第三章第一节酶生物合成的调节
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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
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。
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
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
酶的生物合成
生产酪氨酸脱羧酶、链激酶、链道酶、双链酶等(有溶解血栓、血 块，加速伤口愈合等作用)
产生葡萄糖异构酶
.
8
2、 放线菌
菌种
(1) 链霉菌属
(Streptomyces)
委内瑞拉链霉菌 (S. venezulae)
灰色链霉菌 (S. griseus) 白色链霉菌 (S. albus)
不产色素链霉菌 (S. achromogenes)
(4) 透明质酸酶
治疗关节损伤、关节周围炎症及膝外伤，传染性肝炎及肝硬 化等
用做药物扩散剂
.
22
四、 产酶微生物的来源
1、土壤中的产酶微生物 2、水体中的产酶微生物 3、空气中的产酶微生物 4、极端环境中的产酶土壤是微生物生活的大本营，为微生物生长繁 殖及生命活动提供了各种条件
用于分析组成和杂质浓度的分析方法的细节
酶或微生物的毒理数据
微生物必须是非致病性的 微生物一定不能产生真菌素或其他毒性化合物 微生物一定不能产生抗生素
.
33
二、 微生物酶的发酵生产
1、酶的发酵生产方法 2、培养基的配制 3、种子培养 4、微生物发酵产酶的一般工艺
.
34
1、 酶的发酵生产方法
(1) 固体培养法 (2) 液体培养法
酶)
.
13
4、 霉菌
菌种 (4) 青霉(Penicillium)
酶及功能
点青霉 (P. notatum) 产紫青霉 (P. ururogenum)
产黄青霉 (P. chrysogenum)
橘青霉 (P. citrinum)
(5) 犁头霉(Absidia)
葡萄糖氧化酶
葡萄糖氧化酶，中性、碱性蛋白酶和青霉素V酰化酶 5’-磷酸二脂酶(水解RNA，生产4种5’-单核苷酸，肌苷酸和鸟苷
第三章 酶的生物合成
溶解氧：通气量越大、氧分压越高、气液接触 时间越长、气液接触面积越大，则溶氧速率越 大。此外，培养液的性质，主要是粘度、气泡 以及温度等对溶氧速率有明显的影响，可通过 以上方面调节溶氧速率。
溶氧量过低，会对微生物生长、繁殖和新陈代 谢产生影响，从而使酶产量降低。但，过高的 溶氧量对酶的发酵生产业会产生不利影响，一 方面会造成浪费，另一方面高溶氧也会抑制某 些酶的生物合成，因此在整个发酵过程中应根 据需要控制好溶氧量。.
酶浓度调节的化学本质是基因表达的调节， 在细胞内进行的转录或翻译过程都有特定的 调节控制机制，其中，转录水平的调控占主 导地位，是酶生物合成中最重要的调节
.
操纵子
操纵子（operon）是一组功能上相关且受同 一调控区控制的基因组成的遗传单位
操纵子是酶合成调控的结构基础
.
操纵子调控模型
根据基因调节理论，在 DNA 分子中，与酶的生物 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（structural gene）。
蛋白酶
. 皮革脱毛
酶发酵生产菌种要求
产酶量高，具有生产应用价值 易培养，既能适应大生产粗放的营养和生产条
件，包括能利用廉价原料、对工艺条件要求不 苛刻 代谢速率高，发酵周期短 产酶稳定性好，菌种的生产性能不易退化，不 易感染噬菌体 安全可靠，要求菌种不是致病菌，其代谢物安 全无毒，在系统发育上与病原体无关 选用产胞外酶菌种，有. 利于酶的分离提取
.
发酵条件控制及对产酶的影响
温度：影响微生物生长和合成酶、影响酶合成 后的稳定性
pH:影响微生物体内各种酶活性，从而导致微生 物代谢途径发生变化；影响微生物形态和细胞 膜通的透性，从而影响微生物对培养基中营养 成分的吸收以及代谢产物的分泌；影响培养基 中某些营养物质的分解或中间产物的解离，从 而影响微生物对这些营养物质的利用
溶氧量过低，会对微生物生长、繁殖和新陈代 谢产生影响，从而使酶产量降低。但，过高的 溶氧量对酶的发酵生产业会产生不利影响，一 方面会造成浪费，另一方面高溶氧也会抑制某 些酶的生物合成，因此在整个发酵过程中应根 据需要控制好溶氧量。.
酶浓度调节的化学本质是基因表达的调节， 在细胞内进行的转录或翻译过程都有特定的 调节控制机制，其中，转录水平的调控占主 导地位，是酶生物合成中最重要的调节
.
操纵子
操纵子（operon）是一组功能上相关且受同 一调控区控制的基因组成的遗传单位
操纵子是酶合成调控的结构基础
.
操纵子调控模型
根据基因调节理论，在 DNA 分子中，与酶的生物 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（structural gene）。
蛋白酶
. 皮革脱毛
酶发酵生产菌种要求
产酶量高，具有生产应用价值 易培养，既能适应大生产粗放的营养和生产条
件，包括能利用廉价原料、对工艺条件要求不 苛刻 代谢速率高，发酵周期短 产酶稳定性好，菌种的生产性能不易退化，不 易感染噬菌体 安全可靠，要求菌种不是致病菌，其代谢物安 全无毒，在系统发育上与病原体无关 选用产胞外酶菌种，有. 利于酶的分离提取
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发酵条件控制及对产酶的影响
温度：影响微生物生长和合成酶、影响酶合成 后的稳定性
pH:影响微生物体内各种酶活性，从而导致微生 物代谢途径发生变化；影响微生物形态和细胞 膜通的透性，从而影响微生物对培养基中营养 成分的吸收以及代谢产物的分泌；影响培养基 中某些营养物质的分解或中间产物的解离，从 而影响微生物对这些营养物质的利用
酶合成的调节
酶合成的阻遏Enzyme Repression：
1.终产物的阻遏：(end product repression):（ 反馈阻
遏) 即在合成代谢中，终产物阻遏该途径 所有酶的合成。 为基因表达的控制 。 如：色氨酸(Try)合成的调控(正调节)
Figure 5. Genetic organization of the Trp operon and its control elements
P = Promoter specific nucleotide sequence on DNA to which RNA polymerase binds to initiate transcription. (The promoter site of the lac operon is further divided into two regions, an upstream region called the CAP site, and a downstream region consisting of the RNAp interaction site. The CAP site is involved in catabolite repression of the lac operon.). If the Repressor protein binds to the operator, RNAp is prevented from binding with the promoter and initiating transcription. Under these conditions the enzymes concerned with lactose utilization are not synthesized.
动植物细胞中酶生物合成的调节
第三章 动植物细胞培养 产酶
动植物细胞培养是通过特定技术获得优良的 动物和植物细胞，然后在人工控制条件的反 应器中进行细胞培养，以获： 离心分离技术 杂交瘤技术 胰蛋白酶消化处理技术 植物细胞获得： 机械捣碎或酶解外植物体 诱导愈伤组织（常用）
动植物细胞中酶生物合成的调节
诱导酶是抗体酶制备的主要方法，根据所采用的抗 原不同，诱导法又有半诱导法和酶蛋白诱导法
细胞分化改变酶的生物合成
• 多细胞组成的动物和植物，同一生物个体的不同细胞都含 有相同的染色体DNA，即所含有的基因的种类和数量一样， 但是在个体发育的不同阶段和不同类型的分化细胞中，由 于受到不同的调节控制，基因的表达有很大的差异酶的生 物合成有显著的不同，这就说明基因的表达具有时间性和 空间性。 • 例如，胰蛋白酶主要在胰细胞中合成，木瓜蛋白酶主要在 果皮细胞中合成等。其中，与细胞的的衰老和癌症的发生 有密切关系的端粒酶是细胞分化改变酶生物合成的一个典 型的例子。
• • • • 细胞分化改变酶的生物合成 基因扩增加速酶的生物合成 增强子促进酶的生物合成 抗原诱导抗体酶的生物合成
动植物细胞中酶生物合成的调节
• •
合成原理：动植物细胞酶生物合成的途径与微生物相似， 都是由DNA转录成RNA，加工成核酸酶，或者生成的 RNA翻译成多肽链，加工成蛋白质多肽酶。 动植物细胞与微生物细胞相比，结构要复杂得多，除了受 转录水平和翻译水平的调节之外，还受到激素水平等的调 节，到目前为止还没有完整的理论和模型来阐述动植物细 胞中酶生物合成的调节规律。这里我们从细胞改变酶的生 物合成，基因扩增酶加速的生物合成，增强子促进酶的生 物合成抗原诱导抗体酶的生物合成等方面介绍动植物细胞 酶生物合成的调节。
基因扩增加速酶的生物合成
动植物细胞培养是通过特定技术获得优良的 动物和植物细胞，然后在人工控制条件的反 应器中进行细胞培养，以获： 离心分离技术 杂交瘤技术 胰蛋白酶消化处理技术 植物细胞获得： 机械捣碎或酶解外植物体 诱导愈伤组织（常用）
动植物细胞中酶生物合成的调节
诱导酶是抗体酶制备的主要方法，根据所采用的抗 原不同，诱导法又有半诱导法和酶蛋白诱导法
细胞分化改变酶的生物合成
• 多细胞组成的动物和植物，同一生物个体的不同细胞都含 有相同的染色体DNA，即所含有的基因的种类和数量一样， 但是在个体发育的不同阶段和不同类型的分化细胞中，由 于受到不同的调节控制，基因的表达有很大的差异酶的生 物合成有显著的不同，这就说明基因的表达具有时间性和 空间性。 • 例如，胰蛋白酶主要在胰细胞中合成，木瓜蛋白酶主要在 果皮细胞中合成等。其中，与细胞的的衰老和癌症的发生 有密切关系的端粒酶是细胞分化改变酶生物合成的一个典 型的例子。
• • • • 细胞分化改变酶的生物合成 基因扩增加速酶的生物合成 增强子促进酶的生物合成 抗原诱导抗体酶的生物合成
动植物细胞中酶生物合成的调节
• •
合成原理：动植物细胞酶生物合成的途径与微生物相似， 都是由DNA转录成RNA，加工成核酸酶，或者生成的 RNA翻译成多肽链，加工成蛋白质多肽酶。 动植物细胞与微生物细胞相比，结构要复杂得多，除了受 转录水平和翻译水平的调节之外，还受到激素水平等的调 节，到目前为止还没有完整的理论和模型来阐述动植物细 胞中酶生物合成的调节规律。这里我们从细胞改变酶的生 物合成，基因扩增酶加速的生物合成，增强子促进酶的生 物合成抗原诱导抗体酶的生物合成等方面介绍动植物细胞 酶生物合成的调节。
基因扩增加速酶的生物合成
第三章酶的生产
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
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
酶的生物合成调节机理
1.酶生物合成的分解代谢物阻遏作用
利用碳源阻遏诱导酶的合成 原因：当过量时，要通过分解代谢途径降解；释放能量， 促使ADP和AMP磷酸化生成ATP，使ATP浓度升高， AMP 浓度降低 又cAMP可通过磷酸二酯酶作用水解生成AMP cAMP＋H2O AMP
由于AMP 浓度降低，又cAMP水解生成 AMP，所以导致 cAMP浓度降低，必然使CAMP -CRP复合物的浓度降低。
酶的生物合成调节机理
•究竟那些因素对酶的生物合成起作用,研究表明转录水平的调节 控制对酶的生物合成起关键作用 •转录水平的调节控制又称为基因的调节控制 (一) 基因调节理论:调节基因R,启动基因P,操纵基因O,结构基 因:S,他们都存在于DNA中 S: R:可以产生阻抑蛋白;是一种变构蛋白,与低物特异结合而改变构 象,阻止其与操纵基因结合. O:可与阻抑蛋白特异性的结合 S与O一起称为操纵子
启动基因决定酶的合成能否开始,原因如下:
P有两个位点: 1. RNA聚合酶的结合位点； 2. 环腺赶酸苷酸（CAMP）与环腺苷酸的接受蛋白（CRP）的结合复 合物（ CAMP -CRP ）的结合位点。
只有复合物CAMP -CRP结合到P上时,聚合酶才能结合到P的第一个位 点上,这样酶合成才能开始.
当阻抑蛋白蛋白结合到操纵基因O上时，RNA聚合酶即使已经结合到 启动基因P上也无法通过操纵基因O进入结构基因S；因而无法转 录，只有当阻抑蛋白改变结构而不与操纵基因O结合时，聚合酶才 能正常工作。
基因对酶生物合成的调节控制有三种模式
1）分解代谢物阻遏作用 2）酶生物合成的诱导作用 3）酶生物合成的反馈阻遏作用
Hale Waihona Puke
酶学与酶工程第三章酶生物合成学生
要有黑曲霉、米曲霉、青霉、木霉、根霉、毛霉等。 黑曲霉：黑曲霉，半知菌亚门，丝孢纲，丝孢目，
丛梗孢科，曲霉属真菌中的一个常见种。
酶学与酶工程第三章酶生物合成学生College of Life Sciences
米曲霉：半知菌亚门，丝孢纲，丝孢目，从梗孢科， 曲霉属真菌中的一个常见种。米曲霉菌落生长快， 10d直径达5~6cm，质地疏松，初白色、黄色，后变 为褐色至淡绿褐色。背面无色。分生孢子头放射状， 一直径150~300μm，也有少数为疏松柱状。分生孢 子梗2mm左右。
链霉菌
酶学与酶工程第三章酶生物合成学生College of Life Sciences
3．酵母菌 酵母菌(yeast)是—类单细胞微生物，但不同于细菌，
属于真核微生物。
酿酒酵母 球拟酵母 假丝酵母
拟酵母
酶学与酶工程第三章酶生物合成学生College of Life Sciences
4. 霉菌 霉菌是一类丝状真菌，用于酶的发酵生产的霉菌主
二、产酶微生物的来源
1．土壤中的产酶微生物 2．水体中的产酶微生物 3．空气中的产酶微生物 4．极端环境中的产酶微生物
酶学与酶工程第三章酶生物合成学生College of Life Sciences
三、产酶微生物的分离和筛选
酶学与酶工程第三章酶生物合成学生College of Life Sciences
第三章 酶的生物合成
酶学与酶工程第三章酶生物合成学生
第一节 微生物发酵产酶
微生物发酵产酶的优点： 1）微生物种类繁多； 2) 微生物生长周期短，繁育快； 3) 微生物易改造，可通过多种手段育种。
酶学与酶工程第三章酶生物合成学生College of Sciences
一、产酶微生物的种类 用于酶的生产的细胞必须具备几个条件 (1)酶的产量高 (2) 容易培养和管理 (3) 产酶稳定性好，不易变异退化，不易被感染 (4) 利于酶的分离纯化 (5) 安全可靠，无毒性
丛梗孢科，曲霉属真菌中的一个常见种。
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米曲霉：半知菌亚门，丝孢纲，丝孢目，从梗孢科， 曲霉属真菌中的一个常见种。米曲霉菌落生长快， 10d直径达5~6cm，质地疏松，初白色、黄色，后变 为褐色至淡绿褐色。背面无色。分生孢子头放射状， 一直径150~300μm，也有少数为疏松柱状。分生孢 子梗2mm左右。
链霉菌
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3．酵母菌 酵母菌(yeast)是—类单细胞微生物，但不同于细菌，
属于真核微生物。
酿酒酵母 球拟酵母 假丝酵母
拟酵母
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4. 霉菌 霉菌是一类丝状真菌，用于酶的发酵生产的霉菌主
二、产酶微生物的来源
1．土壤中的产酶微生物 2．水体中的产酶微生物 3．空气中的产酶微生物 4．极端环境中的产酶微生物
酶学与酶工程第三章酶生物合成学生College of Life Sciences
三、产酶微生物的分离和筛选
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第三章 酶的生物合成
酶学与酶工程第三章酶生物合成学生
第一节 微生物发酵产酶
微生物发酵产酶的优点： 1）微生物种类繁多； 2) 微生物生长周期短，繁育快； 3) 微生物易改造，可通过多种手段育种。
酶学与酶工程第三章酶生物合成学生College of Sciences
一、产酶微生物的种类 用于酶的生产的细胞必须具备几个条件 (1)酶的产量高 (2) 容易培养和管理 (3) 产酶稳定性好，不易变异退化，不易被感染 (4) 利于酶的分离纯化 (5) 安全可靠，无毒性
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转录过程的特点
1、转录的不对称性
反义链 antisense strand（无意义链，负链） 有义链 coding strand（编码链，正链）
2、转录所需酶
转录过程
• 起始位点的识别 recognition • 转录起始 initiation • 链的延伸 elongation • 转录终止 termination • 转录后加工 modification
mRNA 30S-IF 3 mRNA复合物
IF1
30S起始复合物
fMet- tRNAF +IF2+GTP
fMet- tRNAF -IF2-GTP
70S核糖体
IF1、IF2、IF3 GDP+Pi
肽链的延伸
进 位
成肽 转 位
合成终止
高效率的蛋白 质合成体系
4、酶生物合成的调节 (regulation)
mRNA的密码解读成蛋白质的AA顺序的过程。
• Reverse translation 逆转录：以RNA为模板，在逆
转录酶的作用下，生成DNA的过程。
2、RNA的生物合成(转录)- Transcription
细胞内RNA的生物功能
(1) 在某些RNA病毒中，其所含的双链RNA作为遗传信息的载体。
(2) 在蛋白质的生物合成过程中，各种RNA起着重要的作用。 tRNA作为氨基酸载体，并由其上的反密码子识别mRNA分子 上的密码子； mRNA作为蛋白质合成的模板，由其分子上的三联体密码控 制蛋白质分子中氨基酸的排列顺序； rRNA与蛋白质一起组成核糖核蛋白体（核糖体），作为蛋白 质生物合成的场所。 (3) 某些RNA具有生物催化活性，属于核酸类酶，在一定条件下， 可以催化有关的生化反应。 (4) 各种小分子RNA在分子修饰和代谢调节等方面有重要作用。
操纵子
调节 基因 启动 操纵 基因 基因 结构 基因
…
R
P O S1 S2 … … DNA
mRNA 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
• 诱导型操纵子
– 无诱导物——不表达或低表达、 – 有诱导物——转录成mRNA——合成酶
Reverse transcription
• Replication 复制：亲代DNA或RNA在一系列酶的作
用下，生成与亲代相同的子代DNA或RNA的过程。
• Transcription 转录：以DNA为模板，按照碱基配对
原则将其所含的遗传信息传给RNA，形成一条与DNA
链互补的RNA的过程。
• Translation 翻译：亦叫转译，以mRNA为模板，将
Enzyme assembly, promoter recognition, activator binding
Possible catalytic subunits
Role unknown (not needed in vitro)
151 155 36.5 kDa 11 kDa
Promoter specificity
酶的类型
组成酶：DNA酶，RNA酶，糖酵解途 径的酶（与生长发育条件无关， 常进行定量合成的酶） 调节酶：适应酶，β-半乳糖苷酶（诱导 酶）
细胞内酶的调控模式 E
A
底物水平 的调节
酶水平 的调节
B 辅助因 子调节
酶活性的调节 酶含量的调节 酶的定位调节
X
产物调节
生长发育的不同时期 外界环境变化 酶合成与分解速度的变化（基因表达调控）
– 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
适用范围
• 在动植物资源丰富的地区
• 从动物胰脏中提取各种胰蛋白酶，小肠中 提取碱性磷酸酶
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的 生命活动而获得人们所需酶的技术。
依细胞 种类不同
微生物 植物细胞 动物细胞 发酵产酶 培养产酶 培养产酶
• 多数氨基酸拥有 2-4个密码
• tRNA是氨基酸的转运工具，携带活化的氨基酸到核蛋白 体。
蛋白质合成的几个要素- 转运RNA (transporter)
• tRNA有特异性，至少有20种以上。每种tRNA的反密码环 顶端均有由三个核苷酸组成的反密码，能与mRNA上相应 的密码互补结合。
酪
• 优点：
– 生产周期短 – 酶的产率较高 – 不受资源限制
• 缺点：对发酵设备和工艺条件要求较高
三、化学合成法
是一种新兴技术
• 局限性
– 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的酶
化学合成法新进展
• 模拟酶
第一节 酶生物合成过程及调节
1、中心法则-Central Dogma
（1）操纵子学说 1960年Jacob和Monod提出的操纵子学说 调节基因(R)：产生阻遏蛋白 启动基因(P) 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
操纵基因(O)：与阻遏蛋白结合
结构基因(S)：蛋白多肽链产物
• 操纵子学说
莫诺与雅可布最初发现的是大肠杆菌的乳糖操纵子。这是一个十分巧妙 的自动控制系统，这个自动控制系统负责调控大肠杆菌的乳糖代谢。 乳糖可作为培养大肠杆菌的能源。大肠杆菌能产生一种酶（叫做“半乳 糖苷酶”），能够催化乳糖分解为半乳糖和葡萄糖，以便作进一步的代谢利 用。编码半乳糖苷酶的基因（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。操纵基因受一种叫作阻遏蛋白的蛋白质的调控。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，相邻的结构基因也表现活 性，细菌就能分解并利用乳糖了，这样，乳糖便成了诱导半乳糖苷酶产生的 诱导物。 60年代中期，在操纵子中还发现了另一个开关基因，称为启动基因。启 动基因位于操纵基因之前，二者紧密相邻。启动基因由环腺苷酸（cAMP）启 动，而环腺苷酸能被葡萄糖所抑制。这样，葡萄糖便通过抑制环腺苷酸而间 接抑制启动基因，使结构基因失活，停止合成半乳糖苷酶。 由此可知，结构基因同时受两个开关基因——操纵基因与启动基因的调 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，葡萄糖通过抑制环腺苷酸而间接抑制启动基因， 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好的能源。
模板DNA 局部变性
酶与模板结合
酶与启动子结合
DNA双螺旋部分解链
转录开始
σ因子释放
转录延伸
σ因子释放 核心酶移动
DNA双链解旋 核糖核苷酸互补 DNA双链重新缠绕
RNA链合成的终止
• RNA聚合酶到达终止密码子，RNA与酶从 DNA上脱离，RNA链合成终止
RNA前体的加工
剪切反应
剪接反应 末端连接反应 核苷修饰反应
蛋白质合成的几个要素-其他因子和酶
• 其他辅助因子
• 工具酶
蛋白质的合成过程
• 肽链合成的起始 initiation • 肽链合成的延伸 elongation • 肽链合成的终止与释放 termination and release • 合成多肽的输送和加工 transport and modification • 蛋白+ATP
氨酰tRNA合成酶
氨基酸活化生成 氨酰-tRNA
氨酰-tRNA+AMP+PPi
一般而言，原核生物的第一个氨 基酸是甲酰甲硫氨酸，起始tRNA 是fMet-tRNAF。 真核生物的第一个氨基酸是甲硫 氨酸，起始tRNA是MettRNAMET。
蛋白质合成起始
30 S亚基 +IF3
5’
酪氨酰- tRNA
5’
AUG GUU UAC ACA
反密码
3’ mRNA
密码(codon)与反密码(anticodon) 的碱基配对
蛋白质合成的几个要素-核糖体，ribosome
• 核糖体（或称核糖核蛋白体）由蛋白质和rRNA组成。 是存在于细胞质内的微小颗粒。
The ribosome composition of prokaryotic and eukaryotic cell
• 酶的发酵生产：经过预先设计，通过 人工操作，利用微生物的生命活动获 得所需的酶的技术过程。
细胞 培养 方式 不同
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
1、固体培养发酵
• 培养基以麸皮、米糠等为主要原料，加入 其他必要的营养成分，制成固体或半固体 的曲麸，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，以获 得所需的酶。
Chapter 3 The production of Enzyme by Fermentation of Microorganism
微生物发酵产酶
酶的生产：指通过各 种方法获得人们所需 的酶的技术过程
酶的生产方法
提取分离法 (Extraction)
生物合成法 (Biosynthesis)
化学合成法 (chemicalsynthesis)
是指容易利用的碳源 经过分解代谢产生的 物质阻遏某些酶（主 要是诱导酶）生物合 成的现象。
葡萄糖过 量降解
ATP ADP, AMP
cAMP ↓ + H2O
cAMP-CRP↓
磷酸二酯酶
AMP↓
启动基因上没有 cAMP-CRP结合
(32-90 kDa)
The E. coli RNA polymerase holoenzyme consists of six subunits: a2bb’ s.