酶工程课后习题答案Word格式文档下载.docx

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①1894年，日本的高峰让吉用米曲霉制备淀粉酶，酶技术走向商业化：

②1908年，德国的Rohm用动物胰脏制得胰蛋白酶，皮革软化及洗涤；

③1911年，Wallerstein从木瓜中获得木瓜蛋白酶，用于啤酒的澄清；

④1949年，用微生物液体深层培养法进行?

－淀粉酶的发酵生产，揭开了近代酶工业的序幕；

⑤1960年，法国科学家Jacob和Monod提出的操纵子学说，阐明了酶生物合成的调节机制，通过酶的诱导和解除阻遏，可显著提高酶的产量；

⑥1971年各国科学家开始使用“酶工程”这一名词。

II.在酶的应用过程中，人们注意到酶的一些不足之处，如：

稳定性差，对强酸碱敏感，只能使用一次，分离纯化困难等，解决的方法之一是固定化。

固定化技术的发展经历如下历程：

①1916年，Nelson和Griffin发现蔗糖酶吸附到骨炭上仍具催化活性；

②1969年，日本千佃一郎首次在工业规模上用固定化氨基酰化酶从DL-氨基酸生产L－氨基酸；

③1971年，第一届国际酶工程会议在美国召开，会议的主题是固定化酶。

4.酶的催化特点

酶催化作用特性有：

资料Word

℃或更低的温度下，酶的催化速度是没有催化剂的化学反应速率37①极高的催化效率：

在201210的倍；

-10②高度的专一性：

一种酶仅作用于一种或一类化合物，或一定的化学键，催化一定的化学反应并生成一定的产物；

③活性的不稳定性：

酶的催化反应需要温和的条件，强酸、强碱、高温等条件都能使酶破坏而完全失去活性，所以酶作用一般都要求比较温和的条件，如常温、常压、接近中性的酸碱度等；

④活性的可调节性：

酶的催化活性是受调节和控制的酶促反应受多种因素的调控，以适应机对酶生成与降解量体对不断变化的内外环境和生命活动的需要。

其中包括三方面的调节，a.;

b.酶催化效力的调节;

c.通过改变底物浓度对酶进行调节等。

的调节5.简要说说影响酶催化作用的因素影响酶催化作用的因素有内因和外因，内因有：

酶浓度、底物浓度和产物浓度；

外因有：

温度、PH、激活剂和抑制剂。

底物浓度：

当底物浓度很低时，反应速度随底物浓度的增加而急剧加快，两者呈正比关①系，表现为一级反应；

随着底物浓度的升高，反应速度不再呈正比例加快，反应速度增加的幅度不断下降；

如果继续加大底物浓度，反应速度不再增加，表现为零级反应，此时，无论底物浓度增加多大，反应速度也不再增加。

产物浓度：

生物代谢过程中产生的中间产物或终产物是酶的变构剂，使酶变构而影响酶②的反应速度，即反馈调节作用。

酶浓度：

在底物浓度足够高的条件下，酶催化反应速度与酶浓度成正比。

③

℃，反应温度：

在一定温度范围内，反应速度随温度升高而加快，一般温度每升高10④

速率大约增加一倍；

超过一定范围，较高温度会引起酶三维结构变化，甚至变性，导致催化活性下降，反应速度反而随温度上升而减缓。

偏离酶最适时，催化反应速度达最大值；

当反应介质PH⑤PH：

酶分子处于最适PH。

PH，会影响酶与底物结合，进而影响反应速度，故必须控制好PH激活剂：

凡能提高酶活性的物质，都称为激活剂，大部分是离子或简单的有机化合物。

⑥

抑制剂：

凡能使酶的活性下降而不引起酶蛋白变性的物质称为酶的抑制剂，通常抑制作⑦用分为可逆性抑制和不可逆性抑制两类。

6说说米氏方程的意义]V[S这个方程即为米氏方程，是在假定存在一个稳态反应条件下推导出来的。

m?

v

]KS?

[m值称为米氏常数，是酶促反应速度为最大酶促反应速度值一半时的底物浓度；

其中：

KmV是酶被底物饱和时的反应速度；

max[S]为底物浓度。

其意义为：

S）关系的速度方程。

米氏方程表示一个酶促反应的起始速度（v）与底物浓度（①方程反映了反应性质、反应条件、反应速度之间的关系；

;

[S]反应速度与底物浓度无关远大于时K②反映了反映速度与底物浓度之间的关系，当m③反映了酶反应速度与酶浓度的关系,当[S]远大于K时,v=k[E]为线性关系，酶活正比于酶浓0m2度。

第二章酶的发酵工程

名词解释：

诱导物、（诱导作用）、终产物阻遏、分解代谢产物阻遏、葡萄糖效应1.资料Word

①诱导物：

诱导酶起始合成的物质（通常是酶的底物），可以引起阻遏蛋白的构象变化，使之不利于与操纵基因结合，如乳糖；

而能引起阻遏蛋白的构象变化从而有利于其与操纵基因结合，阻遏酶产生的物质称为辅助阻遏，如氨基酸和核苷酸等。

②终产物阻遏：

催化某一特异产物合成的酶，在培养基中有该产物存在的情况下常常是不合成的，即受阻遏的。

③分解代谢产物阻遏：

大肠杆菌在含有能分解的两种底物（如葡萄糖和乳糖）的培养基中生长时，首先分解利用其中的一种底物（葡萄糖），而不分解另一种底物（乳糖），这是因为葡萄糖的分解代谢产物阻遏了分解利用乳糖的有关酶合成的结果，此作用即为分解代谢产物阻遏。

④葡萄糖效应：

由于葡萄糖常对分解利用其他底物的有关酶的合成有阻遏作用，故分解代谢产物阻遏又称为葡萄糖效应。

举例说明酶生物合成调节机制在酶发酵过程优化中的指导意义2.乳糖是大肠杆菌合成β-半乳糖苷酶的诱导物，若只采用乳糖作为碳源，虽然提高了发酵单位却增加了成本。

若采用葡萄糖和乳糖以适当比例组成的混合碳源，则在提高产量的同时又能降低发酵原料成本。

在利用嗜热脂肪芽孢杆菌生产α-淀粉酶时，采用甘油替代果糖解除分解代谢阻遏，可以使产量提高约25倍。

在利用枯草芽孢杆菌活菌生产蛋白酶时，若培养基中含有氨基酸，酶产量很低：

如果除去培养基中的氨基酸，蛋白酶产量会大幅度提高。

再如，枯草芽孢杆菌的鸟苷发酵是典型的代谢控制发酵，采用腺嘌呤营养缺陷型突变株。

发酵过程中人为限制腺嘌呤的浓度，使细胞代谢途径中的腺嘌呤类核苷酸浓度保持在不致引起关键酶的反馈抑制和阻遏的水平，有利于鸟苷的积累。

举例说明酶生物合成调节机制在产酶生物菌种改造中的指导意义3.若通过基因工程手段和传统诱变的技术获得在抗代谢物存在时也能正常生长的突变株，有的突变株的相关酶系合成对这种抗代谢物不敏感，这也就解除了某些代谢物对有关酶系的反馈阻遏。

例如，异亮氨酸合成途径中的关键酶——高丝氨酸脱氢酶受蛋氨酸的反馈阻遏，通过选育蛋氨酸结构类似物抗性突变株或者蛋氨酸缺陷型菌株，可提高该酶量，从而提高异亮氨酸产量。

此外，在育种工作中，还可以筛选组成型菌株以提高酶的产量。

以β-半乳糖苷酶的生产为例，将诱导型菌株培养在含有抑制物质邻硝基-β-D岩藻糖苷和乳糖的培养基中时，由于诱导酶的合成被抑制，野生型因不能利用乳糖而不能生长，但组成型酶突变株对于乳糖的利用则不受限制，因而此环境中生长的突变株为组成型酶产生菌。

在酶的发酵过程中，提高酶产量的措施有哪些4.①添加诱导物：

对于诱导酶的发酵生产，在发酵培养基中添加诱导物能使酶的产量显著增加。

诱导物一般分为三类：

酶的作用底物，如青霉素是青霉素酰化酶的诱导物；

酶的反应产物，如纤维素二糖可诱导纤维素酶的产生；

酶的底物类似物，如异丙基β-D-硫代半乳糖苷对β-半乳糖苷酶的诱导效果比乳糖高几百倍。

②降低阻遏物浓度：

微生物酶的生产受到代谢末端产物的阻遏和分解代谢物阻遏的调节。

为避免分解代谢物的阻遏作用，可采用难于利用的碳源，或采用分次添加碳源的方法培养液中的碳源保持在不至于引起分解代谢物阻遏的浓度。

③添加表面活性剂：

在发酵生产中，非离子型的表面活性剂常被用作产酶促进剂，但它的作用机制尚未完全研究清楚。

④添加产酶促进剂：

产酶促进剂是指那些非微生物生长所必须，能提高酶产量但作用机制尚未阐明的物质，它可能是酶的激活剂或稳定剂.

5.说说微生物产酶菌种的要求

对于生产酶的菌种来说一般必须符合以下条件：

①酶的产量高；

②容易培养和管理，产酶细胞容易生长繁殖，适应性较强，便于管理；

③菌株遗传性要稳定，不易变异退化，不易感染噬菌体，保证生产的稳定性；

④菌株能利用廉价原料，发酵周期短，生产成本低；

⑤发酵产物利于酶产品的分离纯化，最好是分泌型的胞外酶；

⑥菌株安全可靠，不是病原菌，不产毒素及其他有害物质，不影响生产人员的身体健康；

⑦基因工程菌株必须符合安全性要求。

6.如果筛选酸性蛋白酶高产菌株，如何进行筛选

1材料和方法

1.1试验材料

1.1.1出发菌株：

黑曲霉

1.1.2分离及斜面培养基：

斜面培养基为PDA培养基和察氏培养基,分离培养基是在察氏培养基中加入1%的酪蛋白。

（1）PDA培养基；

（2）查氏培养基：

硝酸钠3g、磷酸氢二钾1g、硫酸镁（MgSO·

7HO）0.5g、氯化钾240.5g、硫酸亚铁0.01g、蔗糖30g、琼脂20g、蒸馏水1L，加热溶解，自然PH，分装后121℃灭菌20min。

培养方法：

按要求配制发酵基质，调节初始含水量和pH后，取150g分装于1L三角瓶中，在0.1Mpa压力条件下灭菌30min后，冷却接种，接种量为0.3%，于不同条件下发酵84h，干燥后，进行酶活的测定。

2实验方法

2.1菌种的分离和纯化：

采用常规稀释分离法。

2.2菌株的诱变处理

取0.1ml稀释的孢子悬液涂布初筛平板,30℃培养4h,紫外灯预热30min后，将平皿置于距15W紫外灯30cm处距分别照射0s（对照用）、4min、6min、8min、10min、12min（各做2组）。

随后在暗光条件下，用5mL无菌生理盐水对平皿上的菌进行洗脱，适当稀释后，涂布于分离平皿，以黑布包裹30℃下避光培养3-4天，从长出菌落与其水解圈直径比的大小及菌落形态的变化，挑选所需菌种，编号并保存，同时根据平皿菌落数计算致死率,从而求得成活率。

致死率（%）=（A-B）/A×

100

式中：

A为对照组平皿上的菌落数；

B为诱变处理后平皿上的菌落数。

2.3酶活测定方法

酶活定义：

1g酶粉在40℃，pH值为3.0反应条件下，1分钟水解酪素产生1μg酪氨酸为一个酶活力单位（U/g）。

3结果与分析

3.1菌株选育结果

为了筛选在固体培养条件下产酶高的菌株,经紫外线诱变处理后,得到100余株突变株。

这些菌株在形态上有一定的差异，依照其菌落的形态、菌落大小、孢子颜色和孢子丰满程度以及水解圈的大小，从中挑选出20株先经三角瓶液体发酵产酶测定,获得10个高产菌株再经三角瓶固体发酵培养复选。

其中z-10的酶活最高为9284U/g（干基），比出发菌株（CK）提高了11.1倍。

紫外线诱变的机理是能作用于嘧啶，形成嘧啶二聚体（主要是TT），影响DNA正常解链与碱基配对，从而引起基因突变，提高酶产量。

7.结合酶生物合成模式，浅谈该如何提高酶的合成量

（1）遗传控制

①诱变育种

a.使诱导型变为组成型：

选育组成型突变株

b.使阻遏型变为去阻遏型

c.解除反馈阻遏：

选育营养缺陷型突变株、选育结构类似物抗性突变株

d.解除分解代谢物阻遏：

选育抗分解代谢阻遏突变株

②基因工程育种：

改变细胞调节基因，使菌种由诱导型变为组成型；

增加结构基因的拷贝数，增加细胞专一性酶的生产。

（2）条件控制

①添加诱导物酶的作用底物、作用底物的前体、反应产物、酶的底物类似物或底物修饰物

②降低阻遏物浓度:

产物阻遏：

除去终产物；

添加阻止产物形成的抑制剂

分解代谢物阻遏：

避免使用葡萄糖、避免培养基过于丰富、添加一定量的cAMP

③添加表面活性剂:

离子型（Tween－80）,对细胞有毒害作用;

非离子型（TritonX－100）,增加细胞通透性.

酶促进剂对不同细胞、不同酶的效果各不相同，需通过试验选用适当的产酶促进剂并确定最适浓度,其作用机制并未阐明清楚。

如添加植酸钙镁可使桔青霉素生产磷酸二酯酶的量提高10－20倍。

第三章酶的分离工程

1.名词解释：

ATPE，IEC，HPLC，2-DE。

2.细胞破碎的方法有哪些?

原理是什么?

细胞破碎按照处理方法一般分为机械破碎法、物理破碎法、化学破碎法和酶促破碎法等。

①机械破碎法：

通过机械运动产生压缩力和剪切力，将组织细胞打碎，具有处理量大、破碎效率高、速度快等优点。

细胞的机械破碎主要有捣碎法、研磨法和匀浆法等。

②物理破碎法：

利用温度、压力、声波等物理因素，使细胞破碎的方法，多用于微生物细胞的破碎。

常用的破碎方法有温度差法、压差法和超声波法等。

③化学破碎法：

利用各种化学试剂作用于细胞膜，从而使细胞破碎的方法。

常用的化学试剂有甲苯、丙醇、丁醇、氯仿等有机溶剂，曲拉通和吐温等表面活性剂。

④酶促破碎法：

根据细胞壁结构特点，选用适当的酶、破坏细胞壁，并在低渗透压的溶液中使细胞破裂的方法称为酶促破碎法。

其中在一定条件下，利用细胞自身酶系的催化作用使细胞破碎的方法称为自溶法，自溶法的作用效果受温度、PH、离子强度等因素的制约。

必要时需加入适量的甲苯、氯仿等防腐剂，以防止其他微生物在自溶体系中的生长。

3.酶的提取方法有哪些?

影响酶提取的主要因素有哪些?

根据酶提取时所采用的溶剂或溶液的不同，酶的提取方法主要有盐溶液提取、酸溶液提取、碱溶液提取和有机溶剂提取等。

①盐溶液提取法：

蛋白质在低浓度盐溶液中，其溶解度会随着盐溶液浓度的升高而增加，这种现象称为盐溶这是因为蛋白质分子吸附某种盐类离子后，带电表层使蛋白质分子彼此排斥，而蛋白质分子与水分子间的相互作用却加强，因而溶解度提高。

②酸溶液提取法：

有些酶在酸性溶液中的溶解度比较大，且比较稳定，这类酶宜采用酸溶液提取，PH一般控制在2—6，针对酶的性质选择合适的PH，避免PH过低引起酶失活。

③碱溶液提取法：

有些酶在碱性溶液中的溶解度比较大，且比较稳定，这类酶宜采用碱溶资料Word

液提取，PH一般控制在8—12，针对酶的性质选择合适的PH，避免PH过高引起酶失活。

④有机溶剂提取法：

一些和脂类结合比较牢固或分子中非极性侧链较多的酶蛋白难溶于水、稀盐、稀酸或稀碱中，则常用能够与水混溶的有机溶剂提取，如乙醇、丙酮、丁醇等。

酶主要是蛋白质，影响蛋白质提纯的因素同样会影响酶的提纯，而在酶提取过程中最重要的就是要防止酶的变性失活。

影响酶提取的最主要因素是酶在所用溶剂中的溶解度及酶向溶剂中扩散的难易。

此外，在提取过程中还要注意一下因素的影响：

1）温度：

为防止酶的变性失活，提取时温度不宜过高。

特别是采用有机溶剂提取时，整个提取操作应尽可能在低温下进行。

2）PH：

酶提取液的PH首先应保证蛋白质稳定，为了增加酶的溶解度，提取时溶液的PH应远离酶的等电点。

3）搅拌：

搅拌能促进酶在提取液中的溶解，一般采用温和搅拌为宜，速度太快易产生大量气泡，增大了与空气的接触面，会引起酶蛋白的变性失活。

4）污染：

酶液是微生物生长的良好培养基，在提纯过程中应尽可能防止微生物对酶的破坏。

5）提取液的体积：

提取液的用量增加可提高提取率。

但过量的提取液，使酶浓度降低，对进一步分离纯化不利。

所以提取液的用量一般为含酶原料体积的3—5倍，少量多次，以得到较好的提取效果。

4.差速离心和密度梯度离心分离酶的原理及各自特点是什么?

差速离心原理：

采用不同的离心速度和离心时间，使沉降速度不同的颗粒分批分离的方法称为差速离心。

操作时，采用均匀的悬浮液进行离心，选择好离心力和离心时间，使大颗粒先沉降，取出上清液，在加大离心力的条件下再进行离心，分离较小的颗粒。

如此多次离心，使不同大小的颗粒分批分离。

特点：

差速离心所得到的沉降物含有较多杂质，需经过重新悬浮和再离心若干次，才能获得较纯的分离产物。

差速离心主要用于分离大小和密度差异较大的颗粒。

操作简单方便，但分离效果较差。

密度梯度离心原理：

密度梯度离心又称速度区带离心。

密度梯度离心是指样品在密度梯度介质中进行的一种沉降速度离心。

密度梯度系统是在溶剂中加入一定的梯度介质制成的。

梯度介质应有足够大的溶解度，以形成所需的密度，不与分离组分反应，不会引起分离组分的凝聚、变性或失活，常用的有蔗糖、甘油等。

等密度梯度离心又称平衡密度梯度离心。

等密度梯度离心虽然也是在密度梯度介质中进行的离心，但被分离的物质是依靠他们的密度不同进行分离的。

此种离心常用无机盐类制作密度梯度。

离心后，不同大小、不同形状、有一定的沉降系数差异的颗粒在密度梯度溶液中形成若干条界面清晰的不连续区带如左图。

各区带内的颗粒较均一，分离效果较好。

在密度梯度离心过程中，区带的位置和宽度随离心时间的不同而改变。

随离心时间的加长，区带会因颗粒扩散而越来越宽。

为此，适当增大离心力而缩短离心时间，可减少区带扩宽。

5.双水相萃取和反胶束萃取的原理?

各自如何在酶的分离纯化中应有?

双水相萃取原理：

是依据样品中目标组分在两相间的分配系数不同来进行选择性分离，当样品加入双水相体系后，由于表面性质、电荷作用和各种作用力（如疏水键、氢键和离子键等）的存在和环境条件的影响，各组分在两相中的浓度不同。

由于分配系数等于系统平衡时两相中目标组分的浓度比，因此，在双水相萃取体系中可以利用各组分K值的不同对物质进行分离。

应用：

双水相萃取已经用于多种生物酶的分离，如利用PEG/磷酸盐双水相体系提取发酵液中的碱性木聚糖酶，利用PEG/羟丙基淀粉体系从黄豆中分离磷酸甘油酸和磷酸甘油醛脱氢酶，利用PEG/K3PO4双水相体系萃取纯化葡萄糖淀粉酶，利用PEG/Dextran双水相体系分离过氢氧化酶等。

此外，α-淀粉酶、胆固醇氧化酶、脂肪酶、纤维素酶、L-天冬酰胺酶等在双水相体系中也得到较好的分离。

反胶束萃取的原理：

当蛋白质样品与反胶束溶液表面和蛋白质表面的相互作用，在两相界面形成了包含蛋白质的反胶束团，此时蛋白质以最大限度扩散进入反胶束中，从而实现蛋白质的正萃取。

然后，含有蛋白质的反胶束与另一水相接触，通过改变水相条件（如PH、离子强度等），可以调节蛋白质反萃取回水相，从而实现正萃取或反萃取过程，回收目的蛋白质。

反胶束萃取已经用于多种酶蛋白的分离，如利用十六烷甲基三甲基溴化铵（CTAB）、异辛烷/正辛醇反胶束溶液萃取纤维素酶，利用二烷基磷酸盐/异辛烷反胶束溶液萃取溶菌酶，利用琥珀酸二酯磺酸钠/异辛烷反胶束溶液提取发酵液中的碱性蛋白酶和α-淀粉酶等。

此外，胰蛋白酶、碱性蛋白酶、异柠檬酸脱氢酶、β-羟基丁酸脱氢酶、脂肪酶等也可以利用反胶束萃取进行分离。

6.如何理解灌注色谱是生物大分子分离纯化技术的一个重大突破?

以酶为例加以说明。

灌注色谱的建立是近年色谱技术发展的一个重大突破，它打破了传统的流速与分辨率、容量间的三角关系，即在流速增加的情况下，柱容量和分辨率不会降低，柱压力也不会升高，使得生物大分子的快速分离纯化成为可能。

灌注色谱法利用流动相和溶质的对流作用，降低了溶质在介质内滞留的限制，明显地缩短了蛋白质的分离时间。

因此，它能以比HPLC快10—100倍的速度在较短的循环时间内进行生物大分子的分离。

同时，该方法得到的蛋白质质量、产量和产率都有所提高，具有高流速下谱带不会因传质而展宽的特点，分离度基本不受影响，室温下操作，生物活性物质活性损失少，回收率高，可同时进行分析和制备等特点。

灌注层析技术代表了一种解决液相色谱传质问题的先进技术，已经开始用于酶等蛋白质、多肽、核酸、激素等生物大分子的分析和制备，如超氧化物歧化酶、核糖核酸酶、溶菌酶等。

7.酶结晶的原理是什么?

影响酶结晶的主要因素?

酶结晶的原理：

通过缓慢地改变母液中酶蛋白溶解度，使酶略处于过饱和状态，再配合适当结晶条件，从而得到酶的晶体。

影响酶蛋白结晶的因素众多，具体可分为物理因素、化学因素、和生物化学因素。

物理因素：

达到平衡的方法、温度、重力、压力、介质的电解质性质和黏度、均相或非均相成核等。

化学因素：

PH、沉淀剂类型和浓度、离子种类和强度、过饱和度、氧化/还原环境、酶浓度、交联体、去垢剂和杂质的存在等。

生物化学因素：

酶纯度、抑制剂、酶蛋白的聚集状态、酶水解、化学和遗传修饰、蛋白质自身的对称性、稳定性和等电点等。

第四章固定化酶与固定化细胞

1.比较使用游离酶、固定化酶和固定化细胞作为催化剂的优缺点。

（1）酶作为生物催化剂的优缺点

优点：

专一性强；

催化效率高；

催化反应的条件温和；

活性可以调节。

缺点：

稳定性差；

分离纯化困难，因此一般成本都比较高；

使用后回收困难，不能重复使用，同时也为产物的纯化带来困难。

（2）固定化酶的优缺点

优点

①极易将固定化酶与底物、产物分开；

产物溶液中没有酶的残留，简化了提纯工艺。

②可以在较长时间内反复使用，有利于工艺的连续化、管道化。

③酶反应过程可以严格控制，有利于工艺自动化。

④在绝大多数情况下提高了酶的稳定性。

⑤较能适应于多酶反应。

⑥酶的使用效率提高，产物得率提高，产品质量有保障，成本低。

缺点

①酶固定化过程中发生的物理化学变化会使酶的活性中心受损，可能导致酶活性降低。

②酶连接于固相载体后，酶蛋白的构象和活性中心都可能发生改变，而且载体骨架和侧链可能造成空间位阻，从而影响底物与酶分子接近，进而降低酶分子的实际催化活力。

③只适用于催化可溶性和较小分子的底物，对大分子底物不适宜。

④与完整细胞相比，其不适宜于多酶反应，特别是需要辅助因子的反应。

（3）固定化细胞的优缺点

固定化细胞的优势

固定化细