酶学与酶工程第三章酶的生物合成学生.ppt

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1、第三章第三章 酶的生物合成酶的生物合成College of Life Sciences微生物发酵产酶的优点：微生物发酵产酶的优点：1 1）微生物种类繁多；）微生物种类繁多；2)2)微生物生长周期短，繁育快；微生物生长周期短，繁育快；3)3)微生物易改造，可通过多种手段育种。微生物易改造，可通过多种手段育种。第一节第一节 微生物发酵产酶微生物发酵产酶College of Life Sciences一、产酶微生物的种类一、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用于酶的生产的细胞必须具备几个条件(1)(1)酶的产量高酶的产量高(2)(2)容易培养和管理容易培养和管理(3)(3)产酶稳定性

2、好，不易变异退化，不易被感染产酶稳定性好，不易变异退化，不易被感染(4)(4)利于酶的分离纯化利于酶的分离纯化(5)(5)安全可靠，无毒性安全可靠，无毒性College of Life Sciences（一）细菌（一）细菌1)1)无芽孢杆菌无芽孢杆菌大肠埃希氏菌属大肠埃希氏菌属(EscherichiaEscherichia)：变形菌门变形菌门(Proteobacteria)(Proteobacteria)纲：纲：-变形菌纲变形菌纲(-Proteobacteria)Proteobacteria)目：目：肠杆菌目肠杆菌目(Enterobacteriales)(Enterobacteriales)科

3、：科：肠杆菌科肠杆菌科(Enterobacteriaceae)(Enterobacteriaceae)属：属：埃希氏菌属埃希氏菌属(EscherichiaEscherichia)College of Life Sciences大肠埃希氏菌属大肠埃希氏菌属(EscherichiaEscherichia)：大肠埃希菌可用来制：大肠埃希菌可用来制备多种酶备多种酶假单胞菌属假单胞菌属(PseudomonasPseudomonas)：革兰氏阴性，：革兰氏阴性，r-r-变形菌变形菌纲，纲，-酪氨酸酶酪氨酸酶(用于合成用于合成L-L-多巴，治疗帕金森病多巴，治疗帕金森病)、葡萄糖异构酶、溶菌酶、青霉素葡萄糖

4、异构酶、溶菌酶、青霉素G G酰化酶和脂肪酶酰化酶和脂肪酶College of Life Sciences(2)2)芽孢杆菌芽孢杆菌枯草芽孢杆菌枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilisBacillus subtilis)枯草枯草芽孢芽孢杆菌，是杆菌，是芽孢杆菌属芽孢杆菌属的一种。单个的一种。单个细胞细胞 0.70.70.80.82 23 3微米，微米，着色均匀。无荚膜，周生着色均匀。无荚膜，周生鞭毛鞭毛，能运动。，能运动。革兰氏阳性菌革兰氏阳性菌，芽孢，芽孢0.60.60.90.91.01.01.51.5微米，微米，椭圆椭圆到柱状，位于到柱状，位于菌体菌体中央或稍偏，芽孢形成后中央或稍偏

5、，芽孢形成后菌体不膨大。菌体不膨大。菌落菌落表面粗糙不透明，污白色或微黄色，在液体培养基表面粗糙不透明，污白色或微黄色，在液体培养基中生长时，常形成皱醭。需氧菌。可利用蛋白质、多种糖及中生长时，常形成皱醭。需氧菌。可利用蛋白质、多种糖及淀粉淀粉，分，分解色氨酸形成吲哚。解色氨酸形成吲哚。College of Life Sciences(3)(3)球菌球菌微球菌属微球菌属(MicrococcusMicrococcus)：微球菌微球菌属拉丁学名属拉丁学名(Micrococcus Cohn,1872)(Micrococcus Cohn,1872)细胞球形，直径细胞球形，直径0.50.52.0m2.0

6、m，成对、四联或成簇出现，但不成链。革兰氏阳性。，成对、四联或成簇出现，但不成链。革兰氏阳性。罕见运动，不生芽孢。严格好氧。菌落常有黄或红罕见运动，不生芽孢。严格好氧。菌落常有黄或红的色调。的色调。链球菌属链球菌属(StreptococcusStreptococcus)：链球菌：链球菌(StreptococcusStreptococcus)是一是一类球形的类球形的革兰氏阳性革兰氏阳性细菌细菌，属于，属于厚壁菌门厚壁菌门的一个的一个属属。College of Life Sciences2 2放线菌放线菌 （actinomycetes)actinomycetes)放线菌是一群高放线菌是一群高GCG

7、C含量的革兰氏阳性细菌。放线菌含量的革兰氏阳性细菌。放线菌能产生各种胞外酶，如蛋白酶、葡萄糖异构酶、溶能产生各种胞外酶，如蛋白酶、葡萄糖异构酶、溶菌酶等，而且放线菌还是生产抗生素的主要微生物。菌酶等，而且放线菌还是生产抗生素的主要微生物。链霉菌College of Life Sciences3 3酵母菌酵母菌酵母菌酵母菌(yeast)(yeast)是是类单细胞微生物，但不同于细菌，类单细胞微生物，但不同于细菌，属于真核微生物。属于真核微生物。酿酒酵母酿酒酵母球拟酵母球拟酵母假丝酵母假丝酵母拟酵母College of Life Sciences4.4.霉菌霉菌霉菌是一类丝状真菌，用于酶的发酵生产

8、的霉菌主霉菌是一类丝状真菌，用于酶的发酵生产的霉菌主要有黑曲霉、米曲霉、青霉、木霉、根霉、毛霉等。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，黑曲霉：黑曲霉，半知菌亚门，丝孢纲丝孢纲，丝孢目，丝孢目，丛梗孢科，曲霉属丛梗孢科，曲霉属真菌真菌中的一个常见种。中的一个常见种。College of Life Sciences米曲霉：米曲霉：半知菌亚门半知菌亚门，丝孢纲丝孢纲，丝孢目，从梗孢科，丝孢目，从梗孢科，曲霉属曲霉属真菌真菌中的一个常见种。米中的一个常见种。米曲霉菌曲霉菌落生长快，落生长快，10d10d直径达直径达56cm56cm，质地疏松，初白色、黄色，后变，质

9、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，为褐色至淡绿褐色。背面无色。分生孢子头放射状，一直径一直径150300m150300m，也有少数为疏松柱状。分生孢，也有少数为疏松柱状。分生孢子梗子梗2mm2mm左右。左右。College of Life Sciences青霉：一般指青霉属。为分布很广的子囊菌纲中的青霉：一般指青霉属。为分布很广的子囊菌纲中的一属，和曲霉属有亲缘关系，有二百几十种，代表一属，和曲霉属有亲缘关系，有二百几十种，代表种是灰绿青霉，从土壤或空气中很易分离。分枝成种是灰绿青霉，从土壤或空气中很易分离。分枝成帚状的分生孢子从菌丝体伸向空中，各顶端的小

10、梗帚状的分生孢子从菌丝体伸向空中，各顶端的小梗产生链状的青绿产生链状的青绿褐色的分生孢子。已知在生理学褐色的分生孢子。已知在生理学方面类似曲霉属，同时有很多能产生毒枝菌素方面类似曲霉属，同时有很多能产生毒枝菌素College of Life Sciences木霉：木霉属于木霉：木霉属于半知菌亚门半知菌亚门，丛梗孢目丛梗孢目，木霉属，常见的木霉有绿色木霉、康宁木木霉属，常见的木霉有绿色木霉、康宁木霉等。霉等。College of Life Sciences根霉：根霉：接合菌亚门接合菌亚门、接合菌纲接合菌纲、毛霉目毛霉目、毛霉科毛霉科真真菌中的一个大属。菌丝无隔、多核、分枝状，有匍菌中的一个大属。

11、菌丝无隔、多核、分枝状，有匍匐菌丝和假根，借此可在基物表面广泛蔓延，不产匐菌丝和假根，借此可在基物表面广泛蔓延，不产生定形菌落。生定形菌落。College of Life Sciences毛霉：毛霉又叫毛霉：毛霉又叫黑霉黑霉、长毛霉。、长毛霉。接合菌亚门接合菌亚门接合菌接合菌纲纲毛霉目毛霉目毛霉科毛霉科真菌真菌中的一个大属。以中的一个大属。以孢囊孢子孢囊孢子和和接合孢子接合孢子繁殖。繁殖。菌丝菌丝无隔、多核、分枝状，在基物无隔、多核、分枝状，在基物内外能广泛蔓延，无内外能广泛蔓延，无假根假根或或匍匐菌丝匍匐菌丝。College of Life Sciences1 1土壤中的产酶微生物土壤中的产

12、酶微生物2 2水体中的产酶微生物水体中的产酶微生物3 3空气中的产酶微生物空气中的产酶微生物4 4极端环境中的产酶微生物极端环境中的产酶微生物二、产酶微生物的来源二、产酶微生物的来源College of Life Sciences三、产酶微生物的分离和筛选三、产酶微生物的分离和筛选College of Life Sciences菌种除了可以分离筛选得到，还可通过向菌保中心菌种除了可以分离筛选得到，还可通过向菌保中心购买，购买，中国工业微生物菌种保藏管理中心（中国工业微生物菌种保藏管理中心（CICCCICC）中国农业微生物菌种保藏管理中心（中国农业微生物菌种保藏管理中心（ACCCACCC）中国普

13、通微生物菌种保藏管理中心（中国普通微生物菌种保藏管理中心（CGMCCCGMCC）中国兽医微生物菌种保藏管理中心（中国兽医微生物菌种保藏管理中心（CVCCCVCC）中国林业微生物菌种保藏管理中心（中国林业微生物菌种保藏管理中心（CFCCCFCC）中国药用微生物菌种保藏中心（中国药用微生物菌种保藏中心（CPCCCPCC）中国医学微生物菌种保藏管理中心（中国医学微生物菌种保藏管理中心（CMCCCMCC）中国海洋微生物保藏中心（中国海洋微生物保藏中心（MCCCMCCC）College of Life Sciences国外菌种保藏中心：国外菌种保藏中心：ATCC(American Type Cultur

14、e CollectionATCC(American Type Culture Collection）美国典型菌种保藏美国典型菌种保藏中心中心 NBRC(NITE Biological Resource Center)NBRC(NITE Biological Resource Center)日本技术评价研究日本技术评价研究所生物资源中心所生物资源中心 CBS(Centraalbureauvoor Schimmelcultures)CBS(Centraalbureauvoor Schimmelcultures)荷兰微生物菌种荷兰微生物菌种保藏中心保藏中心 KCTC(Korean Collectio

15、n for Type Cultures)KCTC(Korean Collection for Type Cultures)韩国典型菌种韩国典型菌种保藏中心保藏中心 DSMZ(Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und DSMZ(Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen)Zellkulturen)德国微生物菌种保藏中心德国微生物菌种保藏中心College of Life Sciences微生物进行发酵生产成为当今酶生产的主要方法。微生物进行发酵生产成为当今酶生产的主要方法。根据细胞培养方式

16、的不同，酶的发酵生产可以分为根据细胞培养方式的不同，酶的发酵生产可以分为固体培养发酵、液体深层发酵、固定化细胞或固定固体培养发酵、液体深层发酵、固定化细胞或固定化原生质体发酵等。化原生质体发酵等。固体培养发酵固体培养发酵液体深层发酵液体深层发酵固定化细胞固定化细胞四、发酵工艺条件及其控制四、发酵工艺条件及其控制College of Life Sciences保存细胞保存细胞细胞活化细胞活化细胞扩大培养细胞扩大培养发酵发酵分离纯化分离纯化 酶酶固定化细胞固定化细胞预培养预培养无菌空气无菌空气原生质体原生质体固定化原生质体固定化原生质体培养基培养基微生物发酵产酶的工艺流程微生物发酵产酶的工艺流程C

17、ollege of Life Sciences1.1.细胞活化细胞活化性能优良的产酶细胞选育出来以后，必须尽可能的性能优良的产酶细胞选育出来以后，必须尽可能的保持其生长和产酶特性不变异，不死亡，不被杂菌保持其生长和产酶特性不变异，不死亡，不被杂菌污染等。污染等。保藏细胞在使用之前必须接种于新鲜的斜面培养基保藏细胞在使用之前必须接种于新鲜的斜面培养基上，在一定的条件下进行培养，以恢复细胞的生命上，在一定的条件下进行培养，以恢复细胞的生命活动能力，这就叫做细胞活化。活动能力，这就叫做细胞活化。College of Life Sciences2.2.培养基培养基培养基是人工配制的用于细胞培养和发酵的

18、各种营培养基是人工配制的用于细胞培养和发酵的各种营养物质的混合物。养物质的混合物。培养基多种多样，千差万别，但培养基的组分一般培养基多种多样，千差万别，但培养基的组分一般包括碳源、氮源、无机盐和生长因子等几个方面。包括碳源、氮源、无机盐和生长因子等几个方面。College of Life Sciences培养基的设计原则：培养基的设计原则：适宜的营养物质适宜的营养物质营养物质的浓度与配比合适营养物质的浓度与配比合适物理、化学条件合适物理、化学条件合适经济节约经济节约精心设计，试验比较精心设计，试验比较College of Life Sciences1 1）培养基的组分）培养基的组分碳源碳源凡能

19、提供细胞营养所需的碳元素凡能提供细胞营养所需的碳元素(碳架碳架)的营养源，的营养源，称为碳源称为碳源(carbon source)(carbon source)。细胞中碳元素含量相当高，。细胞中碳元素含量相当高，一般占干物质的一般占干物质的5050左右，因此碳源是工业发酵中左右，因此碳源是工业发酵中使用的主要原料之一。使用的主要原料之一。原料的供应和价格原料的供应和价格 最常用的碳原为淀粉水解物最常用的碳原为淀粉水解物College of Life Sciences氮源氮源凡能提供细胞生长繁殖所需氮元素的营养源，称为凡能提供细胞生长繁殖所需氮元素的营养源，称为氮源。氮源主要功能是构成细胞的蛋白

20、质、核酸以氮源。氮源主要功能是构成细胞的蛋白质、核酸以及含氮代谢产物；同时，当培养基中碳源不足时，及含氮代谢产物；同时，当培养基中碳源不足时，可作为补充碳源。可作为补充碳源。氮源可分为有机氮源和无机氮源两种。氮源可分为有机氮源和无机氮源两种。有机氮源有机氮源无机氮源无机氮源培养基中碳和氮两者的比例对酶的产量有显著的影培养基中碳和氮两者的比例对酶的产量有显著的影响。响。C/NC/NCollege of Life Sciences无机盐和微量元素无机盐和微量元素无机盐的主要作用是提供细胞生命活动不可缺少的无机盐的主要作用是提供细胞生命活动不可缺少的无机元素，并对培养基的无机元素，并对培养基的pHp

21、H、氧化还原电位和渗透、氧化还原电位和渗透压起调节作用。各种无机元素的功用各不相同，压起调节作用。各种无机元素的功用各不相同，细胞的主要组分细胞的主要组分酶的激活剂或抑制剂酶的激活剂或抑制剂对培养基的对培养基的pHpH、渗透压、氧化还原电位起调节作用、渗透压、氧化还原电位起调节作用大量元素和微量元素大量元素和微量元素College of Life Sciences生长因子生长因子生长因子生长因子(growth factor)(growth factor)是一类对细胞正常代谢必不是一类对细胞正常代谢必不可少且不能用简单的碳源和氮源自行合成的有机物。可少且不能用简单的碳源和氮源自行合成的有机物。它

22、的需要量一般很少。广义的生长因子除了维生素它的需要量一般很少。广义的生长因子除了维生素外，还包括各种氨基酸、嘌呤、嘧啶、以及动植物外，还包括各种氨基酸、嘌呤、嘧啶、以及动植物生长的激素等。生长的激素等。College of Life Sciences水水：水是微生物最基本的成分（水是微生物最基本的成分（70%-90%70%-90%）水是微生物吸收营养物质、排泄代谢物的溶剂水是微生物吸收营养物质、排泄代谢物的溶剂水细胞成分，直接参与代谢活动水细胞成分，直接参与代谢活动调节细胞环境的温度稳定调节细胞环境的温度稳定College of Life Sciences2 2）发酵培养基）发酵培养基制工业发

23、酵培养基时的一般要求为：制工业发酵培养基时的一般要求为：营养物质的组成较丰富营养物质的组成较丰富在一定条件下，所采取的各种原材料彼此之间不能产在一定条件下，所采取的各种原材料彼此之间不能产生化学反应，理化性质相对稳定生化学反应，理化性质相对稳定黏度适中，具有适当的渗透压黏度适中，具有适当的渗透压原材料的品种和浓度与代谢产物生物合成中的调节关原材料的品种和浓度与代谢产物生物合成中的调节关系系生产过程中的问题生产过程中的问题质优价廉，成本低。质优价廉，成本低。College of Life Sciences3.pH3.pH的影响及其控制的影响及其控制(1)pH(1)pH对发酵的影响对发酵的影响pH

24、pH对微生物代谢活性产生影响的主要原因有下列几对微生物代谢活性产生影响的主要原因有下列几方面：方面：细胞内的细胞内的H H或或OHOH-离子能够影响酶蛋白的解离度离子能够影响酶蛋白的解离度和电荷情况和电荷情况pHpH影响细胞对基质的利用速度和细胞的结构影响细胞对基质的利用速度和细胞的结构pHpH影响细胞膜的电荷状况影响细胞膜的电荷状况College of Life Sciences(2)(2)影响影响pHpH变化的因素变化的因素发酵过程中培养基发酵过程中培养基pHpH的变化由菌种的特性，培养基的变化由菌种的特性，培养基组成，发酵条件等决定，引起组成，发酵条件等决定，引起pHpH变化的主要原因：

25、变化的主要原因：生理酸性盐生理酸性盐 生理碱性盐生理碱性盐(3)(3)发酵发酵pHpH的确定和控制的确定和控制 1)1)发酵发酵pHpH的确定的确定 2)pH 2)pH的控制的控制首先需要考虑和试验发酵培养基的基础配方：首先需要考虑和试验发酵培养基的基础配方：其次可在发酵过程中直接补加酸或碱和补料的方式其次可在发酵过程中直接补加酸或碱和补料的方式来控制来控制溶解氧调节，控制代谢中间产物的氧化程度溶解氧调节，控制代谢中间产物的氧化程度 College of Life Sciences4 4温度对发酵的影响温度对发酵的影响(1)(1)发酵温度的影响发酵温度的影响温度的变化对发酵过程可产生两方面的影

26、响：温度的变化对发酵过程可产生两方面的影响：一方面是影响各种催化酶反应的速率和蛋白质的性一方面是影响各种催化酶反应的速率和蛋白质的性质；质；另一方而是影响发酵液的物理性质另一方而是影响发酵液的物理性质College of Life Sciences(2)(2)影响发酵温度变化的因素影响发酵温度变化的因素在发酵过程中温度的变化主要是由于发酵过程中既在发酵过程中温度的变化主要是由于发酵过程中既存在产生热能的因素，又存在散失热能的因素。存在产生热能的因素，又存在散失热能的因素。(3)(3)最适温度的选择与控制最适温度的选择与控制温度控制一般采用热水升温、冷水降温的方法，故温度控制一般采用热水升温、冷

27、水降温的方法，故此在发酵罐中，均设计有足够传热面积的热交换装此在发酵罐中，均设计有足够传热面积的热交换装置，如排管、蛇管、夹套、喷淋管等，以保证能较置，如排管、蛇管、夹套、喷淋管等，以保证能较好地控制发酵过程中的温度。好地控制发酵过程中的温度。College of Life Sciences5 5溶氧的影响及其控制溶氧的影响及其控制(1)(1)溶氧的影响溶氧的影响细胞的生长繁殖以及酶的生物合成过程需要大量的细胞的生长繁殖以及酶的生物合成过程需要大量的能量，这些能量一般是由能量，这些能量一般是由ATPATP等高能化合物来提供。等高能化合物来提供。为了获得足够的能量，以满足细胞生长和发酵产酶为了获

28、得足够的能量，以满足细胞生长和发酵产酶的需要，培养基中的能源一般由碳源提供。碳源必的需要，培养基中的能源一般由碳源提供。碳源必须经过有氧分解才能合成大量的须经过有氧分解才能合成大量的ATPATP。College of Life Sciences(2)(2)溶氧浓度的控制溶氧浓度的控制 发酵液的溶氧浓度变化，是由供氧和需氧两方面所发酵液的溶氧浓度变化，是由供氧和需氧两方面所决定的。控制发酵液中的溶氧浓度，需从如下两方决定的。控制发酵液中的溶氧浓度，需从如下两方面着手：面着手：1)1)从供氧方面考虑从供氧方面考虑 提高氧分压。提高氧分压。增加通气量。增加通气量。延长气液接触时间。延长气液接触时间。

29、增加气液比表面积。增加气液比表面积。改变培养液的性质。改变培养液的性质。添加氧载体。添加氧载体。College of Life Sciences2)2)从需氧方面考虑从需氧方面考虑根据需氧，可采用以下两方面的手段来提高发酵液根据需氧，可采用以下两方面的手段来提高发酵液中的溶氧速率：中的溶氧速率：限制培养液中的营养成分，减少细胞生长速率。限制培养液中的营养成分，减少细胞生长速率。降低培养温度：降低培养温度：College of Life Sciences五、提高酶产量的措施五、提高酶产量的措施除了具有高产的菌种及合理的发酵工艺外，还可通除了具有高产的菌种及合理的发酵工艺外，还可通过一些其它的措施

30、如添加诱导物。控制阻遏物浓度、过一些其它的措施如添加诱导物。控制阻遏物浓度、添加表面活性剂等提高酶的产量。添加表面活性剂等提高酶的产量。1.1.添加诱导物添加诱导物2.2.控制阻遏物的浓度控制阻遏物的浓度3.3.添加表面活性剂添加表面活性剂4.4.添加产酶促进剂添加产酶促进剂College of Life Sciences发酵动力学主要研究在发酵过程中细胞生长速度、发酵动力学主要研究在发酵过程中细胞生长速度、产物生成速度、基质消耗速度以及环境因子对这些产物生成速度、基质消耗速度以及环境因子对这些速度的影响。在酶的发酵生产过程中，研究细胞生速度的影响。在酶的发酵生产过程中，研究细胞生长和发酵产酶

31、动力学，对于了解酶生物合成模式、长和发酵产酶动力学，对于了解酶生物合成模式、发酵条件的优化机制、提高酶产量，均有相当重要发酵条件的优化机制、提高酶产量，均有相当重要的意义。的意义。第二节第二节 酶发酵动力学酶发酵动力学College of Life Sciences微生物的生长过程可以用细胞浓度的变化来表示。微生物的生长过程可以用细胞浓度的变化来表示。以细胞浓度的对数与细胞培养时间作图，可知，在以细胞浓度的对数与细胞培养时间作图，可知，在分批培养中，细胞生长一般经历调整期，指数生长分批培养中，细胞生长一般经历调整期，指数生长期，平衡期，衰亡期。期，平衡期，衰亡期。College of Life

32、 Sciences一、酶生物合成的一、酶生物合成的模式模式比较酶产生与细胞生长比较酶产生与细胞生长的关系的关系,可把酶生物合可把酶生物合成模式分成成模式分成4 4种类型种类型:。College of Life Sciences通过计算比较的的生产与细胞生长的关系，可以把通过计算比较的的生产与细胞生长的关系，可以把酶生物合成的模式分为酶生物合成的模式分为4 4种类型：同步合成型、延种类型：同步合成型、延续合成型、中期合成型、滞后合成型。续合成型、中期合成型、滞后合成型。1.1.同步合成型同步合成型 ：酶合成与细胞合成生长同步：酶合成与细胞合成生长同步（1 1）酶的生物合成可以）酶的生物合成可以诱

33、导，不受分解代谢物诱导，不受分解代谢物 阻遏和反应产物阻遏；阻遏和反应产物阻遏；（2 2）当除去诱导物或细）当除去诱导物或细胞进入平衡期后，酶的胞进入平衡期后，酶的合成立即停止；合成立即停止；（3 3）酶所对应的）酶所对应的mRNAmRNA很很不稳定。不稳定。College of Life Sciences2.2.延续合成型延续合成型 延续合成型是指酶的生物合成在细胞延续合成型是指酶的生物合成在细胞的生长阶段开始，在细胞进入平衡期后，酶还可以的生长阶段开始，在细胞进入平衡期后，酶还可以延续合成较长的一段时间。延续合成较长的一段时间。College of Life Sciences3.3.中期合

34、成型中期合成型 中期合成型是指：酶的合成在细胞生中期合成型是指：酶的合成在细胞生长长段时间以后才开始，而在进入细胞平衡期之后，段时间以后才开始，而在进入细胞平衡期之后，酶的合成也终止。酶的合成也终止。College of Life Sciences4.4.滞后合成型滞后合成型 这种类型只有当细胞生长进入平衡期这种类型只有当细胞生长进入平衡期之后，酶才开始合成并大量积累。之后，酶才开始合成并大量积累。College of Life SciencesCollege of Life Sciences（1 1）mRNAmRNA的稳定性；的稳定性；（2 2）培养基中阻遏物存在与否。）培养基中阻遏物存在与

35、否。影响酶生物合成的模式的主要因素是：影响酶生物合成的模式的主要因素是：（1 1）mRNAmRNA稳定性高，细胞停止生长后继续合成其所对应的酶；稳定性高，细胞停止生长后继续合成其所对应的酶；（2 2）mRNAmRNA稳定性差，酶的合成随着细胞停止生长而终止；稳定性差，酶的合成随着细胞停止生长而终止；（3 3）受某些物质阻遏，细胞生长一段时间或在平衡期后（解除）受某些物质阻遏，细胞生长一段时间或在平衡期后（解除阻遏），开始合成酶。阻遏），开始合成酶。（4 4）不受某些物质阻遏，酶的合成随着细胞生长而同步增长。）不受某些物质阻遏，酶的合成随着细胞生长而同步增长。规律：规律：College of L

36、ife Sciences（1 1）选择最理想的酶合成模式）选择最理想的酶合成模式延续合成型；延续合成型；（2 2）改造非理想模式）改造非理想模式 A A、同步合成型：适当降低发酵温度，尽量提同步合成型：适当降低发酵温度，尽量提 高相应的高相应的mRNAmRNA的稳定性；的稳定性；B B、滞后合成型：尽量减少甚至解除分解代谢滞后合成型：尽量减少甚至解除分解代谢 物阻遏，使酶合成提早开始；物阻遏，使酶合成提早开始；C C、中期合成型：努力提高中期合成型：努力提高mRNAmRNA稳定性，解稳定性，解 除代谢物阻遏物。除代谢物阻遏物。选择与改造选择与改造College of Life Sciences

37、二、细胞生长动力学二、细胞生长动力学主要研究细胞生长速度及其受外界环境影响的规律。主要研究细胞生长速度及其受外界环境影响的规律。19501950年年,法国的法国的MonodMonod首先提出表述微生物生长的动力首先提出表述微生物生长的动力学方程学方程,细胞生长速率与细胞浓度成正比。细胞生长速率与细胞浓度成正比。Rx=dX/dt=X只存在一种限制性基质时只存在一种限制性基质时:MonodMonod方程是基本的细胞生长动力学方程方程是基本的细胞生长动力学方程;从不同情况出发对其进行修饰。从不同情况出发对其进行修饰。:比生长速率；比生长速率；S 限制性基质的浓度；限制性基质的浓度；Ks 莫诺德常数；

38、莫诺德常数；m 最大比生长速率最大比生长速率College of Life Sciences连续全混流反应器发酵过程中连续全混流反应器发酵过程中,稳态时游离细胞连续稳态时游离细胞连续发酵的生长动力学方程发酵的生长动力学方程:dx/dt=(-D)X D：稀释率稀释率D=0,分批发酵分批发酵;Du细胞浓度下降细胞浓度下降,S升高升高,u回升回升;Dum X趋于零趋于零;College of Life SciencesMonodMonod方程与米氏方程相似方程与米氏方程相似,参数参数u um m与与KsKs也可由双也可由双倒数作图法求出倒数作图法求出.College of Life Sciences

39、三、产酶动力学三、产酶动力学宏观产酶动力学宏观产酶动力学（非结构动力学）（非结构动力学）:从整个发酵系统着眼从整个发酵系统着眼,研究群体细胞的产酶速率研究群体细胞的产酶速率 ；微观产酶动力学微观产酶动力学（结构动力学）（结构动力学）:从细胞内部着眼从细胞内部着眼,研究细胞中酶合成速率。研究细胞中酶合成速率。1、分类、分类研究细胞产酶速率及各因素对其的影响。研究细胞产酶速率及各因素对其的影响。College of Life Sciences2 2、宏观产酶动力学方程通式、宏观产酶动力学方程通式dE/dt=(+)xX细胞浓度；细胞浓度；u细胞比生长速率；细胞比生长速率；生长偶联的比产酶系数；生长偶

40、联的比产酶系数；非生长偶联的比产酶速率。非生长偶联的比产酶速率。细胞产酶模式不同，产酶速率与细胞生长动力学关系也不同。细胞产酶模式不同，产酶速率与细胞生长动力学关系也不同。讨论讨论:（1 1）同步合成型：生长偶联型）同步合成型：生长偶联型 =0=0，dE/dt=dE/dt=X X（2 2）中期合成型：特殊生长偶联型）中期合成型：特殊生长偶联型 =0=0，dE/dt=dE/dt=X X 有阻遏存在时，有阻遏存在时，=0=0，无酶产生，无酶产生 dE/dt=dE/dt=0 0 阻遏解除后才开始合成酶阻遏解除后才开始合成酶.College of Life Sciences（3 3）滞后合成型：非生长

41、偶联型，）滞后合成型：非生长偶联型，=0,=0,dE/dt=XdE/dt=X（4 4）延续合成型：部分生长偶联型，）延续合成型：部分生长偶联型，00，00 dE/dt=dE/dt=X+XX+XdE/dt=(+)x有关模型参数一般通过线性化处理及尝试有关模型参数一般通过线性化处理及尝试误差法求出误差法求出.College of Life Sciences利用动植物细胞培养生产各种天然物质，是生物利用动植物细胞培养生产各种天然物质，是生物工程的一个新领域，工程的一个新领域，2020世纪世纪8080年代以来，利用植年代以来，利用植物细胞培养生产的有用产物已达物细胞培养生产的有用产物已达100100多

42、种，其中酶多种，其中酶制剂有制剂有1010多种。包括糖苷酶多种。包括糖苷酶(胡萝卜细胞，胡萝卜细胞，1981)1981)，过氧化物酶过氧化物酶(甜菜细胞，甜菜细胞，19831983；大豆细胞，；大豆细胞，1989)1989)等。等。呈现出良好的发展前景。呈现出良好的发展前景。第三节第三节 动、植物细胞产酶动、植物细胞产酶College of Life Sciences一、动植物细胞的特点一、动植物细胞的特点:1 1、体积比微生物大；、体积比微生物大；2 2、对剪切力敏感；、对剪切力敏感；3 3、生长和代谢速率低，生长倍增时间和发酵周期、生长和代谢速率低，生长倍增时间和发酵周期长；长；4 4、动

43、物细胞营养要求复杂；、动物细胞营养要求复杂；5 5、发酵产物不同、发酵产物不同College of Life Sciences二、植物细胞培养和发酵二、植物细胞培养和发酵1 1、植物细胞发酵技术和特点：、植物细胞发酵技术和特点：植物细胞发酵技术植物细胞发酵技术发酵特点（与直接提取分离相比较而言）：发酵特点（与直接提取分离相比较而言）：（1 1）提高产率；）提高产率；（2 2）缩短周期）缩短周期;（3 3）易于管理、减轻劳动强度；）易于管理、减轻劳动强度；（4 4）提高质量。）提高质量。College of Life Sciences2 2、植物细胞发酵产酶的工艺条件控制、植物细胞发酵产酶的工艺

44、条件控制（1 1）植物细胞生长和发酵所使用的培养基：）植物细胞生长和发酵所使用的培养基：大量无机盐、维生素和植物激素、无机氮源、碳大量无机盐、维生素和植物激素、无机氮源、碳源（蔗糖）源（蔗糖）MSMS培养基和培养基和B B5 5培养基培养基（2 2）温度和）温度和pHpH值值（3 3）通风与搅拌）通风与搅拌（4 4）光照的控制）光照的控制（5 5）前体的添加）前体的添加（6 6）刺激剂的应用）刺激剂的应用College of Life Sciences三、动物细胞发酵三、动物细胞发酵1 1、动物细胞可以生产多种具有较高价值的药物，、动物细胞可以生产多种具有较高价值的药物，特别是疫苗、激素、单克

45、隆抗体和酶等。特别是疫苗、激素、单克隆抗体和酶等。由动物细胞培养生产的酶有胶原酶，血纤蛋白溶酶由动物细胞培养生产的酶有胶原酶，血纤蛋白溶酶原活性剂等。原活性剂等。2 2、动物细胞培养方法：、动物细胞培养方法：悬浮培养；固定化细胞培养悬浮培养；固定化细胞培养3 3、动物细胞发酵工艺条件的控制、动物细胞发酵工艺条件的控制College of Life Sciences第四节第四节 固定化细胞发酵产酶固定化细胞发酵产酶又称固定化活细胞、固定化增殖细胞用各种方法又称固定化活细胞、固定化增殖细胞用各种方法固定在载体上又能进行生长、繁殖和新陈代谢的固定在载体上又能进行生长、繁殖和新陈代谢的细胞。是细胞。是

46、7070年代后期年代后期(1978)(1978)发展起来的技术发展起来的技术;在发酵生产淀粉酶、蛋白酶、纤维素酶等胞外酶在发酵生产淀粉酶、蛋白酶、纤维素酶等胞外酶方面取得了成功。方面取得了成功。固定化细胞：固定化细胞：College of Life Sciences一、固定化细胞发酵产酶的特点一、固定化细胞发酵产酶的特点1 1、提高产酶率：细胞密度增大、提高产酶率：细胞密度增大 生化反生化反应加速应加速 产酶率提高产酶率提高College of Life Sciences固定化细胞发酵产酶的特点固定化细胞发酵产酶的特点固定化细胞发酵产酶的特点固定化细胞发酵产酶的特点2 2、可在高稀释度下连续发

47、酵：、可在高稀释度下连续发酵：D D不影响固定化细胞不影响固定化细胞;3 3、基因工程菌的质粒稳定，不易丢失；、基因工程菌的质粒稳定，不易丢失；4 4、发酵稳定性好：细胞受载体保护，、发酵稳定性好：细胞受载体保护，pHpH和和T T适应性宽；适应性宽；5 5、缩短发酵周期，提高设备利用率；、缩短发酵周期，提高设备利用率；6 6、产品容易分离纯化；、产品容易分离纯化；7 7、适于胞外酶等胞外产物的生产。、适于胞外酶等胞外产物的生产。College of Life Sciences二、固定化细胞发酵产酶的工艺条件控制二、固定化细胞发酵产酶的工艺条件控制与游离细胞发酵大同小异，需特别注意的几个问题：

48、与游离细胞发酵大同小异，需特别注意的几个问题：1 1、固定化细胞的预培养、固定化细胞的预培养 先预培养，使固定在载体上的细胞生长繁殖，长好后，再先预培养，使固定在载体上的细胞生长繁殖，长好后，再用于发酵产酶，其培养基和工艺条件可以相同或不同。用于发酵产酶，其培养基和工艺条件可以相同或不同。2 2、溶解氧的供给、溶解氧的供给 由于受到载体的影响，使氧的供给成为主要的限制性因素。由于受到载体的影响，使氧的供给成为主要的限制性因素。解决办法：解决办法：（1 1）加大通气量（强烈搅拌会破坏固定化细胞）；）加大通气量（强烈搅拌会破坏固定化细胞）；（2 2）改变固定化载体，如少用琼脂等对氧扩散不利的载体；

49、）改变固定化载体，如少用琼脂等对氧扩散不利的载体；（3 3）过氧化氢酶与细胞共固定化，培养基加入适量的）过氧化氢酶与细胞共固定化，培养基加入适量的H H2 2O O2 2；（4 4）降低培养基的浓度，以降低培养基的粘度。降低培养基的浓度，以降低培养基的粘度。College of Life Sciences3 3、温度的控制、温度的控制 连续发酵时，由于连续发酵时，由于D D较高，反应器内温度变化较大，较高，反应器内温度变化较大，先预调流加液温度。先预调流加液温度。4 4、培养基成份的控制、培养基成份的控制 某些固定化载体的结构会受到某些成份的影响，如过某些固定化载体的结构会受到某些成份的影响，

50、如过量的磷酸盐会破坏海澡酸钙凝胶制备的固定化细胞。量的磷酸盐会破坏海澡酸钙凝胶制备的固定化细胞。College of Life Sciences第五节第五节 固定化微生物原生质体发酵产固定化微生物原生质体发酵产酶酶原生质体是除去细胞壁后由细胞膜及胞内物质原生质体是除去细胞壁后由细胞膜及胞内物质组成的微球体。组成的微球体。由于原生质体不稳定，通过凝胶包埋法可使之由于原生质体不稳定，通过凝胶包埋法可使之稳定性提高；稳定性提高；可使原来胞内产物分泌到细胞外。可使原来胞内产物分泌到细胞外。College of Life Sciences一、固定化原生质体的特点一、固定化原生质体的特点1 1、变胞内产物