第三章 酶的生物合成与发酵生产

2、蛋白质的生物合成——翻译
翻译：以mRNA为模板，以氨基酸为底物，在核糖体上通过各种tRNA， 酶和辅助因子的作用，合成多肽的过程。 四个阶段 1、氨基酸活化生成氨酰－tRNA 2、肽链合成的起始 3、肽链的延伸 4、肽链合成的终止
（二）酶生物合成的调节
酶合成调节的类型：诱导和阻遏 1、酶合成的诱导 乳糖诱导ß -半乳糖苷酶的合成 淀粉诱导a-淀粉酶的合成
酶工程的基本过程图解
发酵罐示意图
试管菌种培养
茄子瓶菌种培养 孢子（菌体）悬液制备 种子罐菌种培养
摇瓶菌种培养
发酵罐发酵
发酵液预处理
酶的分离纯化精制
图3.21
酶发酵生产的一般工艺流程
3）灭菌方式 • 分批灭菌 又称实罐灭菌、实消。 • 连续灭菌 又称连消。 4 种子培养 （1）概念 （2）流程 （3）种子质量控制措施 1）培养基 营养成分的丰富与完全；成分和发酵培养基接近。 2）培养条件 温度、pH、通气与搅拌、泡沫等。 3）种龄 即种子培养时间。最适的种龄为对数生长期。原因。 （4）接种量 1）概念 2）影响接种量大小的因素
（2）pH的影响及其控制 1）pH对发酵的影响 2）影响pH变化的因素 培养基营养成分与细胞代谢影响pH 的变化。 3）发酵pH的确定与控制 • 发酵pH的确定：单因素实验摸索方法（P123）。 • pH的控制:基础培养基配方、补料
3、溶氧的影响与控制 （1）溶氧的影响 每小时1m3培养液中需要的氧是溶解 氧量的750倍。 （2）溶氧浓度的控制 1）从供氧方面考虑 dC/dt=Kla*(C*-C) 提高氧分压；增加通气量；延长气液接触时间；增加气 液比表面积；改变培养液的性质。 2）从需氧方面考虑 r=Qo2*Cc
三、酶发酵生产的工艺控制
• 根据细胞培养方式的不同，酶的发酵生产可以 分为固体发酵、液体发酵、和固定化细胞发酵 等方式。 • 三种方式不同的含义与不同的特点（P117）。
（一）酶发酵生产的工艺控制
1、酶发酵生产的一般工艺 2、发酵罐 3、培养基及培养基灭菌 （1）培养基成分 1）碳源 碳源选择应该考虑的问题 2）氮源 3）无机盐和微量元素 4）生长因子（growth factor） （2）发酵培养基配制 （3）培养基的灭菌 1）湿热灭菌 2）灭菌的要求 3）灭菌方式
第三章 酶的生物合成与发酵生产
• 酶生物合成的调节 • 酶发酵动力学 • 酶发酵生产的工艺控制
一、酶生物合成的调节
• 酶的生物合成 • 酶生物合成的调节 • 生物酶产量提高的策略
（一）酶的生物合成
1、RNA的生物合成——转录
• 转录是以DNA为模板，以核苷三磷酸为底物ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ在RNA聚合酶（转录 酶）的作用下，生成RNA的过程。
4、控制方法 • 条件控制 （1）添加诱导物 4类诱导物 1）酶的作用底物 2）酶作用底物的前体 3）酶的反应产物 4）底物类似物 （2）降低阻遏物浓度 分解代谢物阻遏与解除： 终产物阻遏与解除： （3）促进分泌：表面活性剂 （4）添加产酶促进剂：
• 遗传控制 （1）改良菌种 诱变育种、原生质体融合、杂交 育种、代谢控制育种等。 （2）基因工程育种
2、酶合成的阻遏
酶合成的反馈阻遏作用（末端代谢物阻遏、产物阻遏作用） 酶催化作用的产物或代谢物途径的末端产物使该酶的生物合成 受阻。引起反馈阻遏的物质，称为共阻遏物（辅阻遏物）。 组氨酸对组氨酸合成途径中的10种酶的生物合成均起反馈作用
3、分解代谢物阻遏作用 葡萄糖阻遏ß -半乳糖苷酶的生物合成； 果糖阻遏a-淀粉酶的生物合成
二、酶发酵动力学
• 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。
二、酶发酵动力学
（一）细胞生长动力学 莫诺德（Monod）方程。分批培养（batch culture）中，细胞 生长速率与细胞浓度成正比。 （二）基质消耗动力学 基本质量消耗表现为能量产生、细胞质量增加与产物合成。 （三）产酶动力学 1、酶生物合成模式 分批培养中，根据酶的合成与细胞生长之间的关系，酶的生 物合成分为3种模式。不同模式的主要原因是酶所对应mRNA 的稳定性与培养基中是否存在阻遏物。
5、发酵工艺条件控制 （1）温度对发酵的影响 1）发酵温度的影响 2）影响发酵温度变化的因素 发酵热（Q发酵） 产热因素：生物热（Q生物）、搅拌热（Q搅拌） 散热因素：蒸发热（ Q蒸发）、辐射热（ Q辐射）、显热（ Q显热） 3）最适温度的选择与控制 选择：产酶最适温度与生长最适温度不同。 控制：夹套、蛇管、排管、喷淋管等热交换装置。
酶浓度
A
浓度
细胞浓度
酶浓度
B
细胞浓度
C
细胞浓度 酶浓度
D
酶浓度
细胞浓度
图3-1 酶生物合成模式
时间(h)
A.同步合成型; B.延续合成型; C.中期合成型; D.滞后合成型
同步生长型(李永泉,1995)
滞后合成型(李永泉,1995)
原理与意义
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，可以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。 在酶的工业生产中，为了提高酶产率和缩短发酵周期,最理想的 酶合成模式是延续合成型；对于其它类型的酶,要在菌种选育和 工艺条件上加以调节；对于同步合成型，尽量提高mRNA的稳定性， 如降低发酵温度;对于滞后合成型,尽量减少阻遏物；对于中期合 成型，要从提高mRNA稳定性和解除阻遏两方面进行。
第三章 思考题
1、诱导，阻遏，反馈阻遏作用，末端代谢物阻遏，酶生物合成模式 2、酶诱导与阻遏例子。 3、控制酶的生物合成方法有哪些？你能举例说明吗？ 4、酶生物合成的四类诱导物？ 5、酶生物合成存在不同模式的主要原因是什么？为什么？掌握酶生物合 成的模式对生产有什么意义？ 6、比较酶生物合成不同模式的特点。指出下图酸性蛋白酶合成模式。 7、酶发酵生产的方式有哪几种？比较其特点。 8、简述酶发酵生产的工艺过程。
（1）生长偶联型 又称同步生长型。细胞进入生长期， 酶即开始大量合成；细胞进入平衡期后，酶的合成随 之停止。其生物合成可以诱导，但不受分解代谢物阻 遏和终产物阻遏。当除去诱导物或细胞进入平衡期后， 酶的合成立即停止。其所对应的mRNA很不稳定。 （2）非生长偶联型 又称滞后合成型。只有当细胞生长 进入平衡期后，酶才开始合成并大量积累。其生物合 成受分解代谢物阻遏。该酶所对应的mRNA稳定性好。 如多数水解酶类。 （3）部分生长偶联型 又称延续合成型。酶的合成与细 胞同步开始，细胞生长进入平衡期后，酶还可以继续 合成。其生物合成可以诱导，但不受分解代谢物阻遏 和终产物阻遏。该酶所对应的mRNA很稳定。酶生产中 最理想的生物合成模式。