酶工程电子教案 第二章微生物发酵产酶 ◆酶的生物合成:酶在生物体内合成的过程 ◆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 大多数酶的生产采用发酵生产→原因:微生物具有种类多、繁殖快、易培养、代谢能力强 等特点 ◆优良的产酶微生物具备的条件: (1)酶的产量高 (2)产酶稳定性好; (3)容易培养和管理 (4)利于酶的分离纯化; (5)安全可靠、无毒性等。 ◆酶的发酵生产的方式: 固体培养发酵 液体深层发酵 固定化微生物细胞发酵 固定化微生物原生质体发酵 1.酶生物合成的基本理论 ◆蛋白类酶和核酸类酶→酶的生物合成主要是指细胞内RNA和蛋白质的合成过程 ◆合成过程: 酶的基因(DNA)→(转录)→RNA→(翻译)→多肽链→(加工、组装)蛋白质
酶工程电子教案 第二章 微生物发酵产酶 ◆酶的生物合成：酶在生物体内合成的过程。 ◆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。 ◆大多数酶的生产采用发酵生产→原因：微生物具有种类多、繁殖快、易培养、代谢能力强 等特点 ◆优良的产酶微生物具备的条件： （1）酶的产量高； （2）产酶稳定性好； （3）容易培养和管理； （4）利于酶的分离纯化； （5）安全可靠、无毒性等。 ◆酶的发酵生产的方式： 固体培养发酵 液体深层发酵 固定化微生物细胞发酵 固定化微生物原生质体发酵 1. 酶生物合成的基本理论 ◆蛋白类酶和核酸类酶→酶的生物合成主要是指细胞内 RNA 和蛋白质的合成过程 ◆合成过程: 酶的基因（DNA）→（转录）→RNA →（翻译）→多肽链→（加工、组装）蛋白质
11RNA的生物合成一转录(参考相应的生物化学与分子生物学课程知识) 1.2蛋白质的生物合成—翻译(参考相应的生物化学与分子生物学课程知识) 13酶生物合成的调节 ◆组成型酶( Constitutive enzyme):生物细胞中合成的酶的量比较恒定,这些酶的合成 速率影响不大。如DNA聚合酶、RNA聚合酶、糖酵解途径的各种酶等。 ◆适应型酶( Adaptive enzyme)或调节型酶( Regulated enzyme):生物细胞中合成 的酶的含量却变化很大,其合成速率明显受到环境因素的影响。如大肠杆菌β-半乳糖苷酶。 ◆生物体为了适应环境的变化,使代谢过程有条不紊地进行,需要根据各种条件的变化,对 各种适应型酶的生物合成进行调节控制。 ◇转录水平的调节 ◇转录产物的加工调节 翻译水平的调节 翻译产物的加工调节和酶降解的调节等 ◆转录水平的调节对酶的生物合成是最重要的调节 131原核生物中酶生物合成的调节机制 ◆原核生物中酶生物合成的调节主要是转录水平的调节 ◆雅各( Jacob)和莫诺德( Monod)于1960年提出的操纵子学说( Operon theory) 来阐明的。 ◇操纵子学说概述 启动基因( Promoter gene):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( cyclic AMP, CAMP)与CAP组成的复合物( CAMP-CAP)的结合位点 操纵基因〔 Operator gene):与调节基因产生的变构蛋白(阻遏蛋白)中的一种结构结合
1.1 RNA 的生物合成—转录（参考相应的生物化学与分子生物学课程知识） 1.2 蛋白质的生物合成—翻译（参考相应的生物化学与分子生物学课程知识） 1.3 酶生物合成的调节 ◆组成型酶（Constitutive enzyme）：生物细胞中合成的酶的量比较恒定，这些酶的合成 速率影响不大。如 DNA 聚合酶、RNA 聚合酶、糖酵解途径的各种酶等。 ◆适应型酶（Adaptive enzyme）或调节型酶（Regulated enzyme）：生物细胞中合成 的酶的含量却变化很大，其合成速率明显受到环境因素的影响。如大肠杆菌β-半乳糖苷酶。 ◆生物体为了适应环境的变化，使代谢过程有条不紊地进行，需要根据各种条件的变化，对 各种适应型酶的生物合成进行调节控制。 ◇转录水平的调节 ◇转录产物的加工调节 ◇翻译水平的调节 ◇翻译产物的加工调节和酶降解的调节等 ◆转录水平的调节对酶的生物合成是最重要的调节 1.3.1 原核生物中酶生物合成的调节机制 ◆原核生物中酶生物合成的调节主要是转录水平的调节 ◆雅各（Jacob）和莫诺德（Monod）于 1960 年提出的操纵子学说（Operon theory） 来阐明的。 ◇操纵子学说概述 启动基因（Promoter gene）：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（cyclic AMP, cAMP）与 CAP 组成的复合物 ( cAMP-CAP) 的结合位点。 操纵基因（Operator gene）：与调节基因产生的变构蛋白（阻遏蛋白）中的一种结构结合
从而操纵酶生物合成的时机和合成速度 调节基因( Regulator gene):产生一种阻遏蛋白。阻遏蛋白是一种由多个亚基组成的变 构蛋白,它可以通过与某些小分子效应物(诱导物或阻遏物)的特异结合而改变其结构,从 而改变它与操纵基因的结合力。当阻遏蛋白与操纵基因结合时,由于空间排挤作用,RNA 聚合酶就无法结合到启动基因的位点上,也无法进行结构基因的位置进行转录,酶的生物合 成也就无法进行。 结构基因( Strutural gene):结构基因与多肽链有各自的对应关系。结构基因上的遗传信 息可以转录成为mRNA上的遗传密码,再经翻译成为酶蛋白的多肽链,每一个结构基因对 应一条多肽链。 ◆操纵子( Operon):是基因表达和控制的一个完整单元,其中包括结构基因,调节基因, 操纵基因和启动基因。 诱导型操纵子( Inducible operon)-大肠杆菌乳糖操纵子 操纵子 控制区 结构基因 DNA调节基因 启动基因操纵基因基因1基因2基因3 阻遏蛋白 聚合的阻蛋自*米 DNA调节基 启动基因操纵基因基因1基因2基因3 阻蛋白 R聚合一 mRNA S 诱导物阻遏蛋白 诱导物 诱导酶○ (2) 阻遏型操纵子〔 Repressible operon)一色氨酸操纵子(Trp。per。n)
从而操纵酶生物合成的时机和合成速度。 调节基因（Regulator gene）: 产生一种阻遏蛋白。阻遏蛋白是一种由多个亚基组成的变 构蛋白，它可以通过与某些小分子效应物（诱导物或阻遏物）的特异结合而改变其结构，从 而改变它与操纵基因的结合力。当阻遏蛋白与操纵基因结合时，由于空间排挤作用，RNA 聚合酶就无法结合到启动基因的位点上，也无法进行结构基因的位置进行转录，酶的生物合 成也就无法进行。 结构基因（Strutural gene）：结构基因与多肽链有各自的对应关系。结构基因上的遗传信 息可以转录成为 mRNA 上的遗传密码，再经翻译成为酶蛋白的多肽链，每一个结构基因对 应一条多肽链。 ◆操纵子（Operon）：是基因表达和控制的一个完整单元，其中包括结构基因，调节基因， 操纵基因和启动基因。 ◇诱导型操纵子（Inducible operon）—大肠杆菌乳糖操纵子 ◇阻遏型操纵子（Repressible operon）—色氨酸操纵子 ( Trp operon )
分支酸→邻氨基苯甲酸→磷酸核糖基→CRP→吲哚甘油-磷酸→色氨酸 邻氨基萃甲酸 邻氨基苯甲酸合成酶 吲哚甘油 色氨酸合成 硼酸合成酶 60,00060,000 45,00050,00029,000 1191 P:起动子;O:操纵子;1:前导序列;a:衰减子;tt':终止子 图16-15 E coli rpo的结构及其产物所催化的色氨酸合成反应 (1)Tp作为辅阻遏物( corepressor) (2)阻遏物和 RNA pol在PO重叠区产生竞争性抑制 (3)阻遏物的阻遏能力低,是LacR的1/千干 (4)tO调节合成代谢,存在衰减作用。 伟氟回哚甘油色氨积台成 pR(无活性) PPN2sAUGAAAGCAAUUUUCGUACUGAAGGUDGGUGGCG CACUUCCUGANnA UUUUUUUU 活化的 图16-7TrpR被Trp激活后可阻過tPp拂纵子的转录 GENES》N,1990.F 图类个有基结长2个是担图动(31则图王点 色氨酸阻遏 衰减子作用 ◇分解代谢物阻遏作用:是指某些物质(主要是指葡萄糖和其它容易利用的碳源等)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。(葡萄糖效应、二次生长 现象)
(1) Trp 作为辅阻遏物(corepressor) (2)阻遏物和 RNA pol 在 P,O 重叠区产生竞争性抑制； (3)阻遏物的阻遏能力低，是 LacR 的 1/千； (4)trpO 调节合成代谢，存在衰减作用。 色氨酸阻遏 衰减子作用 ◇分解代谢物阻遏作用：是指某些物质（主要是指葡萄糖和其它容易利用的碳源等）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。（葡萄糖效应、二次生长 现象 ）
葡萄糖 AMP 乳糖操纵子 一结构基 启动基因操纵基因 节基因 pol 0 LacZ LacY LacA 遏蛋白 NA聚合酶 mRNA r ●阻遏蛋白 乳糖 半乳糖苷酶透过南转乙酰基酌 (1)乳糖操纵子的启动基因内,除RNA聚合酶结合位点外,还有一个称为CAP-CAMP复 合物的结合位点 (2)cAMP是环腺苷酸,CAP是降解物基因活化蛋白(又称为CAMP受体蛋白,CRP) 当CAP与CAMP结合后,就会被活化。 (3)CAP-CAMP复合物又会激活启动基因,并使RNA聚合酶与启动基因结合。 4)乳糖与葡萄糖同时存在时,因为分解葡萄糖的酶类属于组成酶,能迅速地将葡萄糖降 解成某种中间产物(Ⅹ),Ⅹ既会阻止ATP环化形成CAMP,同时又会促进CAMP分解成 AMP,从而降低了CAMP的浓度,继而阻遏了与乳糖降解有关的诱导酶合成。 132真核生物酶生物合成的调节 ◆目前为止,还没有统一的理论和模型来阐述真核生物酶生物合成的调节规律。 ◆真核生物细胞中酶合成的调节控制:从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等。 2常用的产酶微生物 ◆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
（1）乳糖操纵子的启动基因内，除 RNA 聚合酶结合位点外，还有一个称为 CAP-cAMP 复 合物的结合位点 （2）cAMP 是环腺苷酸，CAP 是降解物基因活化蛋白（又称为 cAMP 受体蛋白，CRP）， 当 CAP 与 cAMP 结合后，就会被活化。 （3）CAP-cAMP 复合物又会激活启动基因，并使 RNA 聚合酶与启动基因结合。 （4）乳糖与葡萄糖同时存在时，因为分解葡萄糖的酶类属于组成酶，能迅速地将葡萄糖降 解成某种中间产物（X），X 既会阻止 ATP 环化形成 cAMP，同时又会促进 cAMP 分解成 AMP，从而降低了 cAMP 的浓度，继而阻遏了与乳糖降解有关的诱导酶合成。 1.3.2 真核生物酶生物合成的调节 ◆目前为止，还没有统一的理论和模型来阐述真核生物酶生物合成的调节规律。 ◆真核生物细胞中酶合成的调节控制：从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等。 2.常用的产酶微生物 ◆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