生物作为主要生产酶的酶源。
5.产酶微生物的发酵技术在酶生产中极为重要。
第二章 微生物发酵产酶
酶工程电子教案
第二章微生物发酵产酶
◆酶的生物合成：酶在生物体内合成的过程。
◆酶的发酵生产：经过预先设计，通过人工操作，利用微生物的生命活动，获得所需的酶的技术过程。
◆大多数酶的生产采用发酵生产→原因：微生物具有种类多、繁殖快、易培养、代谢能力强等特点
◆优良的产酶微生物具备的条件：
（1）酶的产量高；
（2）产酶稳定性好；
（3）容易培养和管理；
（4）利于酶的分离纯化；
（5）安全可靠、无毒性等。
◆酶的发酵生产的方式：
固体培养发酵
液体深层发酵
固定化微生物细胞发酵
固定化微生物原生质体发酵
1. 酶生物合成的基本理论
◆蛋白类酶和核酸类酶→酶的生物合成主要是指细胞内RNA和蛋白质的合成过程
◆合成过程:
酶的基因（DNA）→（转录）→RNA →（翻译）→多肽链→（加工、组装）蛋白质
1.1 RNA 的生物合成—转录（参考相应的生物化学与分子生物学课程知识）
1.2 蛋白质的生物合成—翻译（参考相应的生物化学与分子生物学课程知识）
1.3酶生物合成的调节
◆组成型酶（Constitutive enzyme）：生物细胞中合成的酶的量比较恒定，这些酶的合成速率影响不大。如DNA聚合酶、RNA聚合酶、糖酵解途径的各种酶等。
◆适应型酶（Adaptive enzyme）或调节型酶（Regulated enzyme）：生物细胞中合成的酶的含量却变化很大，其合成速率明显受到环境因素的影响。如大肠杆菌β-半乳糖苷酶。◆生物体为了适应环境的变化，使代谢过程有条不紊地进行，需要根据各种条件的变化，对各种适应型酶的生物合成进行调节控制。
2章(发酵动力学产酶)
根据细胞产酶模式的不同，产酶速率与细胞 生长速率的关系也有所不同。
同步合成型的酶，其产酶与细胞生长偶联。在平衡期产酶 速率为零，即非生长偶联的比产酶速率β=0。所以其产酶 动力学方程为：
dE ------- = αμX dt (2-6)
中期合成型的酶，其合成模式是一种特殊的生长偶联型。在培 养液中有阻遏物存在时，α=0，无酶产生。在细胞生长一段时间 后，阻遏物被细胞利用完， 阻遏作用解除， 酶才开始合成，在 此阶段的产酶动力学方程与同步合成型相同。
dX dt
＝
μm· X S·
Ks + S
- DX
＝ (μ - D)· dt X
D为稀释率, 是指单位时间内, 流加的培养液与发酵容器中发酵液体积之比. 一般以h-1为单位。例如，D=0.2, 表明每小时流加的培养液体积为发酵容 器中培养液体积的20%。
3、产酶动力学
产酶动力学主要研究细胞产酶速率以及各种环境因素对产酶速率的影 响规律。
细胞 浓度 mg/ml 酶 浓度 U/ml
总细胞浓度 胞外酶浓度
活细胞浓度 胞内酶浓度
延续合成型
酶的生物合成在细胞的生长阶段开始，在细胞生长进入平衡期后， 酶还可以延续合成一段较长时间。
特点：可受诱导，一般不受分解代谢物和产物 阻遏。所对应的mRNA相当稳定。
细胞 浓度 mg/ml 酶 浓度 U/ml 细胞 浓度 mg/ml 酶 浓度 U/ml
第二章 酶的发酵生产
产酶微生物菌种
• 微生物学是微生物酶制剂工业的基础，其中菌种 是关键。
• 优良菌种不仅能够提高酶制剂的最终产量、原料 的利用率，而且还能提高产品品质，缩短生产周 期，降低生产成本。
但直接从自然界分离到的菌株往往不能够满足 生 产要求，需要经过一系列的选育步骤进行改良。
一、菌种选育
• 一般可以先从:
（1） 提高产酶能力：固定化细胞的密度较高，反 应器水平的生产强度较大，可提高生产能力；
（2） 稳定性好，可以反复使用：发酵稳定性好， 可以连续使用较长的时间，易于连续化、自动 化生产；
（3） 提高设备利用率：细胞固定在载体上，流失 较少，可在高稀释率的情况下连续发酵，大大 提高设备利用率；
（4） 产品易分离纯化：发酵液中含菌体较少，利 于产品分离纯化，提高产品质量等。
菌种保存机构
开发或筛选
筛选产酶菌种的程序:
采集 分离 初筛 纯化 复筛 鉴定 扩大试验
固定化原生质体发酵特点
(1) 变胞内产物为胞外产物： 由于解除了细胞壁的扩散障碍，使胞内酶等胞内物质
不断分泌到胞外，直接从发酵液中分离得到，变革了胞内 酶的生产工艺和技术路线。
(2) 提高酶产率：使原来存在于细胞间质中的物质，如碱性磷 酸酶等，全部游离到发酵液中，变为胞外产物。
(3) 稳定性较好：可反复或连续使用相当长的时间。
（3）产量稳定性好。能够稳定用于生产，不易退化。
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- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
b 容易培养和管理 c 产酶性能稳定，菌株不易退化，不易受噬菌体侵袭 d 产生的酶容易分离纯化 e 安全可靠、无毒性
微生物酶的类型
1.胞外酶：细胞内合成而在细胞外起作用的
酶。包括位于细胞外表面或细胞外质空间的
酶，也指释放入培养基的酶。
大多是水解酶（如淀粉酶、蛋白酶、 纤维素
酶、果胶酶），是微生物为了利用环境中的
（2）转录启动区：
P1
rDNA
P2
tDNA
P3
mDNA
DNA
RNApoLI
RNApoLIII
RNApoLII mRNA
rRNA
tRNA
aa
3′
5′
mRNA N protein
（3）转录终止子： 对真核生物转录的终止子信号和终止过程了解 甚少。但在高等真核生物的细胞中，mRNA在靠
近3′端区有一段非常保守的序列 AAUAAA，这
固定化酶的优缺点 多次使用 可以连续反应 纯化简单 提高产物质量 应用范围广
优点
固定化原生质体的优点 属于胞内产物的胞内酶等分泌到胞外
稳定性较好，可以连续或重复使用较长时间
第一节 酶生物合成的基本理论
提取分离法 酶的生产方法 生物合成法 微生物细胞发酵产酶 植物细胞发酵产酶
化学合成法
动物细胞发酵产酶
操纵子
控制区
调节基因 启动基因 操纵基因
信息区
结构基因 DNA
转录
RNA聚合酶 翻译
（ -） （+） 转录
mRNA 翻译
阻遏蛋白
蛋白质
诱导剂
启动基因（promotor gene）（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：分解代谢产物基因活化蛋白（catabolite gene activator protein），又称环腺苷酸受体蛋白(cAMP receptor protein，CRP）。 只有cAMP-CRP复合物结合到启动子的位点上，RNA 聚合酶才能结合到其在启动子的位点上，酶的合成才 能开始。 P S DNA O R
CRP-cAMP 复合物
CRP+cAMP
cAMP-CRP复合物的作用示意图
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。
1、起始阶段 2、延伸阶段 3、终止阶段
肽链合成的起始阶段
1.mRNA与小亚基结合：形成30S-mRNA-IF3复合物
2.AUG与蛋氨酰-tRNA结合：
30S-mRNA-IF3
fMet-tRNA-IF2-GTP
IF1
30S起始复合物
fMet-tRNA正好位于mRNA的起始密码子上（AUG）。
3.大小亚基结合
提,测定酶活力,这种方法主要适用于霉菌.
适合于传统发酵工艺及乡镇企业用来生产比较 简单的产品。
②液体深层发酵:采用液体培养基,臵于生物
反应器中，经过灭菌、冷却后，接种产酶细 胞，在一定条件下，进行发酵，生产得到所 需的酶.
适合于大规模工业化生产。
液体深层发酵优点 ①液体悬浮状态是很多微生物的最适生长条件 ②在液体中菌体、营养物、产物易于扩散，便于控制 ③液体输送方便，易于机械化操作 ④占地面积小，生产效率高，易进行自动化控制
⑤产品易于提取和精制等
③固定化微生物细胞发酵和固定化微生物原生质体发酵 前者是20世纪70年代后期，在固定化酶的基础上发展起
来的发酵技术。是固定在水不溶性的载体上，在一定的
空间范围内进行生命活动的细胞。
后者是20世纪80年代中期发展起来的技术。是固定在载
体上，在一定的空间范围内进行生命活动的原生质体。
第二章
微生物发酵产酶
重点： 微生物细胞中酶生物合成的调节，酶生物
合成的模式，酶发酵生产的工艺条件及其
控制，提高酶产率的措施，固定化微生物
发酵产酶。
微生物发酵产酶
是指在人工控制的条件下，有目的地利用微 生物培养来生产所需的酶，其技术包括培养基 和发酵方式的选择，以及发酵条件的控制管理 等方面的内容。
启动子（promotor gene, P）
调节基因(regulator gene)：
可产生一种组成型调节蛋白(regulatory protein) ，
通过与效应物(effector) （包括诱导物或辅阻遏物）
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。
基因操纵子调节系统示意图
原核生物的基因组成
（1）基因区：操纵子形式存在，但各基因分别有 ATG的起始密码子和TAA（TAG、TGA）的终止密 码子。 （2）启动区：RNApol识别、结合和开始转录的一 段DNA核苷酸序列。
识别序列 Pribnow框 16～19bp 转录起点 5～9bp
5′ 3′
TTGACA AACTGT
mRNA
小亚基
AUG ACA 5’ 3’
蛋氨酰tRNA
给位 受位
GTP
蛋
大亚基
UAC AUG ACA 5’ 3’GDP+Pi
蛋
UAC AUG ACA 5’ 3’
肽链合成的起始阶段
肽链合成的延伸阶段
1.进位:氨基酰-tRNA进入受位; 2.转肽:形成肽键,在转肽酶作用下,给位与
受位结合;
3.移位:核蛋白体向3’端移动一个密码子的
密码与反密码的碱基配对
给位 (P位) 大亚基
5’
蛋 苏
UGU AUG ACA GUU
受位 (A位)
小亚基
3’
不同细胞核糖体的组成
原核生物 核蛋 白体 S rRNA 蛋白 质 70S 小亚基 30S 大亚基 50S 核蛋 白体 80S 真核生物 小亚基 40S 大亚基 60S
16SrRNA rpS 21种
大分子而释放到细胞外的。
2.胞内酶：指合成后仍留在细胞内发挥作用 的酶，这些酶在细胞内常与颗粒体结合并有 着一定的分布。 如线粒体上分布着三羧酸循环酶系和氧化 磷酸化酶系，而蛋白质合成的酶系则分布在 内质网的核糖体上。
酶的发酵生产方式
①固体培养发酵:把菌种接入固体培养基中,
保温数天,用水或缓冲液浸泡培养基,将酶抽
代谢速度的调节机制，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。
（一）基因调控理论
Jacob and Monod的操纵子学说（operon theory）
操纵子——基因表达的协同单位
结构基因（编码蛋白质, structural gene, S）
操纵子
控制部位
操纵基因（operator gene, O）
转肽
肽链合成的终止阶段
1.出现终止密码并与终止因子结合; 2.肽键水解,多肽释放; 3.tRNA,mRNA,大小亚基解离.
终 终
UAC AUG UAA 5’ 3’
UAC AUG UAA 5’ 3’
肽链
终
5’ 3’ UAC
终
UAC AUG UAA 5’ 3’
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
位臵,空出受位,不断地进位、转肽、 移位,使肽链延长。
苏 蛋
UGU UAC AUG ACA 5’ 3’ GTP GDP+Pi UAC UGU AUG ACA GUU 3’ 5’
蛋 苏
起始复合体
进位
蛋 苏
UGU AUG ACA GUU 5’ 3’ GDP+Pi
蛋 苏
Mg+ K+
移位
GTP
UAC UGU AUG ACA GUU 3’ 5’
蛋白质的合成过程
（大肠杆菌）
氨基酸的活化 肽链合成的起始 肽链的延伸 肽链合成的终止与释放
氨基酸的活化与转运
反应式：
AA
+ tRNA
+ ATP
氨酰-tRNA合成酶
氨酰-tRNA+AMP+PPi
对于E.coli而言，肽链合成时的第一 个氨基酸都是甲酰甲硫氨酸（fMet）。
在核糖体上合成多肽（三阶段）
(二) 酶合成调节的类型
1.诱导 (induction)
组成酶：细胞固有的酶类。 诱导酶：是细胞为适应外来底物或其结构类似
物而临时合成的一类酶。
2.阻遏 (repression)
分解代谢物阻遏(catabolite repression) 反馈阻遏(feedback repression)
（三）酶合成的调节机制 1. 酶合成的诱导 加进某种物质，使酶生物合成开始或加速进行。 酶合成诱导的现象： 已知分解利用乳糖的酶有： -半乳糖苷酶； 透过酶；硫代半乳糖苷转乙酰酶。 实验：（1）大肠杆菌生长在葡萄糖培养基上时，细胞内无 上述三种酶合成； （2）大肠杆菌生长在乳糖培养基上时，细胞内有上述三种 酶合成； 表明菌体生物合成的经济原则：需要时才合成。
启动子（promotor) 终止子(terminator)
3 5 ´ ´ DNA
编码链 (coding strand) 有意义链(sense strand)
5´ 3´
反意义链:指导转录作用的一条DNA链 有意义链:无转录功能的一条DNA链.
5’
3’
有意义链
TC GAG TAC AG C T CATG C GAGUAC 5’ 3’
β' α
σ
核心酶（core enzyme）
σ
α α
β' α β
β
RNA合成过程
起始 双链DNA 局部解开 磷酸二酯 键形成
启动子（ RNA聚合酶 promotor)
终止子 (terminator)
55
离开
延长阶段 5 解链区到达 基因终点 5 终止阶段 5 RNA 3 5 3
5S-rRNA 23S-rRNA rpL 36种
18SrRNA rpS 33种
28S-rRNA 5S-rRNA 5.8S-rRNA rpL 49种
核 蛋 白 体 的 组 成
大肠杆菌核糖体三维结构模型
小亚基貌似一个动物胚胎，由头部、基部和平台组成，平 台与头部之间有一个裂隙；大亚基很像一个沙发，有一个柄、 一个中央凸出部和一个脊； 二者组装成核糖体时，小亚基头部与大亚基凸出部之间形 成一个隧道，在蛋白质合成中mRNA很可能从这里通过。
一序列为链的切断和poly(A)化提供了某些终
止信号。
（二）蛋白质的生物合成--翻译(translation)
定义 以mRNA为模板，以氨基酸为底物，在核糖 体上通过各种tRNA、酶和辅助因子的作用，合 成多肽链的过程。
酪
5’
酪氨酰- tRNA
5’
AUG GUU UAC ACA
反密码
3’ mRNA
在一定的条件下，酶可以催化各种生化反应，
并且具有催化效率高、转一性强和作用条件稳
定等特点，所以酶在医药、食品、轻工、化工、
环保、能源和生物工程等领域广泛应用。
微生物发酵产酶的工艺流程
产酶菌种的筛选
含菌样品的采集,菌种分离,产酶性能测定及复 筛等全过程。
一个优良的产酶菌种应具备以下几点：
a 繁殖快,产酶量高，有利于缩短生产周期
反意义链
RNA聚合酶
3’
RNA 5’
PPi GTP
UTP ATP UTP CTP
RNA在DNA模板上的生物合成
RNA的转录过程(三步)
1.起始 2.延长 3.终止
原核生物的RNA聚合酶(DDRP) E. coli的RNA聚合酶是由四种亚基组成的五聚体 （ 2 ）
起始因子
全酶（holoenzyme）
一、酶的生物合成
遗传信息传递的中心法则
复制
DNA
转录 逆转录 RNA 复制 翻译 蛋白质
（一）RNA的生物合成--转录(transcription)
定义
以DNA为模板，以核苷三磷酸为底物，在
RNA聚合酶（转录酶）的作用下，生成RNA分
子的过程。
转录模板
模板链（template strand） 反意义链(antisense strand)
-35序列
TATAAT ATATTA
-10序列
A/G T/C
ห้องสมุดไป่ตู้
3′ 5′
（3）SD区：在起始密码子ATG上游约10bp处，有 一个富含嘌呤的保守序列，其与16S rRNA3′端 序列互补。
3′UCCUCCA SD序列：5′AGGAGGU3′ 5′
16S rRNA
启动子区 SD区
100bp ATG
转录区
3
3
RNA链的延伸图解
模板链（反义链） 有义链 复链 解链
3´
RNA-DNA杂交螺旋
新生RNA 聚合酶的移动方向 5´
延长部位
启动子：在DNA分子上，RNA聚合酶识别和结合的 核苷酸序列，即转录作用起始的部位。 终止子：DNA上的一段核苷酸序列，给RNA聚合酶 提供终止转录的信号，也称终止序列。 操纵子：转录的功能单位。 （调控系统和结构基因的综合）。
ORF
转录中止区 T AA 、 TG A 、 T AG
结构基因的组成
（4）转录终止子和终止因子 转录终止子：一个基因或一个操纵子3′端，提供转录停止信号 的DNA核苷酸序列。 终止因子：协助mRNA聚合酶识别终止信号的辅助因子的蛋白。
A. -independent
真核生物基因组成
（1）基因区：
微生物酶的类型
1.胞外酶：细胞内合成而在细胞外起作用的
酶。包括位于细胞外表面或细胞外质空间的
酶，也指释放入培养基的酶。
大多是水解酶（如淀粉酶、蛋白酶、 纤维素
酶、果胶酶），是微生物为了利用环境中的
（2）转录启动区：
P1
rDNA
P2
tDNA
P3
mDNA
DNA
RNApoLI
RNApoLIII
RNApoLII mRNA
rRNA
tRNA
aa
3′
5′
mRNA N protein
（3）转录终止子： 对真核生物转录的终止子信号和终止过程了解 甚少。但在高等真核生物的细胞中，mRNA在靠
近3′端区有一段非常保守的序列 AAUAAA，这
固定化酶的优缺点 多次使用 可以连续反应 纯化简单 提高产物质量 应用范围广
优点
固定化原生质体的优点 属于胞内产物的胞内酶等分泌到胞外
稳定性较好，可以连续或重复使用较长时间
第一节 酶生物合成的基本理论
提取分离法 酶的生产方法 生物合成法 微生物细胞发酵产酶 植物细胞发酵产酶
化学合成法
动物细胞发酵产酶
操纵子
控制区
调节基因 启动基因 操纵基因
信息区
结构基因 DNA
转录
RNA聚合酶 翻译
（ -） （+） 转录
mRNA 翻译
阻遏蛋白
蛋白质
诱导剂
启动基因（promotor gene）（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：分解代谢产物基因活化蛋白（catabolite gene activator protein），又称环腺苷酸受体蛋白(cAMP receptor protein，CRP）。 只有cAMP-CRP复合物结合到启动子的位点上，RNA 聚合酶才能结合到其在启动子的位点上，酶的合成才 能开始。 P S DNA O R
CRP-cAMP 复合物
CRP+cAMP
cAMP-CRP复合物的作用示意图
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。
1、起始阶段 2、延伸阶段 3、终止阶段
肽链合成的起始阶段
1.mRNA与小亚基结合：形成30S-mRNA-IF3复合物
2.AUG与蛋氨酰-tRNA结合：
30S-mRNA-IF3
fMet-tRNA-IF2-GTP
IF1
30S起始复合物
fMet-tRNA正好位于mRNA的起始密码子上（AUG）。
3.大小亚基结合
提,测定酶活力,这种方法主要适用于霉菌.
适合于传统发酵工艺及乡镇企业用来生产比较 简单的产品。
②液体深层发酵:采用液体培养基,臵于生物
反应器中，经过灭菌、冷却后，接种产酶细 胞，在一定条件下，进行发酵，生产得到所 需的酶.
适合于大规模工业化生产。
液体深层发酵优点 ①液体悬浮状态是很多微生物的最适生长条件 ②在液体中菌体、营养物、产物易于扩散，便于控制 ③液体输送方便，易于机械化操作 ④占地面积小，生产效率高，易进行自动化控制
⑤产品易于提取和精制等
③固定化微生物细胞发酵和固定化微生物原生质体发酵 前者是20世纪70年代后期，在固定化酶的基础上发展起
来的发酵技术。是固定在水不溶性的载体上，在一定的
空间范围内进行生命活动的细胞。
后者是20世纪80年代中期发展起来的技术。是固定在载
体上，在一定的空间范围内进行生命活动的原生质体。
第二章
微生物发酵产酶
重点： 微生物细胞中酶生物合成的调节，酶生物
合成的模式，酶发酵生产的工艺条件及其
控制，提高酶产率的措施，固定化微生物
发酵产酶。
微生物发酵产酶
是指在人工控制的条件下，有目的地利用微 生物培养来生产所需的酶，其技术包括培养基 和发酵方式的选择，以及发酵条件的控制管理 等方面的内容。
启动子（promotor gene, P）
调节基因(regulator gene)：
可产生一种组成型调节蛋白(regulatory protein) ，
通过与效应物(effector) （包括诱导物或辅阻遏物）
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。
基因操纵子调节系统示意图
原核生物的基因组成
（1）基因区：操纵子形式存在，但各基因分别有 ATG的起始密码子和TAA（TAG、TGA）的终止密 码子。 （2）启动区：RNApol识别、结合和开始转录的一 段DNA核苷酸序列。
识别序列 Pribnow框 16～19bp 转录起点 5～9bp
5′ 3′
TTGACA AACTGT
mRNA
小亚基
AUG ACA 5’ 3’
蛋氨酰tRNA
给位 受位
GTP
蛋
大亚基
UAC AUG ACA 5’ 3’GDP+Pi
蛋
UAC AUG ACA 5’ 3’
肽链合成的起始阶段
肽链合成的延伸阶段
1.进位:氨基酰-tRNA进入受位; 2.转肽:形成肽键,在转肽酶作用下,给位与
受位结合;
3.移位:核蛋白体向3’端移动一个密码子的
密码与反密码的碱基配对
给位 (P位) 大亚基
5’
蛋 苏
UGU AUG ACA GUU
受位 (A位)
小亚基
3’
不同细胞核糖体的组成
原核生物 核蛋 白体 S rRNA 蛋白 质 70S 小亚基 30S 大亚基 50S 核蛋 白体 80S 真核生物 小亚基 40S 大亚基 60S
16SrRNA rpS 21种
大分子而释放到细胞外的。
2.胞内酶：指合成后仍留在细胞内发挥作用 的酶，这些酶在细胞内常与颗粒体结合并有 着一定的分布。 如线粒体上分布着三羧酸循环酶系和氧化 磷酸化酶系，而蛋白质合成的酶系则分布在 内质网的核糖体上。
酶的发酵生产方式
①固体培养发酵:把菌种接入固体培养基中,
保温数天,用水或缓冲液浸泡培养基,将酶抽
代谢速度的调节机制，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。
（一）基因调控理论
Jacob and Monod的操纵子学说（operon theory）
操纵子——基因表达的协同单位
结构基因（编码蛋白质, structural gene, S）
操纵子
控制部位
操纵基因（operator gene, O）
转肽
肽链合成的终止阶段
1.出现终止密码并与终止因子结合; 2.肽键水解,多肽释放; 3.tRNA,mRNA,大小亚基解离.
终 终
UAC AUG UAA 5’ 3’
UAC AUG UAA 5’ 3’
肽链
终
5’ 3’ UAC
终
UAC AUG UAA 5’ 3’
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
位臵,空出受位,不断地进位、转肽、 移位,使肽链延长。
苏 蛋
UGU UAC AUG ACA 5’ 3’ GTP GDP+Pi UAC UGU AUG ACA GUU 3’ 5’
蛋 苏
起始复合体
进位
蛋 苏
UGU AUG ACA GUU 5’ 3’ GDP+Pi
蛋 苏
Mg+ K+
移位
GTP
UAC UGU AUG ACA GUU 3’ 5’
蛋白质的合成过程
（大肠杆菌）
氨基酸的活化 肽链合成的起始 肽链的延伸 肽链合成的终止与释放
氨基酸的活化与转运
反应式：
AA
+ tRNA
+ ATP
氨酰-tRNA合成酶
氨酰-tRNA+AMP+PPi
对于E.coli而言，肽链合成时的第一 个氨基酸都是甲酰甲硫氨酸（fMet）。
在核糖体上合成多肽（三阶段）
(二) 酶合成调节的类型
1.诱导 (induction)
组成酶：细胞固有的酶类。 诱导酶：是细胞为适应外来底物或其结构类似
物而临时合成的一类酶。
2.阻遏 (repression)
分解代谢物阻遏(catabolite repression) 反馈阻遏(feedback repression)
（三）酶合成的调节机制 1. 酶合成的诱导 加进某种物质，使酶生物合成开始或加速进行。 酶合成诱导的现象： 已知分解利用乳糖的酶有： -半乳糖苷酶； 透过酶；硫代半乳糖苷转乙酰酶。 实验：（1）大肠杆菌生长在葡萄糖培养基上时，细胞内无 上述三种酶合成； （2）大肠杆菌生长在乳糖培养基上时，细胞内有上述三种 酶合成； 表明菌体生物合成的经济原则：需要时才合成。
启动子（promotor) 终止子(terminator)
3 5 ´ ´ DNA
编码链 (coding strand) 有意义链(sense strand)
5´ 3´
反意义链:指导转录作用的一条DNA链 有意义链:无转录功能的一条DNA链.
5’
3’
有意义链
TC GAG TAC AG C T CATG C GAGUAC 5’ 3’
β' α
σ
核心酶（core enzyme）
σ
α α
β' α β
β
RNA合成过程
起始 双链DNA 局部解开 磷酸二酯 键形成
启动子（ RNA聚合酶 promotor)
终止子 (terminator)
55
离开
延长阶段 5 解链区到达 基因终点 5 终止阶段 5 RNA 3 5 3
5S-rRNA 23S-rRNA rpL 36种
18SrRNA rpS 33种
28S-rRNA 5S-rRNA 5.8S-rRNA rpL 49种
核 蛋 白 体 的 组 成
大肠杆菌核糖体三维结构模型
小亚基貌似一个动物胚胎，由头部、基部和平台组成，平 台与头部之间有一个裂隙；大亚基很像一个沙发，有一个柄、 一个中央凸出部和一个脊； 二者组装成核糖体时，小亚基头部与大亚基凸出部之间形 成一个隧道，在蛋白质合成中mRNA很可能从这里通过。
一序列为链的切断和poly(A)化提供了某些终
止信号。
（二）蛋白质的生物合成--翻译(translation)
定义 以mRNA为模板，以氨基酸为底物，在核糖 体上通过各种tRNA、酶和辅助因子的作用，合 成多肽链的过程。
酪
5’
酪氨酰- tRNA
5’
AUG GUU UAC ACA
反密码
3’ mRNA
在一定的条件下，酶可以催化各种生化反应，
并且具有催化效率高、转一性强和作用条件稳
定等特点，所以酶在医药、食品、轻工、化工、
环保、能源和生物工程等领域广泛应用。
微生物发酵产酶的工艺流程
产酶菌种的筛选
含菌样品的采集,菌种分离,产酶性能测定及复 筛等全过程。
一个优良的产酶菌种应具备以下几点：
a 繁殖快,产酶量高，有利于缩短生产周期
反意义链
RNA聚合酶
3’
RNA 5’
PPi GTP
UTP ATP UTP CTP
RNA在DNA模板上的生物合成
RNA的转录过程(三步)
1.起始 2.延长 3.终止
原核生物的RNA聚合酶(DDRP) E. coli的RNA聚合酶是由四种亚基组成的五聚体 （ 2 ）
起始因子
全酶（holoenzyme）
一、酶的生物合成
遗传信息传递的中心法则
复制
DNA
转录 逆转录 RNA 复制 翻译 蛋白质
（一）RNA的生物合成--转录(transcription)
定义
以DNA为模板，以核苷三磷酸为底物，在
RNA聚合酶（转录酶）的作用下，生成RNA分
子的过程。
转录模板
模板链（template strand） 反意义链(antisense strand)
-35序列
TATAAT ATATTA
-10序列
A/G T/C
ห้องสมุดไป่ตู้
3′ 5′
（3）SD区：在起始密码子ATG上游约10bp处，有 一个富含嘌呤的保守序列，其与16S rRNA3′端 序列互补。
3′UCCUCCA SD序列：5′AGGAGGU3′ 5′
16S rRNA
启动子区 SD区
100bp ATG
转录区
3
3
RNA链的延伸图解
模板链（反义链） 有义链 复链 解链
3´
RNA-DNA杂交螺旋
新生RNA 聚合酶的移动方向 5´
延长部位
启动子：在DNA分子上，RNA聚合酶识别和结合的 核苷酸序列，即转录作用起始的部位。 终止子：DNA上的一段核苷酸序列，给RNA聚合酶 提供终止转录的信号，也称终止序列。 操纵子：转录的功能单位。 （调控系统和结构基因的综合）。
ORF
转录中止区 T AA 、 TG A 、 T AG
结构基因的组成
（4）转录终止子和终止因子 转录终止子：一个基因或一个操纵子3′端，提供转录停止信号 的DNA核苷酸序列。 终止因子：协助mRNA聚合酶识别终止信号的辅助因子的蛋白。
A. -independent
真核生物基因组成
（1）基因区：