鸟氨酸、瓜氨酸和精氨酸发酵

第十二章鸟氨酸、瓜氨酸和精氨酸发酵

L-精氨酸（L-Arginine, L-Arg）是具有胍基的碱性氨基酸，是合成蛋白质和肌酸的重要原料。精氨酸是人体和动物体的半必需氨酸，在医药和食品工业上具有广泛的用途。L-鸟氨酸（L-Ornithine, L-Orn）和L-瓜氨酸（L-Citrulline, L-Cit）是精氨酸生物合成的前体物质。L-精氨酸是生物体尿素循环中的一种重要中间代谢产物，临床上除作为复合氨基酸输液的主要成分之一外，L-精氨酸及其盐类广泛用作氨中毒性肝昏迷的解毒剂和肝功能促进剂。对病毒性肝炎疗效显著，对肠道溃疡、血栓形成、神经衰弱和男性无精病等症都有治疗效果。它也是配制营养支持用或特殊治疗用要素膳的重要原料。

第一节生物合成途径和代谢调节机制

一、鸟氨酸、瓜氨酸、精氨酸的相互转化

图12-l 鸟氨酸、瓜氨酸、精氨酸的结构

从结构（见图12-1）上看，鸟氨酸虽与谷氨酸都是五碳酸，但是鸟氨酸却是一羧基二氨基的氨基酸。如果在鸟氨酸末端氨基的氮上接上氨甲酰基，则生成瓜氨酸。瓜氨酸经过精氨琥珀酸，将瓜氨酸的酮基转换成亚氨基，则成为精氨酸。当然，精氨酸放出尿素，就转变为鸟氨酸。

因此，鸟氨酸、瓜氨酸和精氨酸的生物合成，可认为是从谷氨酸出发，逐步合成鸟氨酸、瓜氨酸和精氨酸，从而组成以精氨酸为最终产物的不分支代谢途径。但是，如果精氨酸发生分解，放出尿素，则生成鸟氨酸。这样在代谢途径上，就使所谓的终产物精氨酸与鸟氨酸相衔接，形成一个循环，即尿素循环或鸟氨酸环（图12-2）。

图12-2 尿素循环

二、生物合成途径和代谢调节机制

从谷氨酸经鸟氨酸、瓜氨酸生物合成L-精氨酸，由八个酶催化的反应组成（见图12-3），第一步和第五步反应因微生物的种类不同而不同。

谷氨

酸N-乙酰谷氨乙酰谷氨酸磷酸

乙酰谷氨酸半醛

N-乙酰鸟氨

鸟氨酸

精氨酰琥

珀

NADPH

NADP

×

酸

α-酮

瓜氨

门冬氨

×

氨基甲酰磷酸

×

×

⑴

⑶

⑸

⑹

精氨酸

反丁烯二酸

I

型大肠杆菌、枯草杆菌

×

谷氨酸N-乙酰谷氨酸N-乙酰谷氨酸磷酸

N-乙酰谷氨酸半醛

N-乙酰鸟氨酸

精氨酰琥珀酸精氨酸

×

×

×

×

⑴⑵

⑶

⑷

鸟氨酸

瓜氨酸

×

⑸

⑹

⑺⑻

×

反馈抑制×阻遏×可能存在的阻遏

II型谷氨酸产生菌、酵母菌

×

图12-3 L-精氨酸生物合成途径及调节机制

大肠杆菌、枯草杆菌等微生物由图12-3 I的途径合成L-精氨酸，称为I型途径。谷氨酸产生菌、酵母菌等微生物由图12-3 II的途径合成L-精氨酸，称为II途径。两种途径的区别在于I型途径由谷氨酸生成N-乙酰谷氨酸，由N-乙酰鸟氨酸生成鸟氨酸，分别由N-乙酰谷氨酸合成酶和N-乙酰鸟氨酸酶催化；而II型途径由谷氨酸合成N-乙酰谷氨酸，由N-乙酰鸟氨酸生成鸟氨酸，是由N-乙酰谷氨酸和乙酰鸟氨酸乙酰基转移酶共轭反应催化，即II型途径中有一个从谷氨酸到鸟氨酸的循环反应。

由于微生物合成L-精氨酸的途径不同，故其合成的调节机制也不同。具有I型合成途径的大肠杆菌等，其生物合成途径的第一个酶，即N-乙酰谷氨酸合成酶受到精氨酸的反馈抑制，其途径上催化八步反应的酶的合成都受到精氨酸的阻遏。具有II型途径的谷氨酸产生菌等，其生物合成的第二个酶，即N-乙酰谷氨酸激酶受到精氨酸的反馈抑制，其合成途径中各步酶的合成，大部分受到精氨酸的阻遏。

第二节鸟氨酸和瓜氨酸发酵

一、鸟氨酸发酵

1．由谷氨酸产生菌发酵生产鸟氨酸

S. Udaka等（1957年）把谷氨酸棒杆菌的瓜氨酸缺陷（Cit－）突变株，在限量精氨酸的培养基中培养，成功地积累了大量的鸟氨酸，其产量高达36%（对糖分子收率）。该突变株缺失鸟氨酸氨甲酰基转移酶，阻断了瓜氨酸、精氨酸的生成，这就解除了精氨酸对N-乙酰谷氨酸激酶的反馈抑制，也就使鸟氨酸氨甲酰基转移酶的底物——鸟氨酸大量积累。

Kinoshita等发现由谷氨酸棒杆菌选育精氨酸营养缺陷突变株，可高产L-鸟氨酸。当L-精氨酸亚适量时，10％葡萄糖可产L-鸟氨酸25g/L。

陈宁等以谷氨酸棒杆菌为出发菌株，经硫酸二乙酯和紫外线多次诱变，定向选育出一株鸟氨酸生产菌A 1157，其遗传标记为Arg－+D-Arg r+SG r，并能耐受高浓度糖。该菌株切断了由鸟氨酸向精氨酸的代谢途径，并解除了精氨酸对鸟氨酸合成酶系的反馈调控，从而可以大量积累鸟氨酸。

采用乳糖发酵短杆菌、柠檬酸节杆菌等的精氨酸缺陷突变株，均可在限量供给精氨酸的培养基中大量积累L-鸟氨酸（见表12-1）。

表12-1 L-鸟氨酸产生菌遗传标记及产量

菌株遗传标记底物L-鸟氨酸（g·L－1）

乳糖发酵短杆菌柠檬节杆菌

枯草杆菌

谷氨酸小球菌Arg－

Arg－

ArgHx r、TRA r

Arg－、ArgHx r

葡萄糖

葡萄糖

葡萄糖

葡萄糖

62

40

35

48

注：ArgHx—精氨酸氧肟酸，TRA—1,2,4-三唑-3-丙氨酸

2．由其它菌株的突变株生产鸟氨酸

枯草杆菌、大肠杆菌、产气气杆菌、变形杆菌（Proteus reftgeri）的精氨酸缺陷型（Arg —）菌株，在适当培养条件下，可由葡萄糖发酵生产鸟氨酸。另外，解烃棒杆菌

（Corynebacterium hydrocarbodastus）和石蜡节杆菌（Arthrobacter paraffineus）的Arg—菌株，可以在以正石蜡为主要碳源的培养基中生产鸟氨酸。

洁白链霉菌（Streptomyoes virginiae）的赖氨酸和硫胺素双重缺陷型菌株，在适当条件下，可由糖质生产10g/L的鸟氨酸。

3.发酵条件