酶的生物合成

酶的生物合成第一頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期二酶的生物合成與發(fā)酵生產(chǎn)定義酶的生物合成：即生物體內(nèi)酶合成的過程酶的發(fā)酵生產(chǎn)：利用微生物代謝活動生產(chǎn)所需酶的過程目前工業(yè)上使用的酶大多數(shù)是利用微生物發(fā)酵生產(chǎn)的。第二頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期二利用微生物發(fā)酵產(chǎn)酶的優(yōu)點微生物生長繁殖快，生活周期短，用微生物產(chǎn)酶幾乎可以不受限制的擴大生產(chǎn)，滿足市場需求微生物種類多，且在不同環(huán)境下生存的微生物都有其完全不同的代謝方式，能分解利用不同底物，這為微生物酶種類的多樣性提供了物質(zhì)基礎(chǔ)微生物培養(yǎng)基來源廣泛易得、價格便宜微生物發(fā)酵產(chǎn)酶過程可以采用連續(xù)化、自動化控制，生產(chǎn)效率高，經(jīng)濟效益好可利用分子生物學(xué)技術(shù)選育菌種，提高酶產(chǎn)率利用基因工程可使動植物細(xì)胞中存在的酶用微生物細(xì)胞來生產(chǎn)獲得第三頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期二工業(yè)用部分主要酶的生產(chǎn)菌種微生物類別菌名產(chǎn)生的酶用途細(xì)菌枯草桿菌淀粉酶酒精與啤酒工業(yè)、洗滌劑、糊精加工、紡織品脫漿等蛋白酶生絲脫膠、皮革脫毛、膠卷回收、醬油釀造大腸桿菌L-天冬氨酸酶生產(chǎn)L-天冬氨酸：治療白血病青霉素?；钢苽湫虑嗝顾氐哪负?-氨基青霉素烷酸異型乳酸桿菌葡萄糖異構(gòu)酶由葡萄糖制果糖短小芽孢桿菌堿性蛋白酶皮革脫毛產(chǎn)氣氣桿菌異淀粉酶分解淀粉的α-1,6-糖苷鍵酵母解脂假絲酵母脂肪酶絹絲原料脫脂、洗滌劑、醫(yī)藥、乳品增香啤酒酵母、假絲酵母轉(zhuǎn)化酶制造轉(zhuǎn)化糖霉菌點青酶葡萄糖氧化酶食品加工中食品去氧、除葡萄糖，作試劑測定葡萄糖放線菌轉(zhuǎn)化微白色放線菌蛋白酶皮革脫毛第四頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期二酶發(fā)酵生產(chǎn)菌種要求產(chǎn)酶量高，具有生產(chǎn)應(yīng)用價值易培養(yǎng)，既能適應(yīng)大生產(chǎn)粗放的營養(yǎng)和生產(chǎn)條件，包括能利用廉價原料、對工藝條件要求不苛刻代謝速率高，發(fā)酵周期短產(chǎn)酶穩(wěn)定性好，菌種的生產(chǎn)性能不易退化，不易感染噬菌體安全可靠，要求菌種不是致病菌，其代謝物安全無毒，在系統(tǒng)發(fā)育上與病原體無關(guān)選用產(chǎn)胞外酶菌種，有利于酶的分離提取第五頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期二微生物產(chǎn)酶菌株的獲得含菌樣品采集菌種分離純化菌種的初篩菌種的復(fù)篩最佳產(chǎn)酶條件初步確定微生物產(chǎn)酶性能的進一步提高微生物產(chǎn)酶菌種保存第六頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期二酶發(fā)酵工藝條件及控制培養(yǎng)基營養(yǎng)成分：碳源、氮源、無機鹽、生長因子、產(chǎn)酶促進劑等發(fā)酵條件控制劑對產(chǎn)酶的影響：溫度、pH值、溶解氧固定化微生物細(xì)胞發(fā)酵產(chǎn)酶的工藝及其控制第七頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期二培養(yǎng)基成分碳源：是構(gòu)成菌體細(xì)胞的主要元素、構(gòu)成酶骨架的元素之一，也是菌體生命活動所需能量的主要來源。應(yīng)根據(jù)細(xì)胞對酶營養(yǎng)要求的不同而選擇合適碳源氮源：是生物體合成各種含氮物質(zhì)的組成成分，是酶制劑生產(chǎn)的原料無機鹽：大量元素和微量元素生長因子：氨基酸、維生素、嘌呤、嘧啶、激素等。產(chǎn)酶促進劑：誘導(dǎo)物和表面活性劑第八頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期二發(fā)酵條件控制及對產(chǎn)酶的影響溫度：影響微生物生長和合成酶、影響酶合成后的穩(wěn)定性pH:影響微生物體內(nèi)各種酶活性，從而導(dǎo)致微生物代謝途徑發(fā)生變化；影響微生物形態(tài)和細(xì)胞膜通的透性，從而影響微生物對培養(yǎng)基中營養(yǎng)成分的吸收以及代謝產(chǎn)物的分泌；影響培養(yǎng)基中某些營養(yǎng)物質(zhì)的分解或中間產(chǎn)物的解離，從而影響微生物對這些營養(yǎng)物質(zhì)的利用

第九頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期二生產(chǎn)中pH調(diào)控方法調(diào)節(jié)培養(yǎng)基初始pH值，控制合適C/N，調(diào)整生理酸性物質(zhì)與生理堿性物質(zhì)之比例；補料調(diào)節(jié)，即通過發(fā)酵過程中流加碳源、氮源來調(diào)節(jié)pH；添加緩沖液，維持一定pH值；如pH值變化較大，可直接流加酸或堿進行調(diào)節(jié)；通過對溶解氧的調(diào)節(jié)，來控制中間產(chǎn)物的氧化程度。第十頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期二發(fā)酵條件控制及對產(chǎn)酶的影響（二）溶解氧：通氣量越大、氧分壓越高、氣液接觸時間越長、氣液接觸面積越大，則溶氧速率越大。此外，培養(yǎng)液的性質(zhì)，主要是粘度、氣泡以及溫度等對溶氧速率有明顯的影響，可通過以上方面調(diào)節(jié)溶氧速率。 溶氧量過低，會對微生物生長、繁殖和新陳代謝產(chǎn)生影響，從而使酶產(chǎn)量降低。但，過高的溶氧量對酶的發(fā)酵生產(chǎn)業(yè)會產(chǎn)生不利影響，一方面會造成浪費，另一方面高溶氧也會抑制某些酶的生物合成，因此在整個發(fā)酵過程中應(yīng)根據(jù)需要控制好溶氧量。第十一頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期二固定化微生物細(xì)胞產(chǎn)酶的工藝條件及其控制應(yīng)注意事項需要對固定化微生物細(xì)胞進行預(yù)培養(yǎng)增加溶宜解氧的供給發(fā)酵溫度的控制培養(yǎng)基組分的特殊要求：1）培養(yǎng)基濃度不過高，并可通過改變培養(yǎng)基組分來降低培養(yǎng)基粘度，有利于氧的溶解和傳遞，從而克服固定化細(xì)胞好氧發(fā)酵過程中氧溶解和傳遞的限制；2）培養(yǎng)基組分不能影響固定化細(xì)胞的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，或影響很小第十二頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期二固定化微生物原生質(zhì)體發(fā)酵產(chǎn)酶的工藝條件及其控制應(yīng)注意事項培養(yǎng)基滲透壓的控制控制培養(yǎng)基組分，防止細(xì)胞壁再生維持較高的原生質(zhì)體濃度第十三頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期二提高酶產(chǎn)率的方法酶生物合成的調(diào)控機制打破酶合成調(diào)節(jié)機制及提高酶產(chǎn)量的方法第十四頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期二酶生物合成的調(diào)控機制酶在細(xì)胞內(nèi)的含量取決于酶的合成速度和分解速度，細(xì)胞根據(jù)其自身活動需要，嚴(yán)格控制細(xì)胞內(nèi)各種酶的合理含量，從而對各種生物化學(xué)過程進行調(diào)控酶濃度調(diào)節(jié)的化學(xué)本質(zhì)是基因表達的調(diào)節(jié)，在細(xì)胞內(nèi)進行的轉(zhuǎn)錄或翻譯過程都有特定的調(diào)節(jié)控制機制，其中，轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控占主導(dǎo)地位，是酶生物合成中最重要的調(diào)節(jié)第十五頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期二操縱子操縱子（operon）是一組功能上相關(guān)且受同一調(diào)控區(qū)控制的基因組成的遺傳單位操縱子是酶合成調(diào)控的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)第十六頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期二操縱子調(diào)控模型根據(jù)基因調(diào)節(jié)理論，在DNA分子中，與酶的生物合成有密切關(guān)系的基因有4種。它們是調(diào)節(jié)基因（regulatorgene）、啟動基因（promotergene）、操縱基因（operatorgene）和結(jié)構(gòu)基因（structuralgene）。結(jié)構(gòu)基因與多肽鏈有各自的對應(yīng)關(guān)系。結(jié)構(gòu)基因上的遺傳信息可以轉(zhuǎn)錄成為mRNA上的遺傳密碼，再經(jīng)翻譯成為酶蛋白的多肽鏈，每一個結(jié)構(gòu)基因?qū)?yīng)一條多肽鏈。操縱基因可以與調(diào)節(jié)基因產(chǎn)生的變構(gòu)蛋白（阻遏蛋白）中的一種結(jié)構(gòu)結(jié)合，從而操縱酶生物合成的時機和合成速度。第十七頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期二操縱子調(diào)控模型（二）啟動基因決定酶的合成能否開始，啟動基因由兩個位點組成：一個是RNA聚合酶的結(jié)合位點，另一個是環(huán)腺苷酸（cyclicAMP，cAMP）與CAP組成的復(fù)合物（cAMP-CAP）的結(jié)合位點。CAP是指環(huán)腺苷酸受體蛋白（cAMPacceptorprotein）或分解代謝物活化劑蛋白（cataboliteactivatorprotein）。只有到達啟動基因的位點時，RNA聚合酶才能結(jié)合到其在啟動基因上的相應(yīng)位點上，轉(zhuǎn)錄才有可能開始，否則酶就無法開始合成。第十八頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期二阻遏蛋白調(diào)節(jié)基因可以產(chǎn)生一種阻遏蛋白。阻遏蛋白是一種由多個亞基組成的變構(gòu)蛋白，它可以通過與某些小分子效應(yīng)物（誘導(dǎo)物或阻遏物）的特異結(jié)合而改變其結(jié)構(gòu)，從而改變它與操縱基因的結(jié)合力。當(dāng)阻遏蛋白與操縱基因結(jié)合時，由于空間排擠作用，RNA聚合酶就無法結(jié)合到啟動基因的位點上，也無法進入到結(jié)構(gòu)基因的位置進行轉(zhuǎn)錄，因而無法將DNA上的遺傳信息轉(zhuǎn)錄到mRNA分子上，酶的生物合成也就無法進行。只有當(dāng)阻遏蛋白通過與效應(yīng)物（又稱輔助阻遏物）結(jié)合，改變結(jié)構(gòu)而不與操縱基因結(jié)合時，RNA聚合酶才能結(jié)合到啟動基因的位點上，進行轉(zhuǎn)錄，使結(jié)構(gòu)基因所對應(yīng)的酶進行生物合成。第十九頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期二原核生物操縱子類型誘導(dǎo)型操縱子（inducibleoperon）：在無誘導(dǎo)物時，其基因不表達或表達的水平很低，只有當(dāng)誘導(dǎo)物存在時，才能進行轉(zhuǎn)錄生成mRNA，進而經(jīng)翻譯合成酶。如乳糖操縱子阻遏型操縱子（repressibleoperon）：在無阻遏物時，基因正常表達，當(dāng)有阻遏物時，轉(zhuǎn)錄則受到阻遏，酶不能合成。如色氨酸操縱子第二十頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期二轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)節(jié)酶生物合成的誘導(dǎo)作用酶生物合成的反饋阻遏作用分解代謝物阻遏作用第二十一頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期二酶根據(jù)酶生成是否與環(huán)境中所存在的該酶底物或其相關(guān)物質(zhì)的關(guān)系，把酶分為：

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組成酶：是細(xì)胞內(nèi)固有的酶類，不管是否其底物或結(jié)構(gòu)類似物存在都有一定量存在，它的合成是在相應(yīng)的基因控制下進行的，如EMP途徑中的酶類

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誘導(dǎo)酶：是細(xì)胞為適應(yīng)外來底物或結(jié)構(gòu)類似物時而合成的一類酶，其合成明顯受環(huán)境因素影響第二十二頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期二酶合成的誘導(dǎo)現(xiàn)象大腸桿菌在葡萄糖培養(yǎng)基上不能產(chǎn)生利用乳糖的酶當(dāng)培養(yǎng)基中只有乳糖時，可產(chǎn)生利用乳糖的酶在培養(yǎng)基中添加葡萄糖后，利用乳糖的酶消失第二十三頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期二乳糖操縱子誘導(dǎo)酶合成的過程R：調(diào)節(jié)基因O：操縱基因S：結(jié)構(gòu)基因第二十四頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期二酶生物合成的誘導(dǎo)作用酶合成的誘導(dǎo)作用：由于加入某種物質(zhì)，使酶的生物合成開始或加速進行的現(xiàn)象，稱為酶生物合成的誘導(dǎo)作用誘導(dǎo)物：能誘導(dǎo)酶合成的物質(zhì)，稱為誘導(dǎo)物。被誘導(dǎo)合成的酶叫誘導(dǎo)酶誘導(dǎo)物一般是酶催化作用的底物、酶底物類似物或酶催化反應(yīng)的產(chǎn)物。例如，β-半乳糖苷酶的作用底物乳糖及其底物類似物異丙基-β-D-硫代半乳糖苷（IPTG）誘導(dǎo)β-半乳糖苷酶的生物合成；蔗糖及蔗糖甘油單棕櫚酸酯誘導(dǎo)蔗糖酶的生物合成等。有些酶也可由其催化反應(yīng)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，它也可以作為誘導(dǎo)劑，誘導(dǎo)果膠酶的產(chǎn)生；纖維二糖作為纖維素酶的催化反應(yīng)產(chǎn)物可誘導(dǎo)纖維素酶的生物合成等。第二十五頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期二酶合成阻遏現(xiàn)象大腸桿菌在無機鹽和葡萄糖培養(yǎng)基中可檢測到色氨酸合成酶，可滿足自身需要；若在培養(yǎng)基中添加色氨酸，可發(fā)現(xiàn)色氨酸合成酶的活性降低，甚至消失，色氨酸不再合成；色氨酸的存在阻止了色氨酸合成酶的合成，體現(xiàn)了菌體生長的經(jīng)濟原則，即不需要，不合成。第二十六頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期二分解代謝物阻遏作用分解代謝物阻遏作用是指某些物質(zhì)（主要是指容易利用的碳源）經(jīng)過分解代謝產(chǎn)生的分解代謝物阻遏某些酶（主要是誘導(dǎo)酶）生物合成的現(xiàn)象。例如，葡萄糖阻遏β-半乳糖苷酶的生物合成，果糖阻遏α-淀粉酶的生物合成等。分解代謝物阻遏作用之所以產(chǎn)生，是由于某些物質(zhì)（如葡萄糖等）經(jīng)過分解代謝放出能量，有一部分能量儲存在ATP中。ATP是由AMP和ADP通過磷酸化作用生成的。這樣細(xì)胞內(nèi)ATP的濃度增加，使AMP的濃度降低，存在于細(xì)胞內(nèi)的cAMP就通過磷酸二酯酶的作用水解生成AMP。第二十七頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期二酶生物合成的反饋作用酶生物合成阻遏物的反饋作用又稱產(chǎn)物阻遏作用，是指酶催化的產(chǎn)物或代謝物的末端產(chǎn)物使該酶的生物合成受到阻遏的現(xiàn)象，它是通過阻止編碼該酶的基因的表達而進行的。能阻遏酶合成的物質(zhì)叫輔阻遏物或叫共阻遏物。被輔作用而停止合成的酶叫阻遏酶共阻遏物一般是酶催化反應(yīng)的產(chǎn)物或是代謝途徑的末端產(chǎn)物。例如，無機磷酸是堿性磷酸酶催化磷酸單酯水解的產(chǎn)物，它的過量存在，卻會阻遏堿性磷酸酶的生物合成；色氨酸作為色氨酸合成途徑的終產(chǎn)物，它的過量積累卻反過來對其合成途徑中的4種酶（鄰氨基苯甲酸合成酶、磷酸核糖鄰氨基苯甲酸轉(zhuǎn)移酶、磷酸核糖鄰氨基苯甲酸異構(gòu)酶和色氨酸合成酶）的生物合成均起反饋阻遏作用第二十八頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期二酶生物合成阻遏作用的調(diào)節(jié)機制在沒有共阻遏物存在時，調(diào)節(jié)基因產(chǎn)生的阻遏蛋白與操縱基因的親和力弱，不能與操縱基因結(jié)合。所以，RNA聚合酶可以結(jié)合到其在啟動基因的位點上，進行轉(zhuǎn)錄，而合成結(jié)構(gòu)基因所對應(yīng)的酶而當(dāng)環(huán)境中有輔阻遏物，并達到一定濃度時，阻遏蛋白與輔阻遏物結(jié)合，使阻遏蛋白結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而使阻遏蛋白與操縱基因結(jié)合。RNA聚合酶就不能通過操縱基因而移動到結(jié)構(gòu)基因進行轉(zhuǎn)錄，因而阻遏了酶的生物合成第二十九頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期二分解代謝物阻遏作用某些物質(zhì)（主要指葡萄糖和其他容易利用的碳源等）分解代謝的產(chǎn)物阻遏某些酶（特別是參與分解代謝的酶）生物合成的現(xiàn)象稱為分解代謝物阻遏作用，也稱葡萄糖效應(yīng)分解代謝物阻遏作用之所以產(chǎn)生，一是由于葡萄糖等的分解代謝引起ATP濃度上升，消耗胞內(nèi)cAMP；二是當(dāng)葡萄糖等作為唯一碳源時，葡萄糖的降解物對腺苷酸環(huán)化酶活性有抑制作用，降低cAMP的生成第三十頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期二機制葡萄糖等易利用碳源經(jīng)過分解代謝放出能量有一部分儲存在ATP中。ATP是由AMP和ADP通過磷酸化作用生成的。這樣細(xì)胞內(nèi)ATP的濃度增加，使AMP的濃度降低，存在于細(xì)胞內(nèi)的cAMP就通過磷酸二酯酶的作用水解生成AMP。cAMP的濃度降低，cAMP-CAP復(fù)合物減少，RNA聚合酶也就無法結(jié)合到其啟動基因的相應(yīng)位點上，故轉(zhuǎn)錄不能進行，酶的生物合成受到阻遏隨著細(xì)胞的生長和新陳代謝的不斷進行，ATP被消耗而濃度降低，細(xì)胞內(nèi)ADP及AMP濃度增加，cAMP的生成增加，當(dāng)cAMP濃度增加到一定水平時，cAMP-CAP復(fù)合物結(jié)合到啟動基因的特定位點上，RNA聚合酶也隨之結(jié)合到相應(yīng)的位點上，酶的生物合成才可能進行（但誘導(dǎo)酶還同時需誘導(dǎo)物存在）第三十一頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期二打破酶合成調(diào)節(jié)機制限制，提高酶產(chǎn)量通過條件控制（包括添加誘導(dǎo)物和降低阻遏物濃度）提高酶產(chǎn)量通過基因突變和基因重組提高酶產(chǎn)量其他方法第三十二頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期二通過條件控制提高酶產(chǎn)量添加誘導(dǎo)物：只適宜誘導(dǎo)酶的合成，其關(guān)鍵在于選擇的誘導(dǎo)物及濃度。誘導(dǎo)物包括：1）酶的作用底物；2）一些難代謝的底物類似物；3）酶催化產(chǎn)物；4）誘導(dǎo)物前體物質(zhì)降低阻遏物濃度：阻遏作用有產(chǎn)物阻遏和分解代謝物阻遏兩種。產(chǎn)物阻遏是由酶催化作用的產(chǎn)物或者代謝途徑末端產(chǎn)物引起的阻遏作用，而分解代謝物阻遏作用則是由葡萄糖和其他容易利用的碳源等物質(zhì)經(jīng)分解代謝而產(chǎn)生的物質(zhì)引起的阻遏作用第三十三頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期二減少或解除分解代謝物阻遏作用措施盡量不用葡萄糖等容易被利用碳源，而采用其他較難利用的碳源采取補料流加以及分次流加碳源的方法，將碳源的濃度控制在較低水平，避免阻遏現(xiàn)下發(fā)生，以利于提高酶產(chǎn)量在分解代謝物阻遏存在下，添加一定量的cAMP，可以解除或減少分解代謝物阻遏作用，若同時有誘導(dǎo)物存在，即可迅速提高酶產(chǎn)量第三十四頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期二解除產(chǎn)物阻遏作用措施在培養(yǎng)基中添加尾產(chǎn)物類似物，避免尾產(chǎn)物大量生成采用尾產(chǎn)物的營養(yǎng)缺陷型菌株發(fā)酵產(chǎn)酶，通過外加該營養(yǎng)物質(zhì)，人為控制其營養(yǎng)物質(zhì)處于亞適量狀態(tài)直接去除尾產(chǎn)物在培養(yǎng)基中添加阻止尾產(chǎn)物形成的抑制劑，以減少阻遏物積累第三十五頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期二通過基因突變和基因重組提高酶產(chǎn)量途徑使誘導(dǎo)型菌株變成組成型菌株，即獲得的突變株不管誘導(dǎo)物是否存在，酶都能正常合成，這種菌體稱為組成型突變體使阻遏型菌株變成去阻遏型菌株（抗阻遏菌株），即獲得的突變株在有阻遏的條件下，酶產(chǎn)量達到無阻遏的水平。也可通過基因工程等手段增加細(xì)胞內(nèi)基因拷貝數(shù)，提高酶產(chǎn)量第三十六頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期二其他方法提高酶產(chǎn)量添加表面活性劑：表明活性劑能提高細(xì)胞膜透性，利于胞外酶的分泌，有助于打破細(xì)胞內(nèi)酶合成的“反饋平衡”，提高酶產(chǎn)量添加其他產(chǎn)酶促進劑第三十七頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期二3.4酶發(fā)酵動力學(xué)是研究發(fā)酵過程中速率及其影響科學(xué)的因素，包括：細(xì)胞生長動力學(xué)反應(yīng)基質(zhì)消耗動力學(xué)酶生成動力學(xué)。通過這些研究來了解酶的生物合成模式，優(yōu)化控制發(fā)酵工藝條件，從而提高酶產(chǎn)量。第三十八頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期二數(shù)學(xué)模型建立細(xì)胞生長、繁殖和代謝是一個復(fù)雜的生物化學(xué)過程，細(xì)胞培養(yǎng)體系具有多相、多組分、非線性的特點。因此，要對細(xì)胞體系進行動力學(xué)模型研究，首先要對細(xì)胞培養(yǎng)體系進行合理的簡化，在簡化的基礎(chǔ)上建立過程的物理模型，再據(jù)此推導(dǎo)出數(shù)學(xué)模型。第三十九頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期二細(xì)胞體系的均衡生長模型是在進行細(xì)胞體系的動力學(xué)研究時，把細(xì)胞在培養(yǎng)液中的生長視為均衡生長，也即是對細(xì)胞群體的動力學(xué)行為的描述，不考慮細(xì)胞之間的差別，把菌體視為單組分，細(xì)胞內(nèi)各種成分均以相同的比例增加，并在此基礎(chǔ)上來進行動力學(xué)研究。第四十頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期二3.4.1酶生物合成的模式細(xì)胞在一定條件下分批培養(yǎng)，其生長過程一般經(jīng)歷四個時期：調(diào)整期、生長期、平衡期和衰頹期。根據(jù)酶生產(chǎn)與細(xì)胞生長的關(guān)系，把酶的生物合成分成四種類型：同步合成型、延續(xù)合成型、中期合成型和滯后合成型。第四十一頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期二1）同步合成型酶的生物合成與細(xì)胞生長同步進行的一種酶生物合成模式，該類型酶的生物合成與細(xì)胞生長存在密切聯(lián)系，所以又稱生長耦聯(lián)型。特點：酶的生物合成是伴隨細(xì)胞的生長而開始的，在細(xì)胞進入旺盛生長期時，酶大量合成，當(dāng)細(xì)胞進入平衡期后，酶的合成隨之停止。大部分組成酶的生物合成屬于同步合成型。酶生物合成調(diào)節(jié)特點：酶的生物合成可以誘導(dǎo)，但是不受分解代謝物的阻遏作用和產(chǎn)物的反饋阻遏作用。該類型所對應(yīng)的mRNA很不穩(wěn)定，其壽命僅有幾十分鐘，在細(xì)胞進入生長平衡期后，新的mRNA不再合成，原有mRNA很快被降解，酶的生物合成停止。第四十二頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期二2）延續(xù)合成型特點：酶的生物合成伴隨細(xì)胞的生長而開始，但當(dāng)細(xì)胞生長進入穩(wěn)定期后，酶仍可以繼續(xù)合成一段較長時間。屬于該合成類型的酶可以是組成型，也可是誘導(dǎo)型調(diào)節(jié)特點：其生物合成可以受誘導(dǎo)物的誘導(dǎo)，但一般不受分解代謝物阻遏和反應(yīng)產(chǎn)物阻遏。該類型mRNA穩(wěn)定，在平衡期后的相當(dāng)一段時間仍可通過翻譯合成對應(yīng)的酶。當(dāng)延續(xù)合成型酶的生物合成受分解代謝物阻遏時，在培養(yǎng)基中若沒有阻遏物，則呈現(xiàn)延續(xù)合成型，而在培養(yǎng)基中存在阻遏物時，便成為滯后合成型。第四十三頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期二3）中期合成型是同步合成型的一種特殊形式，其酶合成特點：在細(xì)胞生長一段時間后酶才開始合成，而在細(xì)胞生長進入穩(wěn)定期后，酶的生物合成也隨之停止。代謝調(diào)節(jié)特點：酶的生物合成受到產(chǎn)物的反饋阻遏作用或分解代謝物阻遏作用mRNA穩(wěn)定性差，其壽命短，在細(xì)胞進入生長平衡期后，新mRNA不再生成，原有mRNA很快降解，酶的生物合成隨之停止第四十四頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期二4）滯后合成型特點：在細(xì)胞生長一段時間或者進入平衡期以后才開始其生物合成并大量積累，又稱非生長耦聯(lián)型。酶的代謝調(diào)節(jié)特點：酶的合成受分解代謝物阻遏用作。其mRNA穩(wěn)定性很好。酶的生物合成模型不是一成不變的，酶所對應(yīng)的mRNA穩(wěn)定性、培養(yǎng)基中誘導(dǎo)物的存在以及培養(yǎng)基中阻遏物的存在是影響酶生物合成模式的主要因素。第四十五頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期二各類型的比較（一）最理想的合成模式是延續(xù)合成型，因為屬于延續(xù)合成型的酶在發(fā)酵過程中沒有生長期和產(chǎn)酶期的明顯差別，酶合成時間比較長，可以明顯提高產(chǎn)酶率和縮短發(fā)酵周期。可通過以下措施改變其合成模型，使其成為或接近延續(xù)合成型。具體措施：1）通過菌種選育，提高mRNA穩(wěn)定性，解除分解代謝物阻遏和反饋阻遏，從而得到理想的酶合成模式的優(yōu)良菌株；2）工藝參數(shù)的優(yōu)化控制：降低產(chǎn)酶溫度，提高mRNA穩(wěn)定性，延長產(chǎn)酶的持續(xù)時間；3）發(fā)酵代謝調(diào)節(jié)：添加理想誘導(dǎo)物、解除反饋阻遏和分解代謝物阻遏如難利用碳源的使用以及補料發(fā)酵等。第四十六頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期二各類型的比較（二）同步合成型：盡量提高其對應(yīng)mRNA穩(wěn)定性，適當(dāng)降低發(fā)酵溫度。對于有誘導(dǎo)作用的酶的合成，添加理想誘導(dǎo)物，讓酶合成及時開始。滯后合成型：降低培養(yǎng)基中阻遏物的濃度，盡量減少甚至解除產(chǎn)物阻遏或分解代謝物阻遏作用，使酶生物合成提早開始。中期合成型：一方面要采取措施提高mRNA穩(wěn)定性，延遲其生物合成停止時間，另一方面要解除阻遏，使其生物合成的開始時間提前。第四十七頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期二3.4.2酶生產(chǎn)過程中的細(xì)胞生長動力學(xué)細(xì)胞生長動力學(xué)是研究細(xì)胞生長速度以及環(huán)境因素對細(xì)胞生長速度影響的規(guī)律。rx為細(xì)胞生長速率X為細(xì)胞濃度Μ為比生長速率當(dāng)培養(yǎng)物中只有一種限制性基質(zhì)，而不存在其他限制生長的因素時，μ為此限制性基質(zhì)濃度的函數(shù)，這就是莫諾德生長動力學(xué)模型。S為限制性基質(zhì)濃度μm為最大比生長速率Ks為莫諾德常數(shù)第四十八頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期二參數(shù)意義μm是指限制性底物濃度過量時的比生長速率，即當(dāng)S》Ks的時候，μ＝μm；Ks是指比生長速率達到最大比生長速率一半時的限制性基質(zhì)濃度，即μ＝0.5μm的時候，S＝Ks。μm和Ks是微生物在某種特點條件下的特征常數(shù)，不同的微生物有其不同的μm和Ks值。一般，μm變化不大，而Ks則較大變化。事實上，Ks大小的意義表示了菌體對基質(zhì)的親和力大小。Ks越大，說明菌體對基質(zhì)的親和力越弱，即對基質(zhì)濃度越不敏感。相反，Ks越小，說明菌體對基質(zhì)的親和力越大，即對基質(zhì)濃度越敏感。第四十九頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期二游離細(xì)胞連續(xù)全混流生物培養(yǎng)的生長動力學(xué)方程D為稀釋率，是指單位時間內(nèi)流加的培養(yǎng)液與發(fā)酵容器中培養(yǎng)液體積之比，單位h－1。第五十頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期二參數(shù)意義D<μ，細(xì)胞生長速率dX/dt為正值，表明發(fā)酵液中細(xì)胞濃度不斷增加，隨著細(xì)胞濃度增加，限制性基質(zhì)的濃度相對降低，從而使得μ減小，在μ等于D時，重新達到穩(wěn)態(tài)。D＝μ，dX/dt為0，即在一定體積的培養(yǎng)液中單位時間內(nèi)流出的細(xì)胞與新增值的細(xì)胞數(shù)相同，培養(yǎng)液中細(xì)胞濃度保持恒定，此時培養(yǎng)達到穩(wěn)態(tài)。D>μ，dX/dt為負(fù)值，培養(yǎng)液中的細(xì)胞濃度不斷被稀釋而逐漸降低，隨著細(xì)胞濃度的降低，限制性基質(zhì)濃度相對升高，使μ增大，在μ等于D時，重新建立新的平衡，達到穩(wěn)態(tài)。D>μm，細(xì)胞濃度趨向于0，無法建立穩(wěn)態(tài)。

莫諾德方程最大比生長速率μm和莫諾德系數(shù)Ks可由雙倒數(shù)作圖法求出。第五十一頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期二3.4.3產(chǎn)酶動力學(xué)產(chǎn)酶動力學(xué)主要是研究細(xì)胞產(chǎn)酶速率以及各種環(huán)境因素對產(chǎn)酶速率的影響規(guī)律。研究范圍：1）研究群體細(xì)胞的產(chǎn)酶速率及其影響因素，稱為宏觀產(chǎn)酶動力學(xué)或非結(jié)構(gòu)動力學(xué)；2）研究細(xì)胞中的酶合成速率及其影響因素，稱為微觀產(chǎn)酶動力學(xué)或結(jié)構(gòu)動力學(xué)。宏觀產(chǎn)酶動力學(xué)研究相對更具實際意義，宏觀產(chǎn)酶動力學(xué)與細(xì)胞比生長速率和細(xì)胞濃度以及細(xì)胞產(chǎn)酶模式有關(guān)。它真正反映細(xì)胞群體在發(fā)酵生產(chǎn)中的產(chǎn)量的高低。第五十二頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期二產(chǎn)酶動力學(xué)方程第五十三頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期二不同產(chǎn)酶模式產(chǎn)酶動力學(xué)方程根據(jù)細(xì)胞的產(chǎn)酶模式不同，產(chǎn)酶速率與細(xì)胞生長動力學(xué)的關(guān)系也有所不同。同步合成型：中期合成型的酶，為特殊的生長偶聯(lián)型，其產(chǎn)酶動力學(xué)方程與同步合成型相同，然而，在有阻遏物存在時，α＝0，無酶產(chǎn)生，在解除阻遏后，才開始酶的合成。滯后合成型的酶，為非生長偶聯(lián)型，生長偶聯(lián)型的比產(chǎn)酶速率。α＝0，其產(chǎn)酶動力學(xué)方程可表達為：延續(xù)合成型的酶，在細(xì)胞生長期和平衡期均可產(chǎn)生酶，是部分生長偶聯(lián)型，其產(chǎn)酶動力學(xué)方程為：第五十四頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期二非生長耦聯(lián)型產(chǎn)酶注意要點應(yīng)充分注意菌體在生長期和產(chǎn)酶期的營養(yǎng)要求的差別?？蛇m當(dāng)配用快速利用和緩慢利用的營養(yǎng)物比例，以分別滿足不同時期菌體細(xì)胞的不同需要?？焖倮玫奶荚丛诩?xì)胞生長時期消耗，而緩慢利用的碳源用來供產(chǎn)物合成時期使用。這樣可以使得菌體的衰老自溶現(xiàn)象延遲出現(xiàn)，延長產(chǎn)物合成期，提高產(chǎn)物產(chǎn)量。第五十五頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期二3.4.4固定化細(xì)胞生長特點固定化細(xì)胞在適宜的條件下培養(yǎng)時，固定在載體上的細(xì)胞以一定的速率生長，在達到平衡期以后的相當(dāng)長的一段時間內(nèi)，固定化細(xì)胞的濃度基本上保持恒定。同時，隨著固定化細(xì)胞的生長和增殖，有一些細(xì)胞泄漏到培養(yǎng)液中，這些泄漏細(xì)胞如同游離細(xì)胞一樣，在培養(yǎng)液中生長繁殖。第五十六頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期二固定化細(xì)胞生長動力學(xué)在固定化細(xì)胞的培養(yǎng)系統(tǒng)中，細(xì)胞包括固定在載體的細(xì)胞和游離細(xì)胞兩部分。即：

式中，下標(biāo)g和f分別代表固定在載體上的細(xì)胞和游離細(xì)胞。第五十七頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期二式中，μmg、μmf分別代表固定在載體上的細(xì)胞和游離細(xì)胞的最大比生長速率。Ksg、Ksf分別代表固定在載體上的細(xì)胞和游離細(xì)胞的莫諾德常數(shù)。第五十八頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期二固定化細(xì)胞產(chǎn)酶動力學(xué)在固定化細(xì)胞發(fā)酵過程中，固定在載體上的細(xì)胞和培養(yǎng)液中的游離細(xì)胞都可產(chǎn)生酶。即：第五十九頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期二固定化細(xì)胞連續(xù)產(chǎn)酶動力學(xué)對