酶的生物合成法生产.ppt
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1、第三章第三章 酶的生物合成与发酵生产酶的生物合成与发酵生产 酶的生产方法提取分离法(Extraction)生物合成(Biosynthesis)化学合成(chemicalsynthesis)SOD-bloodPapain-PapayaChymotrypsin-Pancrea organ/tissue/cellAmylase from BacillusProtease from BacillusPhosphatase from BacillusGlucoamylase from AspergillusPlant cell cultureAnimal cell cultureFew example
2、第一节第一节 酶生物合成及调节酶生物合成及调节一、酶的生物合成一、酶的生物合成 遗传信息传递的中心法则遗传信息传递的中心法则转转录录传传递递给给RNA,再再由由RNA 蛋白质蛋白质翻译翻译转录转录逆转录逆转录复制复制复制复制DNARNA (一)(一)RNARNA的生物合成的生物合成-转录转录(transcription)(transcription)定义定义 以以DNADNA为模板,以核苷三磷酸为底物,在为模板,以核苷三磷酸为底物,在RNARNA聚合酶(转录酶)的作用下,生成聚合酶(转录酶)的作用下,生成RNARNA分子的过分子的过程。程。.转录模板转录模板 启动子(启动子(promotor)
3、终止子终止子(terminator)模板链(模板链(template strand)反意义链反意义链(antisense strand)编码链编码链(coding strand)有意义链有意义链(sense strand)DNADNA5533反意义链反意义链:指导转录作用的一条指导转录作用的一条DNADNA链链有意义链有意义链:无转录功能的一条无转录功能的一条DNADNA链链.T C G A G T A CA G C T C A T GC G A G U A CG C A URNA聚合酶聚合酶有意义链有意义链反意义链反意义链RNAPPi555533GTPUTPCTPATPUTPRNA在在DNA
4、模板上的生物合成模板上的生物合成333355RNA的转录过程的转录过程(三步三步)1.1.起始起始2.2.延长延长3.3.终止终止 原核生物的原核生物的RNA聚合酶聚合酶(DDRP)E.coliE.coli的的RNARNA聚合酶是由四种亚基组成的五聚体(聚合酶是由四种亚基组成的五聚体(2 2 )起始因子RNARNA合成过程合成过程起始起始双链双链DNA局部解开局部解开磷酸二酯磷酸二酯键形成键形成终止阶段终止阶段解链区到达解链区到达基因终点基因终点延长阶段延长阶段5 3 RNA 启动子启动子(promotor)终止子终止子(terminator)5 RNA聚合酶聚合酶 5 3 5 3 5 5 3
5、 离开离开RNA链的延伸图解链的延伸图解35RNA-DNA杂交螺旋杂交螺旋聚合酶的移动方向聚合酶的移动方向新生新生RNA复链复链解链解链有义链有义链模板链(反义链)模板链(反义链)延长部位延长部位 定义定义 以以mRNAmRNA为模板,以氨基酸为底物,在核糖为模板,以氨基酸为底物,在核糖体上通过各种体上通过各种tRNAtRNA、酶和辅助因子的作用,合、酶和辅助因子的作用,合成多肽链的过程。成多肽链的过程。(二)蛋白质的生物合成(二)蛋白质的生物合成(二)蛋白质的生物合成(二)蛋白质的生物合成-翻译翻译翻译翻译(translation)(translation)(translation)(tra
6、nslation)酪酪555533AUGGUU UAC ACA酪氨酰酪氨酰-tRNA反密码反密码mRNA密码与反密码的碱基配对密码与反密码的碱基配对AUG ACA55蛋蛋苏苏UGUGUU33受受 位位(A位位)给给 位位(P位位)大亚基大亚基小亚基小亚基 蛋白质的合成过程蛋白质的合成过程 (大肠杆菌)(大肠杆菌)v 氨基酸的活化氨基酸的活化v 肽链合成的起始肽链合成的起始v 肽链的延伸肽链的延伸v 肽链合成的终止与释放肽链合成的终止与释放氨基酸的活化与转运氨基酸的活化与转运氨基酸的活化与转运氨基酸的活化与转运反应式:反应式:AA +tRNA +ATPAA +tRNA +ATP氨酰氨酰-tRNA
7、-tRNA合成酶合成酶氨酰氨酰-tRNA-tRNA+AMP+PPi+AMP+PPi 对于而言,肽链合成时的第一个氨基酸对于而言,肽链合成时的第一个氨基酸都是甲酰甲硫氨酸(都是甲酰甲硫氨酸(fMetfMet)。)。在核糖体上合成多肽(三阶段)在核糖体上合成多肽(三阶段)在核糖体上合成多肽(三阶段)在核糖体上合成多肽(三阶段)1 1、起始阶段、起始阶段2 2、延伸阶段、延伸阶段3 3、终止阶段、终止阶段肽链合成的起始阶段肽链合成的起始阶段1.1.mRNAmRNA与小亚基结合:与小亚基结合:形成形成30S-mRNA-IF30S-mRNA-IF3 3复合物复合物2.2.AUGAUG与蛋氨酰与蛋氨酰-t
8、RNAtRNA结合:结合:30S-mRNA-IF 30S-mRNA-IF3 3 fMet-tRNA-IFfMet-tRNA-IF2 2-GTP-GTP fMet-tRNA fMet-tRNA正好位于正好位于mRNAmRNA的起始密码子上(的起始密码子上(AUGAUG)。)。3.3.大小亚基结合大小亚基结合IF130S30S起始复合物起始复合物AUG ACA5533AUG ACA5533UACUACAUG ACA5533小亚基小亚基mRNA蛋氨酰蛋氨酰tRNA GTP大亚基大亚基GDP+Pi受位受位给位给位蛋蛋蛋蛋肽链合成的起始阶段肽链合成的起始阶段肽链合成的延伸阶段肽链合成的延伸阶段1.1.进
9、位进位:氨基酰氨基酰-tRNA-tRNA进入受位进入受位;2.2.转肽转肽:形成肽键形成肽键,在转肽酶作用下在转肽酶作用下,给位与给位与 受位结合受位结合;3.3.移位移位:核蛋白体向核蛋白体向33端移动一个密码子的端移动一个密码子的 位置位置,空出受位空出受位,不断地进位、转肽、不断地进位、转肽、移位移位,使肽链延长。使肽链延长。AUG ACA5533UAC蛋蛋苏苏UGUAUG ACA55UAC蛋蛋苏苏UGUGUUAUG ACA55UAC蛋蛋苏苏UGUGUUAUG ACA55蛋蛋苏苏UGUGUU333333GTP GDP+PiGDP+PiGTP起始复合体起始复合体进位进位转肽转肽移位移位Mg
10、+K+肽链合成的终止阶段肽链合成的终止阶段1.1.出现终止密码并与终止因子结合出现终止密码并与终止因子结合;2.2.肽键水解肽键水解,多肽释放多肽释放;3.3.tRNA,mRNAtRNA,mRNA,大小亚基解离大小亚基解离.AUG UAA55UACAUG UAA55UAC3333终终终终AUG UAA55UAC33终终5533UAC终终肽链肽链二、酶生物合成的调节二、酶生物合成的调节二、酶生物合成的调节二、酶生物合成的调节定义:定义:通过调节酶合成的量来控制微生物通过调节酶合成的量来控制微生物代谢速度的调节机制,是在基因转录水平上代谢速度的调节机制,是在基因转录水平上进行的。进行的。意义:意义
11、:通过阻止酶的过量合成,节约生物通过阻止酶的过量合成,节约生物合成的原料和能量。合成的原料和能量。操纵子基因表达的协同单位操纵子操纵子结构基因结构基因(编码蛋白质(编码蛋白质,structural gene,S)控制部位控制部位操纵基因操纵基因(operator gene,O)启动子启动子(promotor gene,P)(一)基因调控理论(一)基因调控理论 Jacob and Monod的的操纵子学说(operon theoryoperon theory)结构基因(结构基因(Structural gene):决定某一多肽的决定某一多肽的DNA模板,与酶有各模板,与酶有各自的对应关系,其中的遗
12、传信息可转录自的对应关系,其中的遗传信息可转录为为mRNA,再翻译为,再翻译为蛋白质蛋白质。cAMP-CRPcAMP-CRP复合物的作用复合物的作用示意图示意图 启动基因(启动基因(promotor genepromotor gene)(启动子):)(启动子):有两个位点:有两个位点:(1 1)RNARNA聚合酶的结合位点聚合酶的结合位点(2 2)cAMP-CAPcAMP-CAP的结合位点。的结合位点。CAPCAP:分解代谢产物基因活化蛋白(:分解代谢产物基因活化蛋白(catabolite gene catabolite gene activator proteinactivator prot
13、ein),又称环腺苷酸受体蛋白),又称环腺苷酸受体蛋白(cAMP(cAMP receptor proteinreceptor protein,CRPCRP)。)。只有只有cAMP-CRPcAMP-CRP复合物结合到启动子的位点上,复合物结合到启动子的位点上,RNARNA聚合酶才能结合到其在启动子的位点上,酶的合成才聚合酶才能结合到其在启动子的位点上,酶的合成才能开始。能开始。操纵基因(操纵基因(Operater geneOperater gene):位于启动基因和结构基因之间的一段碱位于启动基因和结构基因之间的一段碱基顺序,能特异性地与调节基因产生的变构基顺序,能特异性地与调节基因产生的变构蛋
14、白结合,操纵酶合成的蛋白结合,操纵酶合成的时机与速度时机与速度。调节基因调节基因(regulator gene)(regulator gene):可产生一种组成型可产生一种组成型调节蛋白调节蛋白(regulatory(regulatory protein)protein)(一种变构蛋白),通过与效应物(一种变构蛋白),通过与效应物(effector)(包括诱导物和辅阻遏物)的特(包括诱导物和辅阻遏物)的特异结合而发生变构作用,从而改变它与操纵异结合而发生变构作用,从而改变它与操纵基因的结合力。基因的结合力。调节基因常位于调控区的上游。调节基因常位于调控区的上游。基因操纵子调节系统示意图基因操纵
15、子调节系统示意图 调节基因调节基因 启动基因启动基因 操纵基因操纵基因 结构基因结构基因 DNA 转录转录 (-)RNA聚合酶聚合酶 (+)转录转录 翻译翻译 mRNA 翻译翻译 调节蛋白调节蛋白 蛋白质蛋白质 效应物效应物控制区控制区 信息区信息区操纵子操纵子(二二)酶合成调节的类型酶合成调节的类型 1.1.诱导诱导 (induction)(induction)组成酶:细胞固有的酶类。组成酶:细胞固有的酶类。诱导酶:是细胞为适应外来底物或其结构类似诱导酶:是细胞为适应外来底物或其结构类似 物而临时合成的一类酶。物而临时合成的一类酶。2.2.阻遏阻遏 (repression)(repressi
16、on)分解代谢物阻遏分解代谢物阻遏(catabolite repression)(catabolite repression)反馈阻遏反馈阻遏(feedback repression)(feedback repression)(三)酶合成的调节机制 1.酶合成的诱导加进某种物质,使酶生物合成开始或加速进行。酶合成诱导的现象:酶合成诱导的现象:已知分解利用乳糖的酶有:已知分解利用乳糖的酶有:-半乳糖苷酶;半乳糖苷酶;-半乳糖苷透过酶;硫代半乳糖苷转乙酰酶半乳糖苷透过酶;硫代半乳糖苷转乙酰酶。实验:实验:(1 1)大肠杆菌生长在葡萄糖培养基上时,细胞)大肠杆菌生长在葡萄糖培养基上时,细胞内无上述三
17、种酶合成;内无上述三种酶合成;(2 2)大肠杆菌生长在乳糖培养基上时,细胞内有)大肠杆菌生长在乳糖培养基上时,细胞内有上述三种酶合成;上述三种酶合成;(3 3)表明菌体生物合成的经济原则:)表明菌体生物合成的经济原则:需要时才合需要时才合成成。调节调节基因基因操纵操纵基因基因乳糖酶结构基因乳糖酶结构基因PLacZLacYLacamRNA 阻遏物阻遏物(调调节蛋白节蛋白)(有活性有活性)基基 因因 关关 闭闭启启动动子子ORPLacZLacYLaca调节调节基因基因操纵操纵基因基因乳糖酶结构基因乳糖酶结构基因启启动动子子ORmRNAZmRNAYmRNAa阻遏物阻遏物(无活性无活性)基基 因因 表
18、表达达mRNAA、乳糖操纵子的结构、乳糖操纵子的结构B、乳糖酶的诱导、乳糖酶的诱导 乳糖乳糖(效应物效应物)阻遏物阻遏物(有活性)(有活性)诱诱导导 2.2.反馈(末端产物)阻遏反馈(末端产物)阻遏 由某代谢途径末端产物的过量累积引起的阻遏由某代谢途径末端产物的过量累积引起的阻遏。酶合成阻遏的现象:酶合成阻遏的现象:实验:实验:(1)大肠杆菌生长在无机盐和葡萄糖的培养基上时,)大肠杆菌生长在无机盐和葡萄糖的培养基上时,检检测到细胞内有色氨酸合成酶的存在;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)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
19、降低,直至消失。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)表明色氨酸的存在阻止了色氨酸合成酶的合成,体现了菌体生长的经济原则现了菌体生长的经济原则:不需要就不合成不需要就不合成。色氨酸操纵子色氨酸操纵子酶的阻遏酶的阻遏调节基因调节基因操纵基因操纵基因结构基因结构基因mRNAmRNA酶蛋白酶蛋白阻遏蛋白不能与操纵基因结合,阻遏蛋白不能与操纵基因结合,结构基因表达结构基因表达调节基因调节基因操纵基因操纵基因结构基因结构基因辅阻遏物辅阻遏物代谢产物与阻遏蛋白结代谢产物与阻遏蛋白结合,使之构象发生变化合,使之构象发生变化与操纵基因结合,结构基与操纵基因结合,结构
20、基因不能表达因不能表达调节蛋白调节蛋白酶酶的的诱诱导导和和阻阻遏遏操操纵纵子子模模型型B.有活性阻遏物加诱导剂有活性阻遏物加诱导剂A.有活性阻遏物有活性阻遏物C.无活性阻遏蛋白无活性阻遏蛋白D.无活性阻遏蛋白加辅阻遏剂无活性阻遏蛋白加辅阻遏剂操纵基因操纵基因启动基因启动基因调节基因调节基因结构基因结构基因 阻遏蛋白阻遏蛋白(有活性有活性)阻遏蛋白阻挡操纵基因阻遏蛋白阻挡操纵基因结构基因不表达结构基因不表达诱导物诱导物诱导物与阻遏蛋白结合诱导物与阻遏蛋白结合,使阻遏蛋白不能起使阻遏蛋白不能起到阻挡操纵基因的作用到阻挡操纵基因的作用,结构基因可以表达结构基因可以表达酶蛋白酶蛋白mRNA阻遏蛋白不能
21、跟操纵基因结合阻遏蛋白不能跟操纵基因结合,结构基因可以表达结构基因可以表达阻遏蛋白阻遏蛋白(无活性无活性)酶蛋白酶蛋白mRNA代谢产物与阻遏蛋白结合代谢产物与阻遏蛋白结合,从而使阻遏从而使阻遏蛋白能够阻挡操纵基因蛋白能够阻挡操纵基因,结构基因不表结构基因不表达达代谢产物代谢产物调控方式 阻遏蛋白 添加物 与操纵基因结合阻遏效应举例酶的诱导有活性不转录,继而不翻译诱导物转录,继而翻译乳糖操纵子酶的阻遏无活性阻遏物不转录,继而不翻译色氨酸操纵子酶合成的诱导与阻遏操纵子模型调控作用对比酶合成的诱导与阻遏操纵子模型调控作用对比3.3.分解代谢物阻遏分解代谢物阻遏n指细胞内同时有两种分解底物(碳源或氮指
22、细胞内同时有两种分解底物(碳源或氮源)存在时,利用快的那种分解底物会阻源)存在时,利用快的那种分解底物会阻遏利用慢的底物的有关酶合成的现象。遏利用慢的底物的有关酶合成的现象。n分解代谢物的阻遏作用,并非由于快速利分解代谢物的阻遏作用,并非由于快速利用的甲碳源本身直接作用的结果,而是通用的甲碳源本身直接作用的结果,而是通过甲碳源(或氮源等)在其分解过程中所过甲碳源(或氮源等)在其分解过程中所产生的中间代谢物所引起的阻遏作用。产生的中间代谢物所引起的阻遏作用。分解代谢物阻遏现象:分解代谢物阻遏现象:实验:实验:细菌在含有葡萄糖和乳糖的培养基上生长,优先细菌在含有葡萄糖和乳糖的培养基上生长,优先利用
23、葡萄糖。待葡萄糖耗尽后才开始利用乳糖,产生利用葡萄糖。待葡萄糖耗尽后才开始利用乳糖,产生了两个对数生长期中间隔开一个生长延滞期的了两个对数生长期中间隔开一个生长延滞期的“二次二次生长现象生长现象”(diauxie”(diauxie或或biphasic growthbiphasic growth)。)。这一现象又称葡萄糖效应,这一现象又称葡萄糖效应,产生的原因是由于葡萄糖降解产生的原因是由于葡萄糖降解物阻遏了分解乳糖酶系的合成。物阻遏了分解乳糖酶系的合成。此调节基因的产物是环腺苷酸此调节基因的产物是环腺苷酸受体蛋白(受体蛋白(CRPCRP),亦称亦称降解物降解物基因活化蛋白(基因活化蛋白(CAP
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- 生物 成法 生产
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