微生物发酵产酶

二十世纪三十年代，H.Karstrom在对糖代谢过程中的某些 酶的合成进行研究时提出：诱导酶与组成酶
酶合成诱导的现象—Jacob and Monod的工作： 已知分解利用乳糖的酶有：b-半乳糖苷酶； b-半乳糖苷透过酶；
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.大肠杆菌生长在唯一碳源乳糖培养基上时，细胞内有上述三种 酶合成；当换成葡萄糖培养基时，三种酶基本消失； 3.表明菌体生物合成的经济原则：需要时才合成。
四种核苷酸编成三联体可形成43个即64个密码子。其中： 一个起始密码: AUG 三个终止密码: UAA UGA UAG 多数氨基酸拥有 2-4个密码
蛋白质合成的几个要素- 转运RNA (transporter)
tRNA是氨基酸的转运工具，携带活化的氨基酸到核蛋白体。 tRNA有特异性，至少有20种以上。每种tRNA的反密码环顶端
本节 目录
3、蛋白质的合成(翻译)-Translation
翻译: 以RNA中mRNA为模板,按照其 核苷酸顺序所组成的密码指 导蛋白质的合成的过程.
翻译
mRNA
蛋白质
各种信息
各种蛋白质
（核苷酸排列顺序） （氨基酸排列顺序）
蛋白质合成的几个要素-mRNA(模板，template)
mRNA是带有DNA遗传信息指导蛋白质合成的直接模板。
The ribosome composition of prokaryotic and eukaryotic cell
蛋白质合成的几个要素-其他因子和酶
其他辅助因子 工具酶
蛋白质的合成过程
肽链合成的起始 initiation 肽链合成的延伸 elongation 肽链合成的终止与释放 termination and release 合成多肽的输送和加工 transport and modification 蛋白质分子的折叠 folding
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
操纵子
结构基因（编码蛋白质, structural gene, S）
控制部位
操纵基因（operator gene, O） 启动子（promotor gene, P）
例如：乳糖操纵子的结构
进 位
成肽 转 位
合成终止
高效率的蛋白 质合成体系
蛋白质的折叠
蛋白质的空间结构如何形成？ 功能与结构如何统一？ 体外、体内的结构如何变化？
蛋白质分子设计及蛋白质工程的需要 越来越多的基因工程产物需要复性复活, 要求蛋白质折叠
的理论及技术的指导。基因工程重组蛋白类产物必须要形 成正确的折叠才能表现出功能和活性。
(1) 在某些RNA病毒中，其所含的双链RNA作为遗传信息的载体。
(2) 在蛋白质的生物合成过程中，各种RNA起着重要的作用。其中， tRNA作为氨基酸载体，并由其上的反密码子识别mRNA分子上的 密码子；mRNA作为蛋白质合成的模板，由其分子上的三联体密 码控制蛋白质分子中氨基酸的排列顺序；rRNA与蛋白质一起组成 核糖核蛋白体（核糖体），作为蛋白质生物合成的场所。
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4、酶生物合成的调节 (regulation)
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，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。 基因水平的表达控制 酶含量的调节 操纵子（operon）：是一组功能上相关，受同 一调控区控制的基因组成的一个遗传单位。
均有由三个核苷酸组成的反密码，能与mRNA上相应的密码互 补结合。
酪
5’ 酪氨酰- tRNA
AUG
反密码
GUU UAC ACA
5’
3’ mRNA
密码(codon)与反密码(anticodon) 的碱基配对
蛋白质合成的几个要素-核糖体，ribosome
核糖体（或称核糖核蛋白体）由蛋白质和rRNA组成。是 存在于细胞质内的微小颗粒。
某些代谢物可以诱导某些酶的合成，是通过促进为该酶编码 的基因的表达而进行的，这种现象叫做酶合成的诱导。能诱 导酶合成的物质叫诱导物。被诱导合成的酶叫诱导酶。
酶合成阻遏的现象—Jacob and Monod的工作： 实验：
1.大肠杆菌生长在无机盐和葡萄糖的培养基上时，检测到细胞内 有色氨酸合成酶的存在；
2.在上述培养基中加入色氨酸，检测发现细胞内色氨酸合成酶的 活性降低，直至消失。
3.表明色氨酸的存在阻止了色氨酸合成酶的合成，体现了菌生长 的经济原则：不需要就不合成。
某些代谢物可以阻止某些酶的合成，是通过阻止为该酶编 码的基因的表达而进行的，这种现象叫做酶合成的阻遏。 能阻遏酶合成的物质叫辅阻遏物。被辅阻遏物作用而停止 合成的酶叫阻遏酶。
调节基因(regulator gene)：
可产生一种组成型调节蛋白(regulatory protein) （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。
Chapter 2 The production of Enzyme by Fermentation of Microorganism
微生物发酵产酶
酶的生产方法
提取分离法 (Extraction)
生物合成 (Biosynthesis)
化学合成 (chemicalsynthesis)
SOD - blood Papain-Papaya Chymotrypsin-Pancrea …… organ/tissue/cell
1.诱导 (induction)：加进某种物质（代谢物），使酶 生物合成开始或加速进行。
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
物面临时合成的一类酶。 2.阻遏 (repression)：加进某种物质（代谢物），使酶 生物合成受到阻止。
分解代谢物阻遏(catabolite repression) 反馈阻遏(feedback repression)
以mRNA为模板,合成一定结构的多肽链的过程(翻译)，就 是将mRNA分子中的核苷酸排列顺序转变成蛋白质分子中 的氨基酸排列顺序。
蛋白质合成的几个要素-遗传密码，nucleotide triplet codon
mRNA分子中,每三个相邻的核苷酸组成的三联体代表某种 氨基酸或其它信息，称为密码子或三联密码。
细胞内酶的调控模式
底物水平
A
Βιβλιοθήκη Baidu酶水平
E 的调节
B
酶活性的调节 酶含量的调节 酶的定位调节
的调节
X 辅助因 子调节
产物调节
生长发育的不同时期 外界环境变化 酶合成与分解速度的变化（基因表达调控）
酶在细胞内的含量取决于酶的合成速度和分解速度。细胞 根据自身活动需要，严格控制细胞内各种酶的合理含量， 从而对各种生物化学过程进行调控。
Possible catalytic subunits
36.5 kDa
Role unknown (not needed in vitro)
151 155 11 kDa
Promoter specificity
(32-90 kDa)
The E. coli RNA polymerase holoenzyme consists of six subunits: a2bb’ s.
（1）30S亚基与起始因子IF3 结合； （2）30S亚基与mRNA结合，形成30S-IF3-mRNA复
合物； （3）fMet-tRNAF 与起始因子IF2以及GTP结合，生成
fMet-tRNAF-IF2-GTP； （4）在起始因子IF1的参与下，fMet-tRNAF-IF2-GTP
与30 S-IF3-mRNA结合生成30S起始复合物。在此 30S起始复合物中，fMet-tRNAF上的反密码子正好 与mRNA上的起始密码子AUG结合； （5）50S亚基与上述30S起始复合物结合，形成完整的 70 S核糖体。同时放出IF1，IF2，IF3 ，并使GTP水解 生成GDP和Pi。在此70 S核糖体形成时，fMettRNAF 位于70 S核糖体的“P”位（肽酰基位），而 它的“A”位（氨酰基位）是空位。
Translation 翻译：亦叫转译，以mRNA为模板，将mRNA
的密码解读成蛋白质的AA顺序的过程。
Reverse translation 逆转录：以RNA为模板，在逆转
录酶的作用下，生成DNA的过程。
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2、RNA的生物合成(转录)- Transcription
细胞内RNA的生物功能
本章 目录
下一节
1、中心法则-Central Dogma
Reverse transcription
Replication 复制：亲代DNA或RNA在一系列酶的作用下，
生成与亲代相同的子代DNA或RNA的过程。
Transcription 转录：以DNA为模板，按照碱基配对原
则将其所含的遗传信息传给RNA，形成一条与DNA链互补的 RNA的过程。
2、转录所需酶：依赖DNA的RNA聚合酶又称为转录酶，是 以DNA为模板的一类RNA聚合酶。在原核生物和真核生物 中，转录酶有所不同。原核生物的转录酶比较简单，由 1种RNA聚合酶催化所有RNA的生物合成。而在真核生物 中RNA聚合酶有3种，分别为RNA聚合酶Ⅰ、RNA聚合酶 Ⅱ和RNA聚合酶Ⅲ，它们都属于寡聚酶，酶的亚基数目 为4～10个，亚基种类有4～6种。
(3) 某些RNA具有生物催化活性，属于核酸类酶，在一定条件下，可 以催化有关的生化反应。
(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。
转录过程的特点
1、转录的不对称性：在RNA的合成中，DNA的二条链中仅有 一条链可作为转录的模板，称为转录的不对称性。
反义链 antisense strand（无意义链，负链）：在RNA的转录中， 用作模板的DNA链称为反义链。 有义链 coding strand（编码链，正链）：在RNA的转录中，不 作为模板的DNA链称为有义链。
Contents of chapter 2
Go 1、酶生物合成过程 Go 2、常见产酶微生物 Go 3、酶的发酵工艺条件及控制 Go 4、酶生产过程的动力学
2.1 酶生物合成过程 The biosynthesis process of Enzyme
Go 1、中心法则- Central Dogma Go 2、RNA的生物合成- Transcription Go 3、蛋白质的生物合成- Translation Go 4、酶生物合成的调节- Regulation
Amylase from Bacillus Protease from Bacillus Phosphatase from Bacillus Glucoamylase from Aspergillus …… Plant cell culture Animal cell culture
Few example
酶浓度调节的化学本质是基因表达的调节。在细胞内，所 合成的酶的种类及数量是由特殊的基因信息决定的。 DNA所携带的酶蛋白遗传信息，需要通过转录和翻译而 合成酶蛋白。在细胞内进行的转录或翻译过程都有特定的 调节控制机制，其中转录的调控占主导地位。因此，基因 表达的调控主要在转录水平上进行。
酶合成调节的类型
反应式
AA + tRNA + ATP
氨酰-tRNA合成酶
氨酰-tRNA +AMP + PPi
对于E.coli等原核生物
而言，肽链合成时的第一个 氨基酸都是甲酰甲硫氨酸 （fMet）。
氨基酸活化生 成氨酰-tRNA
蛋白质合成起始
原核生物肽链合成的起始阶段是在GTP和起始因子 （Initiation Factor）的参与下，核糖体30S亚基， fMet-tRNA，mRNA和50S亚基结合，组成起始复 合物的过程。主要包括5个步骤：
转录过程
起始位点的识别 recognition 转录起始 initiation 链的延伸 elongation 转录终止 termination 转录后加工 modification
Enzyme assembly,
promoter recognition, activator binding