新編生物工藝學復習題

1、新編生物工藝學復習題21、緒論一、生物技術歸納起來可有三個特點 A生物技術是一門多學科、綜合性的科學技術； B反應中需有生物催化劑的參與； C其最后目的是建立工業(yè)生產過程或進行社會服務，這一過程可稱為生物反應過程二、生物催化劑特點1）優(yōu)點A常溫、常壓下反應,B反應速率大,C催化作用專一,D大幅度提高效率，成本低廉2)缺點A穩(wěn)定性差.B控制條件嚴格.C易變異三、近代生物技術的全盛時期（20世紀40年代初至70年代末）的核心技術和產業(yè)： 青霉素工業(yè)化生產； 微生物次級代謝產物和抗生素產業(yè)的興盛以及新的初級代謝產物開發(fā)； 以酶為催化劑的生物轉化及酶和細胞固定化技術及應用。四、現代生物技術建立和發(fā)展時

2、期（20世紀70年代開始）這一時期，主要是以分子生物學為基礎的基因工程技術的發(fā)展和應用為特征。2、生產菌種的來源與菌種選育1）微生物選擇性分離方法大致分為五個步驟： 1、含微生物材料的選擇采樣 2、材料的預處理 3、所需菌種的分離 4、菌種的培養(yǎng) 5菌種的選擇和純化理想的工業(yè)發(fā)酵菌種-優(yōu)良菌種應符合以下要求：(1)遺傳性狀穩(wěn)定；(2)生長速度快，不易被噬菌體等污染；(3)目標產物的產量盡可能接近理論轉化率； (4)目標產物最好能分泌到胞外，以降低產物抑制并利 于產物分離； (5)盡可能減少產物類似物的產量，以提高目標產物的產量及利于產物分離； (6)培養(yǎng)基成分簡單、來源廣、價格低廉； (7)對

3、溫度、pH、離子強度、剪切力等環(huán)境因素不敏感； (8)對溶氧的要求低，便于培養(yǎng)及降低能耗。 2）液體富集培養(yǎng)，即通過給混合菌群提供一些有利于所需菌株生長，或/和不利于其他菌株生長的條件（供給特殊的基質或加入抑制劑），從而增加混合菌群中所需菌株數量的培養(yǎng)方法。3）菌種選育是微生物工程的關鍵技術，主要方法有傳統(tǒng)的自然選育、誘變育種、雜交育種以及現代的原生質體融合與基因工程等。4）自然選育是指在生產過程中，不經過人工處理，利用菌種的自發(fā)突變，選擇合適的自發(fā)突變（spontaneous mutation）體的古老的育種方法。5） 誘變育種是利用物理、化學或生物誘變劑處理均勻分散的微生物細胞群，促進其突

4、變率大幅度提高，然后采用簡便、快速和高效的篩選方法，從中挑選符合育種目的的突變株的育種技術。6） 基因突變根據發(fā)生原因可分為自然突變和誘發(fā)突變，后者是誘變育種的基礎。7） 常用的化學誘變劑根據其作用方式不同分為三種類型。即：(1)與核酸堿基化學反應的誘變劑。(2)堿基類似物(3)移碼突變的誘變劑8） 誘變育種一般分為出發(fā)菌株的選擇、誘變和篩選三個步驟9） 微生物雜交育種(Hybridization)一般是指人為利用真核微生物的有性生殖或準性生殖，或原核微生物的接合、F因子轉移、轉導和轉化等過程，促使兩個具不同遺傳性狀的菌株發(fā)生基因重組，以獲得性能優(yōu)良的生產菌株。10） 原生質體融合是通過人工方

5、法，使遺傳性狀不同的兩個細胞的原生質體發(fā)生融合，并產生重組子的過程，亦可稱為“細胞融合”11） 原生質體融合育種的主要步驟為：選擇親株、制備原生質體、原生質體融合、原生質體再生及篩選優(yōu)良性狀的融合子12） 基因工程育種是用人為的方法將所需的某一供體生物的遺傳物質DNA分子提取出來，在離體條件下切割后，把它與作為載體的DNA分子連接起來，然后導入某一受體細胞中，讓外來的遺傳物質在其中進行正常的復制和表達，從而獲得新物種的一種嶄新的育種技術。13） 菌種的保藏方法有：斜面低溫菌種保藏法、液體石蠟封藏法、真空冷凍干燥保藏法、液氮超低溫保藏法、沙土保藏法3、微生物代謝調節(jié)與控制1）.微生物自我調節(jié)部位

6、：細胞膜的屏障作用（多數親水分子）和通道；控制通量，調節(jié)酶量和改變酶分子活性；限制基質的有形接近，可存在于不同細胞 器各個代謝庫中，其酶量差別大。2） 大腸桿菌糖代謝過程中，許多酶都有激活劑和抑制劑，共同控制糖代謝。3） 酶活性的調節(jié)：是指在酶分子水平上的一種代謝調節(jié)，它是通過改變現成的酶分子活性來調節(jié)新陳代謝的速率，包括酶活性的激活和抑制兩個方面。4） 酶活性調節(jié)的機制概括起來有：共價修飾；變構效應；締合或解離和競爭性抑制5） 酶活性共價修飾調節(jié)： 在其他酶的催化下，酶蛋白肽鏈上的一些基團可與某種化學基團發(fā)生共價結合或解開，從而改變酶的活性，此過程稱為共價修飾。 最常見的共價修飾方式有：磷酸

7、化-脫磷酸化，-SH - -S-S-，乙?；?脫乙?；?，腺苷化-脫腺苷化等。 分為可逆與不可逆兩種：可逆性共價修飾酶通常同時存在活性和非活性兩種狀態(tài)。在兩種不同的酶的催化下發(fā)生共價修飾（covalent modification）或去修飾，從而引起酶分子在有活性形式與無活性形式之間進行相互轉變。 如蛋白激酶的磷酸化與脫磷酸化 再如：檸檬酸裂解酶的乙?；阂阴?酶+檸檬酸檸檬酸-S-酶+乙酸 檸檬酸-S-酶乙酰-酶+草酰乙酸6） 酶原的激活過程通常是無活性的酶原蛋白一級結構的改變，被相應的蛋白酶作用，切去一小段肽鏈，該過程屬于（ B ）A可逆的共價修飾，B不可逆的共價修飾，C競爭性抑制，D酶結構

8、改造7) 酶活性的變構調節(jié)(allosteric regulation)： 當底物或調節(jié)物與酶分子中的別構中心結合后，能誘導出或穩(wěn)定住酶分子的某種構象，使酶活性中心與底物的結合與催化作用受到影響，從而調節(jié)酶的反應速度及代謝過程。 變構酶通常為代謝途徑的起始關鍵酶，而變構劑則為代謝途徑的終產物。 變構劑一般以反饋(feedback)方式對代謝途徑的起始關鍵酶進行調節(jié)，最常見的負反饋調節(jié)別構酶舉例：天冬氨酸轉氨甲酰酶，簡稱ATCase7） 酶合成的調節(jié)是一種通過調節(jié)酶的合成量進而調節(jié)代謝速率的調節(jié)機制，這是一種在基因水平上（在原核生物中主要在轉錄水平上）的代謝調節(jié)。8） 酶合成的誘導 在某種化合物

9、(包括外加的和內源性的積累)作用下,導致某種酶合成或合成速率提高的現象。9） 按酶合成對底物的依賴性，微生物體內的酶可分為組成酶和誘導酶兩類。酶合成的誘導分為兩大類： 同時誘導：即當誘導物加入后，微生物能同時或幾乎同時誘導幾種酶的合成，它主要存在于短的代謝途徑中。例如，將乳糖加入到Ecoli培養(yǎng)基中后，即可同時誘導出-半乳糖苷透性酶、-半乳糖苷酶和半乳糖苷轉乙酰酶的合成；順序誘導：即先合成能分解底物的酶，再依次合成分解各中間代謝物的酶，以達到對較復雜代謝途徑的分段調節(jié)。10） 酶合成的阻遏 在微生物的代謝過程中，當代謝途徑中某末端產物過量時，通過阻遏作用來阻礙代謝途徑中包括關鍵酶在內的一系列酶

10、的生物合成，從而更徹底地控制代謝和減少末端產物的合成的過程。阻遏的類型主要有末端代謝產物阻遏和分解代謝產物阻遏兩種。 (1)、反饋抑制和反饋阻遏 反饋抑制:生物合成途徑的最終代謝物抑制該途徑的前面第一或第二個酶的作用(活性)。 反饋阻遏:抑制酶的形成,是由途徑終點產物或其衍生物施行的,影響由支點到終點的酶。(2)、這兩種機制都是調節(jié)途徑終點產物的生產速率以配合大分子合成的速率。最終產物的阻遏和終點產物 的抑制作用是相輔相成的。 (3)、反饋抑制劑是終點產物而不是其衍生物。與經典的競爭性抑制作用不同。(4)、反饋阻遏作用是一廣泛現象。它調節(jié)氨基酸、嘌呤、嘧啶核苷酸和維生素等分子的合成。受反饋阻

11、遏作用控制的酶,是R基因編碼阻遏物蛋白。11）代謝系統(tǒng)的分子控制機制n 原核基因操縱子分兩類:n 一類是誘導型操縱子，只有當存在誘導物（一種效應物）時，其轉錄頻率才最高，并隨之轉譯出大量誘導酶，出現誘導現象。n 另一類是阻遏型操縱子，只有當缺乏輔阻遏物（一種效應物）時，其轉錄頻率才最高。由阻遏型操縱子所編碼的酶的合成，只有通過去阻遏作用才能起動。 11） 次級代謝物生物合成的步驟：1、養(yǎng)分的攝入2、通過中樞代謝途徑，養(yǎng)分轉化為中間體。3、小分子構建單位（前體）合成。4、改變其中的一些中間體5、這些前體進入次級代謝產物合成的專有途徑6、在主要骨架形成后，作最后的修飾，成為產物。12） 微生物代謝

12、的前體：加入到發(fā)酵培養(yǎng)基中的某些化合物能被直接結合到產物分子中區(qū)，而自身的結構無多大變化，且具有促進產物合成的作用。 1、起抗生素建筑材料的作用：丙酮酸是重要的中間體。丙酮酸乙酰CoA羧化得丙酰CoA聚酮化物，該物是四環(huán)素族、大環(huán)內酯類抗生素的主要構成單位。中間體轉化為次級終產物需要經過三個過程：生物氧化與還原、生物甲基化、生物鹵化。許多次級代謝產物是由不同的中間體作為建筑材料合成的。而這些中間體來源于許多分支代謝。n 2、誘導抗生素生物合成：n -氨基己二酸提高青霉素的發(fā)酵單位n 苯乙酸提高芐青霉素的發(fā)酵單位n L-纈氨酸是環(huán)孢菌素A的前體和誘導物n 丙醇誘導紅霉素鏈霉菌乙酰CoA羧化酶，促

13、進紅霉素合成。n 3、前體與誘導物的區(qū)別n 誘導物在生長期或生產期前起作用，前體在生產期起作用；n 誘導物可以被非前體的結構類似物取代；n 誘導物的誘導系數特別高。把前體引入次級代謝物生物合成的專有途徑關鍵酶13） 次級代謝物結構的后幾步修飾常見的有：氧化鹵化氨化甲基化羥基化糖基化酰化14） 復合抗生素鏈霉素的裝配過程：dTDP雙氫鏈霉糖+鏈霉胍擬二糖，雙氫鏈霉糖基轉移酶催化此反應。之后，擬二糖+XDP-N-甲基-L-葡萄糖胺縮合成雙氫鏈霉素-6-磷酸酯，再經氧化成為鏈霉素-6磷酸酯再經水解成為鏈霉素15） 次級代謝產物往往是一組結構相似的化合物，是因為（ A ）A參與次級產物的酶的基質專一性

14、不強，B參與次級產物的酶有很強的基質專一性C前體種類繁多，D變構酶的作用16） 短鏈脂肪酸為前體的抗生素的合成步驟：第一步：形成鏈狀聚酮化物，初始前體活性丙酸和丙二酸首先轉化為乙酰輔酶A和丙二酰輔酶A，或其衍生物，然后脫羧縮合成聚酮體。反應位置在胞膜表面的酶處進行。第二步：鏈狀聚酮化物在次級代謝途徑被還原，引入雙鍵或三鍵產生多烯或多炔類抗生素。也可以進入初級代謝途徑合成脂肪酸第三步：部分還原的聚酮化物鏈經環(huán)化作用形成大環(huán)內酯或經重復環(huán)化生成四環(huán)素或蒽環(huán)類抗生素。17） 以氨基酸為前體的抗生素主要有青霉素、頭孢菌素、環(huán)絲氨酸和肽類抗生素。前體氨基酸：合成蛋白質的氨基酸；經修飾的氨基酸（D-氨基酸

15、、N-或-甲基化氨基酸、-氨基酸、亞氨基酸、前體氨基酸如-氨基己二酸）；與其他代謝物（如糖、脂肪酸）相結合的氨基酸。肽類抗生素合成機制與蛋白質不同，無轉錄、無核糖體、無轉移RNA和信使RNA。青霉素合成的前體：-氨基己二酸、L-半胱氨酸和L-纈氨酸。青霉素G側鏈前體有：苯乙酸、苯乙胺、苯乙酰胺和苯乙酰甘氨酸，適量參入提高產量，過多有毒性。18） 代謝工程是指借某些特定生化反應的修飾來定向改善細胞的特性或運用重組DNA技術來創(chuàng)造新的化合物4.培養(yǎng)基1） 培養(yǎng)基通常指人工配制的適合微生物生長繁殖或積累代謝產物的營養(yǎng)基質。2） 適宜大規(guī)模發(fā)酵培養(yǎng)基的特點： 1、能滿足產物最經濟的合成 2、發(fā)酵后形成

16、的副產物盡可能少3、培養(yǎng)基的原料應因地制宜、價格低廉、資源豐富、性能穩(wěn)定、保證供應、適宜大規(guī)模貯藏。4、所選培養(yǎng)基應該符合整體工藝要求，不影響通氣、提取、純化及廢物處理。3） 培養(yǎng)基的用途：篩選菌種、保藏菌種、檢驗雜菌、培養(yǎng)種子、發(fā)酵生產等4） 天然培養(yǎng)基(natural medium) 凡利用生物的組織、器官及其抽取物或制品配成的培養(yǎng)基，稱為天然培養(yǎng)基。5） 常見的天然培養(yǎng)基成分有：麥芽汁、肉浸汁、魚粉、麩皮、玉米粉、花生餅粉、玉米漿及馬鈴薯等。實驗室常用牛肉膏、蛋白胨及酵母膏等。6） 合成培養(yǎng)基(synthetic medium) ：使用成分完全了解的化學藥品配制而成的培養(yǎng)基稱為合成培養(yǎng)基

17、。7） 半合成培養(yǎng)基(semi-defined medium) 由部分天然材料和部分已知的純化學藥品組成的培養(yǎng)基稱為。8） 液體培養(yǎng)基用途：用于： 大規(guī)模工業(yè)生產； 實驗室搖瓶試 驗； 微生物生理代謝研究。9） 常用的固體培養(yǎng)基凝固劑有：瓊脂、明膠、硅膠10） 選擇性培養(yǎng)基 ：就是根據某種微生物的特殊營養(yǎng)要求或其對某化學、物理因素的抗性而設計的培養(yǎng)基。11） 基本培養(yǎng)基又稱最低限度培養(yǎng)基，指能滿足某菌種的野生型(原養(yǎng)型)菌株最低營養(yǎng)要求的合成培養(yǎng)基。12） 完全培養(yǎng)基：在基本培養(yǎng)基中加入富含氨基酸、維生素、堿基等生長因子的營養(yǎng)物質，如蛋白胨、酵母膏等，就可滿足各種營養(yǎng)缺陷型的生長需求，這種培養(yǎng)

18、基稱為完全培養(yǎng)基(Complete Medium，CM)13） 培養(yǎng)基的營養(yǎng)成分及其功能：1.碳源(Carbon source)【糖類、脂肪、有機酸】：能源物質，構成菌體和代謝產物2.氮源(Nitrogen source)【無機氮源：氨水、硫酸銨、尿素、硝酸鈉；有機氮源：豆餅粉、麥麩、玉米漿、蛋白胨；發(fā)酵菌絲體、酒糟】：構成菌體和代謝產物，硝化細菌的能源物質3.無機鹽類(Mineral nutrition)【 P、Mg、S、Fe、K、Na、Pb、Cl、Zn、Co、Mn等】：維持酶活力，調節(jié)滲透壓、pH值、電位等4.特殊生長因子【生物素、硫胺素、肌醇等】：構成輔酶的組成部分，促進生命活動5.水：

19、溶解營養(yǎng)物質和代謝產物14） 下列物質中屬速效碳源的物質是（ B ） A玉米漿、B葡萄糖、C淀粉、D明膠15） 下列物質中屬于速效氮源的物質是（ B ） A玉米漿、B、氨水、C蛋白胨、D葡萄糖5、培養(yǎng)基滅菌1） 滅菌的概念：是指用物理的和化學的方法殺滅或去除物料和設備中一切有生命物質的過程。2） 發(fā)酵過程防止雜菌污染的措施： 1、設備滅菌并確保無泄漏； 2、所用培養(yǎng)基必需滅菌； 3、通入的空氣必需除菌處理； 4、種子無污染，確保純種； 5培養(yǎng)過程中加入的物料必需滅菌并確保加入過程無污染。3） 常規(guī)加壓滅菌法盛有適量水的加壓蒸汽滅菌鍋加熱煮沸，徹底驅盡冷空氣后將鍋密閉，再繼續(xù)加熱至121（壓力為

20、1kgcm2或0.1MPa或15磅英寸2 ），時間維持1520分鐘，也可采用在較低的溫度（115，即0.7kgcm2或10磅英寸2）下維持35分鐘的方法。4） 連續(xù)加壓滅菌法主要操作：將培養(yǎng)基在發(fā)酵罐外連續(xù)不斷地進行加熱、維持和冷卻，然后才進入發(fā)酵罐。培養(yǎng)基一般在135140下處理515秒鐘。5） 對數殘留定律：在一定溫度下，微生物的受熱死亡符合單分子反應動力學即微生物的熱死亡速率與任一瞬間殘存的活菌數成正比。熱死亡動力學方程 dN/d =-KN式中： N- 殘存的活菌數（個） - 滅菌時間（min） K- 殺菌速率常數（min-1）或叫死亡速率常數。 dN/d- 菌的瞬時變化率，即死亡速率。

21、6） 在具體的理論滅菌時間計算時，將上式積分和轉換得： =(1/k)ln(No/Ns) -滅菌時間（秒） k-反應速度常數，或滅菌速率常數（min-1）或叫死亡速率常數。 K是判斷微生物受熱死亡難易程度的基本依據，其大小與微生物的種類和加熱溫度有關（s） No-滅菌開始時，污染的培養(yǎng)基中雜菌個數（個ml） Ns-經過滅菌時間T后，殘存活菌個數（個ml，一般取0.001個。）只隨滅菌溫度變化的滅菌速度常數的簡化計算公式： lgk=-14845/T+36.127。7） 工業(yè)上濕熱滅菌分為分批滅菌和連續(xù)滅菌8） 一臺連續(xù)滅菌設備流量G=6m3/h，發(fā)酵罐裝料容積40m3，原始污染度107個/ml，要

22、求滅菌程度Ns=10-3個/批，滅菌溫度T=131，此溫度下k=0.25s-1，試求維持時間及維持罐的裝料容積v約需多少？9） 發(fā)酵生產中制備無菌空氣的大致過程：空氣 空壓機 貯氣罐 冷卻 除油水 加熱 空氣預處理 總過濾器 分過濾器 無菌空氣 空氣過濾10） 空氣過濾除菌介質：、棉花： 、玻璃纖維： 、活性炭 ： 、超細玻璃纖維紙:、石棉濾板：。 、燒結材料過濾介質：聚乙烯醇過濾板。 、新型過濾介質 ：微孔濾膜6種子的擴大培養(yǎng)1） 種子擴大培養(yǎng)：是指將保存在砂土管、冷凍干燥管中處于休眠狀態(tài)的生產菌種接入試管斜面活化后，在經過扁瓶或搖瓶及種子罐逐級放大培養(yǎng)而獲得一定數量和質量的純種過程。2）

23、種子制備的過程大致可分為：實驗室種子制備階段 ；生產車間種子制備階段3） 種齡：是指種子罐中培養(yǎng)的菌絲體開始移入下一級種子罐或發(fā)酵罐時的培養(yǎng)時間。4） 接種量：是指移入的種子液體積和接種后培養(yǎng)液體積的比例5） 優(yōu)良的種子細胞或菌體的菌絲形態(tài)、菌絲濃度和培養(yǎng)液外觀（色素、顆粒等）：單細胞：菌體健壯、菌形一致、均勻整齊，有的還要求有一定的排列或形態(tài)；霉菌、放線菌：菌絲粗壯、對某些染料著色力強、生長旺盛、菌絲分枝情況和內含物情況好。7發(fā)酵過程的工藝控制1）發(fā)酵的概念： 原指在厭氧條件下，葡萄糖通過酵解途徑生乳酸或乙酸、乙醇的分解代謝過程。 現在，廣義的發(fā)酵是指：微生物把一些原料養(yǎng)分在合適的條件下，經特定的代謝轉變成所需產物的過程。2） 一般來說，微生物學的生長和培養(yǎng)方式可以分為： 分批培養(yǎng) 連續(xù)培養(yǎng) 補料分批培養(yǎng)3） 分批培養(yǎng)又稱分批發(fā)酵，是指在一個密閉系統(tǒng)內 ,營養(yǎng)物和菌種一次加入進行培養(yǎng)，直到結 束放出，中間除了空氣進入和尾氣排出，添加消泡劑和調節(jié)pH, 與外部沒有物料交換, 屬于非穩(wěn)態(tài)過程4） 分批培養(yǎng)