第三章 酶的生物合成與發(fā)酵生產(chǎn)

第三章酶的生物合成與發(fā)酵生產(chǎn)酶生物合成的調(diào)節(jié)酶發(fā)酵動(dòng)力學(xué)酶發(fā)酵生產(chǎn)的工藝控制一、酶生物合成的調(diào)節(jié)

酶的生物合成酶生物合成的調(diào)節(jié)生物酶產(chǎn)量提高的策略1、RNA的生物合成——轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄是以DNA為模板，以核苷三磷酸為底物，在RNA聚合酶（轉(zhuǎn)錄酶）的作用下，生成RNA的過(guò)程。（一）酶的生物合成2、蛋白質(zhì)的生物合成——翻譯翻譯：以mRNA為模板，以氨基酸為底物，在核糖體上通過(guò)各種tRNA，酶和輔助因子的作用，合成多肽的過(guò)程。四個(gè)階段1、氨基酸活化生成氨酰－tRNA2、肽鏈合成的起始3、肽鏈的延伸4、肽鏈合成的終止（二）酶生物合成的調(diào)節(jié)酶合成調(diào)節(jié)的類型：誘導(dǎo)和阻遏1、酶合成的誘導(dǎo)乳糖誘導(dǎo)?-半乳糖苷酶的合成淀粉誘導(dǎo)a-淀粉酶的合成2、酶合成的阻遏酶合成的反饋?zhàn)瓒糇饔茫┒舜x物阻遏、產(chǎn)物阻遏作用）酶催化作用的產(chǎn)物或代謝物途徑的末端產(chǎn)物使該酶的生物合成受阻。引起反饋?zhàn)瓒舻奈镔|(zhì)，稱為共阻遏物（輔阻遏物）。組氨酸對(duì)組氨酸合成途徑中的10種酶的生物合成均起反饋?zhàn)饔?、分解代謝物阻遏作用葡萄糖阻遏?-半乳糖苷酶的生物合成；果糖阻遏a-淀粉酶的生物合成4、控制方法條件控制（1）添加誘導(dǎo)物4類誘導(dǎo)物1）酶的作用底物2）酶作用底物的前體3）酶的反應(yīng)產(chǎn)物4）底物類似物（2）降低阻遏物濃度分解代謝物阻遏與解除：終產(chǎn)物阻遏與解除：（3）促進(jìn)分泌：表面活性劑（4）添加產(chǎn)酶促進(jìn)劑：遺傳控制（1）改良菌種誘變育種、原生質(zhì)體融合、雜交育種、代謝控制育種等。（2）基因工程育種二、酶發(fā)酵動(dòng)力學(xué)

發(fā)酵動(dòng)力學(xué)：主要研究在發(fā)酵過(guò)程中細(xì)胞生長(zhǎng)速率，產(chǎn)物形成速率以及環(huán)境因素對(duì)速率的影響；在酶的發(fā)酵生產(chǎn)中,研究酶發(fā)酵動(dòng)力學(xué)對(duì)于了解酶生物合成模式；發(fā)酵條件的優(yōu)化控制,提高酶產(chǎn)量具有重要的理論指導(dǎo)意義。二、酶發(fā)酵動(dòng)力學(xué)

（一）細(xì)胞生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)莫諾德（Monod）方程。分批培養(yǎng)（batchculture）中，細(xì)胞生長(zhǎng)速率與細(xì)胞濃度成正比。（二）基質(zhì)消耗動(dòng)力學(xué)基本質(zhì)量消耗表現(xiàn)為能量產(chǎn)生、細(xì)胞質(zhì)量增加與產(chǎn)物合成。（三）產(chǎn)酶動(dòng)力學(xué)1、酶生物合成模式分批培養(yǎng)中，根據(jù)酶的合成與細(xì)胞生長(zhǎng)之間的關(guān)系，酶的生物合成分為3種模式。不同模式的主要原因是酶所對(duì)應(yīng)mRNA的穩(wěn)定性與培養(yǎng)基中是否存在阻遏物。（1）生長(zhǎng)偶聯(lián)型又稱同步生長(zhǎng)型。細(xì)胞進(jìn)入生長(zhǎng)期，酶即開(kāi)始大量合成；細(xì)胞進(jìn)入平衡期后，酶的合成隨之停止。其生物合成可以誘導(dǎo)，但不受分解代謝物阻遏和終產(chǎn)物阻遏。當(dāng)除去誘導(dǎo)物或細(xì)胞進(jìn)入平衡期后，酶的合成立即停止。其所對(duì)應(yīng)的mRNA很不穩(wěn)定。（2）非生長(zhǎng)偶聯(lián)型又稱滯后合成型。只有當(dāng)細(xì)胞生長(zhǎng)進(jìn)入平衡期后，酶才開(kāi)始合成并大量積累。其生物合成受分解代謝物阻遏。該酶所對(duì)應(yīng)的mRNA穩(wěn)定性好。如多數(shù)水解酶類。（3）部分生長(zhǎng)偶聯(lián)型又稱延續(xù)合成型。酶的合成與細(xì)胞同步開(kāi)始，細(xì)胞生長(zhǎng)進(jìn)入平衡期后，酶還可以繼續(xù)合成。其生物合成可以誘導(dǎo)，但不受分解代謝物阻遏和終產(chǎn)物阻遏。該酶所對(duì)應(yīng)的mRNA很穩(wěn)定。酶生產(chǎn)中最理想的生物合成模式。

濃度時(shí)間(h)細(xì)胞濃度酶濃度細(xì)胞濃度酶濃度酶濃度酶濃度細(xì)胞濃度細(xì)胞濃度圖3-1酶生物合成模式

A.同步合成型;B.延續(xù)合成型;C.中期合成型;D.滯后合成型ABCD滯后合成型(李永泉,1995)同步生長(zhǎng)型(李永泉,1995)影響酶生物合成模式的因素主要是mRNA和培養(yǎng)基中存在的阻遏物：mRNA穩(wěn)定性高的，可以在細(xì)胞停止生長(zhǎng)后繼續(xù)合成相應(yīng)的酶；mRNA穩(wěn)定性差的，隨著細(xì)胞生長(zhǎng)停止而終止酶的合成；不受阻遏物阻遏的,可隨著細(xì)胞生長(zhǎng)而開(kāi)始酶的合成；受阻遏物阻遏的,要在細(xì)胞生長(zhǎng)一段時(shí)間或進(jìn)入穩(wěn)定期后解除阻遏,才能開(kāi)始酶的合成。在酶的工業(yè)生產(chǎn)中，為了提高酶產(chǎn)率和縮短發(fā)酵周期,最理想的酶合成模式是延續(xù)合成型；對(duì)于其它類型的酶,要在菌種選育和工藝條件上加以調(diào)節(jié)；對(duì)于同步合成型，盡量提高mRNA的穩(wěn)定性，如降低發(fā)酵溫度;對(duì)于滯后合成型,盡量減少阻遏物；對(duì)于中期合成型，要從提高mRNA穩(wěn)定性和解除阻遏兩方面進(jìn)行。原理與意義三、酶發(fā)酵生產(chǎn)的工藝控制根據(jù)細(xì)胞培養(yǎng)方式的不同，酶的發(fā)酵生產(chǎn)可以分為固體發(fā)酵、液體發(fā)酵、和固定化細(xì)胞發(fā)酵等方式。三種方式不同的含義與不同的特點(diǎn)（P117）。（一）酶發(fā)酵生產(chǎn)的工藝控制1、酶發(fā)酵生產(chǎn)的一般工藝2、發(fā)酵罐3、培養(yǎng)基及培養(yǎng)基滅菌（1）培養(yǎng)基成分1）碳源碳源選擇應(yīng)該考慮的問(wèn)題2）氮源3）無(wú)機(jī)鹽和微量元素4）生長(zhǎng)因子（growthfactor）（2）發(fā)酵培養(yǎng)基配制（3）培養(yǎng)基的滅菌1）濕熱滅菌2）滅菌的要求3）滅菌方式酶工程的基本過(guò)程圖解

發(fā)酵罐示意圖

試管菌種培養(yǎng)

茄子瓶菌種培養(yǎng)搖瓶菌種培養(yǎng)孢子（菌體）懸液制備種子罐菌種培養(yǎng)發(fā)酵罐發(fā)酵發(fā)酵液預(yù)處理酶的分離純化精制

圖3.21酶發(fā)酵生產(chǎn)的一般工藝流程3）滅菌方式分批滅菌又稱實(shí)罐滅菌、實(shí)消。連續(xù)滅菌又稱連消。4種子培養(yǎng)（1）概念（2）流程（3）種子質(zhì)量控制措施1）培養(yǎng)基營(yíng)養(yǎng)成分的豐富與完全；成分和發(fā)酵培養(yǎng)基接近。2）培養(yǎng)條件溫度、pH、通氣與攪拌、泡沫等。3）種齡即種子培養(yǎng)時(shí)間。最適的種齡為對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期。原因。（4）接種量1）概念2）影響接種量大小的因素5、發(fā)酵工藝條件控制（1）溫度對(duì)發(fā)酵的影響1）發(fā)酵溫度的影響2）影響發(fā)酵溫度變化的因素發(fā)酵熱（Q發(fā)酵）產(chǎn)熱因素：生物熱（Q生物）、攪拌熱（Q攪拌）散熱因素：蒸發(fā)熱（Q蒸發(fā)）、輻射熱（Q輻射）、顯熱（Q顯熱）3）最適溫度的選擇與控制選擇：產(chǎn)酶最適溫度與生長(zhǎng)最適溫度不同?？刂疲簥A套、蛇管、排管、噴淋管等熱交換裝置。（2）pH的影響及其控制1）pH對(duì)發(fā)酵的影響2）影響pH變化的因素培養(yǎng)基營(yíng)養(yǎng)成分與細(xì)胞代謝影響pH的變化。3）發(fā)酵pH的確定與控制發(fā)酵pH的確定：?jiǎn)我蛩貙?shí)驗(yàn)摸索方法（P123）。pH的控制:基礎(chǔ)培養(yǎng)基配方、補(bǔ)料3、溶氧的影響與控制（1）溶氧的影響每小時(shí)1m3培養(yǎng)液中需要的氧是溶解氧量的750倍。（2）溶氧濃度的控制1）從供氧方面考慮dC/dt=Kla*(C*-C)提高氧分壓；增加通氣量；延長(zhǎng)氣液接觸時(shí)間；增加氣液比表面積；改變培養(yǎng)液的性質(zhì)。2）從需氧方面考慮r=Qo2*Cc1、誘導(dǎo)，阻遏，反饋?zhàn)瓒糇饔?，末端代謝物阻遏，酶生物合成模式2、酶誘導(dǎo)