酶工程与发酵工程-复习.doc
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1、一、名词解释1、酶工程:是利用酶的催化作用进行物质转化的技术,是将酶学理论与化工技术结合而形成的新技术,是借助工程学手段利用酶或细胞、细胞器的特定功能提供产品的一门科学。2、固定化酶:通过物理或化学的方法,将酶束缚于水不溶载体上,或将酶束缚于一定的空间内,限制酶分子的自由流动,但能使酶发挥催化作用,反应后的酶可以回收重复使用。3、固定化细胞:就是被限制自由移动的细胞,即细胞受到物理化学等因素约束或限制在一定的空间界限内,但细胞仍保留催化活性并具有能被反复或连续使用的活力。4、盐溶与盐析:大多数蛋白类酶都溶于水,而且在低浓度的盐存在的条件下,酶的溶解度随盐浓度的升高而增加,这称为盐溶现象。在盐浓
2、度达到某一界限后,酶的溶解度随盐浓度升高而降低,这称为盐析现象。5、产酶动力学:主要研究发酵过程中细胞产酶速率以及各种因素对产酶速率的影响规律,产酶动力学可以从整个发酵系统着眼,研究群体细胞的产酶速率以及其影响因素,称为宏观产酶动力学,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,谓之微观产酶动力学。6、交联法:就是用双功能或多功能试剂使酶与酶或微生物与微生物细胞之间交联的固定化方法。7、别构酶:调节物与酶分子的调节中心结合后,引起酶分子的构象发生变化,从而改变催化中心对底物的亲和力,这种影响被称为别构效应,具有别构效应的酶叫别构酶。8、诱导酶:有些酶在通常的情况下不合成或很少合成,
3、当加入诱导物后就会大量合成,这样的酶叫诱导酶。9、酶生物合成中的转录与翻译:酶合成中的转录是指以核苷三磷酸为底物,以DNA链为模板,在RNA聚合酶的作用下合成RNA分子。酶合成中的翻译是指以氨基酸为底物,以mRNA为模板,在酶和辅助因子的共同作用下合成蛋白质的多肽链。10、反相胶团:是由两性化合物在占优势的有机相中形成的结构有序的多分子聚集体。反相胶团不仅可以保护酶,还能提高酶活力,改变酶的专一性。11、酶的失活:酶的失活则是指酶的自身活性受损(包括辅酶、金属离子受损),失去了与底物结合的能力。12、酶的变性:酶的变性是指酶分子结构中的氢键、二硫键及范德华力被破坏,酶的空间结构也受到破坏,原来
4、有序、完整的结构变成了无序,松散的结构,失去了原有的生理功能。13、诱导与阻遏:酶合成的诱导是指加入某种物质使酶的合成开始或加速进行的过程;酶合成的阻遏作用则是指加入某种物质使酶的合成中止或减缓进行的过程。这些物质分别称为诱导物及阻遏物。14、酶活力单位定义:1961年,国际酶委会规定的酶活力单位为:在特定的条件下(25oC,pH及底物浓度为最适宜) 每分钟催化1 mmol的底物转化为产物的酶量为一个国际单位,即1IU。15、酶的比活力:是指每毫克酶蛋白所含酶活力的单位数,用Umg-1蛋白表示。是酶制剂的一个纯度指标,对同一种酶来说,比活力愈高,表明酶纯度愈高。16、富集培养:通过采用选择性培
5、养基,使目的微生物大量繁殖,而其他微生物的生长被抑制,从而便于目的微生物的分离。17、生长因子:凡是微生物生长不可缺少的微量有机物质,如氨基酸、嘌呤、嘧啶、维生素等均称为生长因子。18、酶的化学修饰:是指用化学手段将某些原子或化学基团结合到酶分子上,或将酶分子中某基团改变,从而达到改变酶的催化性质及一些生理生化性质的目的。19、DNA改组:DNA改组又称为有性PCR:是将一组密切相关的序列(进化上相关的DNA序列或曾筛选出的性能改进的突变序列)片段化,再通过重组创造新基因的方法。 二、简答题1、试述诱导契合学说和中间产物学说答:诱导契合学说为,酶的活性中心在结构上具柔性,底物接近活性中心时,可
6、诱导酶蛋白构象发生变化,同时底物构象也发生变化。这样就使酶活性中心有关基因正确排列和定向,使酶与底物完全契合而结合成中间产物并引起底物发生反应。中间产物学说即酶一般是通过其活性中心先与底物结合形成一个中间复合物,然后在分解成产物,并释放出酶 S + E ES P + E底物 酶 中间产物 产物2、什么是米氏常数?在酶学研究中有何意义? 答:米氏常数即Km值。就是当酶促反应速度达到最大反应速度一半时的底物浓度。在酶学研究中的意义是:1)Km值是酶的特征常数之一,它一般只与酶的性质有关,而与酶的浓度无关,不同酶的Km值不同。2)如果一个酶有几种底物时,则对每一种底物,各有一个特定的Tm值,其中Km
7、值最小的底物被称为该酶的最适底物或天然底物。Km值随不同底物而异的特性有助于判断酶的专一性,并有助于研究酶的活性中心。3)Km值可以近似地表示酶对底物亲和力的大小,Km值越小,说明达到最大反应速度一半时所需底物的浓度越小,则酶对底物的亲和力就越大,反之亦然。显然,最适底物或天然底物与酶的亲和力最大。4)Km值测出后,可利用米氏方程求出任意底物浓度时的反应速度,或任何反应速度下的底物浓度。5)Km值还受介质pH值及温度等实验条件的影响。因此,Km值作为常数只是对一定的底物、一定的pH值机一定的温度条件而言。3、简述酶的基本特征,蛋白类酶的分类方法及酶的活性中心。生物催化剂又包括哪些?答:酶的基本
8、特征:具有高效性、专一性强、作用条件温和和受调控等催化特点。按照酶催化作用的类型,将蛋白酶类分为六大类,氧化还原酶,转移酶,水解酶裂合酶,异构酶,合成酶。酶的活性中心指必需基团在空间结构上彼此靠近,组成具有特定空间结构的区域,能与底物特异结合并将底物转化为产物。构成酶活性中心的必需基团有结合基团和催化基团。生物催化剂是生物反应过程中起催化作用的游离细胞、游离酶、 固定化细胞或固定化酶的总称。4、酶的生产合成调节理论,包括操纵子,诱导作用,阻遏作用答:1)操纵子在原核基因组中,是由几个功能相关的结构基因及其调控区组成的一个基因表达的协同单位。结构基因是决定某一多肽的DNA模板,可根据其上的碱基顺
9、序转录出相应的RNA,然后再可通过核糖体转译出相应的酶;启动子:能被依赖于DNA的RNA聚合酶所识别的碱基顺序,是RNA聚合酶的结合部位和转录起点;操纵基因:位于启动基因和结构基因之间的一段碱基顺序,是阻遏蛋白的结合位点,能通过与阻遏物相结合来决定结构基因的转录是否能进行;调节基因:用于编码组成型调节蛋白的基因,一般远离操纵子,但在原核生物中,可以位于操纵子旁边,编码调节蛋白。2)酶合成调节的类型:诱导和阻遏诱导:凡能促进酶生物合成的现象。阻遏:凡能阻碍酶生物合成的现象。酶合成的诱导组成酶(固有酶):不依赖底物或底物结构类似物的存在而合成的酶。如:EMP途径的一些酶。诱导酶:依赖于底物或底物结
10、构类似物的存在而合成的酶。如:乳糖酶。诱导物:促进诱导酶产生的物质。底物或结构类似物,如:如-半乳糖苷酶的作用底物乳糖及其底物类似物异丙基-D-硫代半乳糖苷诱导-半乳糖苷酶的生物合成。酶生物合成的诱导作用:加入某些物质使酶的生物合成开始或加速进行的现象。阻遏分解代谢物阻遏:当微生物在含有两种能够分解底物的培养基中生长时,利用快的那种分解底物会阻遏利用慢的底物的有关酶的合成的现象。反馈阻遏:也称末端产物阻遏,催化作用的产物或代谢途径的末端产物使酶的生物合成受阻的现象。5、酶生物合成的模式及特点答:同步合成型:是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,该类酶的生物合成可以由其诱导物诱导
11、生成,但是不受分解代谢物的阻遏作用,也不受产物的反阻遏作用。延续合成型:是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的一种生物合成模式,该类酶的生物合成可以由其诱导物诱导生成,一般不受分解代谢物的阻遏作用,该类酶在细胞生长达到平衡期后,仍然可以延续合成,说明这些酶所对应的mRNA相当稳定,在平衡期以后的相当长的一段时间内仍可以通过翻译而合成其所对应的酶。中期合成型:在细胞生长一段时间后才开始,而在细胞进入平衡期以后,酶的生物合成也随之停止。该类酶的生物合成受到产物的反阻遏作用或分解代谢物的阻遏作用,而酶所对应的mRNA的稳定性较差。滞后合成型;是在细胞
12、生长一段时间或者进入平衡期后才开始生物合成并大量积累,该类酶所对应的mRNA稳定性好,可以在细胞生长进入平衡期后相当长一段时间内,继续进行酶的生物合成。6、简述培养基的定义、微生物发酵产酶培养基的主要组分及其作用。答:培养基是发酵过程或动植物细胞大量培养中供微生物或动、植物细胞的生长、繁殖或积累代谢产物,以合成生物化工产品所必需的营养基质。培养基的主要组成包括:碳源、氮源、无机盐和生长因子等。碳源是指能够为细胞提供碳素化合物的营养物质。在一般情况下,碳源也是为细胞提供能量的能源。碳是构成细胞的主要元素之一,也是所有酶的重要组成元素。所以碳源是酶的生物合成法生产中必不可少的营养物质。氮源是指能向
13、细胞提供氮元素的营养物质。氮元素是各种细胞中蛋白质。核酸等组分的重要组成元素之一,也是各种酶分子的组成元素。氮源是细胞生长、繁殖和酶的生产的必不可少的营养物质。无机盐的主要作用是提供细胞生命活动所必不可缺的各种无机元素,并对细胞内外的PH、氧化还原电位和渗透压起调节作用。生长素是指细胞生长繁殖所必需的微量有机化合物。主要包括各种氨基酸、嘌呤、嘧啶、维生素等。氨基酸是蛋白质的组分;嘌呤和嘧啶是核酸和某些辅助酶或辅基的组分;维生素主要是起辅酶作用。7、简述微生物发酵过程中工艺条件的限制性。答:微生物发酵产酶的过程中,必须根据需要和变化情况,适时进行pH、温度、溶解氧等发酵工艺条件的控制。(1)pH
14、的调节控制:培养基的pH与细胞的生长繁殖以及发酵产酶关系密切,不同的细胞,其生长繁殖的最适pH有所不同,细胞发酵产酶的最适pH与生长最适PH也往往有所不同,所以必须根据不同的细胞特性和发酵的不同阶段进行pH的控制。有些细胞可以同时生产若干种酶,在生产过程中,通过控制培养基的pH,往往可以改变各种酶之间的产量比例。随着细胞的生长繁殖和新陈代谢产物的积累,培养基的pH往往会发生变化。调节pH的方法可以通过改变培养基的组分或其比例;也可以使用缓冲液来稳定pH;或者在必要时通过流加适宜的酸、碱溶液的方法,调节培养基的pH,以满足细胞生长和产酶的要求。(2)温度的调节控制:细胞的生长繁殖和发酵产酶需要一
15、定的温度条件,不同的细胞有各自不同的最适生长温度。有些细胞发酵产酶的最适温度与细胞生长的最适温度有所不同,而且往往低于最适生长温度。要在不同的发酵阶段控制不同的温度。即在细胞生长阶段控制在细胞生长的最适温度范围,而在产酶阶段,控制在产酶最适温度。在细胞生长和发酵产酶过程中,由于细胞的新陈代谢作用,会不断放出热量,使培养基的温度升高,同时,由于热量的不断扩散,会使培养基的温度不断降低。两者综合结果,决定了培养基的温度。由于在细胞生长和产酶的不同阶段,细胞新陈代谢放出的热量有较大的差别,散失的热量又受到环境温度等因素的影响,使培养基的温度发生明显的变化。为此必须经常及时地对温度进行调节控制,使培养
16、基的温度维持在适宜的范围内。温度的调节一般采用热水升温、冷水降温的方法。为了及时地进行温度的调节控制,在发酵罐或者其他的生物反应器中,均应设计有足够传热面积的热交换装置,如排管、蛇管、夹套、喷淋管等,并且随时备有冷水和热水以满足温度调控的需要。(3)溶解氧的调节控制:细胞的生长繁殖和酶的生物合成过程需要大量的能量,为零获得足够多的能量,细胞必须获得充足的氧气,使从培养基中获得的能源物质经过有氧降解而生成大量的ATP。在培养基中培养的细胞一般只能吸收和利用溶解氧,由于氧是难溶于水的气体,在通常情况下,培养基中的溶解的氧并不多,在细胞培养过程中,培养基中原有的溶解氧很快就会被细胞利用完,为了满足细
17、胞的生长繁殖和发酵产酶的需要,在发酵过程中必须不断供给氧,使培养基中的溶解氧保持在一定的水平。溶解氧的调节控制,就是要根据细胞对溶解氧的需要量,连续不断地进行补充,使培养基中的溶解氧的量保持恒定。溶解氧的供给,一般是将无菌空气通入发酵容器,再在一定的条件下,使空气中的氧溶解到培养液中,以供细胞生命活动之需。培养液中溶解氧的量,决定于在一定条件下氧气的溶解速率,溶氧速率与通气量、氧气分压、气液接触时间,气液接触面积以及培养液的性质等有密切关系。一般来说,通气量越大、氧气分压越高、气液接触时间越长。气液接触面积越大,则溶氧速率越大。培养液的性质,主要是黏度、气泡、以及温度等对于溶氧速率有明显影响。
18、随着发酵过程的进行,细胞耗氧速率发生改变时,必须相应地对溶氧速率进行调节。调节溶解氧的方法主要有调节通气量,调节氧的分压,调节气液接触时间,调节接触面积,改变培养液的性质等,可以根据不同菌种,不同产物、不同的生物反应器、不同的工艺条件下的不同情况选择使用。以便根据发酵过程耗氧速率的变化而及时有效地调节溶氧速率。8、提高酶产量的措施有哪些?答:1)添加诱导物,诱导物一般分为三类,分别为酶的作用底物、酶的催化反应物和作用底物的类似物;2)控制阻遏物的浓度;3)添加表面活性剂;4)添加产酶促进剂。9、用于酶生产的微生物菌株必须具备哪些条件? 答:1)能够利用廉价原料,发酵周期短,产酶量高;2)最好选
19、用产胞外酶的菌种,有利于酶的分离纯化,回收率高;3)遗传性能要相对稳定;4)菌种不易变异退化,不易感染它种微生物或噬菌体;5)不应当是致病菌,在系统发育上最好是与病原菌无关。10、为什么酶制剂的生产主要以微生物为材料?答:(1)微生物种类多,酶种丰富,且菌株易诱变,菌种多样(2)微生物生长繁殖快,酶易提取,特别是胞外酶(3)来源广泛,价格便宜微生物易得,生长周期短可以利用微电脑技术控制酶的发酵生产,可进行连续化,自动化,经济效益高可以利用以基因工程为主的分子生物学技术,选育和改造菌种,增加产酶率和开发新酶种11、从自然界分离和筛选产酶微生物的一般步骤是什么?何谓富集培养?主要影响因素有哪些?答
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