2022年医学专题—第四章-细胞破碎...ppt

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1、第四章第四章细细 胞胞 破破 碎碎1第一页，共六十八页。概述概述(i sh)不同类型的细胞分泌目标产物的类型：不同类型的细胞分泌目标产物的类型：n动物细胞多分泌到细胞外培养液动物细胞多分泌到细胞外培养液n植物细胞多为胞内产物植物细胞多为胞内产物n微生物（细菌微生物（细菌/酵母酵母/真菌）胞内、胞外真菌）胞内、胞外 对于对于(duy)胞内产物需要收集菌体或细胞进胞内产物需要收集菌体或细胞进行破碎。行破碎。2第二页，共六十八页。概述概述(i sh)(大多数情况下，抗生素，胞外酶，一些多糖，及大多数情况下，抗生素，胞外酶，一些多糖，及氨基酸等目标产物存在于发酵液中。氨基酸等目标产物存在于发酵液中。(

2、有些目标产物存在于生物体中。有些目标产物存在于生物体中。l尤其是由基因工程菌产生的大多数蛋白质是在细尤其是由基因工程菌产生的大多数蛋白质是在细胞内沉积。胞内沉积。l脂类物质脂类物质(wzh)和一些抗生素包含在生物体中。和一些抗生素包含在生物体中。3第三页，共六十八页。概概 述述细胞破碎（细胞破碎（cell rupturecell rupture）技术是指利用外力破坏）技术是指利用外力破坏细胞膜和细胞壁，使细胞内物质包括目的产物成细胞膜和细胞壁，使细胞内物质包括目的产物成分释放出来的技术。分释放出来的技术。细胞破碎技术是分离纯化细胞内合成的非分泌型细胞破碎技术是分离纯化细胞内合成的非分泌型生化物

3、质（产品）的基础。生化物质（产品）的基础。为了研究细胞破碎，提高为了研究细胞破碎，提高(t go)(t go)其破碎率，有必要了解其破碎率，有必要了解各种微生物细胞壁的组成和结构。各种微生物细胞壁的组成和结构。4第四页，共六十八页。1 1 细胞壁结构细胞壁结构(jigu)(jigu)Z微生物细胞和植物细胞外层均为细胞壁，细胞壁微生物细胞和植物细胞外层均为细胞壁，细胞壁里面是细胞膜，动物细胞没有细胞壁，仅有细胞里面是细胞膜，动物细胞没有细胞壁，仅有细胞膜。膜。Z 通常细胞壁较坚韧，细胞膜脆弱，易受渗透压冲击而通常细胞壁较坚韧，细胞膜脆弱，易受渗透压冲击而破碎，因此细胞破碎的阻力主要来自于细胞壁。

4、破碎，因此细胞破碎的阻力主要来自于细胞壁。Z 不同细胞壁的结构和组成不完全相同，故细胞壁的不同细胞壁的结构和组成不完全相同，故细胞壁的机械机械(jxi)(jxi)强度不同，细胞破碎的难易程度也就不同。强度不同，细胞破碎的难易程度也就不同。5第五页，共六十八页。细菌细菌(xjn)(xjn)细胞壁结细胞壁结构构Z 几乎所有细菌的细胞壁都是由肽几乎所有细菌的细胞壁都是由肽聚糖组成，它是难溶性的聚糖链；聚糖组成，它是难溶性的聚糖链；Z 相邻聚糖链上的短肽又交叉相联，相邻聚糖链上的短肽又交叉相联，构成了细胞壁的三维网状结构，构成了细胞壁的三维网状结构，包围在细胞周围；包围在细胞周围；Z 使细胞具有使细胞

5、具有(jyu)(jyu)一定的形状和一定的形状和强度。强度。6第六页，共六十八页。细菌细菌(xjn)(xjn)细胞壁结细胞壁结构构u破碎细菌的主要阻力是来自于破碎细菌的主要阻力是来自于肽聚糖的网状结构，肽聚糖的网状结构，其网结构的致密程度和强度取决于聚糖链上所存在其网结构的致密程度和强度取决于聚糖链上所存在的肽键的肽键(ti jin)(ti jin)的数量和其交联的程度。的数量和其交联的程度。u革兰氏阴性菌的细胞壁结构与革兰氏阳性菌有很大革兰氏阴性菌的细胞壁结构与革兰氏阳性菌有很大不同。不同。 u革兰氏阴性菌典型的生物是大肠杆菌，通过这种细革兰氏阴性菌典型的生物是大肠杆菌，通过这种细胞生产了很

6、多细胞重组的产物。胞生产了很多细胞重组的产物。药物名称药物名称宿主宿主用途用途胰岛素胰岛素大肠杆菌大肠杆菌治疗糖尿病治疗糖尿病人生长激素人生长激素大肠杆菌大肠杆菌治疗侏儒病治疗侏儒病-干扰素干扰素大肠杆菌大肠杆菌治疗毛状细胞白血病等治疗毛状细胞白血病等7第七页，共六十八页。 酵母酵母(jiom)(jiom)细胞壁的结构示意图细胞壁的结构示意图u最里层是由葡聚糖的细纤维组成，最里层是由葡聚糖的细纤维组成，它构成了细胞壁的刚性骨架，使它构成了细胞壁的刚性骨架，使细胞具有一定的形状，细胞具有一定的形状，u上面的是一层糖蛋白，上面的是一层糖蛋白，u最外层是甘露聚糖，由最外层是甘露聚糖，由1,6-1,6

7、-磷磷酸二酯键连接成网状。在该层酸二酯键连接成网状。在该层的内部，有甘露聚糖的内部，有甘露聚糖- -酶的复酶的复合物。合物。u破碎酵母细胞壁的阻力主要决破碎酵母细胞壁的阻力主要决定于壁结构交联的紧密定于壁结构交联的紧密(jnm)(jnm)程度和它的厚度。程度和它的厚度。8第八页，共六十八页。真菌真菌(zhnjn)(zhnjn)的细胞的细胞壁壁l真菌的细胞壁较厚，主要由多糖组成，其次还含真菌的细胞壁较厚，主要由多糖组成，其次还含有较少量的蛋白质和脂类。有较少量的蛋白质和脂类。l不同的真菌，细胞壁的组成有很大的不同，其中大不同的真菌，细胞壁的组成有很大的不同，其中大多数真菌的多糖壁是由几丁质和葡聚

8、糖构成，少数多数真菌的多糖壁是由几丁质和葡聚糖构成，少数(shosh)含纤维素。含纤维素。l与酵母和细菌的细胞壁一样，真菌细胞壁的强度与酵母和细菌的细胞壁一样，真菌细胞壁的强度和聚合物的网状结构有关，不仅如此，它还含有和聚合物的网状结构有关，不仅如此，它还含有几丁质或纤维素的纤维状结构，所以强度有所提几丁质或纤维素的纤维状结构，所以强度有所提高。高。9第九页，共六十八页。l红面包霉菌细胞壁具有同心圆层状红面包霉菌细胞壁具有同心圆层状结构主要存在结构主要存在(cnzi)(cnzi)三种聚合物三种聚合物l最外层最外层(a)(a)是是-和和-葡聚糖的混合物，葡聚糖的混合物，l第第2 2层层(b)(b

9、)是糖蛋白的网状结构是糖蛋白的网状结构l第第3 3层层(c)(c)主要是蛋白质，主要是蛋白质，l最内层最内层(d)(d)主要是几丁质。主要是几丁质。红面包霉菌红面包霉菌(mjn)细胞壁的结构示意图细胞壁的结构示意图10第十页，共六十八页。微生微生物物革兰氏革兰氏阳性细菌阳性细菌革兰氏革兰氏阴性细菌阴性细菌酵母菌酵母菌霉菌霉菌壁厚壁厚20-80 nm20-80 nm10-13 nm10-13 nm100-300nm100-300nm100-250nm100-250nm层次层次单层单层多层多层多层多层多层多层主要主要组成组成肽聚糖肽聚糖(40-90%)(40-90%)多糖多糖胞壁酸胞壁酸蛋白质蛋白

10、质脂多糖脂多糖(1-4%)(1-4%)肽聚糖肽聚糖 (5-10%)(5-10%)脂蛋白脂蛋白脂多糖脂多糖(11-22%)(11-22%)磷脂磷脂蛋白质蛋白质葡聚糖葡聚糖(30-40%)(30-40%)甘露聚糖甘露聚糖(30%)(30%)蛋白质蛋白质(6-8%)(6-8%)脂类脂类(8.5-(8.5-13.5%)13.5%)多聚糖多聚糖(80-90%)(80-90%)脂类脂类蛋白质蛋白质细胞壁的组成细胞壁的组成(z chn)和结构和结构微生微生物物革兰氏革兰氏阳性细菌阳性细菌革兰氏革兰氏阴性细菌阴性细菌酵母菌酵母菌真菌真菌壁厚壁厚20-80 nm20-80 nm10-13 nm10-13 nm1

11、00-300nm100-300nm100-250nm100-250nm层次层次单层单层多层多层多层多层多层多层主要主要组成组成肽聚糖肽聚糖(40-90%)(40-90%)多糖多糖胞壁酸胞壁酸蛋白质蛋白质脂多糖脂多糖(1-4%)(1-4%)肽聚糖肽聚糖 (5-10%)(5-10%)脂蛋白脂蛋白脂多糖脂多糖(11-22%)(11-22%)磷脂磷脂蛋白质蛋白质葡聚糖葡聚糖(30-40%)(30-40%)甘露聚糖甘露聚糖(30%)(30%)蛋白质蛋白质(6-8%)(6-8%)脂类脂类(8.5-(8.5-13.5%)13.5%)多聚糖多聚糖(80-90%)(80-90%)脂类脂类蛋白质蛋白质细胞壁的组成

12、细胞壁的组成(z chn)和结构和结构11第十一页，共六十八页。植物植物(zhw)(zhw)细胞壁的结构细胞壁的结构l对于已生长结束的植物细胞壁可分为对于已生长结束的植物细胞壁可分为初生壁和次生壁两部初生壁和次生壁两部分。分。l初生壁是细胞生长期形成的。初生壁一般较薄（初生壁是细胞生长期形成的。初生壁一般较薄（1 13m3m），），富有弹性。富有弹性。l由多糖和蛋白质构成，多糖主要成分为纤维素、半纤由多糖和蛋白质构成，多糖主要成分为纤维素、半纤维素和果胶类物质。纤维素是长链维素和果胶类物质。纤维素是长链D-D-葡聚糖，许多这葡聚糖，许多这样的长链形成微纤丝。样的长链形成微纤丝。l它是构成细胞壁

13、的骨架，细胞壁的机械它是构成细胞壁的骨架，细胞壁的机械(jxi)(jxi)强度主要来自于强度主要来自于微纤丝。微纤丝。12第十二页，共六十八页。植物植物(zhw)(zhw)次生细胞壁次生细胞壁 某些植物细胞，当生长停止后，在细胞质和初生细胞某些植物细胞，当生长停止后，在细胞质和初生细胞壁之间形成了次生细胞壁。次生壁一般较厚壁之间形成了次生细胞壁。次生壁一般较厚(4m(4m以以上上) )，常有三层组成，常有三层组成(z chn)(z chn)。n在次生壁中，纤维素和半纤维素含量比初生壁增加很多，在次生壁中，纤维素和半纤维素含量比初生壁增加很多，纤维素的微纤丝排列得更紧密和有规则，而且存在木质纤维

14、素的微纤丝排列得更紧密和有规则，而且存在木质素的沉积。素的沉积。 因此次生壁的形成提高了细胞壁的坚硬性，使植因此次生壁的形成提高了细胞壁的坚硬性，使植物细胞具有很高的机械强度。物细胞具有很高的机械强度。13第十三页，共六十八页。细胞破碎细胞破碎(p su)(p su)方法方法方法方法技术技术原理原理效果效果成本成本举例举例化学法化学法渗透冲击渗透冲击渗透压破坏细胞渗透压破坏细胞温和温和便宜便宜血红细胞的破血红细胞的破坏坏酶消化法酶消化法细胞壁被消化，使细细胞壁被消化，使细胞破碎胞破碎温和温和昂贵昂贵增溶法增溶法表面活性剂溶解细胞表面活性剂溶解细胞壁壁温和温和适中适中胆盐作用于大胆盐作用于大肠杆

15、菌肠杆菌脂溶法脂溶法有机溶剂溶解细胞壁有机溶剂溶解细胞壁并使之失稳并使之失稳适中适中便宜便宜甲苯破碎酵母甲苯破碎酵母细胞细胞碱处理法碱处理法碱的皂化作用使细胞碱的皂化作用使细胞壁融解壁融解剧烈剧烈便宜便宜表表 4.1-1. 4.1-1. 细胞细胞(xbo)(xbo)化学破碎法化学破碎法14第十四页，共六十八页。方法方法技术技术原理原理效果效果成本成本举例举例机械法机械法匀浆法（片型）匀浆法（片型）细胞被搅拌器劈碎细胞被搅拌器劈碎适中适中适中适中动物组织及动动物组织及动物细胞物细胞研磨法研磨法细胞被研磨物磨碎细胞被研磨物磨碎适中适中便宜便宜超声波法超声波法用超声波的空穴作用超声波的空穴作用使细胞

16、破碎用使细胞破碎适中适中昂贵昂贵细胞悬浮液小细胞悬浮液小规模处理规模处理匀浆法（孔型）匀浆法（孔型）须使细胞通过的小须使细胞通过的小孔，使细胞受到剪孔，使细胞受到剪切力而破碎切力而破碎剧烈剧烈适中适中细胞悬浮液大细胞悬浮液大规模处理规模处理珠磨破碎法珠磨破碎法细胞被玻璃珠或铁细胞被玻璃珠或铁珠捣碎珠捣碎剧烈剧烈便宜便宜细胞悬浮液和细胞悬浮液和植物细胞的大植物细胞的大规模处理规模处理表表 4.0-1. 4.0-1. 细胞细胞机械机械(jxi)破碎法破碎法15第十五页，共六十八页。 2 CHEMICAL METHODS 化学化学(huxu)方法方法16第十六页，共六十八页。n表表4.1-1介绍了主

17、要的几种化学方法，有渗透冲击法，表介绍了主要的几种化学方法，有渗透冲击法，表面活性剂增溶法、脂溶法。首先面活性剂增溶法、脂溶法。首先(shuxin)(shuxin)简单的介绍一下酶简单的介绍一下酶消化法和碱处理法。消化法和碱处理法。17第十七页，共六十八页。 酶消化法和碱处理法都是细胞破碎的有效方法酶消化法和碱处理法都是细胞破碎的有效方法(fngf)，但是，但是也都有各自的缺点。也都有各自的缺点。18第十八页，共六十八页。1 酶解（酶溶法 Enymatic lysis)酶解是利用(lyng)溶解细胞壁的酶处理菌体细胞，使细胞壁受到破坏后，再利用(lyng)渗透压冲击等方法破坏细胞膜。1）外加酶

18、法常用的溶酶常用的溶酶溶菌酶、溶菌酶、-1，3-葡聚糖酶、葡聚糖酶、-1，6-葡聚糖酶、葡聚糖酶、蛋白酶、蛋白酶、甘露糖酶、甘露糖酶、糖苷酶、糖苷酶、肽键内切酶、肽键内切酶、壳多糖酶等壳多糖酶等19第十九页，共六十八页。外加(wiji)酶法有时采用几种酶的混合物会产生更好的效果，加入时有时采用几种酶的混合物会产生更好的效果，加入时需确定相应的次序。需确定相应的次序。 对酵母对酵母(jiom)(jiom)细胞采用酶法破碎时，先加入蛋白酶作细胞采用酶法破碎时，先加入蛋白酶作用蛋白质用蛋白质- -甘露聚糖结构，使二者溶解，再加入葡聚糖甘露聚糖结构，使二者溶解，再加入葡聚糖酶作用裸露的葡聚糖层，最后只

19、剩下原生质体，这时酶作用裸露的葡聚糖层，最后只剩下原生质体，这时若缓冲液的渗透压变化，则细胞膜破裂，释出胞内产若缓冲液的渗透压变化，则细胞膜破裂，释出胞内产物。物。20第二十页，共六十八页。外加(wiji)酶法n酶解法的特点是专一性强，因此在选择酶系统时，必须酶解法的特点是专一性强，因此在选择酶系统时，必须根据细胞的结构和化学组成来选择。根据细胞的结构和化学组成来选择。l溶菌酶（溶菌酶（lysozyme)lysozyme)能专一性地分解细胞壁上肽聚糖分子的能专一性地分解细胞壁上肽聚糖分子的-1,41,4糖苷键，因此主要用于细菌类细胞壁的裂解。革兰氏阳性菌糖苷键，因此主要用于细菌类细胞壁的裂解。

20、革兰氏阳性菌悬浮液中加入溶菌酶，很快就产生溶壁现象。但对于革兰氏阴性悬浮液中加入溶菌酶，很快就产生溶壁现象。但对于革兰氏阴性菌，单独采用溶菌酶无效果，必须与螯合剂菌，单独采用溶菌酶无效果，必须与螯合剂EDTAEDTA一起使用。一起使用。l放线菌的细胞壁结构类似于革兰氏阳性菌，以肽聚糖为主放线菌的细胞壁结构类似于革兰氏阳性菌，以肽聚糖为主要成分，所以也能采用溶菌酶，要成分，所以也能采用溶菌酶，l酵母和真菌由于酵母和真菌由于(yuy)(yuy)细胞壁的组分主要是纤维素、葡聚糖、几细胞壁的组分主要是纤维素、葡聚糖、几丁质等，常用蜗牛酶、纤维素酶、多糖酶等。丁质等，常用蜗牛酶、纤维素酶、多糖酶等。l植

21、物细胞壁的主要成分是纤维素，常采用纤维素酶和半纤维素酶植物细胞壁的主要成分是纤维素，常采用纤维素酶和半纤维素酶裂解。裂解。21第二十一页，共六十八页。酶解法(ji f)的特点 优点：u发生酶解的条件温和(wnh)u能选择性地释放产物u胞内核酸等泄出量少，细胞外形较完整缺点：缺点：溶酶价格高，溶酶价格高，溶酶法通用性差（不同溶酶法通用性差（不同(b tn)(b tn)菌种需选择不同菌种需选择不同(b tn)(b tn)的酶的酶) )产物抑制的存在。产物抑制的存在。 22第二十二页，共六十八页。 碱处理法和酶消化碱处理法和酶消化(xiohu)(xiohu)法相反，反应激烈，不具选择性，法相反，反应

22、激烈，不具选择性，而且较便宜。碱加入细胞悬浮液中后和细胞壁进行了多种而且较便宜。碱加入细胞悬浮液中后和细胞壁进行了多种反应，包括使磷脂皂化。反应，包括使磷脂皂化。 23第二十三页，共六十八页。碱能溶解细胞壁上脂类物质或使某些组分从细胞内渗漏出来(ch li)。成本低，反应激烈，不具选择性。成本低，反应激烈，不具选择性。碱处理碱处理(chl)法法24第二十四页，共六十八页。1）渗透压冲击(chngj)法 渗透压冲击是较温和的一种(y zhn)破碎方法，将细胞放在高渗透压的溶液中（如一定浓度的甘油或蔗将细胞放在高渗透压的溶液中（如一定浓度的甘油或蔗糖溶液），由于渗透压的作用，细胞内水分便向外渗出，

23、糖溶液），由于渗透压的作用，细胞内水分便向外渗出，细胞发生收缩，当达到平衡后，将介质快速稀释，或将细胞发生收缩，当达到平衡后，将介质快速稀释，或将细胞转入水或缓冲液中，由于渗透压的突然变化，胞外细胞转入水或缓冲液中，由于渗透压的突然变化，胞外的水迅速渗入胞内，引起细胞快速膨胀而破裂。的水迅速渗入胞内，引起细胞快速膨胀而破裂。 仅适用于细胞壁较脆弱的细胞或细胞壁预先用酶处理或在培养过仅适用于细胞壁较脆弱的细胞或细胞壁预先用酶处理或在培养过程中加入某些抑制剂（如抗生素等），使细胞壁有缺陷，强度减程中加入某些抑制剂（如抗生素等），使细胞壁有缺陷，强度减弱。弱。25第二十五页，共六十八页。渗透流的动力

24、来自渗透压，渗透压可能很大。可以渗透流的动力来自渗透压，渗透压可能很大。可以(ky)通过化学通过化学平衡来估算，水的化学电势是常数，即：平衡来估算，水的化学电势是常数，即：H20 (outside) = H20 (inside) (4.3-1)26第二十六页，共六十八页。细胞外纯水的化学电势包括标准化学电势和压力修正项；与之平衡的胞内的化细胞外纯水的化学电势包括标准化学电势和压力修正项；与之平衡的胞内的化学电势包括三项，即标准化学电势、压力修正相和浓度修正项。对于理想学电势包括三项，即标准化学电势、压力修正相和浓度修正项。对于理想(lxing)的不可压缩溶液，这些修正相和式（的不可压缩溶液，这

25、些修正相和式（4.2-1）可改写为：）可改写为： 0 H20+VH2oPout = 0 H20+VH2oPin+RT ln(1-x1) (4.3-2)27第二十七页，共六十八页。n0H20标准化学电势标准化学电势 VH2o水的偏摩尔体积水的偏摩尔体积 x1细胞内所有溶质的总摩尔细胞内所有溶质的总摩尔(m r)分数分数 若包内物为稀溶液，其偏摩尔体积等于纯水的摩尔体积。且若包内物为稀溶液，其偏摩尔体积等于纯水的摩尔体积。且x1很小时就有：很小时就有：28第二十八页，共六十八页。Pout-Pin=(RT/-VH2o)ln(1-x1) =(RT/-VH2o) (-x1-) =-RTc1+ (4.3-

26、3)该式称为该式称为(chn wi)范特苛夫定律。范特苛夫定律。29第二十九页，共六十八页。n由该方程知细胞内压力必须由该方程知细胞内压力必须(bx)(bx)小于细胞外压力，否者，小于细胞外压力，否者，水会流入细胞内，溶破细胞。我们可以采用等式水会流入细胞内，溶破细胞。我们可以采用等式4.2-3 4.2-3 估算出渗透压的大小。许多细胞内溶质浓度大约为估算出渗透压的大小。许多细胞内溶质浓度大约为0.1M NaCl 或或0.2M溶质溶质 。n由此可见渗透压必须很大，才导致了细胞的破碎。由此可见渗透压必须很大，才导致了细胞的破碎。30第三十页，共六十八页。u通用性差；通用性差；u时间长，效率时间长

27、，效率(xio l)(xio l)低，一般胞内物质释放率不超过低，一般胞内物质释放率不超过50%.50%.化学化学(huxu)渗透法特点：渗透法特点：缺点缺点(qudin)l对产物释放有一定的选择性，可使一些较小分子量的溶质对产物释放有一定的选择性，可使一些较小分子量的溶质如多肽和小分子的酶蛋白透过，而核酸等大分子量的物质仍如多肽和小分子的酶蛋白透过，而核酸等大分子量的物质仍滞留在胞内；滞留在胞内；l细胞外形完整，碎片少，浆液粘度低，易于固液分离和细胞外形完整，碎片少，浆液粘度低，易于固液分离和进一步提取。进一步提取。优点优点31第三十一页，共六十八页。2） 、 增溶法增溶法 第二种是利用表面

28、第二种是利用表面(biomin)(biomin)活性剂的增溶法。最典型的是将体积为活性剂的增溶法。最典型的是将体积为细胞体积两倍的某浓度的表面细胞体积两倍的某浓度的表面(biomin)(biomin)活性剂加入到细胞中。表面活性剂加入到细胞中。表面(biomin)(biomin)活性剂能将细胞壁破碎，制成的悬浮液可用离心分离除去活性剂能将细胞壁破碎，制成的悬浮液可用离心分离除去细胞碎片，再用吸附柱或萃取剂分离制得产品。细胞碎片，再用吸附柱或萃取剂分离制得产品。32第三十二页，共六十八页。细胞破碎常用的表面细胞破碎常用的表面(biomin)(biomin)活性剂：活性剂：十二烷基硫酸钠（十二烷基

29、硫酸钠（SDSSDS，阴离子型）；。，阴离子型）；。非离子型如非离子型如Triton X-100Triton X-100和吐温（和吐温（TweenTween）等）等对疏水性物质具有很强的亲和力，能结合并溶解磷脂，破坏内膜的磷脂对疏水性物质具有很强的亲和力，能结合并溶解磷脂，破坏内膜的磷脂双分子层，使某些胞内物质释放出来。双分子层，使某些胞内物质释放出来。无论表面活性剂是阴离子、阳离子还是非离子型，都无论表面活性剂是阴离子、阳离子还是非离子型，都是两性的，既能和水作用也能和脂作用，是两性的，既能和水作用也能和脂作用，能与细胞壁上的脂蛋白结合，形成能与细胞壁上的脂蛋白结合，形成(xngchng)微

30、泡，使膜微泡，使膜的通透性增加或溶解的通透性增加或溶解33第三十三页，共六十八页。n方法有效在于表面活性剂的化学性质，化学性质由图方法有效在于表面活性剂的化学性质，化学性质由图4.3-1所示的化学结构表示所示的化学结构表示(biosh)。结构中有一个亲水。结构中有一个亲水基团，通常是离子；一个疏水基团，通常是烃基。基团，通常是离子；一个疏水基团，通常是烃基。n表面活性剂通常是两性的，既能和水作用也能和脂作用。表面活性剂通常是两性的，既能和水作用也能和脂作用。34第三十四页，共六十八页。35第三十五页，共六十八页。n无论表面活性剂是阴离子、阳离子还是非离子型，都是两性无论表面活性剂是阴离子、阳离

31、子还是非离子型，都是两性的。的。SDS（十二烷基（十二烷基(wn j)磺酸钠）是典型的阴离子表面活性磺酸钠）是典型的阴离子表面活性剂。阴离子表面活性剂还包括肥皂（脂肪酸盐）。剂。阴离子表面活性剂还包括肥皂（脂肪酸盐）。36第三十六页，共六十八页。n由于肥皂的增溶作用依赖于羧基，因此只有由于肥皂的增溶作用依赖于羧基，因此只有(zhyu)在在PH 值较高，羧基解离的情况下，肥皂才是有效的表面活性值较高，羧基解离的情况下，肥皂才是有效的表面活性剂。在硬水中，由于剂。在硬水中，由于Ca2+与羧酸基团形成不可溶的沉淀，与羧酸基团形成不可溶的沉淀，而使肥皂失效。而使肥皂失效。37第三十七页，共六十八页。n

32、可通过将肥皂的羧基用硫酸盐代替来改变传统肥皂的缺点。可通过将肥皂的羧基用硫酸盐代替来改变传统肥皂的缺点。硫酸盐代替的肥皂是目前洗衣店常用硫酸盐代替的肥皂是目前洗衣店常用(chn yn)及超市中常见及超市中常见的表面活性剂。硫酸盐可连在苯环上，结构如图的表面活性剂。硫酸盐可连在苯环上，结构如图4.2-1所示。所示。这种硫酸盐表面活性剂比碱对细胞破碎的作用更好，磺酸盐这种硫酸盐表面活性剂比碱对细胞破碎的作用更好，磺酸盐不易被微生物降解，所以洗衣店中并不常用不易被微生物降解，所以洗衣店中并不常用(chn yn)。38第三十八页，共六十八页。n阳离子表面活性剂主要阳离子表面活性剂主要(zhyo)(zh

33、yo)是烷基胺盐。图是烷基胺盐。图4.3-1中的十二中的十二烷基溴胺是典型的例子。它有一个长烷烃链（十六烷基）和烷基溴胺是典型的例子。它有一个长烷烃链（十六烷基）和三个甲基，都连接在一个带正电的氮原子上，负离子通常是三个甲基，都连接在一个带正电的氮原子上，负离子通常是卤素，市场上常做洗发剂出售。细胞破碎时条件较温和。卤素，市场上常做洗发剂出售。细胞破碎时条件较温和。 39第三十九页，共六十八页。n非离子表面活性剂是溶于水的聚合物。经济价值不明确，非离子表面活性剂是溶于水的聚合物。经济价值不明确，市场市场(shchng)上用于做洗碗剂。同样，这种清洁剂既有亲水上用于做洗碗剂。同样，这种清洁剂既有

34、亲水基团又有疏水基团。亲水基团不是硫酸盐，不是烷基胺盐基团又有疏水基团。亲水基团不是硫酸盐，不是烷基胺盐而是乙醇。而是乙醇。40第四十页，共六十八页。n这类表面活性剂起作用在于能溶解细胞壁中的脂，进行细胞破碎。这类表面活性剂起作用在于能溶解细胞壁中的脂，进行细胞破碎。图图4.3-2表示了该表面活性增溶的原理。在高度稀释洗涤剂中，脂表示了该表面活性增溶的原理。在高度稀释洗涤剂中，脂会溶解在溶液中；超过这个浓度溶解的物质的量与浓度成正比。还会溶解在溶液中；超过这个浓度溶解的物质的量与浓度成正比。还有，表面活性剂的表面张力是常数，表面活性的选择电极可以有，表面活性剂的表面张力是常数，表面活性的选择电

35、极可以(ky)突然改变。突然改变。41第四十一页，共六十八页。能分解细胞壁中的磷脂，使细胞结构破坏，胞内物质被能分解细胞壁中的磷脂，使细胞结构破坏，胞内物质被释放出来。释放出来。有机溶剂可采用丁酯、丁醇、丙酮、氯仿有机溶剂可采用丁酯、丁醇、丙酮、氯仿(l fn)(l fn)和甲苯和甲苯等等 3 3）. .有机溶剂有机溶剂42第四十二页，共六十八页。二机械(jxi)法机械机械(jxi)(jxi)破碎法又可分为破碎法又可分为匀浆法（匀浆法（homogenizationhomogenization）珠磨法（珠磨法（bead grindingbead grinding）超声波破碎法（超声波破碎法（ul

36、trasonicationultrasonication）43第四十三页，共六十八页。采用高压采用高压(goy)匀浆器（由高压匀浆器（由高压(goy)泵和匀浆阀组成）。泵和匀浆阀组成）。1. 匀浆匀浆(yn jin)法法（High-pressure homogenization）细胞细胞(xbo)悬浮液自高压悬浮液自高压室针形阀喷出时，每秒速室针形阀喷出时，每秒速度高达几百米，高速喷出度高达几百米，高速喷出的浆液又射到静止的撞击的浆液又射到静止的撞击环上，被迫改变方向从出环上，被迫改变方向从出口管流出。细胞口管流出。细胞(xbo)在在这一系列高速运动过程中这一系列高速运动过程中经历了高速剪切、

37、碰撞及经历了高速剪切、碰撞及压力骤降，造成细胞压力骤降，造成细胞(xbo)破碎。破碎。44第四十四页，共六十八页。45第四十五页，共六十八页。高压匀浆高压匀浆(yn jin)(yn jin)器的种器的种类类高压高压(goy)(goy)匀浆器的种类较多匀浆器的种类较多：nWABWAB公司的公司的AVP Gaulin 31MRAVP Gaulin 31MR型型nBran and luebbe Bran and luebbe 公司公司SHL40SHL40型型n意大利意大利Niro SoaviNiro Soavi高压高压(goy)匀浆机匀浆机46第四十六页，共六十八页。高压高压(goy)(goy)匀浆

38、法使用时注意事项匀浆法使用时注意事项u高压匀浆器的操作温度上升约高压匀浆器的操作温度上升约- -/10MPa/10MPa为了控制为了控制温度的升高温度的升高(shn o)(shn o)，可在进口处用干冰调节温度，可在进口处用干冰调节温度，使出口温度调节在使出口温度调节在2020左右。左右。u可以采用单次通过匀浆器或多次循环通过等方式。可以采用单次通过匀浆器或多次循环通过等方式。u在工业规模的细胞破碎中，对于酵母等难破碎的及浓在工业规模的细胞破碎中，对于酵母等难破碎的及浓度高或处于生长静止期的细胞，常采用多次循环的操度高或处于生长静止期的细胞，常采用多次循环的操作方法。作方法。47第四十七页，共

39、六十八页。高压匀浆法适用高压匀浆法适用(shyng)(shyng)的范的范围围大规模细胞破碎的常用方法大规模细胞破碎的常用方法高压匀浆法适用的范围：高压匀浆法适用的范围：酵母和大多数细菌细胞的破碎；酵母和大多数细菌细胞的破碎；料液细胞浓度可以料液细胞浓度可以(ky)(ky)很高，很高，20%20%左右。左右。不宜使用高压匀浆法。不宜使用高压匀浆法。易造成堵塞的团状或丝状真菌，易造成堵塞的团状或丝状真菌，较小的革兰氏阳性菌，较小的革兰氏阳性菌，含有包含体的基因工程菌（因包含体坚硬，易损伤匀浆阀）含有包含体的基因工程菌（因包含体坚硬，易损伤匀浆阀）48第四十八页，共六十八页。影响高压匀浆器细胞影响

40、高压匀浆器细胞(xbo)(xbo)破碎因素破碎因素被破碎的细胞分率符合如下公式：被破碎的细胞分率符合如下公式： ln1/(1-R)=KNPln1/(1-R)=KNP (4-4) (4-4) 式中式中 R R 破碎率，为破碎率，为NN次循环后，蛋白次循环后，蛋白质的释放量质的释放量RnRn与最大释放量与最大释放量RmRm之比；之比； K K 与温度有关的速度常数与温度有关的速度常数(chngsh)(chngsh)； P P 操作压力，操作压力，MPaMPa； 与微生物种类有关的常数。与微生物种类有关的常数。49第四十九页，共六十八页。l升高压力有利于破碎，升高压力有利于破碎，减少细胞的循环次数，

41、甚至一次通过匀浆阀就可达到几乎完全的破减少细胞的循环次数，甚至一次通过匀浆阀就可达到几乎完全的破碎，这样就可避免细胞碎片不至过小。碎，这样就可避免细胞碎片不至过小。但但p p大到一定值时对匀浆器的磨损增加，也有实验表明大到一定值时对匀浆器的磨损增加，也有实验表明p p超超生一定值时，生一定值时，R R增加但很慢。增加但很慢。在工业生产中，通常采用的压力为在工业生产中，通常采用的压力为555570Mpa70Mpa。l破碎性能还随菌体种类和生长环境的不同而不同破碎性能还随菌体种类和生长环境的不同而不同大肠杆菌大肠杆菌(d chn n jn)(d chn n jn)的细胞比酵母细胞容易破碎，的细胞比

42、酵母细胞容易破碎，生长在简单的合成培养基上的大肠杆菌比生长在复杂培养基上容易破碎。生长在简单的合成培养基上的大肠杆菌比生长在复杂培养基上容易破碎。影响高压匀浆器细胞影响高压匀浆器细胞(xbo)破碎因素破碎因素50第五十页，共六十八页。高压匀浆高压匀浆(yn jin)(yn jin)法法-X-X-挤压器挤压器l改进的高压方法：将浓缩的菌体悬液冷却至改进的高压方法：将浓缩的菌体悬液冷却至-25-25至至-30-30形成冰晶体，利用形成冰晶体，利用500MPa500MPa以上的高压冲击，冷以上的高压冲击，冷冻细胞从高压阀小孔中挤出。冻细胞从高压阀小孔中挤出。l细胞破碎是由于冰晶体在受压时的相变，包埋

43、在冰细胞破碎是由于冰晶体在受压时的相变，包埋在冰中的细胞变形所引起的。中的细胞变形所引起的。l主要用于实验室中。主要用于实验室中。l优点是适用的范围广，破碎率高，细胞碎片的粉碎程优点是适用的范围广，破碎率高，细胞碎片的粉碎程度低以及活性的保留率高度低以及活性的保留率高l对冷冻一融解敏感对冷冻一融解敏感(mngn)(mngn)的生化物质不适用。的生化物质不适用。51第五十一页，共六十八页。2）珠磨法 bead millu珠磨是常用的方法u细胞悬浮液与极细的玻璃小珠、细胞悬浮液与极细的玻璃小珠、石英砂、氧化铝等研磨剂（直石英砂、氧化铝等研磨剂（直径小于径小于1mm1mm）一起快速）一起快速(kui

44、 s)(kui s)搅搅拌或研磨，研磨剂、珠子与细拌或研磨，研磨剂、珠子与细胞之间的互相剪切、碰撞，使胞之间的互相剪切、碰撞，使细胞破碎，释放出内含物。细胞破碎，释放出内含物。u在工业规模的破碎中，常采用在工业规模的破碎中，常采用高速珠磨机高速珠磨机WSK卧式高效全能(qunnng)珠磨机52第五十二页，共六十八页。高速珠磨机工作(gngzu)原理l磨室内放置玻璃小珠，装在同心轴上的园盘搅拌器高速磨室内放置玻璃小珠，装在同心轴上的园盘搅拌器高速旋转，使细胞悬浮液和玻离小珠相互搅动；旋转，使细胞悬浮液和玻离小珠相互搅动；l细胞破碎是由剪切力层之间的碰撞细胞破碎是由剪切力层之间的碰撞(pn zhu

45、n)(pn zhun)和磨料滚和磨料滚动引起动引起l在出口处，旋转园盘和出口平在出口处，旋转园盘和出口平板之间的狭缝很小，可阻挡玻板之间的狭缝很小，可阻挡玻离小珠，使不被料液带出。离小珠，使不被料液带出。l由于操作过程中会产生热量，由于操作过程中会产生热量，故磨室还装有冷却夹套，以冷故磨室还装有冷却夹套，以冷却细胞悬浮液和玻离小珠。却细胞悬浮液和玻离小珠。53第五十三页，共六十八页。Netzsch LM-20型珠磨机(m j)A-具有(jyu)冷却夹套的圆筒形磨室B-具有冷却装置的搅拌轴和圆盘C-环形震动侠缝分离器D-变速马达1和2料液进出口3和4 搅拌冷却剂进出口5和6磨室冷却剂进出口l园盘

46、以两种位置交错地安装在轴上，l一种处于径向，一种与轴倾斜，l径向盘使磨料沿径向运动，倾斜盘则产生(chnshng)轴向运动。l由于交错的运动，提高了破碎效率。54第五十四页，共六十八页。珠磨机破碎(p su)作用方程u破碎作用是相对于时间破碎作用是相对于时间(shjin)(shjin)的一级反应速度过程，符的一级反应速度过程，符合下列公式：合下列公式： ln1/(1-R)=Kt 4-5ln1/(1-R)=Kt 4-5 uR R 破碎率；破碎率；K K一一 一级反应速度常数；一级反应速度常数；t t一一 时间。时间。uK K与搅拌转速、细胞悬浮液浓度和循环速度、玻璃小珠装量和珠与搅拌转速、细胞悬

47、浮液浓度和循环速度、玻璃小珠装量和珠体直径，以及温度等相关。体直径，以及温度等相关。珠磨法的破碎率一般控制在珠磨法的破碎率一般控制在80%80%以下以下(yxi)(yxi)：降低能耗、减少大分：降低能耗、减少大分子目的产物的失活、减少由于高破碎率产生的细胞小碎片不易分子目的产物的失活、减少由于高破碎率产生的细胞小碎片不易分离而给后续操作带来的困难。离而给后续操作带来的困难。55第五十五页，共六十八页。3）超声波破碎(p su)l超声波破碎超声波破碎(p su)(p su)法（法（Ultrasonication)Ultrasonication)利用超声利用超声波振荡器发射的波振荡器发射的15-2

48、5kHz15-25kHz的超声波探头处理细胞的超声波探头处理细胞悬浮液。悬浮液。l超声波振荡器以可分为槽式和探头直接插入介质两种超声波振荡器以可分为槽式和探头直接插入介质两种型式，一般破碎效果后者比前者好。型式，一般破碎效果后者比前者好。l超声波的细胞破碎效率与细胞种类、浓度和超声波的超声波的细胞破碎效率与细胞种类、浓度和超声波的声频、声能有关。声频、声能有关。56第五十六页，共六十八页。超声波破碎(p su)的机理JY92-II D超声波超声波细胞细胞(xbo)粉碎机粉碎机(一般认为在超声波作用下液体发生空化作用一般认为在超声波作用下液体发生空化作用（cavitation),cavitati

49、on),(液体中局部空穴的形成、增大和闭合产生极大的冲击液体中局部空穴的形成、增大和闭合产生极大的冲击波和剪切力，引起的粘滞性旋涡在细胞上造成了剪切波和剪切力，引起的粘滞性旋涡在细胞上造成了剪切力，使细胞内液体发生流动，从而使细胞破碎力，使细胞内液体发生流动，从而使细胞破碎(p su)(p su)。(操作过程产生大量的热，因此操作需在冰水或外部操作过程产生大量的热，因此操作需在冰水或外部冷却的容器中进行。冷却的容器中进行。57第五十七页，共六十八页。超声波破碎(p su)的适用范围超声波破碎是很强烈的破碎方法，适用于多数超声波破碎是很强烈的破碎方法，适用于多数(dush)(dush)微生物的破

50、碎。微生物的破碎。一般杆菌比球菌易破碎，一般杆菌比球菌易破碎，G-G-细菌比细菌比G+G+细菌易破碎，细菌易破碎，对酵母菌的效果较差。对酵母菌的效果较差。但超声波产生的化学自由基团能使某些敏感性活性物但超声波产生的化学自由基团能使某些敏感性活性物质失活。质失活。超声波破碎的有效能量利用率极低超声波破碎的有效能量利用率极低由于对冷却的要求相当苛刻，所以不易放大，但由于对冷却的要求相当苛刻，所以不易放大，但。58第五十八页，共六十八页。技术技术原理原理效果效果 成本成本举例举例匀浆法匀浆法(孔型孔型)须使细胞通过的小须使细胞通过的小孔，使细胞受到剪孔，使细胞受到剪切力而破碎切力而破碎剧烈剧烈 适中