食品生物技术精品课程幻灯片.ppt
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1、食品生物技术精品课程食品生物技术精品课程第1页,共71页,编辑于2022年,星期三第七章微生物发酵产酶第2页,共71页,编辑于2022年,星期三酶的生产方法提取分离法(Extraction)生物合成(Biosynthesis)化学合成(chemicalsynthesis)SOD-bloodPapain-PapayaChymotrypsin-Pancrea organ/tissue/cellAmylase from BacillusProtease from BacillusPhosphatase from BacillusGlucoamylase from AspergillusPlant c
2、ell cultureAnimal cell cultureFew example第3页,共71页,编辑于2022年,星期三Contents of chapter 21、酶生物合成过程2、常见产酶微生物3、酶的发酵工艺条件及控制4、酶生产过程的动力学GoGoGoGo5、动植物细胞培养产酶,自学第4页,共71页,编辑于2022年,星期三2.1 酶生物合成过程酶生物合成过程 The biosynthesis process of Enzyme1、中心法则-Central Dogma 2、RNA的生物合成-Transcription3、蛋白质的生物合成-Translation4、酶生物合成的调节-R
3、egulationGoGoGoGo下一节下一节本章目录第5页,共71页,编辑于2022年,星期三Reverse transcription1、中心法则、中心法则-Central Dogma 第6页,共71页,编辑于2022年,星期三Replication 复制:亲代亲代DNADNA或或RNARNA在一系列酶的作用下,在一系列酶的作用下,生成与亲代相同的子代生成与亲代相同的子代DNADNA或或RNARNA的过程。的过程。Transcription 转录:以以DNADNA为模板,按照碱基配对原则为模板,按照碱基配对原则将其所含的遗传信息传给将其所含的遗传信息传给RNARNA,形成一条与,形成一条与
4、DNADNA链互补的链互补的RNARNA的的过程。过程。Translation 翻译:亦叫转译,以亦叫转译,以mRNAmRNA为模板,将为模板,将mRNAmRNA的的密码解读成蛋白质的密码解读成蛋白质的AAAA顺序的过程。顺序的过程。Reverse translation 逆转录:以以RNARNA为模板,在逆转为模板,在逆转录酶的作用下,生成录酶的作用下,生成DNADNA的过程。的过程。本节目录第7页,共71页,编辑于2022年,星期三2、RNA的生物合成的生物合成(转录转录)-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
5、)在蛋白质的生物合成过程中,各种RNA起着重要的作用。其中,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。第8页,共71页,编辑于2022年,星期三转录过程的特点转录过程的特点1 1、转录的不对称性转录的不对称性:在:在RNARNA的合成中,的合成中,DNADNA的二条
6、链中仅有一条链的二条链中仅有一条链可作为转录的模板,称为转录的不对称性。可作为转录的模板,称为转录的不对称性。反义链反义链 antisense strandantisense strand(无意义链,负链):(无意义链,负链):在在RNARNA的转录中,用作的转录中,用作模板的模板的DNADNA链称为反义链。链称为反义链。有义链有义链 coding strandcoding strand(编码链,正链):(编码链,正链):在在RNARNA的转录中,不作为模板的的转录中,不作为模板的DNADNA链称为有义链。链称为有义链。2 2、转录所需酶:、转录所需酶:依赖依赖DNADNA的的RNARNA聚合
7、酶聚合酶又称为转录酶,是以又称为转录酶,是以DNADNA为为模板的一类模板的一类RNARNA聚合酶。在原核生物和真核生物中,转录酶有所聚合酶。在原核生物和真核生物中,转录酶有所不同。原核生物的转录酶比较简单,由不同。原核生物的转录酶比较简单,由1 1种种RNARNA聚合酶催化所有聚合酶催化所有RNARNA的生物合成。而在真核生物中的生物合成。而在真核生物中RNARNA聚合酶有聚合酶有3 3种种,分别为,分别为RNARNA聚合酶聚合酶、RNARNA聚合酶聚合酶和和RNARNA聚合酶聚合酶,它们都属于寡聚,它们都属于寡聚酶,酶的亚基数目为酶,酶的亚基数目为4 41010个,亚基种类有个,亚基种类有
8、4 46 6种。种。第9页,共71页,编辑于2022年,星期三The E.coli RNA polymerase holoenzyme consists ofsix subunits:a2 s.Possible catalytic subunitsPromoterspecificityEnzyme assembly,Enzyme assembly,Enzyme assembly,Enzyme assembly,promoter recognition,promoter recognition,promoter recognition,promoter recognition,activator
9、 bindingactivator bindingactivator bindingactivator bindingRole unknownRole unknownRole unknownRole unknown(not needed(not needed(not needed(not needed in vitroin vitroin vitroin vitro)36.5 kDa36.5 kDa15115115515511 kDa11 kDa(32-90 kDa)(32-90 kDa)第10页,共71页,编辑于2022年,星期三转录过程转录过程起始位点的识别 recognition转录起始
10、 initiation链的延伸 elongation转录终止 termination转录后加工 modification第11页,共71页,编辑于2022年,星期三本节目录第12页,共71页,编辑于2022年,星期三3 3、蛋白质的合成、蛋白质的合成(翻译翻译)-Translation)-Translation翻译翻译:以以RNARNA中中mRNAmRNA为模板为模板,按照其按照其 核苷酸顺序所组成的密码指核苷酸顺序所组成的密码指 导蛋白质的合成的过程导蛋白质的合成的过程.mRNAmRNA蛋白质蛋白质翻译翻译 各种信息各种信息 各种蛋白质各种蛋白质(核苷酸排列顺序)(核苷酸排列顺序)(氨基酸排
11、列顺序)(氨基酸排列顺序)第13页,共71页,编辑于2022年,星期三蛋白质合成的几个要素蛋白质合成的几个要素-mRNA(模板,模板,template)mRNA是带有DNA遗传信息指导蛋白质合成的直接模板。以mRNA为模板,合成一定结构的多肽链的过程(翻译),就是将mRNA分子中的核苷酸排列顺序转变成蛋白质分子中的氨基酸排列顺序。第14页,共71页,编辑于2022年,星期三蛋白质合成的几个要素蛋白质合成的几个要素-遗传密码,遗传密码,nucleotide triplet codonmRNA分子中,每三个相邻的核苷酸组成的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
12、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:UAA UGA UAG多数氨基酸拥有 2-4个密码第15页,共71页,编辑于2022年,星期三第16页,共71页,编辑于2022年,星期三第17页,共71页,编辑于2022年,星期三蛋白质合成的几个要素蛋白质合成的几个要素-转运转运RNA(transporter)tRNA是氨基酸的转运工具,携带活化的氨基酸到核蛋白体。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。第18页,共71页,编辑于2022年,星期三酪酪555533AUGGUU UAC AC
13、A酪氨酰酪氨酰-tRNA反密码反密码mRNA密码密码(codon)(codon)与反密码与反密码(anticodon)(anticodon)的碱的碱基配对基配对第19页,共71页,编辑于2022年,星期三蛋白质合成的几个要素蛋白质合成的几个要素-核糖体,核糖体,ribosome核糖体(或称核糖核蛋白体)由蛋白质和核糖体(或称核糖核蛋白体)由蛋白质和rRNArRNA组成。组成。是存在于细胞质内的微小颗粒。是存在于细胞质内的微小颗粒。第20页,共71页,编辑于2022年,星期三The ribosome The ribosome composition of composition of proka
14、ryotic and prokaryotic and eukaryotic celleukaryotic cell第21页,共71页,编辑于2022年,星期三蛋白质合成的几个要素蛋白质合成的几个要素-其他因子和酶其他因子和酶其他辅助因子工具酶第22页,共71页,编辑于2022年,星期三蛋白质的合成过程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蛋白质分子的折叠 folding第23页,共71页,编辑于2022年
15、,星期三氨基酸活化生成氨酰-tRNA 第24页,共71页,编辑于2022年,星期三原核生物肽链合成的起始阶段是在GTP和起始因子(Initiation Factor)的参与下,核糖体30 S亚基,fMet-tRNAF ,mRNA和50 S 亚基结合,组成起始复合物的过程。主要包括5个步骤:(1)30 S亚基与起始因子IF3 结合;(2)30 S亚基与mRNA结合,形成30 S-IF3-mRNA复合物;(3)fMet-tRNAF 与起始因子IF2以及GTP结合,生成fMet-tRNAF -IF2-GTP;(4)在起始因子IF1的参与下,fMet-tRNAF-IF2-GTP与30 S-IF3-mR
16、NA结合生成30 S起始复合物。在此30 S起始复合物中,fMet-tRNAF上的反密码子正好与mRNA上的起始密码子AUG结合;(5)50 S亚基与上述30 S起始复合物结合,形成完整的70 S核糖体。同时放出IF1,IF2,IF3,并使GTP水解生成GDP和Pi。在此70 S核糖体形成时,fMet-tRNAF 位于70 S核糖体的“P”位(肽酰基位),而它的“A”位(氨酰基位)是空位。蛋白质合成起始第25页,共71页,编辑于2022年,星期三进进位位转转位位成肽成肽第26页,共71页,编辑于2022年,星期三合成终止合成终止第27页,共71页,编辑于2022年,星期三高效率的蛋白质合成体系
17、第28页,共71页,编辑于2022年,星期三蛋白质的空间结构如何形成?蛋白质的空间结构如何形成?功能与结构如何统一?功能与结构如何统一?体外、体内的结构如何变化?体外、体内的结构如何变化?蛋白质分子设计及蛋白质工程的需要越来越多的基因工程产物需要复性复活,要求蛋白质折叠的理论及技术的指导。基因工程重组蛋白类产物必须要形基因工程重组蛋白类产物必须要形成正确的折叠才能表现出功能和活性。成正确的折叠才能表现出功能和活性。蛋白质的折叠本节目录第29页,共71页,编辑于2022年,星期三4、酶生物合成的调节、酶生物合成的调节(regulation)基因水平的表达控制基因水平的表达控制酶含量的调节操纵子(
18、operon):是一组功能上相关,受同一调控区控制的基因组成的一个遗传单位。第30页,共71页,编辑于2022年,星期三A BEX底物水平底物水平的调节的调节酶水平酶水平的调节的调节 酶活性的调节酶活性的调节酶含量的调节酶含量的调节酶的定位调节酶的定位调节辅助因辅助因子调节子调节生长发育的不同时期生长发育的不同时期外界环境变化外界环境变化酶合成酶合成与分解速度的变化与分解速度的变化(基因表达调控)(基因表达调控)产物调节产物调节细胞内酶的调控模式第31页,共71页,编辑于2022年,星期三酶在细胞内的含量取决于酶的合成速度和分解速度。细胞根据自身活动需要,严格控制细胞内各种酶的合理含量,从而对
19、各种生物化学过程进行调控。酶浓度调节的化学本质是基因表达的调节。在细胞内,所合成酶浓度调节的化学本质是基因表达的调节。在细胞内,所合成的酶的种类及数量是由特殊的基因信息决定的。的酶的种类及数量是由特殊的基因信息决定的。DNADNA所携带的所携带的酶蛋白遗传信息,需要通过转录和翻译而合成酶蛋白。在细胞酶蛋白遗传信息,需要通过转录和翻译而合成酶蛋白。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,其中转录的调控占主导地位。因此,的调控占主导地位。因此,基因表达的调控主要在转录水平上进行。第32页,共71页,编辑于2022年,星期三酶合成诱导
20、的现象酶合成诱导的现象Jacob and MonodJacob and Monod的工作:的工作:已知分解利用乳糖的酶有:已知分解利用乳糖的酶有:-半乳糖苷酶半乳糖苷酶;-半乳糖苷透过酶半乳糖苷透过酶;硫硫代半乳糖苷转乙酰酶代半乳糖苷转乙酰酶。实验:实验:1.1.大肠杆菌生长在葡萄糖培养基上时,细胞内无上述三种酶合成;大肠杆菌生长在葡萄糖培养基上时,细胞内无上述三种酶合成;2.2.大肠杆菌生长在唯一碳源乳糖培养基上时,细胞内有上述三种大肠杆菌生长在唯一碳源乳糖培养基上时,细胞内有上述三种酶合成;当换成葡萄糖培养基时,三种酶基本消失;酶合成;当换成葡萄糖培养基时,三种酶基本消失;3.3.表明菌体
21、生物合成的经济原则:需要时才合成。表明菌体生物合成的经济原则:需要时才合成。本世纪三十年代,本世纪三十年代,H.KarstromH.Karstrom在对糖代谢过程中的某些酶的合成在对糖代谢过程中的某些酶的合成进行研究时提出:进行研究时提出:诱导酶与组成酶诱导酶与组成酶某些代谢物可以诱导某些酶的合成,是通过促进为该酶编码的基因的某些代谢物可以诱导某些酶的合成,是通过促进为该酶编码的基因的表达而进行的,这种现象叫做表达而进行的,这种现象叫做酶合成的诱导酶合成的诱导。能诱导酶合成的物。能诱导酶合成的物质叫质叫诱导物诱导物。被诱导合成的酶叫。被诱导合成的酶叫诱导酶诱导酶。第33页,共71页,编辑于20
22、22年,星期三酶合成阻遏的现象酶合成阻遏的现象Jacob and MonodJacob and Monod的工作:的工作:实验:实验:1.1.大肠杆菌生长在无机盐和葡萄糖的培养基上时,检测到细胞内大肠杆菌生长在无机盐和葡萄糖的培养基上时,检测到细胞内有色氨酸合成酶的存在;有色氨酸合成酶的存在;2.2.在上述培养基中加入色氨酸,检测发现细胞内色氨酸合成酶的活性降在上述培养基中加入色氨酸,检测发现细胞内色氨酸合成酶的活性降低,直至消失。低,直至消失。3.3.表明色氨酸的存在阻止了色氨酸合成酶的合成,体现了菌生长表明色氨酸的存在阻止了色氨酸合成酶的合成,体现了菌生长的经济原则:不需要就不合成。的经济
23、原则:不需要就不合成。某些代谢物可以阻止某些酶的合成,是通过阻止为该酶编码的基某些代谢物可以阻止某些酶的合成,是通过阻止为该酶编码的基因的表达而进行的,这种现象叫做因的表达而进行的,这种现象叫做酶合成的阻遏酶合成的阻遏。能阻遏酶合成。能阻遏酶合成的物质叫的物质叫辅阻遏物辅阻遏物。被辅阻遏物作用而停止合成的酶叫。被辅阻遏物作用而停止合成的酶叫阻遏酶阻遏酶。第34页,共71页,编辑于2022年,星期三乳糖操纵子的结构第35页,共71页,编辑于2022年,星期三诱导机制第36页,共71页,编辑于2022年,星期三调节基因调节基因操纵基因操纵基因结构基因结构基因mRNAmRNA酶蛋白酶蛋白阻遏蛋白不能
24、与操纵基因结合,阻遏蛋白不能与操纵基因结合,结构基因表达结构基因表达调节基因调节基因操纵基因操纵基因结构基因结构基因辅阻遏物辅阻遏物trp代谢产物与阻遏蛋白结代谢产物与阻遏蛋白结合,使之构象发生变化合,使之构象发生变化与操纵基因结合,结构基与操纵基因结合,结构基因不能表达因不能表达色氨酸操纵子(酶的阻遏)-阻遏物和操纵基因的调节第37页,共71页,编辑于2022年,星期三细菌乳糖操纵子的作用机制(降解物阻遏)调节基因调节基因启动子启动子操纵操纵基因基因lacZlacYlacACAPcAMPCAP-cAMPCAP-cAMP复合物复合物mRNAmRNA当葡萄糖作唯一碳源时,葡萄糖的降解物对腺苷酸环
25、化酶有抑制作用,则当葡萄糖作唯一碳源时,葡萄糖的降解物对腺苷酸环化酶有抑制作用,则cAMPcAMP的浓度降低,的浓度降低,CAP-cAMPCAP-cAMP复合物减少,不能与启动子结合,故转录不得进行。复合物减少,不能与启动子结合,故转录不得进行。+-半乳糖苷酶-半乳糖苷透过酶-半乳糖苷乙酰基转移酶酶过去称葡萄糖效应过去称葡萄糖效应本节目录第38页,共71页,编辑于2022年,星期三2.2 2.2 常见产酶微生物常见产酶微生物 Common Common microorganism in Enzyme Productionmicroorganism in Enzyme Production基本要
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