发酵制品学第五章代谢调控发酵机制考试能用上--周广麒

• 生物素贫乏时，细胞内的Glu含量少而且容易析出，而培 养基中积累大量的Glu；生物素丰富时，培养基中几乎不 积累Glu，而细胞内却含有大量的Glu，且不易被析出。 这说明生物素对细胞膜通透性有重要影响。
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石蜡为碳源的磷脂合成途径
表面活性剂拮抗作用部位 油酸缺陷型遗传阻碍部位
第五章 生物产品代谢调控发酵机制
本章主要内容： • 氨基酸代谢调控机制 • 核酸与核苷酸代谢调控机制 • 抗生素代谢调控机制
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§1 氨基酸代谢调控机制
代谢控制发酵是用遗传学或其他生物化学的方法，人为 地在DNA分子水平上改变和控制微生物的代谢，打破微 生物正常的代谢调节，使有用产物大量生成和积累。
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2. 谷氨酸代谢调节机制
①谷氨酸脱氢酶 ②-酮戊二酸脱氢酶 ③磷酸烯醇丙酮酸羧化酶 ④柠檬酸合成酶
NH4+
在黄色短杆菌中谷氨酸、天冬氨酸生物合成的调节机制
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▪ 在微生物的代谢中，Glu比Asp优先合成； 合成过量时则抑制谷氨酸脱氢酶，使代谢转向合成Asp； Asp过量时反馈抑制PEP羧化酶的活力，停止合成草酰乙酸。
氨基酸发酵和核酸发酵是典型的代谢控制发酵。
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一、谷氨酸、瓜氨酸、鸟氨酸、精氨酸生物 合成途径及其代谢调节机制
谷氨酸与瓜氨酸、鸟氨酸、精氨酸同属于谷氨酸 族氨基酸，其合成途径是首先由-酮戊二酸生成 谷氨酸，再进一步合成鸟氨酸、瓜氨酸、精氨酸
葡萄糖→→ →谷氨酸→鸟氨酸→瓜氨酸→精氨酸
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谷氨酸 → N-乙酰谷氨酸 →→→ 鸟氨酸 → 瓜氨酸 →→ 精氨酸
Glu
Orn
Cit
Arg
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鸟氨酸发酵与瓜氨酸发酵的遗传缺陷位置 (谷氨酸棒杆菌为生产菌)
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鸟氨酸生产菌选育模型
选育瓜氨酸缺陷型（Cit－）菌株，即丧失鸟氨酸转氨甲酰 酶，解除精氨酸的反馈抑制； 向发酵液中提供瓜氨酸或精氨酸（亚适量），缺陷型才能 生长； 在瓜氨酸缺陷型（Cit－）的基础上，再选育精氨酸结构类 似物抗性突变株（如选育抗精氨酸氧肟酸ArgHx和抗D-精 氨酸等），就能遗传性的解除精氨酸的反馈调节。
▪ NH4+的导入不仅仅证明Glu是氮素同化发酵，它还会抑制 Glu生成的逆反应，因此当NH4+存在时，葡萄糖的消耗速度 很快， Glu的生成很高；但是当生物素充足时，NH4+几乎 不影响糖代谢。
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• Glu生产菌大多是生物素缺陷型，发酵时控制生物素亚适 量，使细胞变形拉长，改变了细胞膜的通透性引起代谢失 调使Glu得以积累。
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1.谷氨酸族氨基酸生物合成途径及代谢调节机制
谷氨酸的功能
➢谷氨酸属“非必需”氨基酸，是体内代谢的基本氨基酸之
一。
➢在谷氨酰胺合成酶催化下，能与氨反应生成谷氨酰胺由尿
排出，起到解除氨毒作用；
➢它还参与脑内蛋白质和糖代谢，促进氧化过程，改善中枢
神经系统的功能；
➢在体内它能转化为丙酮或葡萄糖，因而升高血糖，减少糖
-生物素缺陷型 -油酸缺陷型 -甘油缺陷型 -温度敏感缺陷型 -其它缺陷型
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谷氨酸——味精工业生产
▪ 味精是Glu单钠盐，学名：-氨基戊二酸一钠，商品 中有一分子结晶水
COOH
COONa·H2O
H CNH2
H CNH2
CH2
CH2
CH2
CH2
COOH
L-谷氨酸
COOH
L-谷氨酸钠（味精）
有过量的NH4+ 存在，-酮戊二酸经氧化还原共轭氨基化反应而 生成谷氨酸却不形成蛋白质，从而分泌泄漏于菌体外；
同时，谷氨酸生产菌应不利用体外的谷氨酸，使谷氨酸成为最
终产物。
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从前图还可以看出： 生产菌株还应该具有生物素合成缺陷、油酸合成
缺陷和甘油合成缺陷等特点。
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当前Glu生产中的几种缺陷型：
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4. 生产工艺流程：
淀粉
葡萄糖
Fe2+ 硫 磷 糖 玉 、 酸酸 米 Mn2+ 镁 二 蜜 浆
氢
钾
无菌空气
配 料 种子罐
糖蜜
稀释蜜 NH3
发酵罐
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发酵罐
等电提取
中和 除铁
Na2CO3
脱色
浓缩、结晶
离心
味精 干燥
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5. 鸟氨酸发酵机制
谷氨酸族氨基酸的生物合成，是由葡萄糖开始，经 EMP途径、HMP途径、TCA循环、DCA循环和CO2 固定等，首先合成谷氨酸，在从谷氨酸依次经鸟氨 酸、瓜氨酸生物合成精氨酸。
原异生，从而减氨酸的用途
✓ 肝昏迷预防； ✓ 防止癫痫； ✓ 减轻酮尿症和酮血症； ✓ 胃酸不足； ✓ 一种脑营养剂； ✓ 食品保鲜剂。
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药 物
保 健 品
食 品
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▪ 代谢途径：
EMP 途径 TCA 循环
HMP 途径 DCA 循环
CO2 固定
▪ 由葡萄糖生成谷氨酸的总反应式： C6H12O6 + NH3 + — O2 → C5H9O4N + CO2 + 3H2O
糖质或醋酸为碳源的磷脂合成途径 甘油缺陷型的遗传阻碍部位
细菌细胞Glu排出控制机制
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3. 谷氨酸高产菌模型特征
丧失或有微弱的-酮戊二酸脱氢酶活力，使-酮戊二酸不能继 续氧化；
CO2固定能力强，使四碳二羧酸全部由CO2固定反应提供，而不 走乙醛酸循环；
谷氨酸脱氢酶的活力很强，并丧失谷氨酸对谷氨酸脱氢酶的反 馈抑制和反馈阻遏，同时，NADPH2再氧化能力弱，这会使酮戊二酸到琥珀酸的过程受阻；
成谷氨酸，其相应的酶与谷氨酸合成有关
• 以醋酸和乙醇为原料进行谷氨酸发酵时，DCA循环是
C4 二羧酸的唯一补充来源；但是以葡萄糖为原料时，在谷
氨酸生成期此循环应关闭
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大肠杆菌及枯草芽 孢杆菌等从谷氨酸 到精氨酸生物合成 途径及调节机制
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谷氨酸生产菌及酵 母菌等从谷氨酸到 精氨酸生物合成及 代谢调节机制
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6. 瓜氨酸生物合成与发酵机制（讨论）
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HMP途径
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由 葡 萄 糖 生 物 合 成 谷 氨 酸 的 代 谢 途 径
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由二羧酸和三羧酸生成谷氨酸
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▪ 研究证明：
• 谷氨酸生产菌种存在EMP途径的全部酶和HMP途径有关 的酶
• 谷氨酸菌存在CO2固定生成草酰乙酸的PEP羧化酶和苹 果
酸酶，与谷氨酸得率正相关 • TCA循环中的柠檬酸、顺乌头酸、异柠檬酸能定量地生