第三章 酶的生物合成与发酵生产

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，在RNA聚合酶（转录酶）的作用下，生成RNA的过程。（一）酶的生物合成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－tRNA2、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（batchculture）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。（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。

浓度时间(h)细胞浓度酶浓度细胞浓度酶浓度酶浓度酶浓度细胞浓度细胞浓度图3-1酶生物合成模式

A.同步合成型;B.延续合成型;C.中期合成型;D.滞后合成型ABCD滞后合成型(李永泉,1995)同步生长型(李永泉,1995)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。原理与意义三、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（growthfactor）（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

茄子瓶菌种培养摇瓶菌种培养孢子（菌体）悬液制备种子罐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。（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*Cc1、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