酶的发酵生产
酶工程 第三章酶的发酵生产 第一节酶生物合成的基本理论
第一节 酶生物合成的基本理论
转录时，RNA聚合酶首先结合到DNA的特定位点（启动基因）上，DNA的 双螺旋链部分解开，以其中一条链为模板，通过碱基互补方式结合进第一个 核苷三磷酸，然后随着RNA聚合酶的移动，DNA双螺旋逐渐解开，按照模板上 的碱基顺序逐个加入与其互补的核苷三磷酸并聚合而生成多聚核苷酸链。在 RNA聚合酶后面生成的多聚核苷酸链立即与模板分开，DNA分子的两条链又重 新缠绕形成双螺旋。（图3-1）
第一节 酶生物合成的基本理论
三、酶生物合成的调节
如上所述，酶的生物合成要经过一系列的步骤，需要 诸多因素的参与。故此，在转录和翻译过程中，许多因素 都会影响酶的生物合成。那么，究竟哪些因素对酶的生物 合成起主要的调节控制作用呢？研究结果表明，至少在原 核生物中，甚至在所有生物中，转录水平的调节控制对酶 的生物合成是至为重要的。
的过程,称为酶生物合成的诱导作用。简称为诱导作用。 起诱导作用的物质，称为诱导剂。例如，乳糖诱导β—半 乳糖苷酶的合成等。
酶生物合成的诱导作用过程如图3-4所示。
第一节 酶生物合成的基本理论
第一节 酶生物合成的基本理论
(B)
图3-4酶生物合成的诱导作用 （A）-----无诱导物时 （B）----添加诱导物时
转录水平调节控制，又称为基因的调节控制。这种控 制理论最早是由雅各（Jacob）和莫诺德(Monod)于1960年 提出的操纵子学说来阐明的，1966年发现了启动基因，使 这一调节控制理论不断完善。
第一节 酶生物合成的基本理论
根据基因调节控制理论，在DNA分子中，与酶生物合 成有密切关系的基因有4种。它们是调节基因(Regulator gene)、启动基因(Promoter gene)、操纵基因(Operator gene)和结构基因(Strutural gene)。其中，结构基因与 酶有各自的对应关系，结构基因中的遗传信息可转录成 mRNA上的遗传密码，再经翻译成为酶蛋白的多肽链。操纵 基因可以特异性地与调节基因产生的边构蛋白（阻抑蛋白） 中的一种结构结合，从而操纵酶合成的时机及速度。结构 基因与操纵基因一起称为操纵子。启动基因决定酶的合成 能否开始，启动基因由两个位点组成，一个是RNA聚合酶 的结合位点，另一个是环腺苷酸（cAMP）与环腺苷酸接受 蛋白（CRP）的复合物（cAMP- CRP）的结合位点。只有在 cAMP- CRP复合物结合到启动基因的位点上时，RNA
酶制剂发酵工艺流程
酶制剂发酵工艺流程英文回答：Enzyme production through fermentation involves several steps. The overall process can be divided into three main stages: upstream processing, fermentation, and downstream processing.1. Upstream Processing:The first step in enzyme production is the selection and preparation of a suitable microbial strain. This involves screening different strains for their ability to produce the desired enzyme. Once a strain is selected, it needs to be cultured and maintained in a laboratory or industrial setting.The next step is to optimize the growth conditions for the selected strain. This includes determining the optimal temperature, pH, and nutrient composition for the growthmedium. The growth medium may contain carbon sources, nitrogen sources, minerals, and vitamins to supportmicrobial growth.2. Fermentation:Once the strain is prepared and the growth conditions are optimized, the fermentation process begins.Fermentation can be carried out in batch, fed-batch, or continuous mode, depending on the specific requirements.During fermentation, the microbial cells grow and produce the desired enzyme. The fermentation parameters, such as temperature, pH, aeration, and agitation, need tobe carefully controlled to ensure optimal enzyme production. The fermentation process can take several hours to several days, depending on the microbial strain and enzyme being produced.3. Downstream Processing:After fermentation, the next step is to separate andpurify the enzyme from the fermentation broth. Thisinvolves several steps, including cell separation, enzyme extraction, and purification.Cell separation can be done through centrifugation, filtration, or other methods to remove the microbial cells from the fermentation broth. Enzyme extraction is then carried out to release the enzyme from the cells or the extracellular medium. This can be done through cell disruption techniques, such as sonication or homogenization.Finally, the enzyme is purified using varioustechniques such as chromatography, filtration, and precipitation. The purification process removes impurities and concentrates the enzyme to a desired level of purity.中文回答：酶制剂的发酵生产涉及几个步骤。
酶工程 第三章酶的发酵生产 第三节发酵工艺条件及控制
第三节 发酵工艺条件及控制
无机元素是通过添加无机盐来提供的，一般采用水溶 性的硫酸盐、磷酸盐或盐酸盐等。有时也使用硝酸盐，在 提供无机氮的同时，提供无机元素。
4．生长因素 生长因素是指细胞生长繁殖所必不可缺的微量有机化 合物主要包括各种氨基酸、嘌呤、嘧啶、维生素，以及动 植物生长激素等。各种氨基酸是蛋白质和酶的组分；嘌呤 和嘧啶是核酸和某些辅酶的组分；维生素主要起辅酶作用； 动植物生长激素则分别对动物细胞和植物细胞的生长、分 裂起调节作用。有的细胞能够自己合成各种生长因素，而 有的细胞则缺少合成一种或多种生长因素的能力，需由外 界供给，才能正常生长繁殖，这样的细胞称为营养缺陷型。
第三节 发酵工艺条件及控制
在酶的发酵生产中，通常在培养基中加进玉米浆、酵 母膏等，以提供各种必需的生长因素。有时，也加进纯化 的生长因素，以供细胞生长繁殖之需。
现举例几种酶发酵培养基： （1）枯草杆菌BF7658α—淀粉酶发酵培养基：玉米粉 8%，豆饼粉4%，磷酸氢二钠0.8%，硫酸铵0.4%，氧化钙 0.2%，氯化铵0.15%。 （2）枯草杆菌AS1.398中性蛋白酶发酵培养基：玉米 粉4%，豆饼粉3%，麸皮3.2%，米糠1%，磷酸氢二钠0.4%， 磷酸二氢钾0.03%。 （3）黑曲霉糖化发酵培养基：玉米粉10%，豆饼粉4%， 麸皮1%（PH4.4—5.0）。
第三节 发酵工艺条件及控制
不同细胞生长繁殖的最适PH有所不同。一般细胞和放 线菌的生长最适PH为中性或微碱性（PH6.5—8.0）；霉菌 和酵母的生长最适PH为偏酸性（PH4.0—6.0）；植物细胞 生长的最适PH为5—6。
酶的发酵生产
分解代谢物阻遏
定义：容易利用的基质（常为碳源）阻遏某些酶 （主要是诱导酶）生物合成的现象。
cAMP receptor protein
第四节 酶的发酵生产技术
一、微生物发酵产酶方式
1、固体培养 利用麸皮和米糠为主要原料，添加谷 壳，豆饼等，加水拌成半固体状态，供 微生物生长和产酶用。 浅盘法、转桶法、厚层通气法
含菌体较少，利于产品分离。 缺点：（1）不能强烈搅拌；（2）技术要求高，传质 传热效果差（氧气供给，温度控制。培养基成分的控 制）；理论研究阶段；（3）只适用于胞外酶的生产。
4、固定化原生质体发酵（80年代中期）
优点：（1）解除细胞壁扩散障碍，可使胞内物质分泌 到胞外，变革了胞内酶的生产工艺和技术路线；（2） 可使细胞胞间质中的物质，如碱性磷酸酶等变为胞外 产物；（3）稳定性良好，可反复或连续使用。 。缺点：（1）原生质体的制备比较复杂；（2）发酵培 养基中需维持较高的渗透压；（3）要防止细胞壁再生
河南科技学院
第二章 酶的发酵生产
Producting Enzyme by Fermention
第一节 酶的生产方法
一、酶的生产：指经过预先设计，通过人工操 作控制而获得所需的酶的过程。 二、酶的生产方法 1、提取法：最早采用的方法，现仍继续使用。 指采用各种提取、分离技术从动、植物或微 生物细胞或组织中将酶提取分离出来。 优缺点：方法简单，有时候需先培养含酶组织 或细胞而使工艺路线变得复杂，且产品杂质 多造成分离纯化困难。
பைடு நூலகம்
工业规模应用的微生物酶和它们的某些来源
纤维素酶 半纤维素 酶 里氏木霉、黑曲霉
木霉、曲霉、根霉
水洗布生产，饲料添加剂，消 化植物细胞壁 饲料添加剂，消化植物细胞壁， 低聚木糖生产
第三章酶的生产
2023年5月15日星期一
第三章 酶的生产制备
酶的生产方式
1.提取法: 植物、动物、微生物
2.化学合成法
生物合成法： 利用植物、动物、微生物细胞合成。 上个世纪50年代起利用微生物生产酶
。 1949年细菌发酵生产淀粉酶
上个世纪70年代以来利用植物细胞和 动物细胞培养技术生产酶。
木瓜细胞培养生产木瓜蛋白酶和木瓜 凝乳蛋白酶 人黑色素瘤细胞培养生 产血纤维蛋白溶酶原激活剂
34
2.生长偶联型中的特殊形式——中期合成型
酶的合成在细胞生长一段时间后才开始，而在细胞生 长进入平衡期以后，酶的合成也随着停止。 特点：酶的合成受产物的反馈阻遏或分解代谢物阻遏。
所对应的mRNA是不稳定的。
枯草杆菌碱性磷酸酶合成曲线 35
3.部分生长偶联型（又称延续合成型）
酶的合成在细胞的生长阶段开始，在细胞生长进入 平衡期后，酶还可以延续合成较长一段时间。 特点：可受诱导，一般不受分解代谢物和产物阻遏。
所对应的mRNA相当稳定。
黑曲霉聚半乳糖醛酸酶合成曲线 36
4. 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以后，酶才开始合成并 大量积累。许多水解酶的生物合成都属于这一类型。 特点：受分解代谢物的阻遏作用。
所对应的mRNA稳定性高。
黑曲霉酸性蛋白酶合成曲线 37
总结：影响酶生物合成模式的主要因素
②发酵代谢调节：理想诱导物的添加，解除 反馈阻遏和分解代谢物阻遏（难利用的碳 氮源的使用，补料发酵）。
③降低产酶温度。
二、细胞生长动力学
微生物细胞生长的动力学方程：
Monod方程：
S－限制性基质浓度； μm—最大比生长速率； Ks —Monod常数
酶的发酵生产
酶工程•第一章绪论•第二章酶的发酵生产•第三章酶的分离纯化•第四章酶分子修饰•第五章酶与细胞固定化•第六章酶反应动力学•第七章酶的应用第一章绪论•第一节酶的概述•第二节酶工程概述•第三节酶的生产方法•第四节酶的应用前景第一节酶的概述一. 酶(enzyme)的概念二. 酶的研究历史三. 酶的分类与命名四. 酶的活力测定一. 酶(enzyme)的概念1.酶是催化剂（catalyst）所谓催化剂是一类能改变反应速度，但不改变反应性质、反应方向和反应平衡点，而且本身在反应前后也不发生变化的外在因素。
酶在化学反应中就是充当这样的角色。
2.酶是一种特殊的催化剂3.酶是生物催化剂酶在催化反应时，具有与一般非酶催化剂不同的特点。
其具有催化的高效性、高度专一性及化学本质是蛋白质的特点。
（1）酶具有催化的高效性酶能在温和条件下（常温、常压和近中性PH），极大地提高反应速度，与非酶催化剂相比，酶的催化效率可高出107~1012倍。
如：2H2O2 2H2O + O2该反应的催化剂可以有Fe+、血红素和过氧化氢酶，其催化反应的速度分别是：5.6×10-4mol/mol Fe+.S、6.0×10-1mol/mol血红素.S、3.5×106mol/mol过氧化氢酶.S（2）酶具有催化的高度专一性(specificity)酶作用的的专一性是指酶在催化反应时，通常只作用一种或一类反应物发生相应的反应的特性。
酶作用的专一性主要表现在以下几个方面：a. 绝对专一性：酶只能催化一种反应物发生反应的特性如：谷氨酸脱氢酶只能催化L-谷氨酸脱氢，对其他氨基酸没有作用，其具有绝对专一性。
b. 相对专一性：酶在催化反应时，允许底物分子有一些变化，即可以催化一类反应物发生反应。
如：酯酶催化酸与醇缩合成酯，但对反应物分子的侧链基团专一性不强。
淀粉酶、蛋白水解酶也具有这种专一性。
c. 异构专一性：酶对反应物分子的立体异构体和顺反异构体具有高度的选择能力。
称为酶的发酵生产
第 2章
酶的发酵生产
（2） 种子质量的控制措施
菌种稳定性检查：保藏菌种
无（杂）菌检查：显微镜观察，肉汤或琼脂斜面培养 生化分析：养分消耗速度，pH变化，溶解氧利用， 色泽，气味等
酶工程
第 2章
酶的发酵生产
国内菌种保藏机构
ACCC 中国农业微生物菌种保藏管理中心 CGMCC 普通微生物菌种保藏管理中心 AS 中国科学院微生物研究所 CICC 工业微生物菌种保藏管理中心 IFFI 轻工业部食品发酵工业科学研究所
发生退化菌种的复壮和菌种退化之前的复壮和提高。
酶工程
第 2章
酶的发养
保藏菌种 试管斜面活化 三角瓶培养
种子罐培养
2. 种子制备的过程 防止杂菌污染，减少转接次数，避免种子培养基的长
时高温灭菌；培养基及培养条件是细胞生长繁殖的最适条
件；培养时间以对数生长期为宜。
酶工程
第 2章
酶的发酵生产
第2章
酶的发酵生产
所有的生物为了维持其正常的生命活动，在一定 的条件下都能够合成其自身生长所需要的各种酶，酶 的种类和数量是受到细胞自身的严格调控的。
通过人为的操作控制，利用生物细胞的生命活动
来大规模发酵生产人们所需要的酶的技术过程，称为 酶的发酵生产。 酶的制备方法：提取法、发酵法、合成法。
酶工程
第 2章
酶的发酵生产
第一节 微生物产酶菌种
第二节 产酶培养基及种子培养
第三节
第四节 第五节
酶的发酵工艺控制
酶合成的调节 提高产酶发酵的措施
酶工程
第 2章
酶的发酵生产
酶的发酵技术
利用微生物的发酵作用，运用一些技术手段控 制发酵过程，大规模产酶的技术，称为酶的发酵技 术。内容主要包括：菌种的选育、培养基的配置、 培养条件控制、发酵方法。
第二章 酶的生物合成与发酵生产
第二章酶的生物合成与发酵生产酶工程就是将酶所具有的生物催化功能，借助工程手段应用于社会生活的一门科学技术。
酶制剂是如何生产的呢？我们知道，酶是活细胞产生的具有催化作用的生物大分子，广泛存在于动植物和微生物体内。
酶的生产方法有三种：提取分离法、生物合成法、化学合成法。
生物合成法又包括：微生物细胞发酵产酶、植物细胞发酵产酶和动物细胞发酵产酶第一节酶生物合成及调节一、酶的生物合成先从遗传信息传递的中心法则谈起（1958年，Crick提出）遗传信息传递的中心法则：生物体通过DNA复制将遗传信息由亲代传递给子代，通过RNA 转录和翻译而使遗传信息在子代得以表达。
DNA具有基因的具有基因的所有属性。
基因是DNA的一个片段，基因的功能最终由蛋白质来执行，RNA控制着蛋白质的合成。
核酸是遗传的物质基础，蛋白质是生命活动的体现者。
1970年Temin和Baitimore发现了逆转录酶，是对中心法则的补充。
即：细胞能否合成某种酶分子。
首先取决于细胞中的遗传信息载体－DNA分子中是否存在有该酶所对应的基因。
DNA分子可以通过复制生成新的DNA，再通过转录（transcription）生成所对应的RNA，然后再翻译（translation）成为多肽链，经加工而成为具有完整空间结构的酶分子。
（一）RNA的生物合成--转录(transcription)P102DNA分子中的遗传信息转移到RNA分子中的过程，称为转录。
转录：见课件附图，书P102定义：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分子的过程。
模板链（template strand）：又称反意义链（antisense strand），指导转录作用的一条DNARNA的转录过程：转录过程分为三步：起始、延长、.终止补充：原核生物的RNA聚合酶(DDRP)-见课件附图E.coli的RNA聚合酶是由四种亚基组成的五聚体（α2、β、β′、）全酶（holoenzyme）包括起始因子σ和核心酶（core enzyme）。
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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，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。
方便，成本低 4）提高微生物产酶的途径多 5）培养条件简单，易于自动化，生产易
管理 6）微生物本身也容易改造
2.人工合成酶制剂：
蛋白质的人工合成：人 工合成胰岛素等
人工合成酶制剂受客观 条件的限制，如试剂、 设备等，另外，体外合 成，形成单体的难度大， 且只能合成那些已经完 全搞清楚其化学结构的 酶类。
阻遏蛋白
没有乳糖存在时
•乳糖操纵子被诱导物开放
DNA
I
pPol O z y a
mRNA
启动转录
mRNA
阻遏蛋白
β-半乳糖苷酶
半乳糖
乳糖 有乳糖存在时
DNA
CAP结合位点
P
OZ YA
+ + + + 转录
CCAACCPPAAPP CACPAP 无葡萄糖，cAMP浓度高时
CAP
有葡萄糖，cAMP浓度低时
延续合成型：
酶的合成伴随着细胞 生长而开始，但在细 胞生长进入稳定期后, 酶的合成仍将延续较 长一段时间。
生物合成可受诱导物 诱导,一般不受分解代 谢物阻遏
mRNA相当稳定
中期合成型：
酶的合成在细胞生长 一段时间后才开始， 而在细胞生长进入稳 定期后,酶的合成也终 止。
酶的生物合成受到产 物的反馈阻遏作用或 分解代谢物阻遏,酶的 mRNA稳定性差.
酶生物合成模式：根据酶的合成与细胞生 长的关系，可以把酶生物合成模式分为4 种类型：
同步合成型 延续合成型 • 中期合成型 滞后合成型。
同步合成型 ：
又称生长偶联型, 是指酶合成与细胞生
长同步进行，当细胞 生长进入对数期时， 酶也大量合成；当细 胞进入稳定期时,酶的 合成也停止。
大部分大组成型酶及部分诱导酶. mRNA不稳定,细胞进入生长平衡期后,新的 mRNA不再合成.
2
结构基因
衰减子区域
3ห้องสมุดไป่ตู้
4
UUUU……
trp 密码子 终止密码子
第14a1a0前、导11密肽码编子码UU为区Ut:rUp包…密含…U码序U子U列U1……衰减子结构 UUUU……
形成发夹结构能力强弱： 序列1/2>序列2/3>序列3/4
前导DNA
转录衰减机制
前导mRNA
1 5’
核糖体
RNA聚合酶
UUUU 3’
衰减子结构
就是终止子
4 可使转录 终止
3
2
34
UUUU 3U’UUU……
前导肽
trp 密码子
•当色氨酸浓度高时
前导DNA 前导mRNA
Trp合成酶系相关 结构基因被转录
RNA聚合酶 结构基因
5’
前导肽
23
核1 糖体
2 43
4
UUUU…U…UUU……
trp 密码子 序列3、4不能形成衰减子结构
•当色氨酸浓度低时
第三章 酶的来源与发酵生产
第一节 酶的来源
一、酶的来源
1.主要来源于生物：所有细胞都有产酶的
能力，但不是所有细胞都是酶的合适来源
动物： 胰脏胰蛋白酶，胃粘膜胃蛋白酶
植物： 菠萝、木瓜蛋白酶
微生物： 利用微生物细胞的生命活动合成所需酶类 的方法称为发酵法
为什么要利用微生物？
抗生素、氨基酸、酶制剂等产品为什么能通 过微生物发酵来生产？这与微生物的生长和 代谢特点有什么关系？
低半乳糖时
葡萄糖低 cAMP浓度高
ＩO
葡萄糖高 cAMP浓度低
无转录
ＩO
无转录
高半乳糖时
RNA-pol
O
mRNA
O
低水平转录
色氨酸操纵子——阻遏型操纵子
调节区
结构基因
trpR RNA聚P合酶O
RNA聚合酶
Trp 低时
mRNA
Trp 高时
操纵子关闭
Trp
调节区
trpR
PO
前导序列
前导mRNA
1
传统发酵工业阶段（人们才开始了解发酵现象的本质 ，
采用开放式的发酵方式，生产过程较为简单，对生产设备要求不
高，规模一般不大 。）
现代发酵工业阶段（生产技术要求高；生产规模大；技
术发展速度快；菌种的生产能力大幅度提高，新产品、新技术、
新设备的应用达到前所未有的程度。 ）
生物技术产业阶段 （利用构建的基因工程菌生产 ）
钮经义（1920-1995)
目前，应用于工业的酶类，主 要来自于微生物发酵。
什么是发酵？
利用微生物，在适宜的条件下，将原料经过 特定的代谢途径转化为人类所需要的产物的 过程。
发酵工业经历了哪几个阶段？
原始发展阶段（发酵技术原始，顶多是家庭小制作，技术 进步缓慢，完全是经验式的，并不知道其中的原理 。）
细胞周期与酶的合成
可能的三种模式：
合成伴着生长进行， 进入静止期，合成降 低
对数生长期合成降低， 静止期合成增加
中间类型
三、酶发酵动力学
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。
滞后合成型：
只有当细胞生长进 入稳定期后才开始 酶的合成并大量积 累
发酵工程
二、酶的生物合成
Central dogma
酶合成的基本过程
转录
翻译
调控
基因表达的调控
•基因表达在全过程的各水平上都可以受调控：
染色质 活化
转录起始、延长、终止 转录后加工
转录起始调节 是基因表达调 控的主要环节
蛋白质翻译 翻译后加工修饰
启动子 (promoter)
结构基因
阻遏蛋白基因
1、某些微生物因争夺生存环境或营养物，会产生抗 生素将其他种类的微生物杀死。
2、微生物会产生蛋白酶、纤维素酶和淀粉酶，将营 养物质水解成可吸收的小分子的多肽或氨基酸、葡 萄糖 。
3、微生物细胞会通过合成或分解代谢生产它必需的 一些物质，包括氨基酸、核苷酸等。
微生物作为酶来源的优越性：
1）种类繁多（＞20万种） 2）易于人工控制，获得高产酶的菌种 3）微生物生长周期短，繁殖迅速，培养
操纵序列 (operator)
特异DNA序列
蛋白质因子
乳糖操纵子——诱导型操纵子
•乳糖操纵子的结构 调控区
结构基因
DNA
P Oz ya
I基因
操纵序列 启动子
CAP结合位点
z： β-半乳糖苷酶 y： 通透酶 a：乙酰基转移酶
•乳糖操纵子被阻遏蛋白封闭
阻遏基因
DNA
I
Ppol O z y a
mRNA