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

Glucose

EMP

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Thr

Lys 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

Glucose

EMP

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

Glucose

EMP

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

Lys

O-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。（Met＞Thr＞Lys）（3）代谢互锁：（metabolic interlock）P75

从生物合成途径来看，似乎是受一种完全无关的终产物的控制，它只是在较高浓度下才发生，而且这种抑制（阻遏）作用是部分性的，不完全的。

在黄色短杆菌（乳糖发酵短杆菌）中，lys分支途径的初始酶二氢吡啶二羧酸合成酶（PS）受Leu的反馈阻遏。

（4）平衡合成：（balanced synthesis）

) E （Asp）

A B C

乙酰CoA)

(pyr)

底物A经分支合成途径生成两种终产物E与G，由于a酶活性远大与b，结果优先合成E，E过量后抑制a酶使代谢转向合成G，G过量后，就会拮抗或逆转E的反馈抑制作用，结果代谢流转向又合成E，如此循环。

在平衡合成机制中，由于第二个终产物的过剩逆转（拮抗）反馈控制，尽管存在着反馈控制机制，也能积累目的产物。

Asp生物合成途径与另一分支途径中间产物乙酰CoA的生成形成平衡合成。

当乙酰CoA过量合成时，能解除Asp对PEP羧化酶的反馈抑制。

（5）Asp与GA之间的调节机制：GA比Asp优先合成，当GA合成过量时，反馈抑制GHD（谷氨酸脱氢酶），使生物合成转向天冬氨酸，当Asp过量时，反馈抑制PEP羧化酶，使整个生物合成停止。

第二节赖氨酸生产菌的育种途径

一、行业简介

我国的Lys生产与国外的差距主要表现在：

（1）菌种性能的差异，国内菌种的产酸水平为：35—55g/L，转化率为：20—25%。远低于国外的生产水平。

（2）提出率较低。

（3）生产规模较小。

二、赖氨酸的生物合成机制

细菌赖氨酸发酵使用的菌种通常有两种类型，第一节已述，以黄色短杆菌为例：

PC

Thr Met

TD

野生型 Lys高产菌

三、根据第一节所述代谢特点，利用黄色短杆菌生产Lys，育种途径如下：

1、切断或减弱代谢支路

切断或减弱合成Met 、Thr的分支途径——选育营养缺陷型或渗漏突变株A、需要选用Hom L,其意义在于：

优先合成的转换： P77日本的椎尾

B、需要选用Hom-，其意义在于：

（1）解除了Hom的优先合成机制，阻断了代谢向Met、Thr的方向进行，节省了原料，可以使Asp-β-半醛这个中间代谢产物全部转入Lys的生物合成上。

（2）在培养基中限量的供给Met 、Thr（或者Hom）

使用黄色短杆菌进行赖氨酸的发酵，还可以选育具有双重标记的营养缺陷型突变株（Met- + Thr-）,其本质上和Hom- 是一样的，但单个营养缺陷型标记菌株，有时会出现生产不稳定，易发生回复突变；双重标记的营养缺陷型突变株的优点是：遗传性质稳定，恢复突变的几率少。例P78

2、解除反馈调节（—反馈阻抑）

PC AK PS

PEP Asp Asp ASA ASA Lys

1、Asp的反馈抑制

2、Lys+Thr的协同反馈抑制

3、受Leu的代谢互锁

A、AK反馈调节的解除：例 P78

尽管，从理论上讲，选育Hom- 进行赖氨酸发酵，如果在其培养基中限量供给Thr，则AK酶的活性不会受到Lys的反馈抑制，实际上Lys对AK酶的活性存在一定的抑制作用（课本，第73页，表6—1）。因此，对于黄色短杆菌的Lys发酵，仅仅选育Hom- 是不够的，但是为了高效率的转化Lys，需要解决这一问题：

是该酶（AK）脱敏（就是该酶具有抗反馈抑制或阻遏的能力），如何使其脱敏呢？可以选育结构类似物抗性突变株？（X r）

(1)S-L-半胱氨酸抗性突变株 AEC r（效果最佳，应用最广）

(2)γ-甲基赖氨酸抗性突变株 ML r

（3）L-赖氨酸氧肟酸盐抗性突变株 LysHx r