酶工程教案長沙醫(yī)學(xué)院

1、長沙醫(yī)學(xué)院教案課程名稱酶工程授課題目（章節(jié)或主題）第二章微生物發(fā)酵產(chǎn)酶授課教師羅瓊所屬系（部）基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)系所屬教研室生物技術(shù)職稱助教授課時間年月日第周星期第節(jié)第次課授課時數(shù)8學(xué)時授課班級生物技術(shù)專業(yè)（本科V?？瓶冢┘x2教學(xué)課型理論課V實(shí)驗(yàn)課口見習(xí)課口習(xí)題課口討論課口其它口教材名稱、作者、出版社及出版時間酶工程、郭勇主編、科學(xué)出版社、2009.8教學(xué)目的要求：1 .微生物細(xì)胞中酶生物合成的調(diào)節(jié)方式。2 .發(fā)酵工幺條件及其控制。3 .固定化微生物細(xì)胞發(fā)酵產(chǎn)酶。4 .固定化微生物原生質(zhì)體發(fā)酵產(chǎn)酶。重點(diǎn)與難點(diǎn)：重點(diǎn)：酶生物合成的調(diào)節(jié)和發(fā)酵工藝條件難點(diǎn)：酶發(fā)酵動力學(xué)教學(xué)方法（請打，選擇）：講授法V討論法口

2、啟發(fā)式口自學(xué)輔導(dǎo)法V練習(xí)法（習(xí)題或操作）讀書指導(dǎo)法VPBL（以問題為中心的教學(xué)法）口其他口教學(xué)手段（請打，選擇）：板書，實(shí)物口標(biāo)本口掛圖口模型口投影，幻燈口錄像，CAI（計算機(jī)輔助教學(xué)）口教學(xué)過程設(shè)計和教學(xué)內(nèi)容：引言：經(jīng)過預(yù)先設(shè)計，通過人工操作，利用微生物的生命活動獲得所需的酶的技術(shù)過程，稱為酶的發(fā)酵生產(chǎn)。根據(jù)微生物培養(yǎng)方式的不同，可以分為：固體培養(yǎng)發(fā)酵、液體深層發(fā)酵、固定化微生物細(xì)胞發(fā)酵、固定化微生物原生質(zhì)體發(fā)酵。A節(jié)微生物細(xì)胞中酶生物合成的調(diào)節(jié)一、酶生物合成的基本過程（一）中心法則-CentralDogma（二）RNA的生物合成-Transcription（三）蛋白質(zhì)的生物合成-Trans

3、lation二、酶生物合成的調(diào)節(jié)-Regulation（一）組成型酶和適應(yīng)型酶1 .組成型酶：有的酶在細(xì)胞中的量比較恒定，環(huán)境因素對這些酶的合成速率影響不大，這類酶稱為組成型酶。2 .適應(yīng)型酶：有些酶在細(xì)胞中的含量變化很大，其合成速率明顯受到環(huán)境因素的影響，這類酶稱為適應(yīng)型酶。此列為提示欄（包括重點(diǎn)、難點(diǎn)、教學(xué)方法、教學(xué)手段、更新教學(xué)內(nèi)容、教書育人等）圖示中心法則結(jié)合生化內(nèi)容復(fù)習(xí)重點(diǎn)內(nèi)容時間分配30min80min（二）轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)節(jié)對酶的生物合成是最重要的調(diào)節(jié)1 .操縱子（operon）:是一組功能上相關(guān)，受同一調(diào)控區(qū)控制的基因組成的一個遺傳單位。原核生物中，操縱子有兩種類型，即誘導(dǎo)型和阻遏

4、型。2 .誘導(dǎo)型操縱子在無誘導(dǎo)物的情況下，其基因的表達(dá)水平很低或小表達(dá)，只有在誘導(dǎo)物存在的條件下，曹能轉(zhuǎn)錄生成mRNA,進(jìn)而合成酶。3 .阻遏型操縱子在無阻遏物情況下，基因正常表達(dá)，當(dāng)有阻遏物存在時，轉(zhuǎn)錄受到阻遏。（三）轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)節(jié)主要有三種模式1 .分解代謝物阻遏作用2 .酶合成的誘導(dǎo)作用3 .酶合成的反饋?zhàn)瓒糇饔玫诙?jié)產(chǎn)酶微生物的特點(diǎn)基本要求：不是致病菌；發(fā)酵周期短，產(chǎn)酶量高；不易變異退化；最好是產(chǎn)生胞外酶的菌種，利于分離；對醫(yī)藥和食品用酶，還應(yīng)考慮安全性。凡從可食部分或食品加工中傳統(tǒng)使用的微生物生產(chǎn)的酶，安全！圖示操縱子通過介紹JacobandMonod的實(shí)驗(yàn)來說明誘導(dǎo)型操縱子和阻遏型

5、操縱子圖示乳糖操縱子結(jié)構(gòu)圖示細(xì)菌乳糖操縱子的作用機(jī)制圖示誘導(dǎo)機(jī)制圖示色氨酸操縱子（酶的阻遏）由非致病微生物制取的酶，需作短期毒性實(shí)驗(yàn)。非常見微生物制取的酶，需做廣泛的毒性實(shí)驗(yàn)，包括慢性中毒實(shí)驗(yàn)。一、大腸埃希氏桿菌（一）簡稱為大腸桿菌，是最為著名的原核生物。（二）應(yīng)用：大腸桿菌能作為宿主供大量的細(xì)菌病毒生長繁殖；也是最早用作基因工程的宿主菌；工業(yè)上生產(chǎn)谷氨酸脫竣酶，天冬酰胺酶和制備天冬氨酸、蘇氨酸及繳氨酸等。二、枯草芽胞桿菌枯草芽胞桿菌（一）枯草芽抱桿菌是工業(yè)發(fā)酵的重要菌種之一。生產(chǎn)淀粉酶、蛋白酶、5'-核甘酸酶、某些氨基酸及核昔。三、根霉（一）代表種：米根霉（R.oryzae）黑根霉（

6、R.nigrican）等。（二）應(yīng)用：根霉能產(chǎn)生一些酶類，如淀粉酶、果膠酶、脂肪酶等，是生產(chǎn)這些酶類的菌種。在釀酒工業(yè)上常用做糖化菌。有些根霉還能產(chǎn)生乳酸、延胡索酸等有機(jī)酸。30min圖示大腸桿菌10min圖示枯草芽抱桿菌四、曲霉（一）代表種：黑曲霉Asp.Niger、黃曲霉Asp.flavus（二）應(yīng)用：是制醬、釀酒、制醋的主要菌種。是生產(chǎn)酶制劑（蛋白酶、淀粉酶、果膠酶）的菌種。生產(chǎn)有機(jī)酸（如檸檬酸、葡萄糖酸等）。農(nóng)業(yè)上用作生產(chǎn)糖化飼料的菌種。第三節(jié)發(fā)酵工藝條件及其控制一、培養(yǎng)基的配制（一）培養(yǎng)基的設(shè)計原則1、選擇適宜的營養(yǎng)物質(zhì)2、營養(yǎng)物的濃度及配比合適3、物理、化學(xué)條件適宜4、經(jīng)濟(jì)節(jié)約5、

7、精心設(shè)計、試驗(yàn)比較培養(yǎng)/、向的微生物必須采用不同的培養(yǎng)條件；培養(yǎng)目的不同，原料的選擇和配比不同；不同階段，培養(yǎng)條件也有所差異。（二）培養(yǎng)基的定義圖示根霉圖示曲霉列表：各種生物對營養(yǎng)的需求40min20min1 .培養(yǎng)基（medium）是人工配制的，適合微生物生長繁殖或產(chǎn)生代謝產(chǎn)物的營養(yǎng)基質(zhì)。2 .培養(yǎng)基幾乎是一切對微生物進(jìn)行研究和利用工作的基礎(chǔ)。3 .任何培養(yǎng)基都應(yīng)該具備微生物生長所需要五大營養(yǎng)要素。五大要素：碳源、氮源、無機(jī)鹽、生長因子、水二、發(fā)酵條件及控制（一）pH值的控制1 .通常培養(yǎng)條件：細(xì)菌與放線菌：pH6.58.0酵母菌和霉菌：pH46范圍內(nèi)生長2 .細(xì)胞發(fā)酵產(chǎn)酶的最適pH值與生長

8、最適pH值往往有所不向。細(xì)胞生產(chǎn)某種酶白最適pH值通常接近于該酶催化反應(yīng)的最適pH值。（二）溫度的控制1 .有些細(xì)胞發(fā)酵產(chǎn)酶的最適溫度與細(xì)胞生長最適溫度有所不同，而且往往低于生長最適溫度。2 .有些細(xì)胞發(fā)酵產(chǎn)酶的最適溫度與細(xì)胞生長最適溫度有所不同，而且往往低于生長最適溫度。（三）溶解氧的控制復(fù)習(xí)微生物學(xué)所學(xué)培養(yǎng)基知識圖示溫度對微生物的影響30min1 .控制溶解氧方法：調(diào)節(jié)通氣量；調(diào)節(jié)氧的分壓；調(diào)節(jié)氣液接觸時間；調(diào)節(jié)氣液接觸面積；改變培養(yǎng)液的性質(zhì)三、提高酶產(chǎn)量的措施（一）添加誘導(dǎo)物2 .對于誘導(dǎo)酶的發(fā)酵生產(chǎn)，在發(fā)酵過程中的某個適宜的時機(jī)，添加適宜的誘導(dǎo)物，可以顯著提高酶的產(chǎn)量.（二）控制阻遏物

9、的濃度阻遏作用根據(jù)機(jī)理/、同，可分為：產(chǎn)物阻遏和分解代謝物阻遏兩種。3 .產(chǎn)物阻遏作用是由酶催化作用的產(chǎn)物或者代謝途徑的末端產(chǎn)物引起的阻遏作用。4 .分解代謝物阻遏作用是由分解代謝物（葡萄糖等和其它容易利用的碳源等物質(zhì)經(jīng)過分解代謝而產(chǎn)生的物質(zhì)）引起的阻遏作用。控制阻遏物的濃度是解除阻遏、提高酶產(chǎn)量的有效措施。（二）添加表面活性劑1 .表面活性劑可以與細(xì)胞膜相互作用，增加細(xì)胞的透過性，有利于胞外酶的分泌，從而提高酶的產(chǎn)量。2 .適量的非離子型表面活性劑，如吐溫（Tween）、特里頓（Triton）等添加重點(diǎn)內(nèi)容20min到培養(yǎng)基中，可以加速胞外酶的分泌，而使酶的產(chǎn)量增加。（四）添加產(chǎn)酶促進(jìn)劑1.

10、產(chǎn)酶促進(jìn)劑是指可以促進(jìn)產(chǎn)酶、但是作用機(jī)理未闡明清楚的物質(zhì)。產(chǎn)酶促進(jìn)劑對不同細(xì)胞、不同酶的作用效果各不相同，現(xiàn)在還沒有規(guī)律可循，要通過試驗(yàn)確定所添加的產(chǎn)酶促進(jìn)劑的種類和濃度。第四節(jié)酶生成過程的動力學(xué)一、酶生物合成的模式通過分析比較細(xì)胞生長與酶產(chǎn)生的關(guān)系，可以把酶生物合成的模式分為4種類型。即同步合成型，延續(xù)合成型，中期合成型和滯后合成型。（一）同步合成型1 .酶的生物合成與細(xì)胞生長同步進(jìn)行的一種酶生物合成模式。該類型酶的生物合成速度與細(xì)胞生長速度緊密聯(lián)系，又稱為生長偶聯(lián)型。2 .大部分組成酶的生物合成屬于同步合成型，有部分誘導(dǎo)酶也按照此種模式進(jìn)行生物合成。（二）延續(xù)合成型1.酶的生物合成在細(xì)胞的

11、生長階段開始，在細(xì)胞生長進(jìn)入平衡期后，酶還可以延續(xù)合成一段較長時間。圖示細(xì)胞的生長曲線圖示米曲霉單寧酶生物合成曲線圖示黑曲霉聚半20min2.屬于該類型的酶可以是組成酶，也可以是誘導(dǎo)酶。（三）中期合成型1.該類型的酶在細(xì)胞生長一段時間以后才開始，而在細(xì)胞生長進(jìn)入平衡期以后，酶的生物合成也隨著停止。（四）滯后合成型1.此類型酶是在細(xì)胞生長一段時間或者進(jìn)入平衡期以后才開始其生物合成并大量積累。又稱為非生長偶聯(lián)型。許多水解酶的生物合成都屬于這一類型。（五）理想的酶合成模式1.在酶的發(fā)酵生產(chǎn)中，為了提高產(chǎn)酶率和縮短發(fā)酵周期，最理想的合成模式應(yīng)是延續(xù)合成型。二、酶生產(chǎn)過程中細(xì)胞生長動力學(xué)細(xì)胞生長動力學(xué)主

12、要研究細(xì)胞生長速度以及外界環(huán)境因素對細(xì)胞生長速度影響的規(guī)律。1950年，法國的莫諾德（Monod）首先提出了表述微生物細(xì)胞生長的動力學(xué)方程。三、產(chǎn)酶動力學(xué)乳糖醛酸酶生物合成曲線圖示枯草桿菌堿性磷酸酶生物合成曲線圖示黑曲霉竣基蛋白酶生物合成曲線40min產(chǎn)酶動力學(xué)主要研究細(xì)胞產(chǎn)酶速率以及各種環(huán)境因素對產(chǎn)酶速率的影響規(guī)律。產(chǎn)酶動力學(xué)的研究可以從整個發(fā)酵系統(tǒng)著眼，研究群體細(xì)胞的產(chǎn)酶速率及其影響因素，這稱為宏觀產(chǎn)酶動力學(xué)或這稱為非結(jié)構(gòu)動力學(xué)。也可以從細(xì)胞內(nèi)部著眼，研究細(xì)胞中酶合成速率及其影響因素，這謂之微觀產(chǎn)酶動力學(xué)或稱為結(jié)構(gòu)動力學(xué)。在酶的發(fā)酵生產(chǎn)中，酶的產(chǎn)量高低，是發(fā)酵系統(tǒng)中群體細(xì)胞產(chǎn)酶的集中體現(xiàn)，宏觀產(chǎn)酶動力學(xué)的研究表明，產(chǎn)酶速率與細(xì)胞比生長速率、細(xì)胞濃度以及細(xì)胞產(chǎn)酶模式有關(guān)。產(chǎn)酶動力WT程：RE=dE/dt=(a+3)X小結(jié)：重點(diǎn)掌握酶生物合成的調(diào)節(jié)和提高酶產(chǎn)量的措施有哪些，理解酶發(fā)酵動力學(xué)。圖示產(chǎn)物的比生長速