第三章酶的发酵生产PPT课件
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1、某些微生物因争夺生存环境或营养物，会产生抗 生素将其他种类的微生物杀死。
2、微生物会产生蛋白酶、纤维素酶和淀粉酶，将营 养物质水解成可吸收的小分子的多肽或氨基酸、葡 萄糖 。
3、微生物细胞会通过合成或分解代谢生产它必需的 一些物质，包括氨基酸、核苷酸等。
6
微生物作为酶来源的优越性：
1）种类繁多（＞20万种） 2）易于人工控制，获得高产酶的菌种 3）微生物生长周期短，繁殖迅速，培养
trp 密码子 序列3、4不能形成衰减子结构
wk.baidu.com
•当色氨酸浓度低时
27
细胞周期与酶的合成
可能的三种模式：
合成伴着生长进行， 进入静止期，合成降 低
对数生长期合成降低， 静止期合成增加
中间类型
28
三、酶发酵动力学
主要研究在发酵过程中细胞生长速率，产物 形成速率以及环境因素对速率的影响.
在酶的发酵生产中,研究酶发酵动力学对于了 解酶生物合成模式；发酵条件的优化控制,提 高酶产量具有重要的理论指导意义。
第三章 酶的来源与发酵生产
1
第一节 酶的来源
3
4
一、酶的来源
1.主要来源于生物：所有细胞都有产酶的
能力，但不是所有细胞都是酶的合适来源
动物： 胰脏胰蛋白酶，胃粘膜胃蛋白酶
植物： 菠萝、木瓜蛋白酶
微生物： 利用微生物细胞的生命活动合成所需酶类 的方法称为发酵法
5
为什么要利用微生物？
抗生素、氨基酸、酶制剂等产品为什么能通 过微生物发酵来生产？这与微生物的生长和 代谢特点有什么关系？
钮经义（1920-1995)
8
目前，应用于工业的酶类，主 要来自于微生物发酵。
9
什么是发酵？
利用微生物，在适宜的条件下，将原料经过 特定的代谢途径转化为人类所需要的产物的 过程。
10
发酵工业经历了哪几个阶段？
原始发展阶段（发酵技术原始，顶多是家庭小制作，技术 进步缓慢，完全是经验式的，并不知道其中的原理 。）
大部分大组成型酶及部分诱导酶.
mRNA不稳定,细胞进入生长平衡期后,新的
mRNA不再合成.
32
33
延续合成型：
酶的合成伴随着细胞 生长而开始，但在细 胞生长进入稳定期后, 酶的合成仍将延续较 长一段时间。
生物合成可受诱导物 诱导,一般不受分解代 谢物阻遏
mRNA相当稳定
34
35
中期合成型：
传统发酵工业阶段（人们才开始了解发酵现象的本质 ，
采用开放式的发酵方式，生产过程较为简单，对生产设备要求不
高，规模一般不大 。）
现代发酵工业阶段（生产技术要求高；生产规模大；技
术发展速度快；菌种的生产能力大幅度提高，新产品、新技术、
新设备的应用达到前所未有的程度。 ）
生物技术产业阶段 （利用构建的基因工程菌生产 ） 11
方便，成本低 4）提高微生物产酶的途径多 5）培养条件简单，易于自动化，生产易
管理 6）微生物本身也容易改造
7
2.人工合成酶制剂：
蛋白质的人工合成：人 工合成胰岛素等
人工合成酶制剂受客观 条件的限制，如试剂、 设备等，另外，体外合 成，形成单体的难度大， 且只能合成那些已经完 全搞清楚其化学结构的 酶类。
CAP
有葡萄糖，cAMP浓度低时
21
低半乳糖时
葡萄糖低 cAMP浓度高
ＩO
葡萄糖高 cAMP浓度低
无转录
ＩO
无转录
高半乳糖时
RNA-pol
O
mRNA
O
低水平转录
22
23
色氨酸操纵子——阻遏型操纵子
调节区
结构基因
trpR RNA聚P合酶O
RNA聚合酶
Trp 低时
mRNA
Trp 高时
操纵子关闭
Trp
结构基因
阻遏蛋白基因
操纵序列 (operator)
特异DNA序列
蛋白质因子
16
17
乳糖操纵子——诱导型操纵子
•乳糖操纵子的结构 调控区
结构基因
DNA
P Oz ya
I基因
操纵序列 启动子
CAP结合位点
z： β-半乳糖苷酶 y： 通透酶 a：乙酰基转移酶
18
•乳糖操纵子被阻遏蛋白封闭 阻遏基因
DNA
酶的合成在细胞生长 一段时间后才开始， 而在细胞生长进入稳 定期后,酶的合成也终 止。
发酵工程
12
二、酶的生物合成
Central dogma
13
酶合成的基本过程
转录
翻译
调控
基因表达的调控
•基因表达在全过程的各水平上都可以受调控：
染色质 活化
转录起始、延长、终止 转录后加工
转录起始调节 是基因表达调 控的主要环节
蛋白质翻译 翻译后加工修饰
15
启动子 (promoter)
30
酶生物合成模式：根据酶的合成与细胞生 长的关系，可以把酶生物合成模式分为4 种类型：
同步合成型 延续合成型 • 中期合成型 滞后合成型。
31
同步合成型 ：
又称生长偶联型,
是指酶合成与细胞生 长同步进行，当细胞 生长进入对数期时， 酶也大量合成；当细 胞进入稳定期时,酶的 合成也停止。
24
调节区
trpR
PO
前导序列
前导mRNA
1
2
结构基因
衰减子区域
3
4
UUUU……
trp 密码子 终止密码子
第14a1a0前、导11密肽码编子码UU为区Ut:Ur包p…密含…U码序U子U列U1……衰减子结构 UUUU……
形成发夹结构能力强弱： 序列1/2>序列2/3>序列3/4
25
前导DNA
转录衰减机制
I
Ppol O z y a
mRNA
阻遏蛋白
没有乳糖存在时
19
•乳糖操纵子被诱导物开放
DNA
I
pPol O z y a
mRNA
启动转录
mRNA
阻遏蛋白
β-半乳糖苷酶
半乳糖
乳糖
有乳糖存在时
20
DNA
CAP结合位点
P
OZ YA
+ + + + 转录
CCAACCPPAAPP CACPAP 无葡萄糖，cAMP浓度高时
29
影响酶生物合成模式的因素主要是: mRNA和培养基中存在的阻遏物：
mRNA稳定性高的，在细胞停止生长后继续合成相应的酶； mRNA稳定性差的，随着细胞生长停止而终止酶的合成； 不受阻遏物阻遏的,可随着细胞生长而开始酶的合成； 受阻遏物阻遏的,要在细胞生长一段时间或进入稳定期后解除
阻遏,才能开始酶的合成。
前导mRNA
1 5’
核糖体
RNA聚合酶
UUUU 3’
衰减子结构
就是终止子
4 可使转录 终止
3
2
34
UUUU 3U’UUU……
前导肽
trp 密码子
•当色氨酸浓度高时
26
前导DNA 前导mRNA
Trp合成酶系相关 结构基因被转录
RNA聚合酶 结构基因
5’
前导肽
23
核1 糖体
2 43
4
UUUU…U…UUU……
2、微生物会产生蛋白酶、纤维素酶和淀粉酶，将营 养物质水解成可吸收的小分子的多肽或氨基酸、葡 萄糖 。
3、微生物细胞会通过合成或分解代谢生产它必需的 一些物质，包括氨基酸、核苷酸等。
6
微生物作为酶来源的优越性：
1）种类繁多（＞20万种） 2）易于人工控制，获得高产酶的菌种 3）微生物生长周期短，繁殖迅速，培养
trp 密码子 序列3、4不能形成衰减子结构
wk.baidu.com
•当色氨酸浓度低时
27
细胞周期与酶的合成
可能的三种模式：
合成伴着生长进行， 进入静止期，合成降 低
对数生长期合成降低， 静止期合成增加
中间类型
28
三、酶发酵动力学
主要研究在发酵过程中细胞生长速率，产物 形成速率以及环境因素对速率的影响.
在酶的发酵生产中,研究酶发酵动力学对于了 解酶生物合成模式；发酵条件的优化控制,提 高酶产量具有重要的理论指导意义。
第三章 酶的来源与发酵生产
1
第一节 酶的来源
3
4
一、酶的来源
1.主要来源于生物：所有细胞都有产酶的
能力，但不是所有细胞都是酶的合适来源
动物： 胰脏胰蛋白酶，胃粘膜胃蛋白酶
植物： 菠萝、木瓜蛋白酶
微生物： 利用微生物细胞的生命活动合成所需酶类 的方法称为发酵法
5
为什么要利用微生物？
抗生素、氨基酸、酶制剂等产品为什么能通 过微生物发酵来生产？这与微生物的生长和 代谢特点有什么关系？
钮经义（1920-1995)
8
目前，应用于工业的酶类，主 要来自于微生物发酵。
9
什么是发酵？
利用微生物，在适宜的条件下，将原料经过 特定的代谢途径转化为人类所需要的产物的 过程。
10
发酵工业经历了哪几个阶段？
原始发展阶段（发酵技术原始，顶多是家庭小制作，技术 进步缓慢，完全是经验式的，并不知道其中的原理 。）
大部分大组成型酶及部分诱导酶.
mRNA不稳定,细胞进入生长平衡期后,新的
mRNA不再合成.
32
33
延续合成型：
酶的合成伴随着细胞 生长而开始，但在细 胞生长进入稳定期后, 酶的合成仍将延续较 长一段时间。
生物合成可受诱导物 诱导,一般不受分解代 谢物阻遏
mRNA相当稳定
34
35
中期合成型：
传统发酵工业阶段（人们才开始了解发酵现象的本质 ，
采用开放式的发酵方式，生产过程较为简单，对生产设备要求不
高，规模一般不大 。）
现代发酵工业阶段（生产技术要求高；生产规模大；技
术发展速度快；菌种的生产能力大幅度提高，新产品、新技术、
新设备的应用达到前所未有的程度。 ）
生物技术产业阶段 （利用构建的基因工程菌生产 ） 11
方便，成本低 4）提高微生物产酶的途径多 5）培养条件简单，易于自动化，生产易
管理 6）微生物本身也容易改造
7
2.人工合成酶制剂：
蛋白质的人工合成：人 工合成胰岛素等
人工合成酶制剂受客观 条件的限制，如试剂、 设备等，另外，体外合 成，形成单体的难度大， 且只能合成那些已经完 全搞清楚其化学结构的 酶类。
CAP
有葡萄糖，cAMP浓度低时
21
低半乳糖时
葡萄糖低 cAMP浓度高
ＩO
葡萄糖高 cAMP浓度低
无转录
ＩO
无转录
高半乳糖时
RNA-pol
O
mRNA
O
低水平转录
22
23
色氨酸操纵子——阻遏型操纵子
调节区
结构基因
trpR RNA聚P合酶O
RNA聚合酶
Trp 低时
mRNA
Trp 高时
操纵子关闭
Trp
结构基因
阻遏蛋白基因
操纵序列 (operator)
特异DNA序列
蛋白质因子
16
17
乳糖操纵子——诱导型操纵子
•乳糖操纵子的结构 调控区
结构基因
DNA
P Oz ya
I基因
操纵序列 启动子
CAP结合位点
z： β-半乳糖苷酶 y： 通透酶 a：乙酰基转移酶
18
•乳糖操纵子被阻遏蛋白封闭 阻遏基因
DNA
酶的合成在细胞生长 一段时间后才开始， 而在细胞生长进入稳 定期后,酶的合成也终 止。
发酵工程
12
二、酶的生物合成
Central dogma
13
酶合成的基本过程
转录
翻译
调控
基因表达的调控
•基因表达在全过程的各水平上都可以受调控：
染色质 活化
转录起始、延长、终止 转录后加工
转录起始调节 是基因表达调 控的主要环节
蛋白质翻译 翻译后加工修饰
15
启动子 (promoter)
30
酶生物合成模式：根据酶的合成与细胞生 长的关系，可以把酶生物合成模式分为4 种类型：
同步合成型 延续合成型 • 中期合成型 滞后合成型。
31
同步合成型 ：
又称生长偶联型,
是指酶合成与细胞生 长同步进行，当细胞 生长进入对数期时， 酶也大量合成；当细 胞进入稳定期时,酶的 合成也停止。
24
调节区
trpR
PO
前导序列
前导mRNA
1
2
结构基因
衰减子区域
3
4
UUUU……
trp 密码子 终止密码子
第14a1a0前、导11密肽码编子码UU为区Ut:Ur包p…密含…U码序U子U列U1……衰减子结构 UUUU……
形成发夹结构能力强弱： 序列1/2>序列2/3>序列3/4
25
前导DNA
转录衰减机制
I
Ppol O z y a
mRNA
阻遏蛋白
没有乳糖存在时
19
•乳糖操纵子被诱导物开放
DNA
I
pPol O z y a
mRNA
启动转录
mRNA
阻遏蛋白
β-半乳糖苷酶
半乳糖
乳糖
有乳糖存在时
20
DNA
CAP结合位点
P
OZ YA
+ + + + 转录
CCAACCPPAAPP CACPAP 无葡萄糖，cAMP浓度高时
29
影响酶生物合成模式的因素主要是: mRNA和培养基中存在的阻遏物：
mRNA稳定性高的，在细胞停止生长后继续合成相应的酶； mRNA稳定性差的，随着细胞生长停止而终止酶的合成； 不受阻遏物阻遏的,可随着细胞生长而开始酶的合成； 受阻遏物阻遏的,要在细胞生长一段时间或进入稳定期后解除
阻遏,才能开始酶的合成。
前导mRNA
1 5’
核糖体
RNA聚合酶
UUUU 3’
衰减子结构
就是终止子
4 可使转录 终止
3
2
34
UUUU 3U’UUU……
前导肽
trp 密码子
•当色氨酸浓度高时
26
前导DNA 前导mRNA
Trp合成酶系相关 结构基因被转录
RNA聚合酶 结构基因
5’
前导肽
23
核1 糖体
2 43
4
UUUU…U…UUU……