第六章 天冬氨酸族氨基酸发酵机制
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生物工艺原理习题集
⽣物⼯艺原理习题集《⽣物⼯艺原理》⼀、名词解释（共5题，每题3分，共15分）诱变选育⾃然选育⽣理碱性物质⽣理酸性物质前体⽣长因⼦产物促进剂代谢控制发酵巴斯德效应葡萄糖效应初级代谢产物次级代谢产物临界溶氧浓度发酵热⼆、填空题（，共20空，每空0.5分，共10分）1．⾃然界分离微⽣物的⼀般操作是_______________、_______________、________________、_________________________________。
2．从环境中分离⽬的微⽣物时，进⾏富集的⽬的是________________________________。
3．菌种选育分⼦改造的⽬的是_______________、______________、_________________、_____________、_________________。
4．培养基成分选择的原则是________________、________________、______________________、______________________________。
5．种⼦扩⼤培养的⽬的是_____________、_______________________、_______________________与要求__________________、_________________、_________________、____________________________。
6．种⼦扩⼤培养的⼀般步骤__________________、_________________、_______________________、_____________________________________。
7．在酿酒过程中影响杂醇油⽣成的原因是___________________、____________________、_______________________________________。
天冬氨酸族氨基酸发酵机制
优化发酵条件提高产量
通过实验手段优化天冬氨酸族氨基酸发酵的条件，如温度、pH、溶氧浓 度、碳氮源等，以提高发酵效率和产物产量。
开发新型的细胞培养技术，如连续培养、高密度培养等，以实现细胞的高 密度生长和产物的高效积累。
结合代谢工程和基因工程技术，对菌株进行遗传改造，提高其发酵性能和 产物产量。
开发新型天冬氨酸族氨基酸生产菌株
营养强化剂
天冬氨酸族氨基酸可添加到婴儿食品、运动员食品等特殊食品中，以满足特定营养需求。
在农业领域的应用前景
植物生长调节剂
天冬氨酸族氨基酸可促进植物生长，提 高产量，可作为潜在的植物生长调节剂 。
VS
饲料添加剂
天冬氨酸族氨基酸可添加到动物饲料中， 提高动物生长性能和饲料转化率。
06
研究展望
深入探究天冬氨酸族氨基酸发酵机制
天冬氨酸族氨基酸发酵机 制
• 引言 • 天冬氨酸族氨基酸发酵机制概述 • 天冬氨酸族氨基酸发酵的生物合成途
径 • 天冬• 研究展望
01
引言
氨基酸发酵的重要性
生命活动的基础
氨基酸是构成蛋白质的基本单位，是 生物体进行生命活动不可或缺的物质。
04
天冬氨酸族氨基酸发酵的代谢调控
代谢调控机制
酶的活性调节
通过调节酶的活性来控制代谢过 程，例如通过调节天冬氨酸族的 合成酶活性来控制氨基酸的合成。
代谢流控制
通过控制代谢流的方向和流量来调 节氨基酸的合成，例如通过控制糖 酵解和三羧酸循环的代谢流来影响 天冬氨酸族的合成。
代谢物阻遏
通过调节细胞内代谢物的浓度来控 制基因的表达和酶的活性，从而影 响氨基酸的合成。
通过诱变育种、基因重组等手段，发掘和培育具有优良发酵性能的新型天冬氨酸族 氨基酸生产菌株。
氨基酸发酵机制及过程
④沿着由柠檬酸至α–酮戊二酸的氧化途径，谷氨酸产 生菌有两种NADP专性脱氢酶，即异柠檬酸脱氢酶和L谷氨酸脱氢酶。 在谷氨酸的生物合成中，谷氨酸脱氢酶和异柠檬 酸脱氢酶在铵离子存在下，两者非常密切地偶联起 来，形成强固的氧化还原共轭体系，不与NADPH2 的末端氧化系相连接，使α–酮戊二酸还原氨基化生 成谷氨酸。
2．三羧酸循环(TCA循环)的调节
谷氨酸产生菌在代谢途径中，三羧酸循环的调节主要 是通过5种酶的调节进行的。这五种酶是磷酸烯醇式丙酮 酸羧化酶、柠檬酸合成酶、异柠檬酸脱氢酶、谷氨酸脱氢 酶和α-酮戊二酸脱氢酶。
草酰乙酸+谷氨酸
谷氨酸转氨酶
天冬氨酸+α -酮戊二酸
谷氨酸比天冬氨酸优先合成，谷氨酸合成过量后， 谷氨酸抑制谷氨酸脱氢酶的活力并阻遏柠檬酸合成酶 的合成，使代谢转向天冬氨酸的合成。
在谷氨酸发酵生产中，生物素缺陷型菌在 NH4+存在时，葡萄糖消耗速率快而且谷氨酸收率 高； NH4+不存在时，葡萄糖消耗速率很慢，生 成物是α–酮戊二酸、丙酮酸等物质，不产生谷氨 酸。
四、细胞膜通透性的调节
对谷氨酸发酵的重要性： 当细胞膜转变为有利于谷 氨酸向膜外渗透的方式， 谷氨酸才能不断地排出细 胞外，这样既有利于细胞 内谷氨酸合成反应的优先 性、连续性，也有利于谷 氨酸在胞外的积累。
4．CO2固定反应的调节
CO2固定反应主要通过以下途径完成：
C02的固定反应的作用：补充草酰乙酸； 在谷氨酸合成过程中，糖的分解代谢途径与C02固定 的适当比例是提高谷氨酸对糖收率的关键问题。
5．NH4+的调节
谷氨酸脱氢酶也能催化谷氨酸氧化脱氨反应，脱 氨过程以NAD+作为辅酶，该酶催化的反应虽然偏向 氨合成谷氨酸一边，但是脱氢过程产生的NADH被氧 化成NAD+，同时产生的NH3很容易被除去。 脱氨反应被NH4+和α–酮戊二酸所抑制，这对于谷 氨酸的积累也起到了很好的作用。
天冬氨酸族氨基酸发酵
二、高丝氨酸高产菌的定向育种策略
天冬氨酸发酵
一、天冬氨酸高产菌应具备的生化特征
1.天冬氨酸激酶丧失 2.谷氨酸脱氢酶活力微弱 3.丙酮酸氨化酶微弱或丧失 4.二氧化碳固定反应能力强 5.柠檬酸合成酶活力弱 6.草酰乙酸氨基反应强
二、天冬氨酸高产菌的育种策略
1.解除反馈调节
天冬氨酸对磷酸烯醇丙酮酸羧化酶存在着反馈抑制作用，天冬氨酸 合成过量后反馈抑制磷酸烯醇丙酮酸羧化酶的活性，是天冬氨酸生物 合成的速度减慢或停止，所以，必须解除天冬氨酸对磷酸烯醇丙酮酸 羧化酶的反馈抑制。选育天冬氨酸结构类似物抗性突变株。
③ 二氢吡啶-2,6-二羧酸还原酶 受赖氨酸的反馈抑制。 ④ O-琥珀酰高丝氨酸转琥珀酰酶和半胱氨酸脱硫化氢酶受的受蛋氨酸的反 馈阻遏
⑤ 高丝氨酸激酶受苏氨酸的反馈阻遏
⑥ 苏氨酸脱氨酶受异亮氨酸的反馈抑制 在大肠杆菌的天冬氨酸族氨基酸生物合成中，当某一终产物如 苏氨酸过量时，只能抑制AkⅠ和HDⅠ及自身分支点的高丝氨酸激 酶，限制苏氨酸的合成，并不影响蛋氨酸和赖氨酸的合成。因此， 大肠杆菌中这样的调节模式对氨基酸生产菌的选育是不利的。
3.增加前体物天冬氨酸的合成
天冬氨酸是苏氨酸生物合成的前体物，增加天冬氨酸的合成，是苏 氨酸得以大量积累的必要条件。 （1）选育天冬氨酸结构类似物抗性突变株 （2）选育丙氨酸缺陷突变株 措施（3）强化从丙酮酸得到苏氨酸的代谢流 （4）谷氨酸优先合成转换 （5）利用平衡合成
5.利用现代生物技术选育苏氨酸生产菌
二、选育苏氨酸生产菌的方法
1.切断支Leabharlann 代谢在苏氨酸发酵代谢控制育种上，切断或减弱除苏氨酸以外的能控 制共同酶的赖氨酸和蛋氨酸的合成途径，一方面降低了这些物质的浓 度，解除了它们对代谢途径中关键酶的反馈调节作用，另一方面还可 以节省碳源，使代谢流高效地转向所需的目的产物——苏氨酸，并使 之得以大量合成。因此，选育和利用营养缺陷型突变株（或营养渗漏 型突变株、营养缺陷回复突变株）是生产苏氨酸的有效措施。
第三篇第四章天冬氨酸族氨基酸发酵机制
§第七章天冬氨酸族氨基酸发酵机制第一节天冬氨酸族氨基酸生物合成途径及代谢调节机制一、天冬氨酸族氨基酸生物合成途径GlucoseEMP丙酮酸草酰乙酸Asp天冬氨酸激酶(AK)天冬氨酰磷酸（asp-p）天冬氨酸β-半醛DDP合成酶（PS）高丝氨酸脱氢酶（HD）二羟吡啶羧酸（DDP）高丝氨酸（Hos）琥珀酰高丝氨酸合成酶高丝氨酸激酶二氨基庚二酸（DAP）琥珀酰高丝氨酸ThrLys 苏氨基酸脱氨酶Met Ile二、天冬氨酸族氨基酸生物合成的代谢调节机制1、大肠杆菌中天冬氨酸族氨基酸生物合成的调节机制GlucoseEMP丙酮酸草酰乙酸Asp(天冬氨酸激酶AK，同功酶)天冬氨酸磷酸（asp-p）天冬氨酸β-半醛（同功酶）二羟吡啶羧酸高丝氨酸（Hos）Lys琥珀酰高丝氨酸 O-磷酸高丝氨酸Met Thr大肠杆菌天冬氨酸族氨基酸代谢特点：生物合成途径要比黄色短杆菌、谷氨酸棒杆菌、乳糖发酵短杆菌的代谢调控要复杂，其过程如下：关键酶：天冬氨酸激酶是一个同功酶，分别受三个代谢产物的抑制，这三个终产物分别是：Lys、Met和Thr，只有当这三个代谢产物同时过量时，Asp激酶的活性才能完全被抑制。
同功酶：几种在同一细胞中催化同一反应的酶，但其活性受不同代谢产物体调节。
2、谷氨酸棒杆菌，黄色短杆菌天冬氨酸族氨基酸生物合成的调控GlucoseEMP丙酮酸草酰乙酸Asp(天冬氨酸激酶，AK)天冬氨酸磷酸（asp-p）天冬氨酸β-半醛二羟吡啶羧酸高丝氨酸LysO-琥珀酰高丝氨酸 O-磷酸高氨酸Met Thr黄色短杆菌与大肠杆菌（E.coli）的区别：（1）天冬氨酸激酶（AK），在黄色短杆菌中是一个变构酶，并有两个活性中心，分别受Lys、Thr的协同反馈抑制（2）黄色短杆菌中，存在两个分支点的优先合成机制:P75如图所示），即优先合成Hos，然后再优先合成Met，当Met过量时，阻遏：催化Hos 琥珀酰高丝氨酸所需要的酶的合成（即，琥珀酰高丝氨酸合成酶），使代谢流向合成Thr的方向进行，当Thr过量时，反馈抑制：Asp-β-半醛 Hos所需要的酶的的活性（即高丝氨酸脱氢酶），使代谢流向Lys的合成上。
天冬氨酸族氨基酸发酵机制---赖氨酸(补充材料)
一、苏 氨酸的 育种途 径
苏氨酸高产菌株应具备的生化特征
DDP合成酶活力极弱或欠缺 琥珀酰高丝氨酸合成酶酶活力极弱或欠缺 苏氨酸脱氨酶酶活力极弱或欠缺 CO2固定能力强 天冬氨酸合成能力强 天冬氨酸激酶活力强，对苏氨酸和赖氨酸的协 同反馈抑制不敏感 高丝氨酸脱氢酶活力强，不受苏氨酸反馈调节。
三、蛋氨酸育种途径
高产蛋氨酸应具备的生化特性
DDP合成酶活力极弱或欠缺 S-腺苷蛋氨酸酶活力极弱或欠缺 高丝氨酸激酶欠缺 CO2固定能力强 天冬氨酸合成能力强 天冬氨酸激酶活力强，对苏氨酸和赖氨酸的协同 反馈抑制不敏感 高丝氨酸脱氢酶活力强，苏氨酸和异亮氨酸的反 馈调节不敏感、不受蛋氨酸反馈调节。
方法：
①选育丙氨酸缺陷型； ②选育抗天冬氨酸结构类似物突变株； ③选育适宜的CO2固定酶/TCA循环酶活性比突变株； 1.通过TCA循环 葡萄糖→丙酮酸→草酰乙酸→天冬氨酸 赖氨酸
2.通过磷酸烯醇式丙酮酸羧化反应
葡萄糖→磷酸烯醇式丙酮酸→草酰乙酸→天冬氨酸 丙酮酸 赖氨酸
6.改变细胞膜的透过性 7.选育温度敏感突变株 天冬氨酸系分枝代谢途径中，末端产物 种类多，调节机制复杂，为高效率生产 赖氨酸，可以采取顺次解除各种调节机 制的诱变育种，获得多重标记的突变株。
第八章 天冬氨酸族氨 基酸发酵机制
第一节
生物合成途径（天冬氨酸族） 及代谢调控机制
一、生物合成途径
天冬氨酸族氨基酸合成可以以草酰乙酸 或天冬氨酸为原料，合成苏氨酸、异亮氨酸、 蛋氨酸和赖氨酸。
葡萄糖
EMP
丙酮酸
CO2 固定、氧化
氨基化反应
草酰乙酸
天冬氨酸激酶
江南大学氨基酸的代谢控制与发酵 - 副本
07:02:50
✄
✄
CO2
Ala, Val, Leu
脂肪酸
α-酮戊二酸
谷氨酸
切断生成丙酮酸的支路和解除Asp对磷酸烯醇式
丙酮酸羧化酶的反馈抑制，可以采取以下措施： ①选育Ala-营养缺陷型突变株
②选育AspHxr(结构类似物)突变株
天冬氨酸氧肟酸盐抗性突变株 ③选育氟丙酮酸敏感突变株（FPs） 积累丙酮酸（PDH/PC代谢流的调节比例开关）
酶）在大肠杆菌中表达 (12.2 g/L Lys)。 ②法国巴黎大学Richamd等人将参与生成Lys的基因分别 在高拷贝数的质粒pBR322上克隆，利用重组质粒转化大 肠杆菌TOCR21,另外通过突变处理，改变了天冬氨酸激 酶，该功能工程菌产量提高5倍。
07:02:50
蛋氨酸
高丝氨酸 天冬 氨酸
07:02:50
磷酸烯醇 式丙酮酸
AC
天冬氨酸
AK
协同反馈抑制
天冬氨酰磷酸 天冬氨酸半醛
葡萄糖 Hom○ ○ ○ PS 亮氨酸
二轻吡啶二羧酸
高丝氨酸
AC:磷酸烯醇
式丙酮酸羧化酶； AK:天冬氨酸激酶； 蛋氨酸 PS:二轻吡啶二羧酸 合成酶
07:02:50
苏氨酸
α-酮丁酸
赖氨酸
异亮氨酸
⑴天冬氨酸激酶反馈调节的解除
07:02:50
④适量VH激活磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶
此处生物素有两个功能(利用优先合成和激活) ⑤琥珀酸生长旺盛的突变株 ⑥谷氨酸敏感型菌株 ⑦基因工程菌构建柠檬酸合成酶活力低或丙酮酸激酶缺
陷的菌株
①-⑦都是为了增加PC的活力或切断代谢之路，以 积累生成Lys的前体物质，为提高赖氨酸产量做准备。
07:02:50
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CO2
Ala, Val, Leu
脂肪酸
α-酮戊二酸
谷氨酸
切断生成丙酮酸的支路和解除Asp对磷酸烯醇式
丙酮酸羧化酶的反馈抑制，可以采取以下措施： ①选育Ala-营养缺陷型突变株
②选育AspHxr(结构类似物)突变株
天冬氨酸氧肟酸盐抗性突变株 ③选育氟丙酮酸敏感突变株（FPs） 积累丙酮酸（PDH/PC代谢流的调节比例开关）
酶）在大肠杆菌中表达 (12.2 g/L Lys)。 ②法国巴黎大学Richamd等人将参与生成Lys的基因分别 在高拷贝数的质粒pBR322上克隆，利用重组质粒转化大 肠杆菌TOCR21,另外通过突变处理，改变了天冬氨酸激 酶，该功能工程菌产量提高5倍。
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蛋氨酸
高丝氨酸 天冬 氨酸
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磷酸烯醇 式丙酮酸
AC
天冬氨酸
AK
协同反馈抑制
天冬氨酰磷酸 天冬氨酸半醛
葡萄糖 Hom○ ○ ○ PS 亮氨酸
二轻吡啶二羧酸
高丝氨酸
AC:磷酸烯醇
式丙酮酸羧化酶； AK:天冬氨酸激酶； 蛋氨酸 PS:二轻吡啶二羧酸 合成酶
07:02:50
苏氨酸
α-酮丁酸
赖氨酸
异亮氨酸
⑴天冬氨酸激酶反馈调节的解除
07:02:50
④适量VH激活磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶
此处生物素有两个功能(利用优先合成和激活) ⑤琥珀酸生长旺盛的突变株 ⑥谷氨酸敏感型菌株 ⑦基因工程菌构建柠檬酸合成酶活力低或丙酮酸激酶缺
陷的菌株
①-⑦都是为了增加PC的活力或切断代谢之路，以 积累生成Lys的前体物质，为提高赖氨酸产量做准备。
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氨基酸发酵
产的一种方法(fāngfǎ)。
• 典型的例子就是谷氨酸发酵。 • 改变培养条件的发酵转换法中,有变化铵离
子浓度、磷酸浓度，使谷氨酸转向谷氨酰 胺和缬氨酸发酵
共一百零六页
2.2 用营养缺陷 变异株的 (quēxiàn) 方法
• 这一方法是诱变出菌体内氨基酸生物合成
某步反应阻遏的营养缺陷型变异(biànyì)体，使 生物合成在中途停止，不让最终产物起控 制作用。
共一百零六页
3.1.2 载体 的构建 (zàitǐ)
• 有效的载体需要有在受体菌中可启动的复
制起始位点，这可从棒状杆菌家族内源小 质粒中获得;
• 载体所需的筛选标记(biāojì)及外源基因插入的
多克隆位点，可从常用的克隆载体中获得。
共一百零六页
3.1.3 基因 转移手段 (jīyīn)
• 由于棒状杆菌是革兰氏阳性菌，CaCl2转化法对它不
今后的发展是采用诱变、细胞工程、基因工程的手段选育出从遗传角度解 除了反馈调节和遗传性稳定的更理想菌种,提高产酸;采用过程控制,进行最优化控制, 连续化、自动化,稳产、高产;探求新工艺、新设备,以提高产率和收得率;研究发酵 机制等问题,以便能更好地控制氨基酸这样微生物中间代谢产物的发酵。
共一百零六页
• 专性需氧菌，控制环境(huánjìng)条
件可改变代谢途径和产物。
共一百零六页
控制 细胞渗透性 (kòngzhì)
•生物素、油酸和表面活性剂， 引起细胞膜的脂肪酸成分的改变。 •青霉素：抑制(yìzhì)细胞壁的合 成，由于细胞面内外的渗透压 而泄露出来。
共一百零六页
控制 旁路代谢 (kòngzhì)
育成的氨基酸生物合成高能力的菌株。
共一百零六页
• 典型的例子就是谷氨酸发酵。 • 改变培养条件的发酵转换法中,有变化铵离
子浓度、磷酸浓度，使谷氨酸转向谷氨酰 胺和缬氨酸发酵
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2.2 用营养缺陷 变异株的 (quēxiàn) 方法
• 这一方法是诱变出菌体内氨基酸生物合成
某步反应阻遏的营养缺陷型变异(biànyì)体，使 生物合成在中途停止，不让最终产物起控 制作用。
共一百零六页
3.1.2 载体 的构建 (zàitǐ)
• 有效的载体需要有在受体菌中可启动的复
制起始位点，这可从棒状杆菌家族内源小 质粒中获得;
• 载体所需的筛选标记(biāojì)及外源基因插入的
多克隆位点，可从常用的克隆载体中获得。
共一百零六页
3.1.3 基因 转移手段 (jīyīn)
• 由于棒状杆菌是革兰氏阳性菌，CaCl2转化法对它不
今后的发展是采用诱变、细胞工程、基因工程的手段选育出从遗传角度解 除了反馈调节和遗传性稳定的更理想菌种,提高产酸;采用过程控制,进行最优化控制, 连续化、自动化,稳产、高产;探求新工艺、新设备,以提高产率和收得率;研究发酵 机制等问题,以便能更好地控制氨基酸这样微生物中间代谢产物的发酵。
共一百零六页
• 专性需氧菌，控制环境(huánjìng)条
件可改变代谢途径和产物。
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控制 细胞渗透性 (kòngzhì)
•生物素、油酸和表面活性剂， 引起细胞膜的脂肪酸成分的改变。 •青霉素：抑制(yìzhì)细胞壁的合 成，由于细胞面内外的渗透压 而泄露出来。
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控制 旁路代谢 (kòngzhì)
育成的氨基酸生物合成高能力的菌株。
共一百零六页
第六章 氨基酸的代谢控制与发酵
④用200～500μ/L的生物素激活PC。 ⑤选育在琥珀酸平板上快速生长的突变株。 ⑥构建丙酮酸激酶缺陷的工程菌株。 ⑦构建柠檬酸合成酶活力低或缺陷的工程菌株。 ⑧选育GluHxs突变株。 ⑨用乙酶CoA激活PC。
⑩采用低糖流加法激活PC（糖浓度为4%～5%）。
3、解除代谢互锁
在乳糖发酵短杆菌中，赖氨酸的生物合成与亮氨 酸之间存在着代谢互锁。
综上所述，在天冬氨酸族氨基酸代谢途径中，末 端产物种类多，调节机制复杂，为了高效率生产 赖氨酸，可以采取顺序解除各种调节机制的诱变 育种方法，获得多重标记突变株。
但是，采用人工诱变获得多重标记组合型突变株， 是一件费时、费力、非常麻烦的工作。采用细胞 工程和基因工程新技术，将诱变所获得的优良特 性组合起来，获得高产菌株就容易得多。
①选育Ala-突变株。 ②选育抗Asp结构类似物突变株。 ③选育适宜CO2固定酶/TCA循环酶活性比突变株。
四、蛋氨酸发酵
1、蛋氨酸高产菌应具备的生化特征
⑴CO2固定反应能力强。
⑵Asp合成能力强。 ⑶AK活力强。
⑷HD活力强。
⑸PS活力微弱或丧失。 ⑹高丝氨酸激酶活力微弱或丧失。 ⑺GHD活力弱。 ⑻O-琥珀酰高丝氨酸转琥珀酰酶活力强。
⑴切断支路代谢
①选育Lys-、Lysl、Lys+突变株。
②选育Thr-、Thrl、Thr+突变株。
⑵解除反馈调节
①选育AECr和AHVr突变株。
②选育抗SAM结构类似物突变株。
③选育抗蛋氨酸结构类似物（如乙硫氨酸、硒代 蛋氨酸、1,2,4-三唑、三氟蛋氨酸）突变株。
⑶切断蛋氨酸向下反应的通路
选育SAM-突变株。
丙氨酸是比较活跃的氨基酸，在生物体内通过转 氨作用可生成其它氨基酸，生成丙氨酸的途径必 然消耗许多PEP。
⑩采用低糖流加法激活PC（糖浓度为4%～5%）。
3、解除代谢互锁
在乳糖发酵短杆菌中，赖氨酸的生物合成与亮氨 酸之间存在着代谢互锁。
综上所述，在天冬氨酸族氨基酸代谢途径中，末 端产物种类多，调节机制复杂，为了高效率生产 赖氨酸，可以采取顺序解除各种调节机制的诱变 育种方法，获得多重标记突变株。
但是，采用人工诱变获得多重标记组合型突变株， 是一件费时、费力、非常麻烦的工作。采用细胞 工程和基因工程新技术，将诱变所获得的优良特 性组合起来，获得高产菌株就容易得多。
①选育Ala-突变株。 ②选育抗Asp结构类似物突变株。 ③选育适宜CO2固定酶/TCA循环酶活性比突变株。
四、蛋氨酸发酵
1、蛋氨酸高产菌应具备的生化特征
⑴CO2固定反应能力强。
⑵Asp合成能力强。 ⑶AK活力强。
⑷HD活力强。
⑸PS活力微弱或丧失。 ⑹高丝氨酸激酶活力微弱或丧失。 ⑺GHD活力弱。 ⑻O-琥珀酰高丝氨酸转琥珀酰酶活力强。
⑴切断支路代谢
①选育Lys-、Lysl、Lys+突变株。
②选育Thr-、Thrl、Thr+突变株。
⑵解除反馈调节
①选育AECr和AHVr突变株。
②选育抗SAM结构类似物突变株。
③选育抗蛋氨酸结构类似物（如乙硫氨酸、硒代 蛋氨酸、1,2,4-三唑、三氟蛋氨酸）突变株。
⑶切断蛋氨酸向下反应的通路
选育SAM-突变株。
丙氨酸是比较活跃的氨基酸，在生物体内通过转 氨作用可生成其它氨基酸，生成丙氨酸的途径必 然消耗许多PEP。
化学微生物学第六章氨基酸+谷发酵
谷氨酸对糖的转化率达到81.7% Δ DCA循环 标志酶：异柠檬酸裂解酶
作 用
在谷氨酸发酵中，DCA环一方面可以作为TCA循环有缺陷时C4二羧酸的补充 在谷氨基酸生产菌的生长中提供能量 通过DCA环提供C4二羧酸时谷氨酸对糖的 转化率仅为54.4%
谷氨酸生成期中要封闭DCA环？
TCA 的补充途径（DCA循环） I 乙醛酸循环（TCA 循环支路）
产生菌株特点： 革兰氏阳性 不形成芽胞 没有鞭毛，不能运动 需要生物素作为生长因子 在通气条件下才能产生谷氨酸。
谷氨酸生物合成机理及代谢控制
谷氨酸生物合成机理： 由三羧酸循环中产生的a-酮戊二酸，在谷氨 酸脱氢酶和氢供体存在下进行还原性氨化 作用而得到。
三、谷氨酸的发酵
这种方法中有用高丝氨酸缺陷株的赖氨酸 发酵，有用精氨酸缺陷株的鸟氨酸发酵， 还有用异亮氨酸缺陷株的脯氨酸发酵。
2.3 类似物抗性变异株的方法
用一种与自己想获得的氨基酸结构相类似 的化合物加入培养基内，使其发生控制作 用，从而抑制微生物的生长。这样，就可 以得到在这种培养基中能够生长的变异株， 而这种变异株正是解除了调控机制的，能 够生成过量的氨基酸。 利用此方法发酵的有:苏氨酸、赖氨酸、异 亮氨酸、组氨酸和精氨酸。
氨基酸的用途
1.食品工业： 强化食品(赖氨酸，苏氨酸，色氨酸于小麦 中) 增鲜剂：谷氨酸单钠和天冬氨酸 苯丙氨酸与天冬氨酸可用于制造低热量二 肽甜味剂(α-天冬酰苯丙氨酸甲酯),此产品 1981年获FDA批准,现在每年产量已达数万 吨。
2.饲料工业： 甲硫氨酸等必需氨基酸可用于制造动物饲料 3.医药工业： 多种复合氨基酸制剂可通过输液治疗营养或代谢失 调 苯丙氨酸与氮芥子气合成的苯丙氨酸氮芥子气对骨 髓肿瘤治疗有效,且副作用低。 4.化学工业：谷氨基钠作洗涤剂,丙氨酸制造丙氨酸 纤维。
第八章天冬氨酸族氨基酸发酵机制ppt课件
第三节 苏氨酸、蛋氨酸、高丝氨酸和天冬氨 酸的育种途径
一、苏 氨酸的 育种途 径
苏氨酸高产菌株应具备的生化特征
DDP合成酶活力极弱或欠缺 琥珀酰高丝氨酸合成酶酶活力极弱或欠缺 苏氨酸脱氨酶酶活力极弱或欠缺 CO2固定能力强 天冬氨酸合成能力强 天冬氨酸激酶活力强，对苏氨酸和赖氨酸的协
按照起始物可将氨基酸的合成分成几个家族：
㈠谷氨酸族（α-酮戊二酸族）
包括：谷氨酸、谷氨酰胺、精氨酸、赖氨酸和 脯氨酸；
㈡丙酮酸族
包括：丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸；
㈢天冬氨酸族（草酰乙酸族） 包括：天冬氨酸、天冬酰胺、苏氨酸和异亮
氨酸； ㈣磷酸甘油酸族
包括：甘氨、酪氨酸、色氨酸； 另外，组氨酸的合成为单独的一条途径。
4.解除代谢互锁
①选育亮氨酸缺陷型菌株，或者以抗AEC的 赖氨酸的生产菌为出发菌株，经诱变得到抗 AEC兼抗亮氨酸缺陷型菌株。
②选育抗亮氨酸结构类似物的突变株，从 遗传上解除亮氨酸对DDP合成酶的阻遏。
③选育对苯醌或喹啉衍生物敏感菌株，这 是一种寻找亮氨酸渗漏缺陷型菌株的有效方 法。
5.增加前体物的生物合成和阻塞产物的生成：
同反馈抑制不敏感 高丝氨酸脱氢酶活力强，不受苏氨酸反馈调节。
二、高丝氨酸菌种的选育途径
高产高丝氨酸菌株应具
DDP合成酶活力极弱或欠缺
琥珀酰高丝氨酸合成酶酶活力极弱或欠缺
高丝氨酸激酶欠缺
CO2固定能力强 天冬氨酸合成能力强
天冬氨酸激酶活力强，对苏氨酸和赖氨酸的协同 反馈抑制不敏感
高丝氨酸脱氢酶活力强，不受苏氨酸和蛋氨酸反 馈调节。
HD HDⅠ：受苏氨酸反馈抑制 HDⅡ：受蛋氨酸阻遏
⑤苏氨酸脱氨酶（异亮氨酸合成途径的酶） 受异亮氨酸的反馈抑制和阻遏
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D
A→B→C
F G
A → B → C → D
3.平衡合成
E
D
B→C
F G 4.代谢互锁
第二节
赖氨酸生产菌的育种途径
出发菌株的选择：要求代谢比较简单的细菌（如 黄色短杆菌、谷氨酸棒杆菌、乳酸发酵短杆菌等）
1.优先合成的转换：渗漏缺陷型的选育。 2.切断支路代谢：营养缺陷型的选育。 3.抗结构类似物突变株的选育（代谢调节突变）。 4.代谢互锁
按照起始物可将氨基酸的合成分成几个家族：
㈠谷氨酸族（α-酮戊二酸族）
包括：谷氨酸、谷氨酰胺、精氨酸、赖氨酸和脯氨酸；
㈡丙酮酸族
包括：丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸；
㈢天冬氨酸族（早酰乙酸族）
包括：天冬氨酸、天冬酰胺、苏氨酸和异亮氨酸；
㈣磷酸甘油酸族
包括：甘氨酸、丝氨酸和半胱氨酸；
㈤芳香族
包括：苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸；
另外，组氨酸的合成为单独的一条途径。
第一节
生物合成途径（天冬氨酸族）及代 谢调控机制
一、生物合成途径
天冬氨酸族氨基酸合成可以以草酰乙酸或天冬氨酸 为原料，合成苏氨酸、蛋氨酸和异亮氨酸。
天酰氨
甲硫氨酸
琥珀酰高丝氨酸 合成酶
草酰乙酸→天冬氨酸→天冬氨酸磷酸→天冬氨酸-β-半醛→高丝氨酸→苏氨酸 →异亮氨酸
方法：
①选育丙氨酸缺陷型； ②选育抗天冬氨酸结构类似物突变株； ③选育适宜的活性比突变株；
6.改变细胞膜的透过性 7.选育温度敏感突变株 8.应用细胞工程和遗传工程育种 9.防止高产菌株回复突变
G
㈡其他特殊的控制机制 1.终产物控制
催化分支合成途径共同部分的初始酶，在仅一种 氨基酸终产物过剩时，完全不受或微弱或部分地反馈抑 制（或阻遏），只是在多数终产物共存下才强烈地控制。 有以下几种情况：
①协同（或多价）反馈抑制 ②合作（或增效）反馈抑制 ③同功酶控制 ④积累反馈抑制
2.顺序控制：
E
解除代谢互锁的方法：
①选育亮氨酸缺陷型菌株，或者以抗AEC的赖氨酸的生产菌为出发菌株，经诱 变得到抗AEC兼抗亮氨酸缺陷型菌株。 ②选育抗亮氨酸结构类似物的突变株，从遗传上解除亮氨酸对DDP合成酶的阻 遏。 ③选育对苯醌或喹啉衍生物敏感菌株，这是一种寻找亮氨酸渗漏缺陷型菌株的 有效方法。
5.增加前体物的生物合成和阻塞产物的生成：
DDP合成酶 二氨基庚二酸→赖氨酸
二、天冬氨酸族生物合成的代谢调节机制
在细菌中，虽然天冬氨酸族氨基酸生物合成途径是 相同的，但是其代谢调节机制是多种多样的。 1.大肠杆菌K12
①天冬氨酸激酶 ②天冬氨酸-β-半醛脱氢酶 ③DDP合成酶（赖氨酸分支的第一个酶） ④高丝氨酸合成酶（HD）（通向苏氨酸、蛋氨酸分支的第一个酶）
2.黄色短杆菌
其赖氨酸生物合成调节机制比大肠杆菌简单，其 天冬氨酸激酶只有一种，该酶具有两个变构部位，可以 与终产物结合，当两种终产物同时过量时，该酶活性受 到抑制。P74图6-3
3.乳糖发酵短杆菌赖氨酸合成调节 P75，图6-5 三、酵母和霉菌的赖氨酸生物合成途径和调节机 制
就赖氨酸合成途径来讲，不同种类的微生物途径不 同，可以归纳为两条途径：
1.为经过二氨基庚二酸的生物合成途径，如细菌、DPA； 2.是AAA，酵母菌、霉菌经过α-氨基己二酸AAA途径合成赖 氨酸。P76图6-6
补充：“氨基酸生物合成的调节机制”
㈠反馈抑制与优先合成
氨基酸生物合成的基本调节机制有反馈抑制与在 合成途径分支点处的优先合成。 反馈抑制：A→B→C→D E D 优先合成：A→B→C F
第六章
天冬氨酸族氨基酸发酵机制
重点：天冬氨酸族氨基酸生物合成途径及代谢调
节机制；天冬氨酸族氨基酸生物合成的代谢调节机制； 酵母和霉菌的赖氨酸生物合成途径和调节机制；赖氨 酸生产菌的育种途径；
难点：天冬氨酸族氨基酸生物合成的代谢调节机
制；
氨基酸本身的合成在不同生物体中，有较大的差 异，然而许多氨基酸的合成途径在不同生物体中也有共 同之处。
A→B→C
F G
A → B → C → D
3.平衡合成
E
D
B→C
F G 4.代谢互锁
第二节
赖氨酸生产菌的育种途径
出发菌株的选择：要求代谢比较简单的细菌（如 黄色短杆菌、谷氨酸棒杆菌、乳酸发酵短杆菌等）
1.优先合成的转换：渗漏缺陷型的选育。 2.切断支路代谢：营养缺陷型的选育。 3.抗结构类似物突变株的选育（代谢调节突变）。 4.代谢互锁
按照起始物可将氨基酸的合成分成几个家族：
㈠谷氨酸族（α-酮戊二酸族）
包括：谷氨酸、谷氨酰胺、精氨酸、赖氨酸和脯氨酸；
㈡丙酮酸族
包括：丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸；
㈢天冬氨酸族（早酰乙酸族）
包括：天冬氨酸、天冬酰胺、苏氨酸和异亮氨酸；
㈣磷酸甘油酸族
包括：甘氨酸、丝氨酸和半胱氨酸；
㈤芳香族
包括：苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸；
另外，组氨酸的合成为单独的一条途径。
第一节
生物合成途径（天冬氨酸族）及代 谢调控机制
一、生物合成途径
天冬氨酸族氨基酸合成可以以草酰乙酸或天冬氨酸 为原料，合成苏氨酸、蛋氨酸和异亮氨酸。
天酰氨
甲硫氨酸
琥珀酰高丝氨酸 合成酶
草酰乙酸→天冬氨酸→天冬氨酸磷酸→天冬氨酸-β-半醛→高丝氨酸→苏氨酸 →异亮氨酸
方法：
①选育丙氨酸缺陷型； ②选育抗天冬氨酸结构类似物突变株； ③选育适宜的活性比突变株；
6.改变细胞膜的透过性 7.选育温度敏感突变株 8.应用细胞工程和遗传工程育种 9.防止高产菌株回复突变
G
㈡其他特殊的控制机制 1.终产物控制
催化分支合成途径共同部分的初始酶，在仅一种 氨基酸终产物过剩时，完全不受或微弱或部分地反馈抑 制（或阻遏），只是在多数终产物共存下才强烈地控制。 有以下几种情况：
①协同（或多价）反馈抑制 ②合作（或增效）反馈抑制 ③同功酶控制 ④积累反馈抑制
2.顺序控制：
E
解除代谢互锁的方法：
①选育亮氨酸缺陷型菌株，或者以抗AEC的赖氨酸的生产菌为出发菌株，经诱 变得到抗AEC兼抗亮氨酸缺陷型菌株。 ②选育抗亮氨酸结构类似物的突变株，从遗传上解除亮氨酸对DDP合成酶的阻 遏。 ③选育对苯醌或喹啉衍生物敏感菌株，这是一种寻找亮氨酸渗漏缺陷型菌株的 有效方法。
5.增加前体物的生物合成和阻塞产物的生成：
DDP合成酶 二氨基庚二酸→赖氨酸
二、天冬氨酸族生物合成的代谢调节机制
在细菌中，虽然天冬氨酸族氨基酸生物合成途径是 相同的，但是其代谢调节机制是多种多样的。 1.大肠杆菌K12
①天冬氨酸激酶 ②天冬氨酸-β-半醛脱氢酶 ③DDP合成酶（赖氨酸分支的第一个酶） ④高丝氨酸合成酶（HD）（通向苏氨酸、蛋氨酸分支的第一个酶）
2.黄色短杆菌
其赖氨酸生物合成调节机制比大肠杆菌简单，其 天冬氨酸激酶只有一种，该酶具有两个变构部位，可以 与终产物结合，当两种终产物同时过量时，该酶活性受 到抑制。P74图6-3
3.乳糖发酵短杆菌赖氨酸合成调节 P75，图6-5 三、酵母和霉菌的赖氨酸生物合成途径和调节机 制
就赖氨酸合成途径来讲，不同种类的微生物途径不 同，可以归纳为两条途径：
1.为经过二氨基庚二酸的生物合成途径，如细菌、DPA； 2.是AAA，酵母菌、霉菌经过α-氨基己二酸AAA途径合成赖 氨酸。P76图6-6
补充：“氨基酸生物合成的调节机制”
㈠反馈抑制与优先合成
氨基酸生物合成的基本调节机制有反馈抑制与在 合成途径分支点处的优先合成。 反馈抑制：A→B→C→D E D 优先合成：A→B→C F
第六章
天冬氨酸族氨基酸发酵机制
重点：天冬氨酸族氨基酸生物合成途径及代谢调
节机制；天冬氨酸族氨基酸生物合成的代谢调节机制； 酵母和霉菌的赖氨酸生物合成途径和调节机制；赖氨 酸生产菌的育种途径；
难点：天冬氨酸族氨基酸生物合成的代谢调节机
制；
氨基酸本身的合成在不同生物体中，有较大的差 异，然而许多氨基酸的合成途径在不同生物体中也有共 同之处。