第三章 酶的生物合成

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酶生物合成的反馈作用
酶生物合成阻遏物的反馈作用又称产物阻遏作用，是指 酶催化的产物或代谢物的末端产物使该酶的生物合成受 到阻遏的现象，它是通过阻止编码该酶的基因的表达而 进行的。能阻遏酶合成的物质叫辅阻遏物或叫共阻遏物。 被辅作用而停止合成的酶叫阻遏酶
共阻遏物一般是酶催化反应的产物或是代谢途径的末端 产物。例如，无机磷酸是碱性磷酸酶催化磷酸单酯水解 的产物，它的过量存在，却会阻遏碱性磷酸酶的生物合 成；色氨酸作为色氨酸合成途径的终产物，它的过量积 累却反过来对其合成途径中的 4种酶（邻氨基苯甲酸合 成酶、磷酸核糖邻氨基苯甲酸转移酶、磷酸核糖邻氨基 苯甲酸异构酶和色氨酸合成酶）的生物合成均起反馈阻 遏作用
产酶促进剂：诱导物和表面活性剂
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发酵条件控制及对产酶的影响
温度：影响微生物生长和合成酶、影响酶合成 后的稳定性
pH:影响微生物体内各种酶活性，从而导致微生 物代谢途径发生变化；影响微生物形态和细胞 膜通的透性，从而影响微生物对培养基中营养 成分的吸收以及代谢产物的分泌；影响培养基 中某些营养物质的分解或中间产物的解离，从 而影响微生物对这些营养物质的利用
1. 操纵基因可以与调节基因产生的变构蛋白（阻遏蛋白） 中的一种结构结合，从而操纵酶生物合成的时机和合 成速度。
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操纵子调控模型（二）
– 启动基因决定酶的合成能否开始，启动基
因由两个位点组成：一个是 RNA 聚合酶的
结合位点，另一个是环腺苷酸（cyclic AM
P，cAM P）与 CAP 组成的复合物（cAM
1 组成酶：是细胞内固有的酶类，不管是 否其底物或结构类似物存在都有一定量存在， 它的合成是在相应的基因控制下进行的，如 EMP途径中的酶类
2 诱导酶：是细胞为适应外来底物或结构 类似物时而合成的一类酶，其合成明显受环 境因素影响
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酶合成的诱导现象
大肠杆菌在葡萄糖培养基上不能产生利用乳 糖的酶
固定化微生物细胞发酵产酶的工艺及其控制
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培养基成分
碳源：是构成菌体细胞的主要元素、构成酶骨 架的元素之一，也是菌体生命活动所需能量的 主要来源。应根据细胞对酶营养要求的不同而 选择合适碳源
氮源：是生物体合成各种含氮物质的组成成分， 是酶制剂生产的原料
无机盐：大量元素和微量元素
生长因子：氨基酸、维生素、嘌呤、嘧啶、激 素等。
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固定化微生物原生质体发酵产酶的工艺条 件及其控制应注意事项
培养基渗透压的控制 控制培养基组分，防止细胞壁再生 维持较高的原生质体浓度
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提高酶产率的方法
酶生物合成的调控机制 打破酶合成调节机制及提高酶产量的方法
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酶生物合成的调控机制
酶在细胞内的含量取决于酶的合成速度和分 解速度，细胞根据其自身活动需要，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
生物合成等。
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酶合成阻遏现象
大肠杆菌在无机盐和葡萄糖培养基中可检测到色氨 酸合成酶，可满足自身需要；
若在培养基中添加色氨酸，可发现色氨酸合成酶的 活性降低，甚至消失，色氨酸不再合成；
色氨酸的存在阻止了色氨酸合成酶的合成，体现了 菌体生长的经济原则，即不需要，不合成。
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分解代谢物阻遏作用
蛋白酶
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酶发酵生产菌种要求
产酶量高，具有生产应用价值
易培养，既能适应大生产粗放的营养和生产条 件，包括能利用廉价原料、对工艺条件要求不 苛刻
代谢速率高，发酵周期短
产酶稳定性好，菌种的生产性能不易退化，不 易感染噬菌体
安全可靠，要求菌种不是致病菌，其代谢物安 全无毒，在系统发育上与病原体无关
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酶生物合成阻遏作用的调节机制
在没有共阻遏物存在时， 调节基因产生的阻遏蛋白 与操纵基因的亲和力弱， 不能与操纵基因结合。所 以，RNA 聚合酶可以结合 到其在启动基因的位点上， 进行转录，而合成结构基 因所对应的酶
而当环境中有辅阻遏物，
并达到一定浓度时，阻遏
蛋白与辅阻遏物结合，使
阻遏蛋白结构发生变化，
当培养基中只有乳糖时，可产生利用乳糖的 酶
在培养基中添加葡萄糖后，利用乳糖的酶消ຫໍສະໝຸດ Baidu失
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乳糖操纵子诱导酶合成的过程
R：调节基因 O：操纵基因 S：结构基因
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酶生物合成的诱导作用
酶合成的诱导作用：由于加入某种物质，使酶的生物合 成开始或加速进行的现象，称为酶生物合成的诱导作用
诱导物：能诱导酶合成的物质，称为诱导物。被诱导合 成的酶叫诱导酶
P-CAP）的结合位点。CAP 是指环腺苷酸
受体蛋白（cAM P acceptor protein）或分解
代谢物活化剂蛋白（catabolite activator
protein）。只有到达启动基因的位点时，
RNA 聚合酶才能结合到其在启动基因上的
相应位点上，转录才有可能开始，否则酶
就无法开始合成大。家好
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阻遏蛋白
调节基因可以产生一种阻遏蛋白。阻遏蛋白是一种由多 个亚基组成的变构蛋白，它可以通过与某些小分子效应 物（诱导物或阻遏物）的特异结合而改变其结构，从而 改变它与操纵基因的结合力。
当阻遏蛋白与操纵基因结合时，由于空间排挤作用， RNA 聚合酶就无法结合到启动基因的位点上，也无法 进入到结构基因的位置进行转录，因而无法将 DNA 上 的遗传信息转录到 mRNA 分子上，酶的生物合成也就 无法进行。
分解代谢物阻遏作用是指某些物质（主要是指容易利用 的碳源）经过分解代谢产生的分解代谢物阻遏某些酶 （主要是诱导酶）生物合成的现象。例如，葡萄糖阻遏 β-半乳糖苷酶的生物合成，果糖阻遏α-淀粉酶的生物合成 等。
分解代谢物阻遏作用之所以产生，是由于某些物质（如 葡萄糖等）经过分解代谢放出能量，有一部分能量储存 在 ATP 中。ATP 是由 AMP 和 ADP 通过磷酸化作用生成 的。这样细胞内 ATP 的浓度增加，使 AMP 的浓度降低， 存在于细胞内的 cAMP 就通过磷酸二酯酶的作用水解生 成 AMP。
酶浓度调节的化学本质是基因表达的调节， 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，转录水平的调控占主 导地位，是酶生物合成中最重要的调节
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操纵子
操纵子（operon）是一组功能上相关且受同 一调控区控制的基因组成的遗传单位
操纵子是酶合成调控的结构基础
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操纵子调控模型
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生产中pH调控方法
调节培养基初始pH值，控制合适C/N，调整生 理酸性物质与生理碱性物质之比例；
补料调节，即通过发酵过程中流加碳源、氮源 来调节pH；
添加缓冲液，维持一定pH值； 如pH值变化较大，可直接流加酸或碱进行调节； 通过对溶解氧的调节，来控制中间产物的氧化
程度。
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选用产胞外酶菌种，有大家好利于酶的分离提取
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微生物产酶菌株的获得
含菌样品采集 菌种分离纯化 菌种的初筛 菌种的复筛 最佳产酶条件初步确定 微生物产酶性能的进一步提高 微生物产酶菌种保存
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酶发酵工艺条件及控制
培养基营养成分：碳源、氮源、无机盐、生长 因子、产酶促进剂等
发酵条件控制剂对产酶的影响：温度、pH值、 溶解氧
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机制
只有当阻遏蛋白通过与效应物（又称辅助阻遏物）结合， 改变结构而不与操纵基因结合时，RNA 聚合酶才能结 合到启动基因的位点上，进行转录，使结构基因所对应
的酶进行生物合成。
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原核生物操纵子类型
诱导型操纵子（inducible operon）：在无诱 导物时，其基因不表达或表达的水平很低， 只有当诱导物存在时，才能进行转录生成 mRNA，进而经翻译合成酶。如乳糖操纵子
物细胞来生产获得
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工业用部分主要酶的生产菌种
微生物类别
菌名
产生的酶
用途
细菌
枯草杆菌 大肠杆菌
淀粉酶 蛋白酶 L-天冬氨酸酶
青霉素酰化酶
酒精与啤酒工业、洗涤剂、糊精加工、纺织品脱浆等
生丝脱胶、皮革脱毛、胶卷回收、酱油酿造 生产L-天冬氨酸：治疗白血病 制备新青霉素的母核6-氨基青霉素烷酸
异型乳酸杆菌 短小芽孢杆菌
葡萄糖异构酶 由葡萄糖制果糖 碱性蛋白酶 皮革脱毛
酵母
霉菌 放线菌
产气气杆菌 解脂假丝酵母 啤酒酵母、假丝 酵母 点青酶
转化微白色放线 菌
异淀粉酶 脂肪酶 转化酶
分解淀粉的α-1,6-糖苷键 绢丝原料脱脂、洗涤剂、医药、乳品增香 制造转化糖
葡萄糖氧化酶 食品加工中食品去氧、除葡萄糖，作试剂测定葡 萄糖
诱导物一般是酶催化作用的底物、酶底物类似物或酶催
化反应的产物。例如，β-半乳糖苷酶的作用底物乳糖及 其底物类似物异丙基-β-D-硫代半乳糖苷（IPTG）诱导 β-半乳糖苷酶的生物合成；蔗糖及蔗糖甘油单棕榈酸酯 诱导蔗糖酶的生物合成等。有些酶也可由其催化反应产 物诱导产生。例如，半乳糖醛酸是果胶酶催化果胶水解 的产物，它也可以作为诱导剂，诱导果胶酶的产生；纤 维二糖作为纤维素酶的催化反应产物可诱导纤维素酶的
微生物种类多，且在不同环境下生存的微生物都 有其完全不同的代谢方式，能分解利用不同底物， 这为微生物酶种类的多样性提供了物质基础
微生物培养基来源广泛易得、价格便宜 微生物发酵产酶过程可以采用连续化、自动化控
制，生产效率高，经济效益好 可利用分子生物学技术选育菌种，提高酶产率 利用基因工程可使动植物细胞中存在的酶用微生
根据基因调节理论，在 DNA 分子中，与酶的生物 合成有密切关系的基因有 4 种。它们是调节基因 （regulator gene）、启动基因（promoter gene）、 操纵基因（operator gene）和结构基因（structural gene）。
– 结构基因与多肽链有各自的对应关系。结构基因上的 遗传信息可以转录成为 mRNA上的遗传密码，再经翻 译成为酶蛋白的多肽链，每一个结构基因对应一条多 肽链。
阻遏型操纵子（repressible operon）：在无 阻遏物时，基因正常表达，当有阻遏物时， 转录则受到阻遏，酶不能合成。如色氨酸操 纵子
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转录水平的调节
酶生物合成的诱导作用 酶生物合成的反馈阻遏作用 分解代谢物阻遏作用
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酶
根据酶生成是否与环境中所存在的该酶底物 或其相关物质的关系，把酶分为：
从而使阻遏蛋白与操纵基
因结合。RNA聚合酶就不
能通过操纵基因而移动到
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结阻构遏基了因酶进的行生转物录合，成2因9 而
分解代谢物阻遏作用
某些物质（主要指葡萄糖和其他容易利用的 碳源等）分解代谢的产物阻遏某些酶（特别 是参与分解代谢的酶）生物合成的现象称为 分解代谢物阻遏作用，也称葡萄糖效应
分解代谢物阻遏作用之所以产生，一是由于 葡萄糖等的分解代谢引起ATP浓度上升，消 耗胞内cAMP；二是当葡萄糖等作为唯一碳 源时，葡萄糖的降解物对腺苷酸环化酶活性 有抑制作用，降低cAMP的生成
第三章 酶的生物合成与 发酵生产
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酶的生物合成与发酵生产定义
酶的生物合成：即生物体内酶合成的 过程
酶的发酵生产：利用微生物代谢活动 生产所需酶的过程
目前工业上使用的酶大多数是利 用微生物发酵生产的。
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利用微生物发酵产酶的优点
微生物生长繁殖快，生活周期短，用微生物产酶 几乎可以不受限制的扩大生产，满足市场需求
发酵条件控制及对产酶的影响（二）
溶解氧：通气量越大、氧分压越高、气液接触 时间越长、气液接触面积越大，则溶氧速率越 大。此外，培养液的性质，主要是粘度、气泡 以及温度等对溶氧速率有明显的影响，可通过 以上方面调节溶氧速率。
溶氧量过低，会对微生物生长、繁殖和新陈代
谢产生影响，从而使酶产量降低。但，过高的
溶氧量对酶的发酵生产业会产生不利影响，一
方面会造成浪费，另一方面高溶氧也会抑制某
些酶的生物合成，因此在整个发酵过程中应根
据需要控制好溶氧量。大家好
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固定化微生物细胞产酶的工艺条件及其控 制应注意事项
需要对固定化微生物细胞进行预培养
增加溶宜解氧的供给
发酵温度的控制
培养基组分的特殊要求：1）培养基浓度不 过高，并可通过改变培养基组分来降低培养 基粘度，有利于氧的溶解和传递，从而克服 固定化细胞好氧发酵过程中氧溶解和传递的 限制；2）培养基组分不能影响固定化细胞 的结构稳定性，或影响很小