第一节酶生物合成的调节省公开课金奖全国赛课一等奖微课获奖课件

Chapter3

TheproductionofEnzymebyFermentationofMicroorganism微生物发酵产酶1/62酶生产方法提取分离法(Extraction)生物合成法(Biosynthesis)化学合成法(chemicalsynthesis)SOD-bloodPapain-PapayaChymotrypsin-Pancrea……organ/tissue/cellAmylasefromBacillusProteasefromBacillusPhosphatasefromBacillusGlucoamylasefromAspergillus……PlantcellcultureAnimalcellcultureFewexample酶生产：指经过各种方法取得人们所需酶技术过程2/62一、提取分离法酶提取：在一定条件下，用适当溶剂处理含酶原料，使酶充分溶解到溶剂中过程。主要提取方法：盐溶液提取酸溶液提取碱溶液提取有机溶剂提取等注意选择适当溶剂！！！3/62优点：提取方法简单方便缺点：必须先取得含酶组织或细胞受气候环境影响若培养细胞则工艺路线变复杂产品含杂质较多，分离纯化较困难4/62适用范围在动植物资源丰富地域从动物胰脏中提取各种胰蛋白酶，小肠中提取碱性磷酸酶5/62二、生物合成法（发酵法）利用微生物细胞、植物细胞或动物细胞生命活动而取得人们所需酶技术。6/62细胞培养方式不一样液体深层培养发酵固体培养发酵固定化细胞发酵固定化原生质体发酵酶发酵生产：经过预先设计，经过人工操作，利用微生物生命活动取得所需酶技术过程。7/621、固体培养发酵培养基以麸皮、米糠等为主要原料，加入其它必要营养成份，制成固体或半固体曲麸，经过灭菌、冷却后，接种产酶微生物菌株，在一定条件下进行发酵，以取得所需酶。8/62优点：设备简单，操作方便。麸曲中酶浓度尤其高，尤其适合用于各种霉菌培养和发酵产物。缺点：劳动强度大，原料利用率低，生产周期长。9/622、液体深层发酵将液体培养基置于生物反应器中，经过灭菌、冷却后，接种产酶细胞，在一定条件下进行发酵，生产得到所需酶。优点：机械化程度较高，技术管理较严格，酶产率较高，质量较稳定，产品回收率较高。是当前酶发酵生产主要方式。10/62优点：生产周期短酶产率较高不受资源限制缺点：对发酵设备和工艺条件要求较高11/62三、化学合成法是一个新兴技术不足单体底物要求纯度高成本高昂只能合成已经清楚化学结构酶12/62化学合成法新进展模拟酶13/62第一节酶生物合成过程及调整14/62Reversetranscription1、中心法则-CentralDogma15/62Replication复制：亲代DNA或RNA在一系列酶作用下，生成与亲代相同子代DNA或RNA过程。Transcription转录：以DNA为模板，按照碱基配对标准将其所含遗传信息传给RNA，形成一条与DNA链互补RNA过程。Translation翻译：亦叫转译，以mRNA为模板，将mRNA密码解读成蛋白质AA次序过程。Reversetranslation逆转录：以RNA为模板，在逆转录酶作用下，生成DNA过程。16/622、RNA生物合成(转录)-Transcription细胞内RNA生物功效(1)在一些RNA病毒中，其所含双链RNA作为遗传信息载体。

(2)在蛋白质生物合成过程中，各种RNA起着主要作用。tRNA作为氨基酸载体，并由其上反密码子识别mRNA分子上密码子；mRNA作为蛋白质合成模板，由其分子上三联体密码控制蛋白质分子中氨基酸排列次序；rRNA与蛋白质一起组成核糖核蛋白体（核糖体），作为蛋白质生物合成场所。(3)一些RNA含有生物催化活性，属于核酸类酶，在一定条件下，能够催化相关生化反应。(4)各种小分子RNA在分子修饰和代谢调整等方面有主要作用。17/62转录过程特点1、转录不对称性反义链antisensestrand（无意义链，负链）有义链codingstrand（编码链，正链）2、转录所需酶18/62转录过程起始位点识别recognition转录起始initiation链延伸elongation转录终止termination转录后加工modification19/62TheE.coliRNApolymeraseholoenzymeconsistsofsixsubunits:a2bb’

s.PossiblecatalyticsubunitsPromoterspecificityEnzymeassembly,promoterrecognition,activatorbindingRoleunknown(notneededinvitro)36.5kDa15115511kDa(32-90kDa)20/62转录起始关键酶与σ因子结合成全酶全酶与DNA模板结合生成不稳定复合物，沿模板移动寻找到开启子生成酶与开启子复合物DNA双螺旋部分解链σ因子释放21/62转录延伸22/62RNA链合成终止RNA聚合酶抵达终止密码子，RNA与酶从DNA上脱离，RNA链合成终止RNA前体加工剪切反应剪接反应末端连接反应核苷修饰反应23/6224/623、蛋白质合成(翻译)-Translation翻译:以RNA中mRNA为模板,按照其核苷酸次序所组成密码指导蛋白质合成过程.mRNA蛋白质翻译

各种信息各种蛋白质（核苷酸排列次序）（氨基酸排列次序）25/62蛋白质合成几个要素-mRNA(模板，template)mRNA是带有DNA遗传信息指导蛋白质合成直接模板。以mRNA为模板,合成一定结构多肽链过程(翻译)，就是将mRNA分子中核苷酸排列次序转变成蛋白质分子中氨基酸排列次序。26/62蛋白质合成几个要素-遗传密码，nucleotidetripletcodonmRNA分子中,每三个相邻核苷酸组成三联体代表某种氨基酸或其它信息，称为密码子或三联密码。四种核苷酸编成三联体可形成43个即64个密码子。其中：一个起始密码:AUG三个终止密码:UAAUGAUAG多数氨基酸拥有2-4个密码27/6228/6229/62蛋白质合成几个要素-转运RNA(transporter)tRNA是氨基酸转运工具，携带活化氨基酸到核蛋白体。tRNA有特异性，最少有20种以上。每种tRNA反密码环顶端都有由三个核苷酸组成反密码，能与mRNA上对应密码互补结合。30/62酪5’5’3’AUGGUUUACACA酪氨酰-tRNA反密码mRNA密码(codon)与反密码(anticodon)碱基配对31/62蛋白质合成几个要素-核糖体，ribosome核糖体（或称核糖核蛋白体）由蛋白质和rRNA组成。是存在于细胞质内微小颗粒。32/62Theribosomecompositionofprokaryoticandeukaryoticcell33/62蛋白质合成几个要素-其它因子和酶其它辅助因子工具酶34/62蛋白质合成过程肽链合成起始initiation肽链合成延伸elongation肽链合成终止与释放terminationandrelease合成多肽输送和加工transportandmodification蛋白质分子折叠folding35/62氨基酸活化生成氨酰-tRNA反应式A.A+tRNA+ATP氨酰tRNA合成酶氨酰-tRNA+AMP+PPi普通而言，原核生物第一个氨基酸是甲酰甲硫氨酸，起始tRNA是fMet-tRNAF。真核生物第一个氨基酸是甲硫氨酸，起始tRNA是Met-tRNAMET。36/62蛋白质合成起始30S亚基+IF3

mRNA30S-IF3-mRNA复合物fMet-tRNAF+IF2+GTPfMet-tRNAF-IF2-GTPIF130S起始复合物70S核糖体IF1、IF2、IF3GDP+Pi37/6238/62进位转位成肽肽链延伸39/62合成终止40/62高效率蛋白质合成体系41/6242/624、酶生物合成调整(regulation)43/62组成酶：DNA酶，RNA酶，糖酵解路径酶（与生长发育条件无关，常进行定量合成酶）调整酶：适应酶，β-半乳糖苷酶（诱导酶）酶类型44/62ABEX底物水平调整酶水平调整

酶活性调整酶含量调整酶定位调整辅助因子调整生长发育不一样时期外界环境改变酶合成与分解速度改变（基因表示调控）产物调整细胞内酶调控模式45/621960年Jacob和Monod提出操纵子学说调整基因(R)：产生阻遏蛋白开启基因(P)操纵基因(O)：与阻遏蛋白结合结构基因(S)：蛋白多肽链产物操纵子1.RNA聚合酶结合位点2.cAMP及其受体蛋白复合物（cAMP-CRP）结合位点（1）操纵子学说46/62操纵子学说莫诺与雅可布最初发觉是大肠杆菌乳糖操纵子。这是一个十分巧妙自动控制系统，这个自动控制系统负责调控大肠杆菌乳糖代谢。

乳糖可作为培养大肠杆菌能源。大肠杆菌能产生一个酶（叫做“半乳糖苷酶”），能够催化乳糖分解为半乳糖和葡萄糖，方便作深入代谢利用。编码半乳糖苷酶基因（简称z）是一个结构基因。这个结构基因与操纵基因共同组成操纵子。操纵基因受一个叫作阻遏蛋白蛋白质调控。当阻遏蛋白结合到操纵基因之上时，乳糖会起诱导作用，它与阻遏蛋白结合，使之从操纵基因上脱落下来。这时，操纵基因开启，相邻结构基因也表现活性，细菌就能分解并利用乳糖了，这么，乳糖便成了诱导半乳糖苷酶产生诱导物。

60年代中期，在操纵子中还发觉了另一个开关基因，称为开启基因。开启基因位于操纵基因之前，二者紧密相邻。开启基因由环腺苷酸（cAMP）开启，而环腺苷酸能被葡萄糖所抑制。这么，葡萄糖便经过抑制环腺苷酸而间接抑制开启基因，使结构基因失活，停顿合成半乳糖苷酶。

由此可知，结构基因同时受两个开关基因——操纵基因与开启基因调控。只有当这两个开关都处于开启状态时，结构基因才能活化。当培养基中同时存在葡萄糖和乳糖时，葡萄糖经过抑制环腺苷酸而间接抑制开启基因，并进而抑制结构基因，使细菌不产生半乳糖苷酶。这种情况下，细菌便会自动优先利用葡萄糖，因为葡萄糖果是比乳糖更加好能源。47/62…RPOS1S2…

…DNA调整基因开启基因操纵基因结构基因与阻遏蛋白结合1.RNA聚合酶结合位点2.cAMP及其受体蛋白复合物（cAMP-CRP）结合位点产生阻遏蛋白mRNA操纵子48/62诱导型操纵子无诱导物——不表示或低表示、有诱导物——转录成mRNA——合成酶阻遏型操纵子无诱导物——正常表示有诱导物——转录受阻49/62（2）原核生物中酶生物合成调整机制a.分解代谢物阻遏作用b.酶生物合成诱导作用c.酶生物合成反馈阻遏作用50/62a.分解代谢物阻遏作用是指轻易利用碳源经过分解代谢产生物质阻遏一些酶（主要是诱导酶）生物合成现象。cAMP↓+H2OAMP↓磷酸二酯酶葡萄糖过量降解ATPADP,AMPcAMP-CRP↓开启基因上没有cAMP-CRP结合酶合成↓例：葡萄糖阻遏β-半乳糖苷酶生物合成实质：cAMP经过开启基因对酶生物合成进行调整控制。51/62b.酶生物合成诱导作用加进某种物质，使酶生物合成开始或加速进行过程。举例：乳糖诱导β-半乳糖苷酶合成…RPOS1S2…DNA无诱导物时：添加诱导物时：…RPOS1S2…DNA诱导物转录翻译mRNA酶乳糖别乳糖52/62c.酶生物合成反馈阻遏作用（产物阻遏作用）是指酶催化作用产物或代谢路径末端产物使该酶生物合成受阻过程。举例：无机磷酸阻遏碱性磷酸酶无阻遏物时：添加阻遏物时：…RPOS1S2…DNA翻译mRNA…RPOS1S2…DNA共阻遏物磷酸单酯磷酸+醇碱性磷酸酶53/62（3）酶生物合成模式细胞在一定条件下培养生长，其生长过程普通经历调整期、生长久、平衡期和衰退期等4个阶段经过分析比较细胞生长与酶产生关系,能够把酶生物合成模式分为4种类型。即同时合成型，延续合成型，中期合成型和滞后合成型。

54/62a、同时合成型

酶生物合成与细胞生长同时进行一个酶生物合成模式。该类型酶生物合成速度与细胞生长速度紧密联络，又称为生长偶联型。

大部分组成酶生物合成属于同时合成型，有部分诱导酶也按照此种模式进行生物合成。比如米曲霉在含有单宁或者没食子酸培养基中生长，在单宁或没食子酸诱导作用下，合成单宁酶（tanaseEC3.1.1.20）。55/62属于同时合成型酶，其生物合成伴伴随细胞生长而开始；在细胞进入旺盛生长久时，酶大量生成；当细胞生长进入平衡期后，酶合成伴随停顿。细胞浓度mg/ml酶浓度U/ml总细胞浓度活细胞浓度胞外酶浓度胞内酶浓度特点：该类酶所对应mRNA很不稳定，其寿命一般只有几十分钟，细胞进入平衡期后，新mRNA不再生成，原有mRNA被降解，酶生物合成停顿。mRNA不稳定，无阻遏作用56/62b、延续合成型

酶生物合成在细胞生长阶段开始，在细胞生长进入平衡期后，酶还能够延续合成一段较长时间。属于该类型酶能够是组成酶，也能够是诱导酶。比如，在黑曲霉在以半乳糖醛酸或果胶为单一碳源培养基中培养，能够诱导聚半乳糖醛酸酶（Polygalacturonase，EC3.2.1.15）生物合成。细胞浓度mg/ml酶浓度U/ml细胞浓度mg/ml酶浓度U/ml以半乳糖醛酸为诱导物以含有葡萄糖果胶为诱导物特点：这些酶所对应mRNA相当稳定，在平衡期后仍可合成相对应酶mRNA稳定，不受阻遏57/62c.中期合成型

该类型酶在细胞生长一段时间以后才开始，而在细胞生长进入平衡期以后，酶生物合成也伴随停顿。比如，枯草杆菌碱性磷酸酶（Alkalinephophatase，EC3.1.3.1)生物合成模式属于中期合成型。细胞浓度mg/ml酶浓度U/ml特点：酶生物合成受产物或分解代谢产物阻遏作用，而酶对庆mRNA稳定性较差mRNA不稳定，受阻遏58/62d.滞后合成型

这类型酶是在细胞生长一段时间或者进入平衡期以后才开始其生物合成并大量积累。又称为非生长偶联型。许