生物反应工程习题

第一章 绪 论1. 名词解释：生物工程；生化工程生物技术（Biotechnology）又称生物工程，是指人们以现代生命科学为基础，结合先进的工程技术手段，对生命有机体在分子水平、细胞水平、组织水平、个体水平进行不同层次的创造性设计和改造，使之能定向组建具有特定性状的新物种或新品系，从而造福人类的现代应用技术。（百度定义：应用生命科学及工程学的原理，借助生物体作为反应器或用生物的成分作工具以提供产品来为社会服务的生物技术。包括基因工程、细胞工程、发酵工程、酶工程等。）：（生物技术是一门多学科、综合性的科学技术；过程中需要生物催化剂的参与；其最终目的是建立工业生产过程或进行社会服务。）生物化学工程（biochemical engineering）简称生化工程，是为生物技术服务的化学工程。它是利用化学工程原理和方法对实验室所取得的生物技术成果加以开发，使之成为生物反应过程的一门学科，所以可以把生化工程看成是化学工程的一个分支，也可以是生物工程的一个重要组成部分。（生化工程是生物技术和化学工程的交叉学科。一方面它将生物技术引入以化工为代表的传统产业，解决日益紧张的资源和环境问题，另一方面它将化工理论和经验应用于生物工程，解决生物产品从实验室走向产业化的过程工程科学瓶颈问题。由于其研究对象是生化过程，因此近年来又被称之为生物过程工程（Bioprocess Engineering）2. 简述生物反应过程及特点。 典型的生物反应过程包括四个部分：（1）原材料的预处理；（2）生物催化剂的制备；（3）生化反应器及反应条件的选择与监控；（4）产物的分离纯化。 采用高活性生物催化剂，反应条件温和，生产设备简单，能量消耗较少； 多以光合产物生物质（biomass）为原料，为可再生资源，减少了对矿物资源的依赖； 废弃物危害程度小，生物反应过程本身是环境污染治理的一种重要手段，而且在废物处理时还能获得有价值产品，如燃料、化工原料等。3. 论述生物技术与各产业部门的关系。 现代生物技术与电子信息技术和新材料技术一样，为当今极重要的三大高新技术领域之一。其主要特点是人工定向改造生物遗传特性，创造新物种，通过工程化为人类提供有益产品和服务。 4. 简述现代生物技术的主要内容包括哪些？生物技术是对有机体的操作技术，也就是应用生物体及其某些组成部分的生理特性，生产对人类有价值的产物或进行对人类有益的过程的技术。现代生物技术以现代生物学和生命科学为基础，将生物学的认识和现代工程技术相结合，并侧重于设计、操作和应用，故又称为生物工程。它涵盖的内容非常广泛，按照所研究的层次不同，又可以分为酶工程、发酵工程 、细胞工程、基因工程、蛋白质工程等五大类，核心是基因工程。近些年来，生物工程发展迅速，正日益深入和改变人们的生活，并将对世界经济的变革和人类的前途产生深远的影响。一、发酵工程 微生物是生物的一大组成部分，利用微生物及其内含酶系的生理特性，再应用现代工程技术手段生产或加工人类所需要的产品的技术体系，就叫发酵工程，又称为微生物工程。发酵过程以传统发酵为核心，目前在整个生物生产中仍然是最重要的组成部分。酒精、调味品、工业酒精、氨基酸类核酸和核苷酸、抗菌素及激素等都可以利用发酵得到生产，利用微生物的生理机能进行细菌冶金、生物净化等同样属于发酵工程。筛选和培育能够产生特定生物活性物质的优良菌种，弄清微生物的生理代谢机能，提供微生物生产的最佳条件，则成为发酵工程的关键环节。二、酶工程 酶是一种具有特定生物催化功能的蛋白质。酶工程简单地说就是酶制剂在工业上大规模生产及应用。它包括酶制剂的开发和生产、多酶反应器的研究和设计以及酶的分离提纯和应用的扩大。酶工程一般分为两大类：化学酶工程和生物酶工程。化学酶工程也成为初级酶工程，通过对酶进行花心处理、甚至化学合成等手段来改善酶的性质以提高催化效率及降低成本。这种酶制剂已经广泛应用于食品、制药、制革、酿造、纺织等工业领域。生物酶工程基于化学酶工程，是酶科学和以基因工程为主的现代分子生物技术相结合的产物，也称为高级酶工程，它通过对酶基因的修饰改造或设计，产生出自然界不曾有过的、性能稳定、催化效率更高的新酶。现代酶工程的关键技术是固定化酶技术。70年代以来，又迅速发展起固定细胞技术。采用这种技术，不必将酶从细胞中提炼出来，而是直接把整个细胞固定化，使之处于细胞内的自然状态，参与催化反应，省却了酶的提取和强化工艺，制备和使用也比较方便，并且还能够催化一系列的反应。三、细胞工程 细胞是除了病毒外的所有生物体的基本结构和功能单位。现代细胞工程就是应用细胞生物学和分子生物学的理论、方法和技术，以细胞为基本单位进行离体培养、繁殖，或人为地使细胞的某些生物学特性按照人们的意愿发生改变，从而改良生物品种和创造新品种，或加速动植物个体的繁殖，或获得有用的物质。它主要包括细胞融合、细胞培养、细胞器移植、染色体工程等。细胞融合技术也就是体细胞杂交。它打破了有性杂交方法的局限，使远缘杂交成为可能。目前，经细胞融合而成的杂交植物（如番茄薯、苹果梨等）已经普遍，在动物方面也已经实现了鼠猴、鼠兔、骡鼠、兔鸡、牛水貂等多种类型的细胞融合。细胞培养技术是将离体的细胞在特定条件下加以快速繁殖。用于细胞植物培养，一次可以获得大量植株 ，且不受季节、气候等自然条件的限制，遗传稳定性好，因而特别适用于商业规模生产名贵植物、药物和引种的珍稀植物。1997年轰动全球的体细胞克隆羊“多利”，则是细胞器官移植的成功一例。四、基因工程 基因是具有遗传效应的DNA片段，是遗传物质的功能单位和结构单位。基因工程就是在基因水平上对生物体进行操作，改变细胞遗传结构从而使细胞具有更强的某种性能或获得全新功能的技术。它实质上是生物体间遗传信息的转移技术。DNA重组技术是基因工程的核心，也是现代生物技术的核心。该技术采用分子生物学方法分离具有遗传信息的DNA片段，经过剪切、组合使之与适宜的载体连接，建成重组DNA ，并将它转入到特定的宿主细胞或有机体内进行复制和传代，实现生物遗传特性的转移和改变。五、蛋白质工程 蛋白质是组成生命体系的一类具有复杂结构和功能的生物大分子，定向地对蛋白质的结构进行人工设计和改造，获得一些具有优良特性的、甚至自然界本来不存在的蛋白质分子，就叫蛋白质工程。蛋白质工程其实是基因工程深化发展的产物。它综合分子生物学、计算机辅助设计等多种技术和方法，突破了基因工程只能生产天然存在的蛋白质的局限，可以设计和生产天然生物体内不存在的新型蛋白质；或通过蛋白质的分子设计来提出修改的方案，应用基因工程技术方法，使蛋白质功能得到优化。 第2章 工业微生物学基础1. 什么是微生物？试分析微生物的四大特点对人类的利弊。(红色是课件中答案) 微生物（microorganism）是一切微小生物的总称，是一些个体微小、需要显微镜才能看清其外形的构造结构简单的低等生物。与人们生活密切相关。1. 体积小，比表面积大。微米或纳米级2. 种类多，分布广。10万;固氮、解毒、营养等。3. 生长旺，繁殖快。大肠杆菌20min/代；发酵。4. 适应强，易变异。极端环境生长；筛选菌种。微生物摄取原料中养分，通过体内特定酶系，经过复杂生化反应代谢作用，把原料转化为人们所需要的产品。从生化观点看，微生物是一种催化剂，能促使生物物质转化；从化学工程角度看，微生物细胞是一种微小“反应器”。2. 工业生产中常见微生物有哪些？它们的主要特征是什么？ 工业常用微生物和常见杂菌主要有：细菌、放线菌、酵母、霉菌和病毒。 1. 细菌 单细胞原核生物，分裂繁殖，直径0.5um,长0.5-5um, 有杆状、球状、螺旋状等。2. 放线菌 放线菌生长发育到一定阶段，一部分气生菌丝便分化成孢子丝。孢子丝有杆形的、波浪形的、螺旋形的等，上面生有成串的孢子。在适宜的条件下，孢子萌发长出菌丝。l 放线菌为，原核微生物，广泛存在于泥土中。l 大多数为腐生菌，利于自然界物质循环；少数为寄生菌，引起人和动植物病害；有的与植物共生，固氮。l 放线菌最大的经济价值是能产生抑制其它微生物生长的抗生素。微生物中发现5500种抗生素中2/3由放线菌产生。链霉素、土霉素、四环素、氯霉素、红霉素等。l 有些还用于生产维生素和酶制剂、处理污水等。l 菌落特征：干燥、不透明，表面呈紧密的丝绒状，上有一层色彩鲜艳的干粉；菌落和培养基连接紧密，难以挑取；菌落正反面常不一致，菌落边缘培养基的平面有变形现象等。3. 酵母菌（yeast） 单细胞真核微生物，形态多样，菌体细胞以卵形为主。l 繁殖方式以无性繁殖为主。有芽殖和裂殖。也有有性繁殖。l 分布很广，主要在偏酸性和含糖环境中，水果、蔬菜、蜜饯表面或果园土壤中最常见。l 菌落特征与细菌相仿，但较不透明，大多呈乳白色，一般会散发酒香味。l 酵母在发酵生产中有着特别重要的地位。酿酒、烤面包、发馒头，酒精和甘油生产；石油发酵脱蜡，并生产各种有机酸。酵母本身含有丰富的蛋白质、维生素和各种酶。l 发酵工业常用酵母菌主要有酿酒酵母菌属和假丝酵母菌属4. 霉菌 也称丝状真菌。凡生长在营养基质上形成绒毛状、蛛丝网状或絮状菌丝体的，如根霉、毛霉、曲霉、青霉等统称为霉菌。霉菌可用来酿酒、制酱，生产酒精、抗生素、有机酸、激素、维生素等。5. 病毒 比细菌还小、没有细胞结构、不能独立生活但具有遗传、变异等生命特征的一类微生物。 3. 微生物的营养基质主要由哪几部分组成？各有什么作用？ 微生物的细胞组成：80%为水份，20%是干物质。在20%干物质中，其中C、H、N、O四只种大量元素占90-97%，其余10-3%为矿质元素，在矿质元素中，其中P含量占50%，其次还有K、Mg 、S 、Na和微量元素Fe 、Cu 、B、Mo 、Si等。（1）H2O 各类微生物都含有大量水分，占90%左右。其中细菌含水量为鲜重7585%，酵母菌7085%，霉菌8590%，芽孢45%，霉菌孢子38%。一般说低等微生物含水量大于高等微生物，幼令菌含水量大于老令菌。 水的作用：微生物机体重要组成； 直接参加各种代谢反应； 是微生物代谢反应的中间介质； 调节微生物细胞温度(水比热大，有利吸热散热) ； 维持细胞膨压。（2）碳源 碳源是凡可构成微生物细胞碳水化合物中碳架营养物质。 碳素作用:构成微生物细胞物质; 供给微生物生长发育所需能量。 大多数微生物是以有机碳化合物如糖类、有机物、脂肪、烃类等作为碳源和能源。其中糖类如葡萄糖、蔗糖是最好碳源，也有少数种类利用二氧化碳作为碳源。（3）氮源 构成微生物细胞物质代谢产物中氮素来源营养物质。 氮素作用：是蛋白质基本成分，一般不提供能量。 微生物利用氮源途径: N2 固氮微生物 NH4N 蛋白质 固氮酶（4）矿质元素(无机盐类矿质营养) 无机盐类只占3-10%，在无机盐类中P占去50%。 总的功能:细胞的组成成分；酶的组成成分维持酶的活性； 调节细胞渗透压、pH、氧化还原电位； 某些矿质元素如S、Fe等作为自养的能源。 大量元素：C、H、O、N、P、S、K、Mg、Ca、Fe 微量元素：Mn、Co、Cu、Zn、Mu、Ni，一般不加。（5）生长素(生长辅助物质亦叫生长因子) 是微生物生长代谢所必需的，但微生物本身又不能合成的微量的特殊营养物。如维生素、氨基酸、核酸以及马玲薯汁、酵母粉、动物肝脏浸出汁等。 生长素根据化学结构及代谢功能分: Vitamin E：辅酶的组成结构； Amino acid：供给微生物必需的本身又不能合成的某些氨氨基酸，如缺陷型微生物； 碱基(嘧啶、嘌呤)：构成核酸和辅酶； 末知成分。 三类微生物: 自养微生物不需外源供应;需部分供给或部分供给生长素的前体才能生长;必需供给多种生长因素才能生长。 4. 影响微生物生长发育的主要因素有哪些? 5. 微生物培养方法主要有哪些？连续培养的优缺点有哪些？ 固体培养：将纯种微生物接种培养在固体培养基上。优点：固体曲酶活力高，培养基疏松，内部充满空气，既可静置培养，也可通风培养。缺点是劳动强度大。 液体深层培养：是一种比较科学的微生物工业化培养方法。优点是：可以根据微生物生长过程中对营养物质及培养条件的不同要求，随时调整。 载体培养：兼顾固、液培养特点的方法。其特征是：A. 以天然或人工合成的多孔材料代替麸皮等固体基质作为微生物生长的载体，营养成分可以严格控制；B. 发酵结束后只需将菌体和培养液挤出来进行抽提，载体又可以重新使用；C. 载体应经得起蒸汽加热和药物灭菌，具有多孔结构，既具有足够的表面积，又能允许空气流通，目前以脲烷泡沫塑料用得较多。连续培养优缺点：优点：具有培养液浓度和代谢产物含量的相对稳定性，保证了产品质量和产量的稳定；减少操作时间，缩短培养周期，提高设备利用率；减轻劳动强度，便于自控等。用于啤酒、丙酮等生产及废水生化处理等。缺点： 连续培养时间长，污染机会多；长期培养细胞易变异；细胞在反应器壁、搅拌轴、排液管等处生长，增加了培养困难；收率和产物浓度相对较低；设备要求高，需复杂检测和控制系统。 6. 常见微生物生物反应器有哪些？各有什么基本特征？l 工业常用微生物反应器A. 机械搅拌通气式发酵罐（通用式）B. 自吸式发酵罐C. 鼓泡式发酵罐D. 环流式发酵罐E. 连续管道发酵罐机械搅拌通气式发酵罐（通用式）l 优点： pH和温度易于控制； 工业放大方法已规范； 适合连续培养。l 缺点： 驱动功率大； 内部结构复杂，难以彻底清洗，易造成污染； 丝状菌培养中由于搅拌器的剪切作用，细胞易受损伤。自吸式发酵罐 利用搅拌器旋转时产生的抽力吸入空气。 优点：省去压缩机。 缺点：吸程一般不高，必需采用低阻力高效空气除菌装置。空气直接进入反应器对大多数无菌要求较高的发酵生产不适宜。 更为适用。第3章 代谢作用与发酵1. 生物能量的载体主要是什么？腺嘌呤核苷三磷酸（adenosine triphosphate, ATP）l ATP是生物能量的主要传递者，是能够被生物细胞直接利用的能量形式。l 光合磷酸化；氧化磷酸化(2) 烟酰胺辅酶（NAD、NADP）l 烟酰胺辅酶是生物氧化过程中最重要的氢载体。l 两种结构形式： 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD, 辅酶I；NAD+， NADH） 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP, 辅酶I；NADP+， NADPH）l 1个NAD或NADH分子相当于3个ATP分子的能量。 2. 细胞的分子组成包括哪几部分？细胞的分子组成 1. 水和无机盐 2. 糖类 3. 脂类 4. 蛋白质 5. 核苷酸和核酸水在细胞正常的代谢活动中具有重要意义。这是因为水有许多特性。（1）、水是极性分子。（2）、水的比热为1。（3）、固态水比液态水的密度低（冰比水轻）。 （4）、PH7。 （5）、水是良好的溶剂 。细胞中的无机盐一般都是以离子状态存在的，它们的作用主要有：（1）它们对细胞的渗透压和pH起着重要的调节作用，如K+、Na+、Mg2+、Ca2+、Cl-、HPO42-等。（2）有些离子是酶的活化和调节因子，如Mg2+、Ca2+等。（3）有些则是合成有机物的原料，如P043-是合成磷脂、核苷酸的原料，Mg2+是合成叶绿素的原料。单糖 双糖 麦芽糖、蔗糖和乳糖 多糖 淀粉、糖原和纤维素 贮藏物质 淀粉、糖原 结构物质 纤维素、几丁质3、脂类l 特点： 不溶于水，而易溶于乙醚、丙酮、氯仿、苯和四氯化 碳等非极性溶剂。l 功能： 脂类是构成生物膜的重要物质，与细胞的表面物质、 细胞识别和种的特异性、组织免疫等密切相关。 脂类也可作为能量贮存在生物体内，并构成生物体的保护层，防止机械损伤和热量、水分的散失。 有些脂类物质，如维生素A、维生素D、肾上腺皮质激素、前列腺素等具有强烈的生物活性。 4、蛋白质（1）、根据蛋白质在机体内的功能，可将其分为7大类： A、结构蛋白； B、收缩蛋白； C、贮藏蛋白； D、防御蛋白； E、转运蛋白； F、信号蛋白； G、酶 5、核酸（1） 核苷酸l 核酸的结构单体是核苷酸。核苷酸分子含有一个戊糖（核糖或脱氧核糖）分子、一个磷酸分子和一个含氮的有机碱。l 这些有机碱（碱基）分为两类，一类是嘌呤，是双环分子，另一类是嘧啶，是单环分子。l （2） 核糖核酸和脱氧核糖核酸 l 核酸有两类，脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）。DNA和RNA分子都是由许多顺序排列的核苷酸组成的大分子。l DNA含脱氧核糖，RNA含核糖。DNA的碱基是腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G)、胸腺嘧啶(T）和胞嘧啶（C）四种。RNA的碱基没有胸腺嘧啶而有尿嘧啶 (U)，其余与DNA相同。3. 生物氧化、糖酵解、底物水平磷酸化、氧化磷酸化、光合作用 生物氧化的概念、特点和部位1.概念：有机物质在生物体细胞内氧化分解产生二氧化碳、水，并释放出大量能量的过程称为生物氧化（biological oxidation）。又称细胞呼吸或组织呼吸。 2.特点：生物氧化和有机物质体外燃烧在化学本质上是相同的，遵循氧化还原反应的一般规律，所耗的氧量、最终产物和释放的能量均相同。 （1）在细胞内，温和的环境中经酶催化逐步进行。 （2）能量逐步释放。一部分以热能形式散发，以维持体温，一部分以化学能形式储存供生命活动能量之需（约40%）。 （3）生物氧化生成的H2O是代谢物脱下的氢与氧结合产生，H2O也直接参与生物氧化反应；CO2由有机酸脱羧产生。 （4）生物氧化的速度由细胞自动调控。 3.部位：在真核生物细胞内，生物氧化都是在线粒体内进行，原核生物则在细胞膜上进行。糖酵解 英文名称：glycolysis 定义：葡萄糖或糖原在组织中进行类似发酵的降解反应过程。最终形成乳酸或丙酮酸，同时释出部分能量，形成ATP供组织利用。糖酵解是指在氧气不足条件下，葡萄糖或糖原分解为丙酮酸或乳酸的过程，此过程中伴有少量ATP的生成。这一过程是在细胞质中进行，不需要氧气，每一反应步骤基本都由特异的酶催化。在缺氧条件下丙酮酸则可在乳酸脱氢酶的催化下，接受磷酸丙糖脱下的氢，被还原为乳酸。 而有氧条件下的糖的氧化分解，称为糖的有氧氧化，丙酮酸可进一步氧化分解生成乙酰CoA进入三羧酸循环，生成CO2和H2O。 糖的有氧氧化和糖酵解在开始阶段的许多步骤是完全一样的，只是分解为丙酮酸以后，由于供氧条件不同才有所分歧。底物水平磷酸化（substrate level phosphorlation）：物质在生物氧化过程中，常生成一些含有高能键的化合物，而这些化合物可直接偶联ATP或GTP的合成，这种产生ATP等高能分子的方式称为底物水平磷酸化名词解释底物水平磷酸化（substrate level phosphorylation）：ADP或某些其它的核苷-5二磷酸的磷酸化是通过来自一个非核苷酸底物的磷酰基的转移实现的。这种磷酸化与电子的转递链无关。 指在分解代谢过程中，底物因脱氢、脱水等作用而使能量在分子内部重新分布，形成高能磷酸化合物，然后将高能磷酸基团转移到ADP形成ATP的过程。例如在糖的分解代谢过程 底物水平磷酸化中，甘油醛-3-磷酸脱氢并磷酸化生成甘油酸-1，3-二磷酸，在分子中形成一个高能磷酸基团，在酶的催化下，甘油酸-1，3-二磷酸可将高能磷酸基团转给ADP，生成甘油酸-3-磷酸与ATP。 又如甘油酸-2-磷酸脱水生成烯醇丙酮酸磷酸时，也能在分子内部形成一个高能磷酸基团，然后再转移到ADP生成ATP。 又如在三羧酸循环中，琥珀酸CoA（辅酶A）生成琥珀酸，同时伴有GTP的生成，也是底物水平磷酸化。编辑本段特点底物水平磷酸化指高能化合物的放能水解作用或与基团转移相偶联的ATP合成作用。不包括光合磷酸化或呼吸链中氧化磷酸化的ATP生成过程。例如：糖酵解途径中产生的高能磷酸化合物甘油酸-1，3-二磷酸和烯醇式磷酸丙酮酸在酶的作用下，高能磷酸基团转移到ADP分子上生成ATP。又如三羧酸循环中产生的高能硫酯化合物琥珀酰辅酶A在酶的作用下水解成琥珀酸，同时使GDP磷酸化为GTP，GTP再与ADP作用生成ATP。这些都是底物水平磷酸化的实例。底物水平磷酸化没有共同的作用机制。氧化磷酸化，生物化学过程，是物质在体内氧化时释放的能量供给ADP与无机磷合成ATP的偶联反应。主要在线粒体中进行。在真核细胞的线粒体或细菌中，物质在体内氧化时释放的能量供给ADP与无机磷合成ATP的偶联反应。概念：磷酸化（phosphorylation）是指在生物氧化中伴随着ATP生成的作用。有代谢物连接的磷酸化和呼吸链连接的磷酸化两种类型。即ATP生成方式有两种。一种是代谢物脱氢后，分子内部能量重新分布，使无机磷酸酯化先形成一个高能中间代谢物，促使ADP变成ATP。这称为底物水平磷酸化。如3-磷酸甘油醛氧化生成1，3-二磷酸甘油酸，再降解为3-磷酸甘油酸。另一种是在呼吸链电子传递过程中偶联ATP的生成，这就是氧化磷酸化。生物体内95%的ATP来自这种方式。 偶联部位：根据实验测定氧的消耗量与ATP的生成数之间的关系以及计算氧化还原反应中GO和电极电位差E的关系可以证明。光合作用就是绿色植物在光照下将CO2和H2O合成有机物质并放出O2的过程。4. 简述糖类、脂类和蛋白质代谢的相互关系。 糖类代谢与脂类代谢之间的关系糖类与脂肪之间的转化是双向的，但它们之间的转化程度不同，糖类可以大量形成脂肪，例如酵母菌放在含糖培养基中培养，细胞内就能够生成脂类，个别种类的酵母菌合成的脂肪可以高在这酵母菌干重的40%；然而脂肪却不能大量转化为糖类，例如某些动物在冬眠的时候，脂肪可以转变成糖类。 糖类代谢与蛋白质代谢的关系l 糖类与蛋白质之间的转化也可以是双向的：糖类代谢的中间产物可以转变成非必需氨基酸，但糖类不能转化为必需氨基酸，因此糖类转变蛋白质的过程是不全面的；然而几乎所有组成蛋白质的天然氨基酸通过脱氨基作用后，产生的不含氮部分都可以转变为糖类，例如，用蛋白质饲养患人工糖尿病的狗，则有50%以上的食物蛋白质可以转变成葡萄糖。l 必需氨基酸是指在人体细胞中不能合成的氨基酸。l 人体必需氨基酸有8种，赖、色、苯丙、亮、异亮、苏、甲硫氨酸。 蛋白质代谢与脂类代谢的关系 蛋白质与脂类之间的转化依不同的生物而有差异。例如人和动物不容易利用脂肪合成氨基酸，然而植物和微生物则可由脂肪酸和氮源生成氨基酸；某些氨基酸通过不同的途径也可转变成甘油和脂肪酸，例如用只含蛋白质的食物饲养动物，动物也能在体内存积脂肪。第四章 遗传的分子基础与基因工程1. DNA的半保留复制，基因突变，基因表达，基因工程。DNA的半保留复制：每个子代分子的一条链来自亲代DNA，另一条链则是来自亲代的这一条DNA为模板,按照碱基互补原则,新合成的具有互补碱基的新链，完成复制的DNA子链与亲代双链DAN完全相同，这种复制方式称为DNA的半保留复制。 基因突变：细胞中核酸序列的改变通过基因表达有可能导致生物遗传特征的变化，这种核酸序列的变化称为基因突变（mutation）。l 基因表达：遗传信息从基因流向RNA又流向蛋白质的过程总称为基因表达。按照人们的愿望，进行严密的设计，通过体外DNA重组和转基因等技术，有目的地改造生物种性，使现有的物种在较短时间内趋于完善，创造出更符合人们需求的新的生物类型，这就是基因工程。 2. 简述DNA复制过程。DNA分子的复制是指以亲代DNA分子为模板合成子代DNA分子的过程这个过程是在细胞有丝分裂的间期和减数第一次分裂间期随着染色体的复制完成的 DNA的复制是一个边解旋边复制的过程复制刚开始时，DNA分子首先利用细胞提供的能量，在解旋酶的作用下，把两条螺旋的双链解开，这个过程叫做解旋然后，以解开的每一段母链为模板，以周围环境中游离的4种脱氧核苷酸（分别是腺嘌呤脱氧核苷酸、鸟嘌呤脱氧核苷酸、胞嘧啶脱氧核苷酸和胸腺嘧啶脱氧核苷酸4种）为原料，按照碱基互补配对原则，在有关酶的作用下，各自合成与母链互补的一段子链随着解旋过程的进行，新合成的子链也不断延伸，同时每条子链与其对应的母链盘绕成双螺旋结构，从而各形成一个新的DNA分子这就是DNA分子的复制过程.复制结束后，一个DNA分子就形成了两个完全相同的DNA分子新复制出的两个子代DNA分子，通过细胞分裂分配到子细胞中去复制可以分为以下几个阶段起始阶段：DNA解旋酶在局部展开双螺旋结构的DNA分子为单链，引物酶辨认起始位点，以解开的一段DNA为模板，按照5到3方向合成RNA短链。形成RNA引物。 DNA片段的生成：在引物提供了3-OH末端的基础上，DNA聚合酶催化DNA的两条链同时进行复制过程，由于复制过程只能由5-3方向合成，因此一条链能够连续合成，另一条链分段合成，其中每一段短链成为冈崎片段（Okazaki fragments）(由日本冈崎夫妇发现并命名)。 RNA引物的水解：当DNA合成一定长度后，DNA聚合酶水解RNA引物，补填缺口。 DNA连接酶将DNA片段连接起来，形成完整的DNA分子。 最后DNA新合成的片段在旋转酶的帮助下重新形成螺旋状。3. 重组DNA技术的实现主要分为哪五个步骤？l 重组DNA技术的实现主要分为五个步骤：l 第一步：目的基因的分离或制备；l 第二步：重组DNA：选择载体以及在限制性内切酶和连接酶作用下将目的基因与载体基因重组； l 第三步：转化：用重组DNA转化受体细胞，使之进入受体细胞并能够在受体细胞中复制和遗传；l 第四步：筛选：对转化子进行筛选和鉴定；l 第五步：目的基因表达：目的基因表达出目的效应和性状。 第五章 酶与酶工程1. 酶主要分为哪几类？国际系统命名法如何对酶进行命名？国际系统命名法l 每种酶地编号由4个数字组成，中间用“.”隔开，分别代表大类.亚类.亚亚类.序号，如：EC1.2.3.2是黄嘌啉：氧氧化还原酶的编号。2. 酶作为生物催化剂的特点有哪些？ 1.易失活2.具有很高的催化效率3.具有很高的专一性4.酶的活性受到调节控制(1)调节酶的浓度(2)通过激素调节酶的活性(3)反馈抑制调节酶的活性(4)抑制剂和激活剂调节酶的活性(5)其他调节方式如别构调节3. 酶活力测定方法有哪几种？酶活力是通过测定酶促反应过程中单位时间内底物的减少量或产物的生成量，即测定酶促反应的速率来获得的。（1）定时法: 测定酶反应开始后某一时间内(t1到t2)产物或底物浓度的总变化量来求取酶反应初速度的方法称为定时法。因t1和t2是整个反应历程的两个点，故又称两点法，其中t1一般取反应开始的时间，在酶反应进行一定时间(t2)后终止反应，如加入强酸、 强碱、蛋白沉淀剂等，然后测定底物或产物的变化。 这种方法的优点是简单，因最后测定产物时酶反应已被终止，故比色池无需保温装置，显色剂的选择也可不考虑对酶活力的影响。缺点是如果不用预试验确定，无法了解酶作用的这段时间内是否都是零级反应，故很难保证测定结果的真实性。 因此，用定时法测定酶活力时，应先做预试验来确定线性时间，并在线性时间内进行测定，否则，不能用p除以t来表示每分钟产生的p，并用其计算酶活力单位。 （2）连续监测法: 连续测定(每15s-1min监测一次)酶反应过程中某一反应产物或底物的浓度随时间的变化来求出酶反应初速度的方法称为连续监测法，又称动力学法或速率法。定时法只测定两个时间点，而连续监测法则进行多点连续测定。 这种方法的优点是可将多点的测定结果(s或p的变化)连接成线，很易找到成直线的区段，可以观察到是否偏离零级反应，因而可选择线性反应期来计算酶活力，不需要终止反应。也可在反应曲线的拐点处求出其切线的斜率，即初速度。连续监测法测定的结果通常较定时法高，也较为准确，因为前者测定时间较短，而在酶反应的初始阶段底物最充裕，而产物的抑制作用、可逆反应、酶的变性作用等均很小。 用连续监测法测定的缺点是因酶和底物边保温边测定的需要，仪器(比色计或分光光度计)必须有保温装置，而且产物(或底物)应是可被直接测定的化合物，且借以测定的特殊性质，必须与底物(或产物)有明显差别，否则，需加入其它试剂(如显色剂、酶试剂等)，将其转变成可测物质，但必须专虑到加入的酶试剂或显色剂对待测酶是否有影响。（3）平衡法: 通过测定酶反应开始至反应达到平衡时产物或底物浓度总变化量来求出酶活力的方法称为平衡法，或称终点法。因定时法是在酶反应的动态期进行测定，故需终止反应后才能测定，而平衡法则无需，因在平衡期中任何一点进行测定，底物和产物的量都不再变化。 用平衡法测定时，因产物的增加或底物的减少与反应时间不成线性，故不能把p或s 的总变化量除以t来代表每分钟产物或底物的变化。另外，平衡法也会受到产物抑制、可逆反应等因素的影响，由于反应时间较定时法更长，故这种影响会更大，测定结果也较连续监测法低，不能代表初速度，也不是零级反应的速度。但是与定时法相同，只要待测标本与正常标本在相同条件下反应并测定，亦能以此判断出待测标本酶活力的相对大小。而且，对于有些零级反应期很短的酶促反应，用连续监测法和定时法很难测出其初速度，也只得采用平衡法测定。 4. 作为酶的生产菌，应有如下特定的要求。 作为酶的生产菌，应有如下特定的要求。 酶的产量高。 安全可靠，不是致病菌。 酶的生产稳定，传代过程中不易变异、退化，不易感染噬菌体。 有利于酶的分离纯化。 原料价廉，营养要求低，对培养基要求不苛刻，发酵周期短、易于培养和管理。 5. 酶发酵生产常用微生物 大肠杆菌。属细菌类，杆状，革兰染色呈阴性，一般分泌胞内酶。工业上应用于生产谷氨酸脱梭酶、天冬氨酸酶、青霉素酞化酶等。l 枯草杆菌。属细菌，革兰染色呈阳性，主要用于生产-淀粉酶、蛋白酶、-葡萄糖氧化酶、碱性磷酸酶等。l 啤酒酵母。细胞呈圆形、卵形、椭圆形到腊肠形。主要用于酿造啤酒、酒精、饮料和制造面包；在产酶方面主要生产转化酶、丙酮酸脱羧酶、醇脱氢酶等。l 假丝酵母。是单细胞蛋白的主要产生菌。在酶工程方面可用于生产脂肪酶、尿酸酶、转化酶、醇脱氢酶等。l 曲霉。包括黑曲霉、黄曲霉、米曲霉等，因用于多种酶的生产而在工业上广泛应用，如糖化酶、蛋白酶、淀粉酶、纤维素酶、果胶酶、葡萄糖氧化酶、核酸酶、脂肪酶等。6. 酶的纯化与精制方法有哪些？ 根据分子大小和形状的分离方法。1)离心分离；2) 凝胶过滤 3)透析和超滤根据酶分子溶解度的分离方法 1)改变离子强度；2）改变介电常数。根据酶分子电荷性质的分离方法 1）离子交换层析；2 ）层析聚焦法；3）电泳；4）等电聚焦电泳；根据酶分子专一性结合的方法 1）亲和层析；2）免疫分析；3）染料配体亲和层析；4）共价层析根据分配系数的分离方法。7. 评价固定化酶（细胞）的指标包括哪些？ （1）固定化酶（细胞）的活力l 固定化酶（细胞）的活力即是固定化酶（细胞）催化某一特定化学反应的能力，其大小可用在一定条件下它所催化的某一反应的反应初速度来表示。l 固定化酶（细胞）的单位可定义为每毫克干重固定化酶（细胞）每分钟转化底物（或产物）的量. 表示为mol/(min.mg)如是酶膜、酶管或酶板，则以单位面积的反应初速度来表示，即mol/(min .cm2)。l 表示固定化酶的活力一般要注明下列测定条件：温度、搅拌速度、固定化酶的干燥条件、固定化的原酶含量或蛋白质含量及用于固定化酶的原酶的比活力。l 固定化酶通常呈颗粒状，所以一般测定溶液酶活力的方法要作改进才能适用于测定固定化酶，其活力可在两种基本系统填充床或均匀悬浮在保温介质中进行测定。 （2）固定化酶的活力回收l 固定化酶的活力回收定义为固定化后固定化酶（或细胞）所显示的活力占被固定的等当量游离酶（细胞）总活力的分数。l 活力回收（固定化酶总活力被固定游离酶总活力）X100%l 活力回收也可称为有效系数、活力保留分数、偶联效率，它表示影响酶固有性质诸因素的综合效应。（3）固定化酶（细胞）的半衰期l 在连续测定条件下，固定化酶（细胞）的活力下降为最初活力一半所经历的连续工作时间称为固定化酶（细胞）的半衰期，以t1/2表示。固定化酶（细胞）的操作稳定性是影响实用的关键因素，半衰期是衡量稳定性的指标。 8. 常见酶的应用领域有哪些？ 轻工业。主要有3个方面的用途：用酶进行原料处理；用酶生产各种产品；用酶增强产品的使用效果。 l 洗涤剂工业。 蛋白酶、a-淀粉酶、纤维素酶及脂肪酶 。l 饲料工业。半纤维素酶类、植酸酶、淀粉酶和蛋白酶。l 纺织工业 织物退浆；丝绸脱胶；羊毛染色l 日用化工和制革工业 (1)用于加酶牙膏、牙粉和漱口水 (2)加酶护肤品在各种护肤品及化妆品中添加超氧化物歧化酶(SOD),碱性磷酸酶，尿酸酶和弹性蛋白酶等可有效地提高护肤效果。 (3)皮革脱毛原料皮的脱毛 (4)毛皮软化 酶酶法毛皮软化的作用是分解纤维间质中的蛋白质，使皮纤维进一步松散，为蹂制皮革创造条件。l 医药归纳为下列3个方面：l 在疾病诊断方面应用l 在疾病治疗方面的应用 l 用酶制造各种药物。l 环境保护l 水处理。在造纸和纸浆工业中，利用固定化a淀粉酶处理造纸厂废水中的淀粉和白土混悬的胶态物取得了良好的效果；用酶法处理纸浆，使排水管道中含氯的有机化合物数量减少。l 环境监测。利用固定化酶可以检测有机磷农药、有机氯农药和其他痕量的环境污染物，具有灵敏度高、性能稳定，可以连续测定等优点。例如，利用固定化的胆碱酯酶，能够检测空气或水中的有机磷农药残留，灵敏度可达0.1mg/L；由固定化酶和灵敏的电位滴定法或连续的荧光测定法相结合，可以用来测定空气中和水中可能存在的有机磷杀虫剂的毒害；此外，固定让硫氰酸酶可用于检测氰化物的存在等。l 酶传感器。目前已开发的酶传感器已有多种，如利用多酚氧化酶制成固定化酶柱，将其与氧电极检测器合用，可以检测水中痕量的酚；将亚硝酸还原酶膜与氧电极偶联，可成功地被用来静态测定水中亚硝酸盐浓度。 26 / 26文档可自由编辑打印