第三章酶的发酵生产

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2.1.1 酶生物合成的调节
转录水平的调节,转录产物的加工调节、 翻译水平的调节、翻译产物的加工调节 和酶降解的调节。
研究表明，至少在原核生物中，甚至在 所有生物中，转录水平的调节控制对酶 的生物合成是至关重要的。
转录水平的调节控制，又称为基因的调节控制。
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操纵子学说(Operon theory) 基因调节控制理论
固定化原生质技术特点如下：
1.由于去除了细胞壁，可使胞内酶等胞内物质不断地分 泌到胞外。
2.固定化原生质体有较好的稳定性，可反复或连续使用 相当长的时间。
然而固定化原生质体的制备复杂，发酵液中需要维持较高 的渗透压，而且还要防止细胞壁的再生。
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2.1 酶生物合成的基本理论
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第三章 酶的发酵生产
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所有的生物体在一定条件下都能产生多种多样 的酶。
酶在生物体内产生的过程，称为酶的生物合成。
经过预先设计，通过人工操作控制，利用细胞 的生命活动，产生人们所需要的酶的过程，称 为酶的发酵生产。
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酶的来源
分动物，植物，微生物。 用途分：工业用，分析用，药用。 工业用酶极大多数来源于微生物 微生物种类多,繁殖快,易培养,代谢能力强
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酶的发酵生产根据细胞培养方式的不同，可分为： 1.固体培养发酵。
（酿酒，制曲-淀粉酶,蛋白酶;
设备简单,操作方便,尤其适用于霉菌的培养和发酵产酶, 但劳动强度大,原料利用率低.)
2.液体深层发酵
（主要方式，应用广泛）。生产规模容易放大,原料利用率高, 但机械化程度要高,生产管理水平要求高
过
糖
酶
苷
酶
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转录 mRNA
转 乙 酰 基 酶
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2. 酶生物合成的诱导作用：加入某种物质，使酶的生物合
成开始或加速进行的过程。简称诱导作用，起诱导作用 的物质称为诱导剂。
淀粉酶，蔗糖酶、尿酶的典 型的诱导物是：淀粉，蔗糖 和尿素。加入诱导物前，菌 生长，但不生产酶，加入诱 导物后酶的合成开始，当诱 导物除去时，合成即停止。
3.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，大大提高设备的利用率。
4.发酵液中含菌较少，利于分离纯化，提高产品的质
量。
载体：泡
细胞：菌
沫塑料
丝
固定化 细胞
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固定化原生质发酵产酶：
针对于胞内酶的生产，80年代中期发展起固定化原生质 技术。原生质是指除去细胞壁的微生物细胞或植物细胞。
项目
生产规模 纯度 产品价格 来源
用途 分析用酶
药用酶
工业用酶
mg-g
mg-g
吨计
纯结晶，高
纯结晶，高
粗酶
中-高
中-高
低
微生物，动物，植物 微生物，动物，植物 微生物酶
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在酶的发酵生产中，第一位的是选育优 良的产酶细胞。
产酶细胞的要求： 1.酶的产量高 2.易培养和管理 3.产酶的性能稳定 4.利于酶产品的分离纯化 5.安全可靠
录。
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基因对酶生物合成的调节控制有3种方式
分解代谢阻遏作用 酶合成的诱导作用 酶合成的反阻遏作用。
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1. 分解代谢物阻遏作用：指容易利用的 碳源阻遏某些酶（主要是诱导酶）生物 合成的现象。
葡萄糖阻遏b-半乳糖苷酶的合成；果糖阻遏 a-淀粉酶的合成；控制好碳源的量
– 在DNA分子中，与酶的生物合成有密切关系的基因有4种，即 调节基因（Regulator gene)、启动基因(Promoter gene)、操纵基 因(Operator gene)、结构基因(Structural gene)。
– 结构基因的遗传信息通过mRNA，可翻译合成特定的酶。
– 启动基因决定酶的基因能否开始。由两个位点组成，一个是 RNA聚合酶的结合位点，一个是环腺苷酸（Cylic AMP) 与 CAP组成的复合物的结合位点（cAMP-CAP）
A-无诱导物时 B- 添加诱导物时 酶生物合成的诱导作用
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诱导物一般是酶催化作用的底物或其底物类 似物，例如b-半乳糖苷酶的作用底物乳糖及 其底物类似物IPTG可诱导b-半乳糖苷酶的合 成
也可能是酶催化反应的产物，半乳糖醛酸能 诱导果胶酶合成，而半乳糖醛酸是由果胶酶 催化果胶水解产生。
– 调节基因可以产生由多个亚基组成的变构蛋白，这些蛋白能 和操纵基因结合,而且某些小分子效应物也能与这些蛋白结合 并改变其与操纵基因结合力的大小.
– 操纵基因可以特异性的与调节基因产生的变构蛋白中的一种
结构结合，这种结合一旦形成，由于空间阻碍RNA聚合酶就
无法结合到启动基因的结合位点，就不能启动结构基因的转
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分解代谢物阻 遏作用
调节基因 ···· R
葡萄糖 效应
葡萄糖阻遏b-半乳糖 苷酶的合成
启动基因
P
操纵基因
O
SR1
结构基因 S2 S3 ····DNA
CAMP-CAP RNA聚 合酶
原因： 葡萄糖分解 能量
cAMP + H2O
葡萄糖降解物 腺苷酸环化酶
ATP AMP
翻译
E
半
透
乳
葡萄糖效应：E. coli培养在含乳糖和葡萄糖的培养基上，发现该 菌可优先利用葡萄糖，并于葡萄糖耗尽后才开始利用乳糖，这就 产生了两个对数生长期中间隔开一个生长延滞期的“二次生长现 象”(diauxie或biphasic growth)，这一现象又称，产生的原因为葡 萄糖的存在阻遏了分解乳糖酶系的合成。
不同的酶由不同的诱导物产生。
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3. 酶生物合成的反馈阻遏作用：又称为产物阻遏作用， 指的是酶催化产物或代谢途径的末端产物使该酶的生 物合成受阻的过程。引起反馈阻遏的物质称为共阻遏 物。 （阻遏型操纵子）
色氨酸的合成：高浓 度色氨酸抑制合成色 氨酸所需酶的合成， 这就是典型的反馈阻 遏作用
3.固定化细胞。 4.固定化原生质发酵。
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Leabharlann Baidu
卧式旋转摇床
立式旋转摇床
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固定化细胞发酵具有显著的优点：
1.固定化细胞的密度高，反应器水平生产强度较大， 可提高生产能力。
2.发酵稳定性好，可反复使用或连续使用较长的时间， 易于连续化生产和自动化生产。