簡介:1,微生物發(fā)酵產(chǎn)酶,一、酶生物合成的基本理論,到目前為止,已知的酶有幾千種,按照其化學(xué)組成,可以分為蛋白類酶(P酶)和核酸類酶(R酶)。酶的生物合成主要是指細(xì)胞內(nèi)RNA和蛋白質(zhì)的合成過程。所以本節(jié)簡要地闡述RNA和蛋白質(zhì)生物合成及其調(diào)節(jié)控制的基本理論,即,酶生物合成,是指酶在生物體內(nèi)合成的過程。,,1、中心法則CENTRALDOGMA,2、RNA的生物合成TRANSCRIPTION,3、蛋白質(zhì)的生物合成TRANSLATION,4、酶生物合成的調(diào)節(jié)REGULATION,2,微生物發(fā)酵產(chǎn)酶,一、酶生物合成的基本理論,(一)中心法則,1958年,克里克提出中心法則,認(rèn)為在通常的細(xì)胞中,遺傳信息的傳遞方向是,轉(zhuǎn)錄翻譯DNARNA蛋白質(zhì),某種細(xì)胞能否合成某種酶分子,首先取決于細(xì)胞中的遺傳信息載體DNA分子中是否存在有該酶所對(duì)應(yīng)的基因。,根據(jù)中心法則,DNA分子可以通過復(fù)制生成新的DNA,再通過轉(zhuǎn)錄生成對(duì)應(yīng)的RNA,然后再翻譯成為多肽鏈,經(jīng)加工而成為具有完整空間結(jié)構(gòu)的酶分子。,,,3,微生物發(fā)酵產(chǎn)酶,一、酶生物合成的基本理論,(一)中心法則,REPLICATION復(fù)制親代DNA或RNA在一系列酶的作用下,生成與親代相同的子代DNA或RNA的過程。TRANSCRIPTION轉(zhuǎn)錄是指以DNA為模板,以核苷三磷酸為底物,在依賴DNA的RNA聚合酶(轉(zhuǎn)錄酶)的作用下,生成RNA的過程。TRANSLATION翻譯亦叫轉(zhuǎn)譯,是指以MRNA為模板,以氨基酸為底物,在核糖體上通過各種TRNA、酶和輔助因子的作用,合成多肽鏈的過程。REVERSETRANSLATION逆轉(zhuǎn)錄以RNA為模板,在逆轉(zhuǎn)錄酶的作用下,生成DNA的過程。,4,微生物發(fā)酵產(chǎn)酶,一、酶生物合成的基本理論,(二)RNA的生物合成轉(zhuǎn)錄,1、轉(zhuǎn)錄過程,轉(zhuǎn)錄過程分為4個(gè)階段,(1)轉(zhuǎn)錄的起始,(2)RNA鏈的延伸,(3)RNA鏈合成的終止,(4)RNA前體的加工,,5,微生物發(fā)酵產(chǎn)酶,一、酶生物合成的基本理論,(二)RNA的生物合成轉(zhuǎn)錄,3、RNA的生物功能,1在某些RNA病毒中,其所含的雙鏈RNA作為遺傳信息的載體。,2在蛋白質(zhì)的生物合成過程中,各種RNA起著重要的作用。其中,TRNA作為氨基酸載體,并由其上的反密碼子識(shí)別MRNA分子上的密碼子;MRNA作為蛋白質(zhì)合成的模板,由其分子上的三聯(lián)體密碼控制蛋白質(zhì)分子中氨基酸的排列順序;RRNA與蛋白質(zhì)一起組成核糖核蛋白體(核糖體),作為蛋白質(zhì)生物合成的場所。,3某些RNA具有生物催化活性,屬于核酸類酶,在一定條件下,可以催化有關(guān)的生化反應(yīng)。,4各種小分子RNA在分子修飾和代謝調(diào)節(jié)等方面有重要作用。,,6,微生物發(fā)酵產(chǎn)酶,一、酶生物合成的基本理論,(三)蛋白質(zhì)的生物合成翻譯,1、翻譯過程,翻譯實(shí)際上是將MRNA分子上的堿基排列次序轉(zhuǎn)變?yōu)槎嚯逆溕习被岬呐帕写涡虻倪^程,分為5個(gè)階段,(1)氨基酸活化生成氨酰TRNA,(2)肽鏈合成的起始,(3)肽鏈合成的的延伸,(4)肽鏈合成的終止,,(5)蛋白質(zhì)前體的加工,7,微生物發(fā)酵產(chǎn)酶,一、酶生物合成的基本理論,(四)酶生物合成的調(diào)節(jié),1、細(xì)胞合成的酶的分類,每一個(gè)細(xì)胞都可以在一定的條件下合成多種多樣的酶。細(xì)胞合成的酶的分類,(1)組成型酶即在細(xì)胞中的量比較恒定,環(huán)境因素對(duì)此類酶的合成速率影響不大。,(2)適應(yīng)型酶即在細(xì)胞中的量變化較大,環(huán)境因素對(duì)此類酶的合成速率影響較大。,,,,8,微生物發(fā)酵產(chǎn)酶,一、酶生物合成的基本理論,(四)酶生物合成的調(diào)節(jié),酶生物合成要經(jīng)過一系列的步驟,需要許多因素的參與。因此,在轉(zhuǎn)錄和翻譯過程中,許多因素都會(huì)影響適應(yīng)型酶生物合成。研究結(jié)果表明,至少在原核生物中,甚至在所有生物中,轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)節(jié)(又稱為基因的調(diào)節(jié))是酶生物合成中最重要的調(diào)節(jié)。下面介紹原核生物中酶生物合成的調(diào)節(jié)。,2、基因的調(diào)節(jié)是酶生物合成中最重要的調(diào)節(jié),,9,微生物發(fā)酵產(chǎn)酶,一、酶生物合成的基本理論,(四)酶生物合成的調(diào)節(jié),3、基因的調(diào)節(jié)理論,①結(jié)構(gòu)基因,特點(diǎn)與作用,(1)參與酶合成的DNA分子上基因的分類,與酶有各自的對(duì)應(yīng)關(guān)系,結(jié)構(gòu)基因中遺傳信息可以轉(zhuǎn)錄成MRNA上的遺傳密碼,再經(jīng)翻譯成蛋白質(zhì)的多肽鏈。,②操縱基因,特點(diǎn)與作用,可以特異性地與調(diào)節(jié)基因產(chǎn)生的阻遏蛋白(一種變構(gòu)蛋白)中的一種結(jié)合,從而操縱酶合成的時(shí)機(jī)及速度。,,10,微生物發(fā)酵產(chǎn)酶,一、酶生物合成的基本理論,(四)酶生物合成的調(diào)節(jié),3、基因的調(diào)節(jié)理論,③啟動(dòng)基因,特點(diǎn)與作用,(1)參與酶合成的DNA分子上基因的分類,,啟動(dòng)基因由兩個(gè)位點(diǎn)組成,RNA聚合酶的結(jié)合位點(diǎn),CAMPCAP復(fù)合物的結(jié)合位點(diǎn)(當(dāng)CAMP的濃度低時(shí),影響結(jié)合),只有在CAMPCAP復(fù)合物結(jié)合到啟動(dòng)基因的位點(diǎn)上時(shí),RNA聚合酶才能結(jié)合到其在啟動(dòng)基因的位點(diǎn)上,這樣,酶的合成才有可能開始。啟動(dòng)基因決定酶的合成能否開始。,,11,微生物發(fā)酵產(chǎn)酶,一、酶生物合成的基本理論,(四)酶生物合成的調(diào)節(jié),3、基因的調(diào)節(jié)理論,④調(diào)節(jié)基因,特點(diǎn)與作用,(1)參與酶合成的DNA分子上基因的分類,可以產(chǎn)生一種阻遏蛋白(變構(gòu)蛋白),其分子表面至少有兩個(gè)配基結(jié)合部位,一個(gè)與操縱基因結(jié)合,一個(gè)與效應(yīng)物誘導(dǎo)物或輔(共)阻遏物結(jié)合。這種阻遏蛋白的專一性很強(qiáng),只能與特定操縱子的操縱基因結(jié)合。,,12,微生物發(fā)酵產(chǎn)酶,一、酶生物合成的基本理論,(四)酶生物合成的調(diào)節(jié),3、基因的調(diào)節(jié)理論,①概念是細(xì)胞基因表達(dá)系統(tǒng)的一種功能單位。由啟動(dòng)基因、操縱基因和幾個(gè)功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因組成。,(2)操縱子,,②分類根據(jù)操縱子中阻遏蛋白的性質(zhì)不同,操縱子分為誘導(dǎo)型和阻遏型兩種基本類型。,13,微生物發(fā)酵產(chǎn)酶,一、酶生物合成的基本理論,(四)酶生物合成的調(diào)節(jié),3、基因的調(diào)節(jié)理論,③操縱子的作用機(jī)理,(2)操縱子,,A、誘導(dǎo)型操縱子,調(diào)節(jié)基因產(chǎn)生的阻遏蛋白合成之后就呈活性狀態(tài),可與操縱基因結(jié)合。由于空間排擠作用,RNA聚合酶無法結(jié)合到啟動(dòng)基因的位點(diǎn)上,也就無法進(jìn)入結(jié)構(gòu)基因位置,遺傳信息不能表達(dá)。誘導(dǎo)物能使阻遏蛋白變構(gòu)脫落,結(jié)構(gòu)基因得以表達(dá)。,,14,一、酶生物合成的基本理論,(四)酶生物合成的調(diào)節(jié),3、基因的調(diào)節(jié)理論,③操縱子的作用機(jī)理,(2)操縱子,,B、阻遏型操縱子,調(diào)節(jié)基因產(chǎn)生的阻遏蛋白合成之后呈無活性狀態(tài),不能與操縱基因結(jié)合。此時(shí)如果RNA聚合酶已結(jié)合在啟動(dòng)基因位點(diǎn)上,就能夠通過操縱基因進(jìn)入結(jié)構(gòu)基因位置,遺傳信息得以表達(dá)。輔阻遏物使其變構(gòu)活化,操縱子被阻,結(jié)果遺傳信息不能表達(dá)。,,微生物發(fā)酵產(chǎn)酶,15,一、酶生物合成的基本理論,(四)酶生物合成的調(diào)節(jié),4、轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)節(jié)模式,微生物發(fā)酵產(chǎn)酶,總結(jié)轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)節(jié)模式有三種,即分解代謝物阻遏作用、酶生物合成的誘導(dǎo)作用和酶生物合成的反饋?zhàn)瓒糇饔?。啟?dòng)基因上CAMPCAP復(fù)合物的結(jié)合與否,對(duì)酶的生物合成起調(diào)節(jié)作用。對(duì)于誘導(dǎo)型操縱子,在無誘導(dǎo)物的情況下,其基因表達(dá)水平很低或不表達(dá),只有在有誘導(dǎo)物存在的條件下,才能轉(zhuǎn)錄生成MRNA,進(jìn)而合成酶。對(duì)于阻遏型操縱子,在無阻遏物的情況下,基因表達(dá)正常,當(dāng)有阻遏物存在時(shí),轉(zhuǎn)錄受阻。,研究表明,誘導(dǎo)型操縱子同時(shí)具有分解代謝物阻遏作用和酶生物合成的誘導(dǎo)作用;阻遏型操縱子同時(shí)具有操縱基因的調(diào)節(jié)和衰減子的調(diào)節(jié)兩種反饋?zhàn)瓒糇饔谩?16,一、酶生物合成的基本理論,(四)酶生物合成的調(diào)節(jié),4、轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)節(jié)模式,微生物發(fā)酵產(chǎn)酶,主要內(nèi)容,(1)概念(2)作用機(jī)理(3)實(shí)質(zhì)(4)應(yīng)用,17,一、酶生物合成的基本理論,(四)酶生物合成的調(diào)節(jié),4、轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)節(jié)模式,微生物發(fā)酵產(chǎn)酶,(1)分解代謝物阻遏作用,指某些物質(zhì)(主要是指葡萄糖和其它容易利用的碳源等)分解代謝的產(chǎn)物阻遏某些酶(主要是誘導(dǎo)酶)生物合成的現(xiàn)象。,,①概念,,18,一、酶生物合成的基本理論,(四)酶生物合成的調(diào)節(jié),4、轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)節(jié)模式,微生物發(fā)酵產(chǎn)酶,(1)分解代謝物阻遏作用,A、CAMP濃度降低,②作用機(jī)理,A、當(dāng)容易利用的碳源過量存在時(shí),通過代謝途徑進(jìn)行降解,放出的能量有一部分存儲(chǔ)在ATP中,細(xì)胞中ATP濃度增加。,B、ATP是由ADP和AMP通過磷酸化作用生成的,ATP濃度增加,AMP濃度降低。,,19,一、酶生物合成的基本理論,(四)酶生物合成的調(diào)節(jié),4、轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)節(jié)模式,微生物發(fā)酵產(chǎn)酶,(1)分解代謝物阻遏作用,B、轉(zhuǎn)錄受阻,②作用機(jī)理,由于CAMP濃度降低,就使CAMPCAP復(fù)合物的濃度降低,啟動(dòng)基因上沒有CAMPCAP復(fù)合物結(jié)合,RNA聚合酶不能結(jié)合到啟動(dòng)基因的位點(diǎn)上,使結(jié)構(gòu)基因上的遺傳信息無法轉(zhuǎn)錄。,,20,一、酶生物合成的基本理論,(四)酶生物合成的調(diào)節(jié),4、轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)節(jié)模式,微生物發(fā)酵產(chǎn)酶,(1)分解代謝物阻遏作用,③分解代謝物阻遏作用的解除,隨著細(xì)胞生長和新陳代謝的進(jìn)行,細(xì)胞中ATP濃度的下降,而使ADP、AMP、CAMP的濃度增加。當(dāng)CAMP的濃度增加到一定量的時(shí)候,CAMPCAP復(fù)合物結(jié)合到啟動(dòng)基因的特定位點(diǎn)上,RNA聚合酶也隨著結(jié)合到相應(yīng)的位點(diǎn)上,酶的生物合成就有可能進(jìn)行。,,21,一、酶生物合成的基本理論,(四)酶生物合成的調(diào)節(jié),4、轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)節(jié)模式,微生物發(fā)酵產(chǎn)酶,(1)分解代謝物阻遏作用,④分解代謝物阻遏作用及該阻遏作用解除的實(shí)質(zhì),實(shí)質(zhì)是CAMP通過啟動(dòng)基因?qū)γ干锖铣傻恼{(diào)節(jié)控制。,,22,一、酶生物合成的基本理論,(四)酶生物合成的調(diào)節(jié),4、轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)節(jié)模式,微生物發(fā)酵產(chǎn)酶,(1)分解代謝物阻遏作用,⑤應(yīng)用,在酶的發(fā)酵生產(chǎn)中,在培養(yǎng)基中碳源的選擇上要注意以下幾點(diǎn),A、不使用有分解代謝阻遏作用的碳源,采用其它較難利用的碳源。,B、采用補(bǔ)料、分次流加碳源等方法控制容易利用的碳源的濃度。,C、當(dāng)容易利用的碳源過量存在時(shí),加入一定量的CAMP可解除分解代謝物阻遏作用。,,,23,一、酶生物合成的基本理論,(四)酶生物合成的調(diào)節(jié),4、轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)節(jié)模式,微生物發(fā)酵產(chǎn)酶,(2)酶生物合成的誘導(dǎo)作用,①基本概念,A、酶生物合成的誘導(dǎo)作用,加進(jìn)某些物質(zhì),使酶的生物合成開始或加速進(jìn)行的過程,稱為酶生物合成的誘導(dǎo)作用。,,,24,一、酶生物合成的基本理論,(四)酶生物合成的調(diào)節(jié),4、轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)節(jié)模式,微生物發(fā)酵產(chǎn)酶,(2)酶生物合成的誘導(dǎo)作用,①基本概念,B、誘導(dǎo)物(誘導(dǎo)劑),指對(duì)酶的生物合成起誘導(dǎo)作用的物質(zhì)。一般是酶催化作用的底物或其底物類似物。,,,25,一、酶生物合成的基本理論,(四)酶生物合成的調(diào)節(jié),4、轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)節(jié)模式,微生物發(fā)酵產(chǎn)酶,(2)酶生物合成的誘導(dǎo)作用,①基本概念,B、誘導(dǎo)物(誘導(dǎo)劑),誘導(dǎo)物一般分為四類,許多誘導(dǎo)酶都可由其作用底物誘導(dǎo)產(chǎn)生。,例如大腸桿菌生長在以葡萄糖為單一碳源的培養(yǎng)基中,每個(gè)細(xì)胞平均只含有1分子Β半乳糖苷酶。若將該細(xì)胞轉(zhuǎn)移到含有乳糖而不含葡萄糖的培養(yǎng)基中,2MIN后開始大量產(chǎn)生Β半乳糖苷酶,平均每個(gè)細(xì)胞產(chǎn)生3000分子Β半乳糖苷酶。,A、酶的作用底物,,,26,一、酶生物合成的基本理論,(四)酶生物合成的調(diào)節(jié),4、轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)節(jié)模式,微生物發(fā)酵產(chǎn)酶,(2)酶生物合成的誘導(dǎo)作用,①基本概念,B、誘導(dǎo)物(誘導(dǎo)劑),誘導(dǎo)物一般分為四類,不能被酶作用或很少被酶作用的底物類似物,是酶生物合物的最有效的誘導(dǎo)物。,例如異丙基ΒD硫代半乳糖苷IPTG對(duì)Β半乳糖苷酶的誘導(dǎo)效果比乳糖高幾百倍;蔗糖甘油單棕櫚酸酯對(duì)蔗糖酶的誘導(dǎo)效果比蔗糖高幾十倍等。,B、酶的底物類似(是最有效的誘導(dǎo)物),,,27,一、酶生物合成的基本理論,(四)酶生物合成的調(diào)節(jié),4、轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)節(jié)模式,微生物發(fā)酵產(chǎn)酶,(2)酶生物合成的誘導(dǎo)作用,①基本概念,B、誘導(dǎo)物(誘導(dǎo)劑),誘導(dǎo)物一般分為四類,有些酶可由其催化反應(yīng)的產(chǎn)物誘導(dǎo)產(chǎn)生。,例如半乳糖醛酸是果膠酶催化果膠水解的產(chǎn)物,它卻可以作為誘導(dǎo)物,誘導(dǎo)果膠酶的產(chǎn)生。,C、酶的反應(yīng)產(chǎn)物,,,28,一、酶生物合成的基本理論,(四)酶生物合成的調(diào)節(jié),4、轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)節(jié)模式,微生物發(fā)酵產(chǎn)酶,(2)酶生物合成的誘導(dǎo)作用,①基本概念,B、誘導(dǎo)物(誘導(dǎo)劑),誘導(dǎo)物一般分為四類,有些酶的反應(yīng)產(chǎn)物類似物也可誘導(dǎo)酶的產(chǎn)生。,D、酶的反應(yīng)產(chǎn)物類似物,,29,一、酶生物合成的基本理論,(四)酶生物合成的調(diào)節(jié),4、轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)節(jié)模式,微生物發(fā)酵產(chǎn)酶,(2)酶生物合成的誘導(dǎo)作用,②作用機(jī)理,A、在無誘導(dǎo)物存在時(shí),調(diào)節(jié)基因R產(chǎn)生的阻抑蛋白與操縱基因O的結(jié)合力較強(qiáng),當(dāng)它們結(jié)合時(shí),就使已經(jīng)在啟動(dòng)基因P上的RNA聚合酶無法經(jīng)過操縱基因位置而進(jìn)入結(jié)構(gòu)基因S的位置。因此遺傳信息無法轉(zhuǎn)錄,酶不能合成圖24A。,,30,一、酶生物合成的基本理論,(四)酶生物合成的調(diào)節(jié),4、轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)節(jié)模式,微生物發(fā)酵產(chǎn)酶,(2)酶生物合成的誘導(dǎo)作用,②作用機(jī)理,B、當(dāng)有誘導(dǎo)物存在時(shí),誘導(dǎo)物與阻抑蛋白結(jié)合在一起,使阻抑蛋白的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,使之與操縱基因的結(jié)合力減弱。阻抑蛋白不能與操縱基因結(jié)合,就使RNA聚合酶可以順利通過操縱基因位置而到達(dá)結(jié)構(gòu)基因位置。進(jìn)行轉(zhuǎn)錄生成MRNA,再近一步翻譯成酶蛋白多肽鏈圖24B。,,31,一、酶生物合成的基本理論,(四)酶生物合成的調(diào)節(jié),4、轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)節(jié)模式,微生物發(fā)酵產(chǎn)酶,(2)酶生物合成的誘導(dǎo)作用,③實(shí)質(zhì),實(shí)質(zhì)是誘導(dǎo)物與阻抑蛋白結(jié)合在一起,使阻抑蛋白的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。,,32,一、酶生物合成的基本理論,(四)酶生物合成的調(diào)節(jié),4、轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)節(jié)模式,微生物發(fā)酵產(chǎn)酶,(2)酶生物合成的誘導(dǎo)作用,④應(yīng)用,在酶的發(fā)酵生產(chǎn)中,A、在培養(yǎng)基中碳源的選擇上,應(yīng)盡量選用對(duì)所需的酶有誘導(dǎo)作用的碳源。,例如,Α淀粉酶的發(fā)酵生產(chǎn)中,應(yīng)選用對(duì)該酶有誘導(dǎo)作用的淀粉作為碳源,而不用對(duì)該酶的生物合成有分解代謝物阻遏作用的果糖作為碳源;Β半乳糖苷酶發(fā)酵應(yīng)選用乳糖為碳源,而不用或少用葡萄糖為碳源等。,,33,一、酶生物合成的基本理論,(四)酶生物合成的調(diào)節(jié),4、轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)節(jié)模式,微生物發(fā)酵產(chǎn)酶,(2)酶生物合成的誘導(dǎo)作用,④應(yīng)用,在酶的發(fā)酵生產(chǎn)中,B、不同的酶有不同的誘導(dǎo)物,同一種酶有多種誘導(dǎo)物,實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)根據(jù)酶的特性、誘導(dǎo)效果和誘導(dǎo)物來源等進(jìn)行選擇。,,34,一、酶生物合成的基本理論,(四)酶生物合成的調(diào)節(jié),4、轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)節(jié)模式,微生物發(fā)酵產(chǎn)酶,(3)酶生物合成的反饋?zhàn)瓒糇饔茫óa(chǎn)物阻遏作用),①基本概念,反饋?zhàn)瓒糇饔?指酶催化作用的產(chǎn)物或代謝途徑的末端產(chǎn)物使該酶的生物合成受阻的過程。,,,35,一、酶生物合成的基本理論,(四)酶生物合成的調(diào)節(jié),4、轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)節(jié)模式,微生物發(fā)酵產(chǎn)酶,(3)酶生物合成的反饋?zhàn)瓒糇饔茫óa(chǎn)物阻遏作用),①基本概念,共阻遏物(輔阻遏物),指對(duì)酶的生物合成起反饋?zhàn)瓒糇饔玫奈镔|(zhì)。一般是酶催化作用的產(chǎn)物或代謝途徑的末端產(chǎn)物。,,例如,無機(jī)磷酸是堿性磷酸酶催化磷酸單酯水解的產(chǎn)物,而它的過量存在,卻可阻遏堿性磷酸酶的生物合成;組氨酸作為組氨酸合成途徑的終產(chǎn)物,它的過量積累卻反過來對(duì)其合成途徑中的10種酶的生物合成均起反饋?zhàn)瓒糇饔谩?,36,一、酶生物合成的基本理論,(四)酶生物合成的調(diào)節(jié),4、轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)節(jié)模式,微生物發(fā)酵產(chǎn)酶,(3)酶生物合成的反饋?zhàn)瓒糇饔茫óa(chǎn)物阻遏作用),②作用機(jī)理,A、在沒有共阻遏物存在時(shí),調(diào)節(jié)基因R產(chǎn)生的阻抑蛋白與操縱基因O的親和力弱,不能與操縱基因結(jié)合,所以已結(jié)合在啟動(dòng)基因P上的RNA聚合酶能順利通過操縱基因位置到達(dá)結(jié)構(gòu)基因S位置,進(jìn)行轉(zhuǎn)錄,進(jìn)而合成酶蛋白多肽鏈圖25A。,,37,一、酶生物合成的基本理論,(四)酶生物合成的調(diào)節(jié),4、轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)節(jié)模式,微生物發(fā)酵產(chǎn)酶,(3)酶生物合成的反饋?zhàn)瓒糇饔茫óa(chǎn)物阻遏作用),③實(shí)質(zhì),實(shí)質(zhì)是阻抑蛋白與共阻遏物特異結(jié)合,使阻抑蛋白結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。,,38,一、酶生物合成的基本理論,(四)酶生物合成的調(diào)節(jié),4、轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)節(jié)模式,微生物發(fā)酵產(chǎn)酶,(3)酶生物合成的反饋?zhàn)瓒糇饔茫óa(chǎn)物阻遏作用),④應(yīng)用,在酶的發(fā)酵生產(chǎn)中,控制阻遏物濃度能解除阻遏,提高酶產(chǎn)量。,例如,枯草桿菌堿性磷酸酶受其反應(yīng)產(chǎn)物無機(jī)磷酸的阻遏,當(dāng)培養(yǎng)基中無機(jī)磷含量在1.0UMOL/ML以上時(shí),該酶的合成完全受阻遏。當(dāng)培養(yǎng)基中無機(jī)磷含量在0.01UMOL/ML以下時(shí),該酶大量產(chǎn)生。所以,為了提高堿性磷酸酶的產(chǎn)量,必須限制培養(yǎng)基中無機(jī)磷的含量。,,,39,一、酶生物合成的基本理論,微生物發(fā)酵產(chǎn)酶,酶生物合成的基本理論學(xué)習(xí)要點(diǎn),1、轉(zhuǎn)錄、翻譯的概念及主要過程2、基因調(diào)節(jié)控制理論3、基因?qū)γ干锖铣烧{(diào)節(jié)控制的三種模式的概念、作用機(jī)理、實(shí)質(zhì)及應(yīng)用。,(四)酶生物合成的調(diào)節(jié),40,一、酶生物合成的基本理論,微生物發(fā)酵產(chǎn)酶,(五)真核生物中酶生物合成的調(diào)節(jié)機(jī)制,真核生物比原核生物的結(jié)構(gòu)復(fù)雜得多,其基因的表達(dá)和調(diào)節(jié)控制也復(fù)雜得多。到目前為止,還沒有統(tǒng)一的理論和模型來闡述真核生物中酶生物合成的調(diào)節(jié)規(guī)律。,41,微生物發(fā)酵產(chǎn)酶,二、常用的產(chǎn)酶微生物,2、常用的產(chǎn)酶微生物舉例,1、用于酶生產(chǎn)的細(xì)胞必須具備的條件,本節(jié)主要內(nèi)容,42,微生物發(fā)酵產(chǎn)酶,二、常用的產(chǎn)酶微生物,(一)用于發(fā)酵產(chǎn)酶的細(xì)胞必須具備的條件,(5)安全可靠、無毒性。,(4)利于酶產(chǎn)品的分離純化。,(3)產(chǎn)酶穩(wěn)定性好。,(2)容易培養(yǎng)和管理。,(1)酶的產(chǎn)量高。,,43,微生物發(fā)酵產(chǎn)酶,二、常用的產(chǎn)酶微生物,(2)應(yīng)用是制醬、釀酒、制醋的主要菌種。是生產(chǎn)酶制劑(蛋白酶、淀粉酶、果膠酶)的菌種。生產(chǎn)有機(jī)酸(如檸檬酸、葡萄糖酸等)。農(nóng)業(yè)上用作生產(chǎn)糖化飼料的菌種。,(1)特點(diǎn)廣泛分布于土壤、空氣和谷物上,可引起食物、谷物和果蔬的霉腐變質(zhì),有的可產(chǎn)生致癌性的黃曲霉毒素。,3、曲霉ASPERGILLUS,(二)舉例,44,微生物發(fā)酵產(chǎn)酶,二、常用的產(chǎn)酶微生物,(2)應(yīng)用根霉能產(chǎn)生一些酶類,如淀粉酶、果膠酶、脂肪酶等,是生產(chǎn)這些酶類的菌種。在釀酒工業(yè)上常用做糖化菌。有些根霉還能產(chǎn)生乳酸、延胡索酸等有機(jī)酸。,(1)形態(tài)、特點(diǎn)因有假根(RHIZOID)而得名(假根的功能是在培養(yǎng)基上固著,并吸收營養(yǎng))。分布于土壤、空氣中,常見于淀粉食品上,可引起霉腐變質(zhì)和水果、蔬菜的腐爛。代表種米根霉(RORYZAE黑根霉RNIGRICAN等。,5、根霉RHIZOPUS,(二)舉例,45,三、發(fā)酵工藝條件及控制,微生物發(fā)酵產(chǎn)酶,酶的發(fā)酵生產(chǎn)是以獲得大量所需的酶為目的。因此,除了選擇性能優(yōu)良的產(chǎn)酶細(xì)胞以外,還必須滿足細(xì)胞生長、繁殖和發(fā)酵產(chǎn)酶的各種工藝條件,并要根據(jù)發(fā)酵過程的變化進(jìn)行優(yōu)化控制。此外,還可以采取某些行之有效的措施。,本節(jié)主要內(nèi)容,(一)酶發(fā)酵生產(chǎn)的一般工藝流程,(二)細(xì)胞活化和擴(kuò)大培養(yǎng),(三)培養(yǎng)基的配制,(四)PH值的調(diào)節(jié)控制,(五)溫度的調(diào)節(jié)控制,(六)溶解氧的調(diào)節(jié)控制,(七)提高酶產(chǎn)量的措施,46,三、發(fā)酵工藝條件及控制,微生物發(fā)酵產(chǎn)酶,(一)酶發(fā)酵生產(chǎn)的一般工藝流程,酶發(fā)酵生產(chǎn)的一般工藝流程如下圖,,47,三、發(fā)酵工藝條件及控制,微生物發(fā)酵產(chǎn)酶,(二)細(xì)胞活化和擴(kuò)大培養(yǎng),細(xì)胞活化,性能優(yōu)良的產(chǎn)酶細(xì)胞選育出來以后,必須盡可能保持其生長和產(chǎn)酶特性不變異,不死亡,不被雜菌污染等。就必須采取妥善的保藏方法,以備隨時(shí)應(yīng)用。,細(xì)胞活化是指保藏的菌種在用于發(fā)酵之前,必須接種于新鮮的固體培養(yǎng)基上,在一定的條件下進(jìn)行培養(yǎng),以恢復(fù)細(xì)胞的生命活動(dòng)能力的過程。,,,48,三、發(fā)酵工藝條件及控制,微生物發(fā)酵產(chǎn)酶,(二)細(xì)胞活化和擴(kuò)大培養(yǎng),擴(kuò)大培養(yǎng),為了保證發(fā)酵時(shí)有足夠數(shù)量的優(yōu)質(zhì)細(xì)胞,活化了的細(xì)胞一般要經(jīng)過一級(jí)至數(shù)級(jí)的擴(kuò)大培養(yǎng)。,用于細(xì)胞擴(kuò)大培養(yǎng)的培養(yǎng)基稱為種子培養(yǎng)基。,49,三、發(fā)酵工藝條件及控制,微生物發(fā)酵產(chǎn)酶,(二)細(xì)胞活化和擴(kuò)大培養(yǎng),種子培養(yǎng)基的要求,1、含氮源豐富。,2、碳源含量相對(duì)較少。,3、種子培養(yǎng)條件應(yīng)滿足細(xì)胞生長要求。,4、培養(yǎng)時(shí)間不宜太長,一般培養(yǎng)至對(duì)數(shù)生長期,即可接入下一級(jí)擴(kuò)大培養(yǎng)或接入發(fā)酵。,5、控制好種子量與培養(yǎng)量的比例。接入發(fā)酵的種子的量一般為發(fā)酵培養(yǎng)基總量的1~10%。,,50,三、發(fā)酵工藝條件及控制,微生物發(fā)酵產(chǎn)酶,(三)培養(yǎng)基的配制,1、培養(yǎng)基,指人工配制的用于細(xì)胞培養(yǎng)和發(fā)酵的各種營養(yǎng)物質(zhì)的混合物。,,2、培養(yǎng)基的設(shè)計(jì)和配制原則,(1)營養(yǎng)成分的種類及比例要恰當(dāng)。,(2)控制適當(dāng)PH值。,(3)經(jīng)濟(jì)節(jié)約。,,3、培養(yǎng)基的組成,一般包括碳源、氮源、無機(jī)鹽、生長因素和水。,51,三、發(fā)酵工藝條件及控制,微生物發(fā)酵產(chǎn)酶,(三)培養(yǎng)基的配制,3、培養(yǎng)基的組成,(1)碳源,概念,指能夠向細(xì)胞提供碳素化合物的營養(yǎng)物質(zhì)。,,選擇碳源的要求,①滿足細(xì)胞生長、發(fā)酵的營養(yǎng)要求。,②注意碳源對(duì)酶生物合成的調(diào)節(jié)作用。,③考慮原料的價(jià)格及供求狀況。,,,來源,糖類、醇類、脂類、有機(jī)酸、烴類、蛋白質(zhì)及其降解物等。,,52,三、發(fā)酵工藝條件及控制,微生物發(fā)酵產(chǎn)酶,(三)培養(yǎng)基的配制,3、培養(yǎng)基的組成,(2)氮源,概念,指能夠向細(xì)胞提供氮元素的營養(yǎng)物質(zhì)。,,①有機(jī)氮源各種蛋白質(zhì)及其水解產(chǎn)物。如酪蛋白、豆餅粉、花生餅粉、蛋白胨、酵母膏、牛肉膏、多肽和氨基酸等。,②無機(jī)氨源含氮的各種無機(jī)化合物。如硫酸銨、磷酸銨、硝酸銨、硝酸鉀和硝酸鈉等。,,,氮源可分為有機(jī)氮源和無機(jī)氮源兩種,氮源的分類,,53,三、發(fā)酵工藝條件及控制,微生物發(fā)酵產(chǎn)酶,(三)培養(yǎng)基的配制,3、培養(yǎng)基的組成,(2)氮源,選擇氮源的要求,①滿足不同細(xì)胞的要求,一般說來,動(dòng)物細(xì)胞要求有機(jī)氨,植物細(xì)胞主要要求無機(jī)氮,微生物細(xì)胞中,異養(yǎng)型微生物用有機(jī)氮,自養(yǎng)型微生物用無機(jī)氮。,②碳和氮的比例要恰當(dāng),所謂碳氮比C/N般是指培養(yǎng)基中碳元素C的總量與氮元素N總量之比。有時(shí)也采用培養(yǎng)基中碳源總量和氮源總量之比來表示碳氮比。使用時(shí)要注意兩種比值是不同的。,,,,,54,三、發(fā)酵工藝條件及控制,微生物發(fā)酵產(chǎn)酶,(三)培養(yǎng)基的配制,3、培養(yǎng)基的組成,(3)無機(jī)鹽,作用,來源,①提供細(xì)胞生命活動(dòng)不可缺少的無機(jī)元素。,添加無機(jī)鹽。如硫酸鹽、磷酸鹽、氯化物以及含有鉀、鈉、鈣、鎂、鐵等元素的化合物。,②對(duì)培養(yǎng)基的PH值,氧化還原電位和滲透壓起調(diào)節(jié)作用。,,,,55,三、發(fā)酵工藝條件及控制,微生物發(fā)酵產(chǎn)酶,(三)培養(yǎng)基的配制,3、培養(yǎng)基的組成,(4)生長因素(生長因子),概念,來源,①一般在培養(yǎng)基中添加含有多種生長因素的天然原料的水解物,如玉米漿、酵母膏、麩皮水解液等。,指細(xì)胞生長繁殖必不可少的微量有機(jī)化合物,主要包括各種氨基酸、嘌呤、嘧啶、維生素以及動(dòng)植物生長激素等。,②在培養(yǎng)基中加入某種或某幾種提純的有機(jī)化合物。,,,,56,三、發(fā)酵工藝條件及控制,微生物發(fā)酵產(chǎn)酶,(三)培養(yǎng)基的配制,3、培養(yǎng)基的組成,(5)水,作用,①微生物最基本的組成成分。,②微生物體內(nèi)和體外的溶劑。,,,③細(xì)胞質(zhì)組分,直接參與各種代謝活動(dòng)。,④調(diào)節(jié)細(xì)胞溫度和保持環(huán)境溫度的穩(wěn)定。,57,三、發(fā)酵工藝條件及控制,微生物發(fā)酵產(chǎn)酶,(三)培養(yǎng)基的配制,3、培養(yǎng)基的組成,(5)常用的幾種酶發(fā)酵培養(yǎng)基,實(shí)驗(yàn)室的常用培養(yǎng)基細(xì)菌牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基(或簡稱普通肉湯培養(yǎng)基)。放線菌高氏1號(hào)合成培養(yǎng)基。酵母菌麥芽汁培養(yǎng)基。霉菌查氏合成培養(yǎng)基。,58,三、發(fā)酵工藝條件及控制,微生物發(fā)酵產(chǎn)酶,(三)培養(yǎng)基的配制,3、培養(yǎng)基的組成,(5)常用的幾種酶發(fā)酵培養(yǎng)基,①黑曲霉糖化酶發(fā)酵培養(yǎng)基玉米粉10%,豆餅粉4%,麩皮4PH44~50。,②游動(dòng)放線菌葡萄糖異構(gòu)酶發(fā)酵培養(yǎng)基糖蜜2%,豆餅粉2%,磷酸氫二鈉0.1%,硫酸鎂0.05%PH7.2。,③桔青霉磷酸二酯酶發(fā)酵培養(yǎng)基淀粉水解糖5%,蛋白胨0.5%,硫酸鎂0.05%,氯化鈣0.04%,磷酸氫二鈉0.05%,磷酸二氫鉀0.05%。,,59,三、發(fā)酵工藝條件及控制,微生物發(fā)酵產(chǎn)酶,(四)PH值的調(diào)節(jié)控制,1、原因,培養(yǎng)基的PH值與細(xì)胞的生長、繁殖和發(fā)酵產(chǎn)酶有密切關(guān)系。,(1)不同細(xì)胞生長繁殖的最適PH值有所不同。,例如;一般細(xì)菌和放線菌的生長最適PH值為中性或微堿性PH6.5~8.0;霉菌和酵母的生長最適PH值為偏酸性PH4.0~6.0;植物細(xì)胞生長的生長最適PH值為PH5~6。,(2)細(xì)胞發(fā)酵產(chǎn)酶的最適PH值通常接近于該酶反應(yīng)的最適PH值。,例如發(fā)酵生產(chǎn)堿性蛋白酶的最適PH值為堿性PH8.5~9.0;生產(chǎn)中性蛋白酶的PH為中性至微酸性PH6.0~7.0為宜;而酸性PH4~6條件有利于酸性蛋白酶的產(chǎn)生。,,60,三、發(fā)酵工
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