酶工程教案长沙医学院.docx

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酶工程教案长沙医学院

长沙医学院教案

课程名称

酶工程

授课题目（章节或主题）

第二章微生物发酵产酶

授课教师

罗琼

所属系（部）

基础医学系

所属教研室

生物技术

职称

助教

授课时间

年月日第周星期第节第次课

授课时数

8学时

授课班级

生物技术专业（本科√专科□）级

教学课型

理论课√实验课□见习课□习题课□讨论课□其它□

教材名称、作者、出版社及出版时间

酶工程、郭勇主编、科学出版社、2009.8

教学目的要求：

1.微生物细胞中酶生物合成的调节方式。

2.发酵工艺条件及其控制。

3.固定化微生物细胞发酵产酶。

4.固定化微生物原生质体发酵产酶。

重点与难点：

重点：

酶生物合成的调节和发酵工艺条件

难点：

酶发酵动力学

教学方法（请打√选择）：

讲授法√讨论法□启发式□自学辅导法√练习法（习题或操作）读书指导法√ＰＢＬ（以问题为中心的教学法）□其他□

教学手段（请打√选择）：

板书√实物□标本□挂图□模型□投影√幻灯□录像√CAI（计算机辅助教学）□

教学过程设计和教学内容：

引言：

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，称为酶的发酵生产。

根据微生物培养方式的不同，可以分为：

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。

第1节微生物细胞中酶生物合成的调节

一、酶生物合成的基本过程

（一）中心法则-CentralDogma

（二）RNA的生物合成-Transcription

（三）蛋白质的生物合成-Translation

二、酶生物合成的调节-Regulation

（一）组成型酶和适应型酶

1.组成型酶：

有的酶在细胞中的量比较恒定，环境因素对这些酶的合成速率影响不大，这类酶称为组成型酶。

2.适应型酶：

有些酶在细胞中的含量变化很大，其合成速率明显受到环境因素的影响，这类酶称为适应型酶。

（二）转录水平的调节对酶的生物合成是最重要的调节

1.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。

原核生物中，操纵子有两种类型，即诱导型和阻遏型。

2.诱导型操纵子在无诱导物的情况下，其基因的表达水平很低或不表达，只有在诱导物存在的条件下，曹能转录生成mRNA，进而合成酶。

3.阻遏型操纵子在无阻遏物情况下，基因正常表达，当有阻遏物存在时，转录受到阻遏。

（三）转录水平的调节主要有三种模式

1.分解代谢物阻遏作用

2.酶合成的诱导作用

3.酶合成的反馈阻遏作用

第二节产酶微生物的特点

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!

由非致病微生物制取的酶,需作短期毒性实验。

非常见微生物制取的酶,需做广泛的毒性实验,包括慢性中毒实验。

一、大肠埃希氏杆菌

（一）简称为大肠杆菌，是最为著名的原核生物。

（二）应用：

大肠杆菌能作为宿主供大量的细菌病毒生长繁殖；也是最早用作基因工程的宿主菌；工业上生产谷氨酸脱羧酶，天冬酰胺酶和制备天冬氨酸、苏氨酸及缬氨酸等。

二、枯草芽孢杆菌枯草芽孢杆菌

（一）枯草芽孢杆菌是工业发酵的重要菌种之一。

生产淀粉酶、蛋白酶、5’-核苷酸酶、某些氨基酸及核苷。

三、根霉

（一）代表种：

米根霉（R.oryzae）黑根霉（R.nigrican）等。

（二）应用：

根霉能产生一些酶类，如淀粉酶、果胶酶、脂肪酶等，是生产这些酶类的菌种。

在酿酒工业上常用做糖化菌。

有些根霉还能产生乳酸、延胡索酸等有机酸。

四、曲霉

（一）代表种：

黑曲霉Asp.Niger、黄曲霉Asp.flavus

（二）应用：

是制酱、酿酒、制醋的主要菌种。

是生产酶制剂（蛋白酶、淀粉酶、果胶酶）的菌种。

生产有机酸（如柠檬酸、葡萄糖酸等）。

农业上用作生产糖化饲料的菌种。

第三节发酵工艺条件及其控制大肠杆菌也是最早用作基因工程的宿主菌

一、培养基的配制工业上生产谷氨酸脱羧酶、天冬酰胺酶和

（一）培养基的设计原则

1、选择适宜的营养物质

2、营养物的浓度及配比合适

3、物理、化学条件适宜

4、经济节约

5、精心设计、试验比较

培养不同的微生物必须采用不同的培养条件；

培养目的不同，原料的选择和配比不同；

不同阶段，培养条件也有所差异。

（2）培养基的定义

1.培养基（medium）是人工配制的，适合微生物生长繁殖或产生代谢产物的营养基质。

2.培养基几乎是一切对微生物进行研究和利用工作的基础。

3.任何培养基都应该具备微生物生长所需要五大营养要素。

五大要素：

碳源、氮源、无机盐、生长因子、水

2、发酵条件及控制

（1）pH值的控制

1.通常培养条件：

细菌与放线菌：

pH6.5~8.0

酵母菌和霉菌：

pH4~6范围内生长

2.细胞发酵产酶的最适pH值与生长最适pH值往往有所不同。

细胞生产某种酶的最适pH值通常接近于该酶催化反应的最适pH值。

（二）温度的控制

1.有些细胞发酵产酶的最适温度与细胞生长最适温度有所不同，而且往往低于生长最适温度。

2.有些细胞发酵产酶的最适温度与细胞生长最适温度有所不同，而且往往低于生长最适温度。

（三）溶解氧的控制

1.控制溶解氧方法：

调节通气量；调节氧的分压；调节气液接触时间；调节气液接触面积；改变培养液的性质

三、提高酶产量的措施

（一）添加诱导物

1.对于诱导酶的发酵生产，在发酵过程中的某个适宜的时机，添加适宜的诱导物，可以显著提高酶的产量.

（二）控制阻遏物的浓度

阻遏作用根据机理不同，可分为：

产物阻遏和分解代谢物阻遏两种。

1.产物阻遏作用是由酶催化作用的产物或者代谢途径的末端产物引起的阻遏作用。

2.分解代谢物阻遏作用是由分解代谢物（葡萄糖等和其它容易利用的碳源等物质经过分解代谢而产生的物质）引起的阻遏作用。

控制阻遏物的浓度是解除阻遏、提高酶产量的有效措施。

（3）添加表面活性剂

1.表面活性剂可以与细胞膜相互作用，增加细胞的透过性，有利于胞外酶的分泌，从而提高酶的产量。

2.适量的非离子型表面活性剂，如吐温（Tween）、特里顿（Triton）等添加到培养基中，可以加速胞外酶的分泌，而使酶的产量增加。

（四）添加产酶促进剂

1.产酶促进剂是指可以促进产酶、但是作用机理未阐明清楚的物质。

产酶促进剂对不同细胞、不同酶的作用效果各不相同，现在还没有规律可循，要通过试验确定所添加的产酶促进剂的种类和浓度。

第四节酶生成过程的动力学

一、酶生物合成的模式

通过分析比较细胞生长与酶产生的关系,可以把酶生物合成的模式分为4种类型。

即同步合成型，延续合成型，中期合成型和滞后合成型。

（1）同步合成型

1.酶的生物合成与细胞生长同步进行的一种酶生物合成模式。

该类型酶的生物合成速度与细胞生长速度紧密联系，又称为生长偶联型。

2.大部分组成酶的生物合成属于同步合成型，有部分诱导酶也按照此种模式进行生物合成。

（2）延续合成型

1.酶的生物合成在细胞的生长阶段开始，在细胞生长进入平衡期后，酶还可以延续合成一段较长时间。

2.属于该类型的酶可以是组成酶，也可以是诱导酶。

（三）中期合成型

1.该类型的酶在细胞生长一段时间以后才开始，而在细胞生长进入平衡期以后，酶的生物合成也随着停止。

（四）滞后合成型

1.此类型酶是在细胞生长一段时间或者进入平衡期以后才开始其生物合成并大量积累。

又称为非生长偶联型。

许多水解酶的生物合成都属于这一类型。

（五）理想的酶合成模式

1.在酶的发酵生产中，为了提高产酶率和缩短发酵周期，最理想的合成模式应是延续合成型。

二、酶生产过程中细胞生长动力学

细胞生长动力学主要研究细胞生长速度以及外界环境因素对细胞生长速度影响的规律。

1950年，法国的莫诺德（Monod）首先提出了表述微生物细胞生长的动力学方程。

3、产酶动力学

产酶动力学主要研究细胞产酶速率以及各种环境因素对产酶速率的影响规律。

产酶动力学的研究可以从整个发酵系统着眼，研究群体细胞的产酶速率及其影响因素，这称为宏观产酶动力学或这称为非结构动力学。

也可以从细胞内部着眼，研究细胞中酶合成速率及其影响因素，这谓之微观产酶动力学或称为结构动力学。

在酶的发酵生产中，酶的产量高低，是发酵系统中群体细胞产酶的集中体现，宏观产酶动力学的研究表明，产酶速率与细胞比生长速率、细胞浓度以及细胞产酶模式有关。

产酶动力学方程：

RE=dE/dt=（αμ+β）X

小结：

重点掌握酶生物合成的调节和提高酶产量的措施有哪些，理解酶发酵动力学。

此列为提示栏（包括重点、难点、教学方法、教学手段、更新教学内容、教书育人等）

图示中心法则

结合生化内容复习

重点内容

图示操纵子

通过介绍JacobandMonod的实验来说明诱导型操纵子和阻遏型操纵子

图示乳糖操纵子结构

图示细菌乳糖操纵子的作用机制

图示诱导机制

图示色氨酸操纵子（酶的阻遏）

图示大肠杆菌

图示枯草芽孢杆菌

图示根霉

图示曲霉

列表:

各种生物对营养的需求

复习微生物学所学培养基知识

图示温度对微生物的影响

重点内容

图示细胞的生长曲线

图示米曲霉单宁酶生物合成曲线

图示黑曲霉聚半乳糖醛酸酶生物合成曲线

图示枯草杆菌碱性磷酸酶生物合成曲线

图示黑曲霉羧基蛋白酶生物合成曲线

图示产物的比生长速率与细胞的比生长速率的关系

时间分配

30min

80min

30min

10min

40min

20min

30min

20min

20min

40min

复习思考及作业题布置

书本63页复习思考题2、3、4、5、6、7题。

授课的创新点：

参考资料（包括辅助教材、参考书、文献等）：

袁勤生主编，酶与酶工程第2版，华东理工大学出版社，2012.8

陈守文主编，酶工程，科学出版社，2008

教研室意见：

教研室主任签章：

年　　月　　日

课后记（即通过收集教学督导专家、同行和学生的反馈信息，认真整理分析成功的经验和不足之处，在课程结束后填写）