3)微生物的筛选方法比较简单,而且已经很成熟,因此有可能在较短的时间内从成千 个菌株中筛选出高产菌种; 4)同样的反应可以用来源于不同微生物所产的性质略有不同的酶催化,因此生物反应 器的操作条件选择具有一定的灵活性和适应性,以便与前后工序相配合 5)微生物发酵生产的酶比活高,有利于酶的分离和提纯 正是由于以上优点,利用微生物生产酶制剂大大降低了酶的生产成本,提高了酶制剂 的生产能力,从而推动了工业规模酶制剂生产和酶制剂应用的进展 一般而言,水解酶都是胞外酶,而其它酶通常属于胞内酶。极大部分酶都属于结构(组 成)酶,即微生物的DNA分子中存在着编码该酶蛋白的基因,在细胞生长过程中就会产生这 些酶并参于细胞代谢过程,但是酶的产量受到细胞的调节和控制;其中有些属于诱导酶,即 需要在培养基中添加特殊的诱导剂才会产生的酶。野生微生物的产酶水平一般都不高,不能 直接用于酶制剂的工业化生产,必须进行菌种选育以提高产酶水平。 虽然每一种微生物的代谢过程都需要数以千计的酶参与,但是不是每一种微生物都适 合于酶的工业化生产。传统的产酶菌种都是从土壤中筛选得到的,首先获得具有产某种酶能 力的微生物,然后通过各种诱变育种方法提高它的产酶水平,直至达到工业化生产的要求 对于产酶的菌种,一般应该符合如下的要求 1)菌种的遗传性能应该比较稳定; 2)菌种具有较高的生长速率; 3)除了蛋白酶生产菌种外,其它产酶菌种的产蛋白酶活力应该很低,以防止目标酶被 蛋白酶水解 4)目标酶制剂的产量较高 随着分子生物学和重组DNA技术的发展,越来越多的酶已经知道了其氨基酸序列和空间 结构,因此可以通过基因重组获得基因工程菌生产酶制剂。 9.2合成的调节和控制 酶是一种蛋白质。根据生物化学和分子生物学的研究,蛋白质的合成是一个十分复杂 的过程,涉及到三种RNA(tRNA,mRNA及rRNA),几种核苷酸(ATP,GTP等),一系列的酶和 蛋白辅助因子,总共大约有200种细胞成分参与了蛋白质的合成过程。因此与蛋白质合成有 关的调节和控制因素都会影响酶的产量。微生物细胞产生的酶可以分为两大类:胞外酶和胞 内酶。胞外酶一般都属于水解酶,是微生物为了利用环境中的大分子底物(如淀粉、纤维素、 蛋白质等)而释放到胞外的,这样即使水解酶的胞外浓度很高,在细胞内这类酶仍能维持在 较低水平,所受到的调节和控制相对要少一些,因此许多野生菌种(如Gram阳性菌及霉菌等) 也能达到较高的产水解酶水平。胞内酶的作用是催化在细胞内发生的一系列反应,由于胞内 的代谢中间产物或终产物浓度都必须保持在适当的细胞生理浓度的范围内,催化这些反应 的酶活性或浓度必然会受到更多因素的调节和控制。因此如果要生产胞内酶,就必须研究它 们在合成过程中的调节和控制机理,找出解除调节和控制的方法,才能使胞内酶过量积累 9.2.1合成的基因水平调节和控制 9.2.1.1原核生物中酶合成的基因水平调节 在原核生物中,对蛋白质生物合成过程调节起关键作用的是mRNA,mRNA又受到转录的 控制,因此转录水平的调节是主要的,翻译水平的调节影响则比较小。原核生物的转录控制 主要通过操纵子( Operon)实现,在操纵子上有一个启动子( Promoter)位点,在开始转录前 RNA聚合酶与启动子结合。在起动子和酶的结构基因之间有一个调节区,它的作用是控制操 纵子转录的频率。调节区有如下两种形式5 3） 微生物的筛选方法比较简单，而且已经很成熟，因此有可能在较短的时间内从成千 个菌株中筛选出高产菌种； 4） 同样的反应可以用来源于不同微生物所产的性质略有不同的酶催化，因此生物反应 器的操作条件选择具有一定的灵活性和适应性，以便与前后工序相配合； 5） 微生物发酵生产的酶比活高，有利于酶的分离和提纯。 正是由于以上优点, 利用微生物生产酶制剂大大降低了酶的生产成本, 提高了酶制剂 的生产能力, 从而推动了工业规模酶制剂生产和酶制剂应用的进展。 一般而言，水解酶都是胞外酶，而其它酶通常属于胞内酶。极大部分酶都属于结构(组 成)酶，即微生物的 DNA 分子中存在着编码该酶蛋白的基因，在细胞生长过程中就会产生这 些酶并参于细胞代谢过程，但是酶的产量受到细胞的调节和控制；其中有些属于诱导酶，即 需要在培养基中添加特殊的诱导剂才会产生的酶。野生微生物的产酶水平一般都不高,不能 直接用于酶制剂的工业化生产，必须进行菌种选育以提高产酶水平。 虽然每一种微生物的代谢过程都需要数以千计的酶参与，但是不是每一种微生物都适 合于酶的工业化生产。传统的产酶菌种都是从土壤中筛选得到的，首先获得具有产某种酶能 力的微生物，然后通过各种诱变育种方法提高它的产酶水平，直至达到工业化生产的要求。 对于产酶的菌种，一般应该符合如下的要求： 1） 菌种的遗传性能应该比较稳定； 2） 菌种具有较高的生长速率； 3） 除了蛋白酶生产菌种外，其它产酶菌种的产蛋白酶活力应该很低，以防止目标酶被 蛋白酶水解； 4） 目标酶制剂的产量较高。 随着分子生物学和重组 DNA 技术的发展，越来越多的酶已经知道了其氨基酸序列和空间 结构，因此可以通过基因重组获得基因工程菌生产酶制剂。 9.2 酶合成的调节和控制 酶是一种蛋白质。根据生物化学和分子生物学的研究, 蛋白质的合成是一个十分复杂 的过程, 涉及到三种 RNA(tRNA, mRNA 及 rRNA), 几种核苷酸(ATP, GTP 等), 一系列的酶和 蛋白辅助因子, 总共大约有 200 种细胞成分参与了蛋白质的合成过程。因此与蛋白质合成有 关的调节和控制因素都会影响酶的产量。微生物细胞产生的酶可以分为两大类: 胞外酶和胞 内酶。胞外酶一般都属于水解酶, 是微生物为了利用环境中的大分子底物(如淀粉、纤维素、 蛋白质等)而释放到胞外的, 这样即使水解酶的胞外浓度很高, 在细胞内这类酶仍能维持在 较低水平, 所受到的调节和控制相对要少一些, 因此许多野生菌种(如 Gram 阳性菌及霉菌等) 也能达到较高的产水解酶水平。胞内酶的作用是催化在细胞内发生的一系列反应, 由于胞内 的代谢中间产物或终产物浓度都必须保持在适当的细胞生理浓度的范围内, 催化这些反应 的酶活性或浓度必然会受到更多因素的调节和控制。因此如果要生产胞内酶, 就必须研究它 们在合成过程中的调节和控制机理, 找出解除调节和控制的方法, 才能使胞内酶过量积累。 9.2.1 酶合成的基因水平调节和控制 9.2.1.1 原核生物中酶合成的基因水平调节 在原核生物中, 对蛋白质生物合成过程调节起关键作用的是 mRNA, mRNA 又受到转录的 控制, 因此转录水平的调节是主要的, 翻译水平的调节影响则比较小。原核生物的转录控制 主要通过操纵子(Operon)实现, 在操纵子上有一个启动子(Promoter)位点, 在开始转录前 RNA 聚合酶与启动子结合。在起动子和酶的结构基因之间有一个调节区, 它的作用是控制操 纵子转录的频率。调节区有如下两种形式: