《发酵工程》PPT课件.ppt

第4章菌种保藏的原理和方法 菌种保藏的重要意义在于如何保持优良菌种其优良性状的稳定 满足生产的实际需要 菌种的保藏的基本原理都是根据微生物的生理生化特性 人为地创造条件 使微生物处于代谢不活泼 生长繁殖受到抑制的休眠状态 以减少菌种的变异 一般可以通过降低培养基营养成分 低温 干燥和缺氧等方法 达到防止突变 保持纯种的目的 斜面保藏法4 5 冰箱中保藏 保藏期3 6月穿刺保藏法4 5 冰箱中保藏 保藏期6 12月沙土管干燥保藏法密封4 5 冰箱中保藏 保藏期1 2年真空冷冻干燥保藏法安瓿管4 5 冰箱中保藏 保藏期5 10年液氮保藏法安瓿管保藏在 150 或 196 的液氮中 保藏期2 3年悬液保藏法密封在10 或室温 18 20 保藏 保藏一年或更长低温保藏法密封 20 以下的低温中保藏 保藏期约在一年左右 保藏方法 第5章微生物的代谢调节 在实际生产中 要达到超量积累产物 提高生产效率 必须打破微生物原有的代谢调控系统 在适当的条件下 让微生物建立新的代谢方式 高浓度地积累人们所期望的产物 为达到这一目的 可以采用两种方式 一种就是通过各种育种方法 选育基因突变株 从根本上改变微生物的代谢 另一种是控制微生物的各种培养条件 影响其代谢过程 5 1微生物的代谢类型和自我调节 1 代谢类型微生物的生长繁殖主要是依赖于两种代谢途径 即分解代谢和合成代谢 微生物的分解代谢和合成代谢是相互关联 相互制约的 成为其生命活动的基础 1 微生物通过分解代谢将从环境中吸收的各种碳源 氮源等物质降解 为细胞的生命活动提供能源和小分子中间体 2 微生物的合成代谢是利用分解代谢的能量和中间体合成氨基酸 核酸等单体物质 及蛋白质 核酸 多糖等多聚物 2 微生物自我调节的部位许多化合物代谢的部位是受到控制的 有三种控制方式 1 细胞膜对大多数亲水分子起一种屏障作用 但又存在着某些输送通道 2 调节现有酶量和改变酶分子的活性 对酶量的调节可以通过增加或减少关键酶的合成或降解速率进行 3 限制基质的有形接近 微生物自我调节的三个部位实际上也就是三个类型 但都涉及到酶促反应调节 酶促调节的方式包括酶活性调节和酶合成调节两大类 从调节作用的特点上看 酶活性调节的效果是即时而又迅速的 而酶量调节涉及到酶蛋白合成 所以调节的效果较慢 这两种调节方式往往同时存在于同一个代谢途径中 而使有机体能够迅速 准确和有效地控制代谢过程 5 2酶活性调节 1 酶的激活作用和酶的抑制作用酶活性调节包括两个方面 即酶的激活作用和酶的抑制作用 酶的激活作用是指在某个酶促反应系统中 某种低分子质量的物质加入后 导致原来无活性或活性很低的酶转变为有活性或活性提高 使酶促反应速率提高的过程 能引起酶的活力提高 或获得 的物质称为酶的激活剂 酶的抑制作用是指在某个酶促反应系统中 某种低分子质量的物质加入后 导致酶活力降低的过程 能引起酶的活力降低 或丧失 的物质称为酶的抑制剂 激活剂和抑制剂可以是外源物质 也可以是机体自身代谢过程中产生与积累的代谢产物 2 酶活性调节的机制酶活性调节的机制包括酶的变构理论和酶分子的化学修饰调节理论 1 变构调节理论变构调节是通过条件的变化 使酶分子空间构型上的变化来引起酶活性的改变 变构酶一般具有相当高的分子质量 并由多个亚基组成 这些亚基多是相同的 每个亚基都具有催化和变构调节的位点 2 变构分子内部的化学修饰作用有的变构酶可以通过修饰酶作用与某种物质以共价键结合 导致酶的化学组成发生变化 从而提高或降低酶的活性 当酶不与这种特定的物质结合时 该酶的活性就丧失 或降低 或者获得活性 或提高活性 5 3酶合成的调节 酶量调节的方式包括诱导和阻遏两种类型 1 诱导作用指在某种化合物 包括外加的和内源性的积累 作用下 导致某种酶合成或合成速率提高的现象 诱导酶又称为适应性酶 是依赖于某种底物或底物的结构类似物的存在而合成的酶 能够诱导某种酶合成的化合物称为该酶的诱导剂 诱导剂可以是诱导酶的底物 也可以是底物的结构类似物 一种诱导酶的合成可以有一种以上的诱导剂 但不同的诱导剂的诱导能力不同 并且诱导能力还与诱导剂的浓度有关 当某种物质加入后 引起细胞代谢速率提高可以是激活 亦可以是诱导 这可用酶的定量分析方法来确定 5 3酶合成的调节 2 阻遏作用是指在某种化合物作用下 导致某种酶合成停止或合成速率降低的现象 如果代谢产物是某种合成途径的终产物 这种阻遏称为末端产物阻遏 如果代谢产物是某种化合物分解的中间产物 这种阻遏称为分解代谢产物阻遏 5 4分支生物合成途径的调节 许多生物合成途径具有两个以上的末端产物 这种分支合成途径的调节方式比直链式代谢途径要复杂得多 调节机理包括 同工酶调节协同反馈调节累加反馈调节增效反馈调节顺序反馈调节激活和抑制联合调节酶的共价修饰等方式 5 5能荷调节 能荷是指细胞中ATP ADP AMP系统中可为代谢反应供能的高能磷酸键的量度 细胞的能荷可由下式计算 当细胞中全部是ATP时 能荷最大 为100 若全部是AMP时 能荷最小 为0 而当全部为ADP时 能荷为50 能荷调节也称腺苷酸调节 指细胞通过改变ATP ADP AMP三者比例来调节其代谢活动 它们所含能荷依次递减 上述三者在细胞中的含量不同 表明细胞的能量状态不同 能荷不仅调节形成ATP的分解代谢酶类的活性 也调节利用ATP的生物合成酶类的活性 5 6代谢调控 在人为控制的条件下 可以使微生物过量产生各种初级代谢产物 中间代谢产物和次级代谢产物 1 发酵条件的控制1 改变各种发酵条件2 使用诱导物3 添加生物合成的前体4 培养基成分和浓度的控制2 改变细胞透性加入某种物质改变细胞的通透性 3 菌种遗传特性的改变改变微生物的遗传特性 即改变酶的活性或酶的合成系统 使之对反馈调节不敏感 也能够达到过量生产代谢产物的目的 如利用各种突变株 5 7初级代谢和次级代谢 5 7 1初级代谢和次级代谢初级代谢是一类普遍存在于生物中的代谢类型 是与生物生存有关的 涉及能量产生和能量消耗的代谢类型 初级代谢过程自始至终都存在于一切生活细胞之中 并与机体的生长过程呈平行关系 初级代谢产物 都是有机体生存必不可少的物质 这些物质的合成中的任何环节发生障碍 有可能引起生长停止 甚至导致机体发生突变或死亡 次级代谢是某些微生物为了避免代谢过程中 某种代谢产物的积累造成的不利作用 而产生的一类有利于生存的代谢类型 通常是在生长后期合成 通过次级代谢合成的产物称为次级代谢产物 这些代谢产物并不是微生物生长所必需的 即使在这些代谢的某个环节上发生障碍 也不会导致机体生长停止或死亡 仅仅是影响了机体合成次级代谢产物的能力 次级代谢则仅在机体生长的某一个时期产生 或在微生物的对数生长期后期或在稳定期 与微生物的生长不呈平行关系 5 7初级代谢和次级代谢 在不同的微生物中 初级代谢产物基本相同 而次级代谢产物是非常不同的 初级代谢对环境变化的敏感性比较小 即遗传稳定性强 而次级代谢对环境条件的变化很敏感 其产物的合成往往会因环境条件的变化而停止 催化初级代谢产物合成的酶专一性强 而催化次级代谢产物合成的某些酶专一性不强 5 7 2次级代谢的调节类型 次级代谢产物的种类在不同的微生物中非常不同 所以次级代谢途径远比初级代谢复杂 已知抗生素等次级代谢产物生物合成的调控类型包括诱导调节 碳分解产物调节 氮分解产物调节 磷酸盐调节 反馈调节 生长速度调节等 5 8代谢工程 代谢工程是指利用基因工程技术 定向地对细胞代谢途径进行修饰 改造 以改变微生物的代谢特性 并与微生物基因调控 代谢调控及生化工程相结合 构建新的代谢途径 生产新的代谢产物的工程技术领域 1 改变代谢途径改变代谢途径是指改变分支代谢途径的流向 阻断其它代谢产物的合成 以达到提高目标产物的目的 改变代谢途径有各种方法 如加速限速反应 改变分支代谢途径流向 构建代谢旁路 改变能量代谢途径等不同方法 5 8代谢工程 2 扩展代谢途径扩展代谢途径是指在引入外源基因后 使原来的代谢途径向后延伸 产生新的末端产物 或使原来的代谢途径向前延伸 可以利用新的原料合成代谢产物 3