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1、食品生物技术食品生物技术精品课程主讲：刘常金第七章微生物发酵产酶酶的生产方法提取分离法 (Extraction)生物合成 (Biosynthesis)化学合成 (chemicalsynthesis)SOD - blood Papain-Papaya Chymotrypsin-Pancrea organ/tissue/cellAmylase from Bacillus Protease from Bacillus Phosphatase from Bacillus Glucoamylase from Aspergillus Plant cell culture Animal cell cultu
2、reFew exampleContents 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2.1 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- RegulationGoGoGoGo下一节本章 目录Reverse transcription1、中心法则-Central Dogma Replic
3、ation 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。本节 目录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。 (
4、2) 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。转录过程的特点1、转录的不对称性：在RNA的合成中，DNA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。反义链 antisense
5、strand（无意义链，负链）：在RNA的转录中 ，用作模板的DNA链称为反义链。 有义链 coding strand（编码链，正链）：在RNA的转录中，不 作为模板的DNA链称为有义链。2、转录所需酶：依赖DNA的RNA聚合酶又称为转录酶，是以 DNA为模板的一类RNA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1 种RNA聚合酶催化所有RNA的生物合成。而在真核生物中 RNA聚合酶有3种，分别为RNA聚合酶、RNA聚合酶和 RNA聚合酶，它们都属于寡聚酶，酶的亚基数目为4 10个，亚基种类有46种。 The E. coli RNA polymerase h
6、oloenzyme consists of six subunits: a a2 2 s. s.Possible catalytic subunitsPromoter specificityEnzyme assembly,Enzyme assembly, promoter recognition,promoter recognition, activator bindingactivator bindingRole unknownRole unknown (not needed (not needed in vitroin vitro) )36.5 36.5 kDakDa151151 1551
7、5511 11 kDakDa(32-90 (32-90 kDakDa) )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本节 目录3、蛋白质的合成(翻译)-Translation翻译: 以RNA中mRNA为模板,按照其核苷酸顺序所组成的密码指导蛋白质的合成的过程.mRNA蛋白质翻译各种信息 各种蛋白质（核苷酸排列顺序） （氨基酸排列顺序）蛋白质合成的几个要素-mRNA(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,
8、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。蛋白质合成的几个要素-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个密码蛋白质合成的几个要素- 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tR
9、NA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553AUG GUU UAC ACA酪氨酰- tRNA反密码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
10、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氨基酸活化生成 氨酰-tRNA 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
11、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-mRNA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。 蛋白质合成起始进 位转 位成肽合成
12、终止高效率的蛋白 质合成体系蛋白质的空间结构如何形成？ 功能与结构如何统一？ 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4、酶生物合成的调节 (regulation)基因水平的表达控制 酶含量的调节操纵子（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。A BEX底物水平 的调节酶水平 的调节酶活性的调节 酶含量的调节 酶的定位调节辅助因 子调节生长发育的不同时期 外界环境变化 酶合成与
13、分解速度的变化（基因表达调控）产物调节细胞内酶的调控模式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 ，所合成的酶的种类及数量是由特殊的基因信息决定 的。DNA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，基因表达的调控主要在转录水平上进行。酶合成诱导的现象Jacob and Monod的工作：已知分解利用乳糖的酶有：-半乳糖苷酶； -半乳糖苷 透过酶；硫代半
14、乳糖苷转乙酰酶。 实验：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；2.大肠杆菌生长在唯一碳源乳糖培养基上时，细胞内有上 述三种酶合成；当换成葡萄糖培养基时，三种酶基本消失；3.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，H.Karstrom在对糖代谢过程中的某些酶 的合成进行研究时提出：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 的基因的表达而进行的，这种现象叫做酶合成的诱导。能诱 导酶合成的物质叫诱导物。被诱导合成的酶叫诱导酶。酶合成阻遏的现象Jacob and Monod的工作： 实验：1.大肠杆菌生长在无机盐和葡萄糖的培养基上时，
15、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，体现了 菌生长的经济原则：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 码的基因的表达而进行的，这种现象叫做酶合成的阻遏。 能阻遏酶合成的物质叫辅阻遏物。被辅阻遏物作用而停止 合成的酶叫阻遏酶。乳糖操纵子的结构诱导机制调节基因操纵基因结构基因mRNA酶蛋白阻遏蛋白不能与操纵基因结合， 结构基因表达调节基因操纵基因结构基因辅阻遏物trp代谢产物与阻遏蛋白结 合，使之构象发生变化 与操纵基因结合，结构 基因不能表达色
16、氨酸操纵子（酶的阻遏）-阻遏物和操纵基因的调节细菌乳糖操纵子的作用机制(降解物阻遏)调节基因启动子操纵 基因lacZ lacYlacACAP cAMPCAP-cAMP 复合物mRNA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cAMP的浓度降低， CAP-cAMP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本节 目录2.2 常见产酶微生物 Common microorganism in Enzyme Production 基本要求： 不是致病菌 发酵周期短,产酶量高 不易变异退化 最好是产生胞外酶的菌种,利于分离。 对医药和食品用酶,还应考虑安全性：凡从可食部分或食品加工中传统使用的微生物生产的 酶,安全!
