R mRNA
mRNAZ 乳糖 阻遏蛋白 （有活性） 阻遏蛋白 （无活性）
mRNAY
mRNAa
基 因 表 达
武汉生物工程学院生物工程系酶工程教研室 B、乳糖酶的诱导
2.末端产物阻遏
由某代谢途径末端产物的过 量累积引起的阻遏 酶合成阻遏的现象：
× E A→→ →→ →B
实验：
（1）大肠杆菌生长在无机盐和葡萄糖的培养基上时， 检测到细胞内有色氨酸合成酶的存在； （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低，直至消失。 （3）表明色氨酸的存在阻止了色氨酸合成酶的合成， 现了菌体生长的经济原则:不需要就不合成。
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3、微生物发酵法
是20世纪50年代以来生产酶的主要方法。
利用微生物细胞的生命活动合成所需酶的方法称 为发酵法。 酶的发酵生产是现在酶生产的主要方法。 经过预先设计，通过人工操作控制，利用细胞 （包括微生物细胞、动植物细胞）的生命活动， 产生人们所需的酶的过程，称为酶的发酵生产。
酶的生产方法
一、酶的生产方法 1、提取法
牛胃→凝乳酶 胰脏→胰酶 血液→凝血酶 木瓜→木瓜蛋白酶
采用各种技术，直接从动、植物细胞或组织中将 酶提取出来。提取法虽简单易行，但受原材料来源的 限制。 2、化学合成法 是20世纪60年代中期出现的新技术。 只能合成那些已知化学结构的酶；成本比较高。 目前仍然停留在实验室内合成的阶段。
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-半乳糖苷透过酶
硫代半乳糖苷转乙酰酶
调节 基因 R
启 动 操纵 子 基因
P O LacZ
乳糖结构基因
LacY Laca
mRNA
基
阻遏蛋白 （有活性）
因
关
闭
诱 导
A乳糖操纵子的结构
启 动 操纵 子 基因 P O 乳糖结构基因 LacZ LacY Laca
调节 基因
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。
黑曲霉聚半乳糖醛酸酶合成曲线 例如：
60
细胞 或酶浓 度
细胞
50.0
酶浓度 (单位 /ml)
细 胞浓度 酶浓度
25.0 20 12.5
b
时 间
0
0
40
时间 (h)
80
120
0.0
特点：可受诱导，一般不受分解代谢物阻 遏。所对应的mRNA相当稳定。
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二、应用微生物来开发酶的优点 1、微生物种类多，酶种丰富； 2、微生物生长繁殖快，易提取酶，特别是胞外酶； 3、微生物培养基来源广泛，价格便宜； 4、可采用微电脑等新技术，控制酶发酵生产过程； 5、可利用以基因工程为主的近代分子生物学技术选 育菌种，增加酶的产率和开发新酶种。
诱导物
酶的阻遏 无活性 － 阻遏物
－
转录， 继而翻译
乳糖操 纵子
＋
不转录， 色氨酸 继而不翻译 操纵子
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3.分解代谢物阻遏
指细胞内同时有两种分解底物（碳 源或氮源）存在时，利用快的那种 分解底物会阻遏与利用慢的底物的 分解有关的酶的合成的现象。
A1 B1 E A2 × B2
胞内
胞外
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二、酶生物合成的调节
按酶生物合成的速度把细胞中合成的酶分为两类： 组成酶—恒定（速度、浓度） 诱导酶—
(适应型酶、 调节型酶)
在外界环境因素诱导下合成速 度急增，酶浓度成百上千倍增 加
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基因操纵子调节系统示意图
操纵子 控制区 调节基因 启动基因 操纵基因 信息区 结构基因 DNA
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三、酶发酵生产的类型 1、液体深层发酵：
液体培养基，经灭菌、冷却后，接入产酶细胞，在一定条件 下发酵。
2、固体培养发酵
培养基以麸皮、米糠等为主要原料，经灭菌后，接入产酶菌 株，在一定条件下发酵。
3、固定化细胞发酵（70年代后期发展）
将细胞固定在载体上后，进行发酵生产择与改造
（1）选择最理想的酶合成模式——延续合成型； （2）改造非理想模式 A、同步合成型：适当降低发酵温度，尽量提 高相应的mRNA的稳定性； B、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； C、中期合成型：努力提高mRNA稳定性，解 除代谢物阻遏物。
第三章 酶制剂的发酵（培养）生产
本章主要内容： 酶生物合成的基本理论； 发酵产酶的工艺条件及控制； 酶发酵动力学；
固定化细胞和原生质体发酵产酶。
重点： 酶生物合成的基本理论； 微生物发酵产酶工艺。 难点：
酶生物合成的诱导和阻遏；
发酵过程细胞生长与酶合成之 间的关系。
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大肠杆菌 谷氨酸脱羧酶、天冬氨酸酶、青霉素酰化酶、天冬酰胺 酶、β -半乳糖苷酶、限制性核酸内切酶、DNA聚合酶、DNA连 接酶、核酸外切酶等。 枯草杆菌 α -淀粉酶、蛋白酶、 β -葡聚糖酶、5‘-核苷酸酶、碱 性磷酸酶。
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2、放线菌
链霉菌：葡萄糖异构酶、青霉素酰化酶、纤维素酶、碱 性蛋白酶、中性蛋白酶、几丁质酶等。
50 50 40 30 20
细胞 或酶浓 度
细胞 酶
细胞 浓 度 (g/L)
40 30 20 10 0
酶浓 度 细胞 浓 度
0 20 40 60 80
10 0
c
时 间
时 间 (h)
黑曲霉酸性蛋白酶合成曲线
特点：受分解代谢物的阻遏作用。 所对应的mRNA稳定性高。
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色氨酸操纵子——酶的阻遏
结构基因 调节基因 操纵基因 调节基因
操纵基因
结构基因
mRNA
阻遏蛋白 阻遏蛋白
酶蛋白
辅阻遏物
代谢产物与阻遏蛋白结 阻遏蛋白不能与操纵基因结合， 合，使之构象发生变化 与操纵基因结合，结构基 结构基因表达 因不能表达 武汉生物工程学院生物工程系酶工程教研室
转录
RNA聚合酶 翻译
（ -） （+） 转录
mRNA 翻译
阻遏蛋白
蛋白质
诱导剂
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(二) 酶合成调节的类型
1.诱导 (induction)
组成酶：细胞固有的酶类。 诱导酶：是细胞为适应外来底物或其结构类似
物而临时合成的一类酶。
2.阻遏 (repression)
分解代谢物阻遏(catabolite repression) 反馈阻遏(feedback repression)
酶浓 度 (U)
浓度
同步合成型
细胞浓度 酶浓度
中期合成型
细胞浓度 酶浓度
延续合成型
酶浓度 细胞浓度
滞后合成型
酶浓度
细胞浓度
时间(h)
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影响酶生物合成的模式的主要因素是：
（1）mRNA的稳定性； （2）培养基中阻遏物存在与否。
规律：
（1）mRNA稳定性高，细胞停止生长后继续合成其所对应的酶； （2）mRNA稳定性差，酶的合成随着细胞停止生长而终止； （3）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。 （4）不受某些物质阻遏，酶的合成随着细胞生长而同步增长。
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第二节 产酶微生物的特点
（一）产酶菌种的要求
（1）产酶量高； （2）繁殖快，发酵周期短；
（3）产酶稳定性好，不易退化，不 易被感染；
（4）能够利用廉价原料，容易培养 和管理； （5）安全性可靠，非致病菌。
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（二）、常用的产酶微生物 1、细菌
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胞浓度 (g/L) 细
酶
40
37.5
特点：可受诱导，一般不受分解代谢物阻遏。 所对应的mRNA相当稳定。 但存在阻遏物时，合成模式转为滞后型。
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4.滞后合成型（又称非生长偶联型）
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。
5'-AMP
磷酸二酯 酶 激活
分解代 谢产物
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三、酶生物合成的模式
细胞浓度 (g/L)
O
A
B
C
D
E
培养 时间 (h)
细胞生长曲线
O-A 延迟期 A-B指数生长期 B-C减速期 C-D 静止期 D-E 衰亡期
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根据酶的合成与细胞生长之间的关系，可将 酶的生物合成分为四种模式(三大类型)，即： 同步合成型 生长偶联型—— 中期合成型 部分生长偶联型——延续合成型 非生长偶联型 —— 滞后合成型
3、霉菌
黑曲霉：糖化酶、α -淀粉酶、酸性蛋白酶、果胶酶、葡 萄糖氧化酶、过氧化氢酶、核糖核酸酶、橙皮苷酶等。 米曲霉：氨基酰化酶、磷酸二酯酶、果胶酶等。 红曲霉：α -淀粉酶、糖化酶、麦芽糖酶、蛋白酶等。 青霉：葡萄糖氧化酶、苯氧甲基青霉素酰化酶、纤维素酶 等。 木霉：纤维素酶。 根霉：糖化酶、蔗糖酶、碱性蛋白酶，脂肪酶、果胶酶、 纤维素酶、半纤维素酶等。 毛霉：蛋白酶、糖化酶、α -淀粉酶、脂肪酶、果胶酶、 凝乳酶等。
实验：细菌在含有葡萄糖和乳糖的培养基上生长，优
先利用葡萄糖。待葡萄糖耗尽后才开始利用乳糖，产 生了两个对数生长期中间隔开一个生长延滞期的“二 次生长现象”(diauxie或biphasic growth）。