第十八章_燃料和工业化学品

转化率： 转化率：2 ×147/（3×180）×100%=54.4% （ × ）
第一节 谷氨酸
二、TCA、DCA和CO2固定作用 、 和
3. CO2固定
在谷氨酸产生菌中已检出两种CO2固定酶： 固定酶： 在谷氨酸产生菌中已检出两种 磷酸烯醇丙酮酸（ 磷酸烯醇丙酮酸（PEP）羧化酶和苹果酸酶 ） PEP+CO2+GDP
第一节 谷氨酸
四、菌种选育
细菌细胞的谷氨酸排出控制机制
后来研究发现细 胞膜的谷氨酸通 透性受细胞膜的 磷脂含量控制 含量控制， 磷脂含量控制， 关于不饱和脂肪 酸对谷氨酸分泌 的影响， 的影响，也是由 于不饱和脂肪酸 减少而导致磷脂 减少而导致磷脂 含量减少。 含量减少。
第一节 谷氨酸
四、菌种选育 谷氨酸分泌 细胞膜控制 细胞膜的磷脂含量 控制磷脂的合成或使细胞膜受损
磷 脂 结 构
控制油酸的合成、 控制油酸的合成、甘油的合成或磷脂的合成
第一节 谷氨酸
四、菌种选育
1、生物素缺陷型 、
生物素：脂肪酸生物合成中乙酰 羧化酶的辅酶， 生物素：脂肪酸生物合成中乙酰-CoA羧化酶的辅酶，催化乙 羧化酶的辅酶 合成丙二酰酰CoA合成丙二酰 CoA 合成丙二酰
第一节 谷氨酸
四、菌种选育
1、生物素缺陷型 、 生物素缺陷型： 生物素缺陷型： 阻断了生物素的合成， 阻断了生物素的合成，限制外源生物素供应量 抑 磷脂含量减少， 制了不饱和脂肪酸的合成 磷脂含量减少，从而含量不 足 细胞膜结构不完整 提高了细胞膜的谷氨酸通透 型 当原料中生物素丰富，则可以在发酵过程中添加： 当原料中生物素丰富，则可以在发酵过程中添加： 饱和脂肪酸的表面活性剂： 饱和脂肪酸的表面活性剂：促使脂肪酸和它的表面活性 剂对生物素有拮抗作用， 剂对生物素有拮抗作用，阻断不饱和脂肪酸的合成 青霉素：抑制细胞壁的合成， 青霉素：抑制细胞壁的合成，从而使细胞膜失去细胞壁 的保护而发生继发性变化所致
作为TCA循环有缺陷时 4二羧酸的补充，特别是以醋酸 循环有缺陷时C 二羧酸的补充， 作为 循环有缺陷时 和乙醇为原料的谷氨酸发酵，它是C 和乙醇为原料的谷氨酸发酵，它是 4二羧酸的唯一补充来 源 作为能量供给来源的末端氧化系 3C6H12O6 6丙酮酸 6醋酸 丙酮酸 醋酸 6醋酸 +2NH3+3O2 2C5H9O4N+2CO2+6H2O 醋酸
第一节 谷氨酸
四、菌种选育
中 存 在 的 氨 基 酸 组 成 及 洗 涤 影 响 的 黄 色 短 杆 菌 体 内 游 离 的 和 培 养 基 在 生 物 素 贫 乏 和 丰 富 培 养 基 中 生 长
第一节 谷氨酸
四、菌种选育
1. 在生物素贫乏培养基中积累大量谷氨酸，而在生物素丰富 在生物素贫乏培养基中积累大量谷氨酸， 的培养基中几乎不积累谷氨酸 2. 生物素贫乏的细胞内，谷氨酸含量少，而且容易被洗出， 生物素贫乏的细胞内，谷氨酸含量少，而且容易被洗出， 在生物素丰富的细胞内含有大量谷氨酸， 在生物素丰富的细胞内含有大量谷氨酸，而且不易被洗出 ，只有用表面活性剂处理才能洗出 体 硫 外 殖 谷 短 内， 悁 惊 内， 氨 杆 酸 ，不 酸 少 酸 菌 1 ，有 ， 的 生 体 成 内 谷氨酸的 量 油 不 酸惣 酸 ， 酸 酸 细胞 的谷氨酸 性不 量 和 ，有 谷氨酸 出
NADP NADPH+H+
NH4+
氨
第一节 谷氨酸
三、氨的导入
黄色短杆菌中，谷氨酸脱氢酶对α-酮戊二酸和谷氨酸表现 黄色短杆菌中，谷氨酸脱氢酶对α 酮戊二酸和谷氨酸表现 出同促相互作用，低浓度的α 出同促相互作用，低浓度的α-酮戊二酸和谷氨酸对此酶有显 著的激活作用。 著的激活作用。 谷氨酸的生成被反应产物谷氨酸所抑制。 谷氨酸的生成被反应产物谷氨酸所抑制。 逆反应又被NH 酮戊二酸所抑制。 逆反应又被NH4+和α-酮戊二酸所抑制。 对糖代谢的影响： 生物素和NH4+对糖代谢的影响： 生物素和 NH4+存在：葡萄糖消耗速度快，谷氨酸生成 存在：葡萄糖消耗速度快， 生物素缺乏菌 收率高 NH4+不存在：糖消耗速度慢，生成物是 酮 不存在：糖消耗速度慢，生成物是α-酮 戊二酸、丙酮酸、醋酸和琥珀酸 戊二酸、丙酮酸、 生物素充足菌： 生物素充足菌：NH4+几乎不影响糖代谢
第一节 谷氨酸
三、氨的导入
20世纪 年代初，在 世纪70年代初 世纪 年代初， 细菌中发现了谷氨酸 合成酶途径
谷氨酸合成酶对NH4+的亲和力比谷氨酸脱氢酶强的多。 的亲和力比谷氨酸脱氢酶强的多。 谷氨酸合成酶对 谷氨酸发酵，细胞内的谷氨酸浓度高， 谷氨酸发酵，细胞内的谷氨酸浓度高，反馈抑制谷氨 酸脱氢酶活性， 酸脱氢酶活性，但不抑制谷氨酸合成酶
丙酮酸
生成不同产物
第一节 谷氨酸
一、EMP和HMP 和
生物素充足菌： 途径所占比例为38% 生物素充足菌：HMP途径所占比例为 途径所占比例为 生物素亚适量菌： 途径所占比例为26% 生物素亚适量菌：HMP途径所占比例为 途径所占比例为
第一节 谷氨酸
二、TCA、DCA和CO2固定作用 、 和 1. TCA循环 循环 α-酮戊二酸脱氢酶： 酮戊二酸脱氢酶： 酮戊二酸脱氢酶
PEP羧化酶 羧化酶
草酰乙酸+GTP 草酰乙酸
丙酮酸
苹果酸酶 ±CO2 苹果酸
苹果酸脱氢酶 草酰乙酸 NAD+ NADH+H+
PEP羧化酶对 羧化酶对PEP的表现亲和力约是丙酮酸激酶的 的表现亲和力约是丙酮酸激酶的1/10 羧化酶对 的表现亲和力约是丙酮酸激酶的
第一节 谷氨酸
TCA循环中间 循环中间 产物浓度增加
转向CO2固定 转向
抑制 酶
氨
三、氨的导入
导 入 方 式
1. 糖代谢中间体 酮戊二酸还原氨基化生成谷氨酸 糖代谢中间体α-酮戊二酸还原氨基化生成谷氨酸 2. 天冬氨酸或丙氨酸通过氨基转移作用将氨基转给 天冬氨酸或丙氨酸通过氨基转移作用将氨基转给α酮戊二酸而生成 3. 谷氨酸合成酶途径 异柠檬酸脱氢酶：需NADP为 异柠檬酸脱氢酶： 为 辅酶，催化α-酮戊二酸的生成 辅酶，催化 酮戊二酸的生成 谷氨酸的前体）， ），并为谷氨 （谷氨酸的前体），并为谷氨 酸脱氢酶提供辅酶 谷氨酸脱氢酶： 谷氨酸脱氢酶：需NADPH+H+ 为辅酶 活细胞中， 活细胞中，异柠檬酸脱氢酶活 性小于谷氨酸脱氢酶活性
CO2
活力很弱， 活力很弱，使糖代谢流 进入TCA循环后受阻在 进入 循环后受阻在 α-酮戊二酸处，在有 酮戊二酸处， 酮戊二酸处 NH4+存在下，由谷氨酸 存在下， 脱氢酶催化还原氨基化 生成谷氨酸
第一节 谷氨酸
二、TCA、DCA和CO2固定作用 、 和 2. DCA循环（乙醛酸循环） 循环（ 循环 乙醛酸循环）
第一节 谷氨酸
四、菌种选育
2、选育油酸缺陷型 、 油酸缺陷型：阻断不饱和脂肪酸合成， 油酸缺陷型：阻断不饱和脂肪酸合成，并限制外源供给量 从而限制了磷脂的合成。 ，从而限制了磷脂的合成。 3、选育甘油缺陷型 、 甘油缺陷型：阻断甘油的合成，并限制外源供给量， 甘油缺Βιβλιοθήκη Baidu型：阻断甘油的合成，并限制外源供给量，从而 限制了磷脂的合成。 限制了磷脂的合成。 4、温度敏感突变株 、 磷脂本身的合成发生障碍，磷脂含量就低。 磷脂本身的合成发生障碍，磷脂含量就低。 5、其他突变株 、 一些营养缺陷型、药物抗性突变株和敏感型突变株等。 一些营养缺陷型、药物抗性突变株和敏感型突变株等。
抑制 PEP羧 羧 化酶
PEP浓度低 浓度低
所以在谷氨酸发酵 中，糖的分解代谢 途径与CO2固定的 途径与 适当比例是提高谷 氨酸对糖收率的关 键问题。 键问题。
PEP易进入 易进入 分解途径
乙酰乙酰-CoA 浓度增加 与 羧 激 果
化 酶 活 糖 共 同 二 磷 酸 PEP
草酰乙酸
乙酰 CoA氧化 氧化 ATP水平提高 水平提高
抗 药 性 突 变 株 的 谷 氨 酸 生 产
第一节 谷氨酸
四、菌种选育
其它突变株的谷氨酸生产
微生物工程与设备
湖师院生科院
第十八章 燃料和工业化学品
第一节 谷氨酸
生物合成途径：糖经过酵解途径（ 生物合成途径：糖经过酵解途径（EMP)和单磷酸己糖途径 和单磷酸己糖途径 （HMP）生成丙酮酸。一方面，丙酮酸氧化脱羧生成乙酰 ）生成丙酮酸。一方面，丙酮酸氧化脱羧生成乙酰CoA，另一方面，经CO2固定作用生成草酰乙酸，两者合成 固定作用生成草酰乙酸， ，另一方面， 柠檬酸进入三羧酸循环（ 循环）， 柠檬酸进入三羧酸循环（TCA循环），由三羧酸循环的中间 循环），由三羧酸循环的中间 产物α-酮戊二酸在谷氨酸脱氢酶催化下，还原氨基化合成谷 产物 酮戊二酸在谷氨酸脱氢酶催化下， 酮戊二酸在谷氨酸脱氢酶催化下 氨酸。 氨酸。 合成途径包括EMP、HMP、TCA循环，乙醛酸循环 循环， 合成途径包括 、 、 循环 的固定作用。 （DCA）和CO2的固定作用。 ） 总反应式 C6H12O6+NH3+3/2O2 C5H9O4N+CO2+3H2O 理论转化率：（ ：（147/180）×100%=81.7% 理论转化率：（ ）
第一节 谷氨酸
谷 氨 酸 的 生 物
CO2
合 成 途 径
第一节 谷氨酸
一、EMP和HMP 和 1. EMP途径 途径 葡萄糖 2. HMP途径 途径
6-磷酸葡萄糖在 磷酸葡萄糖脱氢酶作用下氧化生成 磷酸葡萄糖在6-磷酸葡萄糖脱氢酶作用下氧化生成 磷酸葡萄糖在 6-磷酸葡萄糖酸，后者生成5-磷酸戊糖，通过戊糖代谢分 磷酸葡萄糖酸，后者生成 磷酸戊糖 磷酸戊糖， 磷酸葡萄糖酸 解成3C化合物和 化合物，3C化合物与 解成 化合物和2C化合物， 化合物与EMP途径联系， 途径联系， 化合物和 化合物 化合物与 途径联系 2C化合物进入 化合物进入TCA. 化合物进入