酶工程复习笔记（精简版）

Rose

• 酶工程概念及研究内容
  

酶工程的概念：
研究酶的生产、改性和应用的技术过程。即研究通过各种方法获得所需酶、通过各种方法改进酶的催化特性、通过酶的催化作用获得人们所需物
质，除去不良物质，或者获取所需信息的技术过程。
研究内容：
微生物细胞发酵产酶，动植物细胞培养产酶，酶的提取与分离纯化，酶分子修饰，酶固定化，酶的非水相催化，酶定向进化，酶反应器和酶的应用等。

• 微生物发酵产酶四种模式的优缺点与如何改进
  

细胞在一定条件下培养生长，其生长过程一般经历调整期、生长期、平衡期和衰退期等4个阶段。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。

• 同步合成型
  

    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。属于该合成型的酶，其生物合成伴随着细胞的生长而开始；在细胞进入旺盛生长期时，酶大量生成；当细胞生长进入平衡期后，酶的合成随着停止。
mRNA很不稳定
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。

• 延续合成型
  

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。
mRNA相当稳定
属于该类型的酶可以是组成酶，也可以是诱导酶。例如， 在黑曲霉以半乳糖醛酸或果胶为单一碳源的培养基中培养，可以诱导聚半乳糖醛酸酶（Polygalacturonase，EC3.2.1.15）的生物合成。

• 中期合成型
  

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。
mRNA不稳定

• 滞后合成型
  

    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。
mRNA稳定性高
滞后合成型的酶之所以要在细胞生长一段时间甚至进入平衡期以后才开始合成，主要原因是由于受到培养基中存在的阻遏物的阻遏作用。只有随着细胞的生长，阻遏物几乎被细胞用完而使阻遏解除后，酶才开始大量合成。 若培养基中不存在阻遏物，该酶的合成可以转为延续合成型。该类型酶所对应的mRNA稳定性很好，可以在细胞生长进入平衡期后的相当长的一段时间内，继续进行酶的生物合成。

• 如何改进
  

酶所对应的mRNA的稳定性以及培养基中阻遏物的存在是影响酶生物合成模式的主要因素。
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。
对于其他合成模式的酶，可以通过基因工程、细胞工程等先进技术,选育得到优良的菌株, 并通过工艺条件的优化控制, 使他们的生物合成模式更加接近于延续合成型。
对于同步合成型的酶，要尽量提高其对应的mRNA的稳定性，为此适当降低发酵温度是可取的措施；
对于滞后合成型的酶，要设法降低培养基中阻遏物的浓度，尽量减少甚至解除产物阻遏或分解代谢物阻遏作用，使酶的生物合成提早开始；
对于中期合成型的酶，则要在提高mRNA的稳定性以及解除阻遏两方面下功夫，使其生物合成的开始时间提前，并尽量延迟其生物合成停止的时间。

• 非水介质中酶催化优缺点
  

优点：
（1）大大提高了一些酶的热稳定性；
（2）可进行水不溶或水溶性差化合物的催化转化，大大拓展了酶催化作用的底物和生成产物的范围；
（3）改变了催化反应的平衡点，使在水溶液中不能或很难发生的反应向期望的方向得以顺利进行，如在水溶液中催化水解反应的酶在非水介质中可有效催化合成反应的进行；
（4）使酶对包括区域专一性和对映体专一性在内的底物专一性大为提高，使对有目的调控酶催化作用的选择性的实现成为可能。
（5）可有效减少或防止由水引起的副反应的产生；
（6）可避免在水溶液中进行长期反应时微生物引起的污染；
（7）可方便地利用对水分敏感的底物进行相关的反应；
（8）当使用挥发性溶剂作为介质时，由于酶不溶于大多数的有机溶剂，使催化后酶易于回收和重复利用；可使反应后的分离过程能耗降低。
缺点：
非水相中酶可能存在活力不够稳定性较差等问题

• 微生物发酵产酶如何提高产量
  
• 添加诱导物，在适宜时机添加适宜的诱导物，存在一对多及多对一的诱导现象，常见的诱导物种类有酶的作用底物、酶的催化反应产物、作用底物的类似物
  
• 控制阻遏物的浓度，阻遏作用分产物阻遏和分解代谢物阻遏两种，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分解代谢而产生的物质）引起，应当控制培养基中葡萄糖等容易利用的碳源的浓度。产物阻遏的酶，可以通过控制末端产物的浓度的方法使阻遏解除，如减少终产物，添加产物类似物
  
• 添加表面活性剂，增加细胞膜透过性，有利于胞外酶的分泌，但离子型表面活性剂对细胞有毒害作用，不能在酶的发酵生产中添加到培养基中。
  
• 添加产酶促进剂
  
• 游离酶和固定化酶相比固定化酶的优缺点
  

优点：

• 可多次使用、提高产物质量
  
• 可以连续反应
  
• 不溶于水、纯化简单
  
• 稳定性好（对于热稳定性来说，大多数提高，有些反而降低）
  
• 应用范围广
  

缺点：
（1）首次投入成本高
（2）大分子底物反应较困难
（3）固定化过程中往往会引起酶的失活

• 六种酶促反应器优缺点
  
• 搅拌罐式反应器
  

优点

• 设备简单
  
• 操作容易
  
• 酶与底物混合均匀，传质阻力较小，反应较为完全
  
• 反应条件容易调节控制。
  

缺点

• 用于游离酶，酶难以回收
  
• 用于固定化酶，反应器利用率较低
  
• 而且可能对固定化酶的结构造成破坏。
  

• 填充床式反应器
  

优点

• 设备简单
  
• 操作方便；
  
• 单位体积反应床的固定化酶密度大；
  
• 可以提高酶催化反应的速度。
  

缺点

• 底层固定化酶颗粒所受压力较大，容易引
  
• 起固定化酶颗粒的变形或破碎；
  
• 传质系数和传热系数相对较低。
  
• 流化床反应器
  

优点

• 混合均匀；
  
• 传质和传热效果好；
  
• 温度和pH值易于调节控制；
  
• 不易堵塞；
  
• 对黏度较大的反应液也可进行催化反应。
  

缺点

• 需要较高的流速才能维持粒子的充分流态化，
  
• 固定化酶颗粒易于被破坏，流体动力学变化较大，
  
• 参数复杂，放大较为困难。
  
• 鼓泡式反应器
  
  
  • 操作方便；
    
  • 剪切力小；
    
  • 物质与热量的传递效率高；
    
  • 是有气体参与的酶催化反应中常用的一种反应器。
    
  
  

• 膜反应器
  

优点

• 集反应与分离于一体，利于连续化生产
  
• 可回收循环使用特别是高价格的酶，
  
• 可降低产物引起的抑制作用。
  

缺点

• 经过长时间使用，酶或其他杂质会被吸附在膜上，造成膜透过性降低，
  
• 而且清洗困难。
  
• 喷射式反应器
  
  
  • 结构简单；
    
  • 体积小；
    
  • 混合均匀；
    
  • 可在短时间内完成催化反应。
    
  
  

• 定点突变和定向进化原理及各自优缺点横向比较
  
• 定点突变
  

原理：
采用定位诱变的方法，对编码蛋白质的基因进行核苷酸密码子的插入、删除、置换和改组，然后对突变后的基因进行蛋白表达并分析所表达蛋白质的功能活性，为蛋白质分子改造提供新的设计方案。
优点：

• 突变率高
  
• 简单易行
  
• 重复性好等。
  

• 定向进化
  

原理
通过人为地创造特殊的条件，模拟自然进化机制(随机突变、重组和自然选择)，在体外改造酶基因，并定向选择出所需性质的突变酶
优点

• 适应面广
  
• 目的性强
  
• 效果显著。
  

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