第二章-谷氨酸发酵机制

(1)菌体生长期 由于三羧酸循环的缺陷——α-酮戊二酸氧化能 力微弱，为了获得能量和产生生物合成反应所需的中间产物， 需走乙醛酸循环途径。乙醛酸循环中关键酶是异柠檬酸裂解 酶和苹果酸合成酶。 乙醛酸循环产生的琥珀酸、苹果酸仍可返回三羧酸循环， 可看作TCA的支路和中间产物的补给途径。 (2) 谷氨酸生成期 封闭乙醛酸循环。 这就说明在谷氨酸发酵中，菌体生长期的最适条件和谷氨酸 生成积累期的最适条件是不一样的。
第三节 谷氨酸发酵中细胞膜渗透性的控制
一、细胞膜的结构
谷氨酸发酵的关键在于发酵培养期间谷氨酸产生菌细胞 膜结构和功能上的特异性变化。
二、控制细胞膜渗透性的方法
根据细胞膜的结构特征，控制细胞膜通透性的 方法主要有两种类型： 一类是通过控制磷脂的合成来控制细胞膜通透性； 一类是通过控制细胞壁的合成间接控制细胞膜通 透性。
三、氮代谢的调节
• 控制谷氨酸发酵的关键之一就是降低蛋白质的合 成能力，使合成的谷氨酸不去转化成其他氨基酸 和合成蛋白质。生物素亚适量时，几乎没有异柠 檬酸裂解酶活力，琥珀酸氧化力弱，苹果酸和草 酰乙酸脱羧反应停止，完全氧化降低，ATP量减 少，蛋白质合成停滞，在铵离子适量存在时，菌 体积累谷氨酸。 • 生物素充足时，蛋白质合成增强，谷氨酸减少， 谷氨酸通过转氨作用生成其他蛋白质。
生物素对糖代谢的调节与能荷的调节是不同的，能 荷是对糖代谢流的调节，而生物素能够促进糖的 EMP途径、HMP途径、TCA循环。 在糖代谢中，生物素能催化脱羧和羧化反应。糖代 谢中依赖生物素的特异反应有：丙酮酸转化成草酰乙 酸；苹果酸转化为丙酮酸；琥珀酸与丙酮酸的互变； 草酰琥珀酸转化为a-酮戊二酸。
第二章
谷氨酸发酵机制
第一节 谷氨酸的生物合成途径
第二节 谷氨酸生物合成的调节机制
第三节 谷氨酸发酵过程中细胞膜渗透性 的控制
第一节 谷氨酸的生物合成途径
糖酵解作用（EMP途径） 戊糖磷酸途径（HMP途径） 三羧酸循环（TCA循环） 乙醛酸循环（DCA循环） 丙酮酸羧化支路（CO2固定反应） a-酮戊二酸的还原氨基化反应 这6条途径之间 是相互联系和相 互制约的。
第二节 谷氨酸生物合成的调节机制
一、优先合成与反馈调节
黄色短杆菌中谷氨酸的代谢调节机制
• 1.优先合成 柠檬酸、谷氨酸
• 2.磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶的调节
• 3.柠檬酸合成酶的调节
• 4.异柠檬酸脱氢酶的调节
• 5. a-酮戊二酸脱氢酶的调节
• 6.谷氨酸脱氢酶的调节
反馈抑制和反馈阻遏的区别：反馈阻遏是转录水平的调节， 产生效应慢；反馈抑制是酶活性水平调节，产生效应快。
（二）控制谷氨酸合成的重要措施
1.α-酮戊二酸氧化能力微弱，即α-酮戊二酸脱氢酶活力 微弱。 2. 谷氨酸脱氢酶活性强 3. 细胞膜对谷氨酸的通透性高
方法： 生物素亚适量 添加表面活性剂、高级 饱和脂肪酸或青霉素等
选育温度敏感突变株、
油酸缺陷性、甘油缺陷性等突变株
（三）乙醛酸循环的作用
1. 控制磷脂的合成
通过控制发酵培养基中的化学成分，达到控制磷 脂合成的目的，从而控制细胞膜的生物合成，导致 形成磷脂合成不足的不完全的细胞膜，使谷氨酸产 生菌处于异常的生理状态，以解除细胞对谷氨酸向 胞外渗漏的渗透障碍。
• 2.生物素对CO2固定反应的影响
生物素是丙酮酸羧化酶的辅酶，参与CO2固定反 应，据报道，生物素大过量时（100µ g/L）， CO2 固定反应可提高30%。
• 3.生物素对乙醛酸循环的影响
乙醛酸循环的关键酶是异柠檬酸裂解酶和苹果酸 酶。异柠檬酸裂解酶受葡萄糖、琥珀酸等阻遏，受 醋酸诱导。以葡萄糖为原料发酵生产谷氨酸时，通 过控制生物素亚适量，几乎看不到异柠檬酸裂解酶 的活性。
二、糖代谢的调节
（一）能荷控制
•
能量生成代谢系的调节
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总结：
• 生物体内生物合成或其他需能反应加强时， ATP→ADP、AMP，能荷降低，激活降解，抑制 合成；
• 能荷高时， ADP、AMP → ATP，抑制糖原降解、 糖酵解、TCA，激活合成。
（二）生物素对糖代谢速率的调节
• 1.生物素对糖代谢速率的影响
• 总结：
在菌体的正常代谢中，谷氨酸比天冬氨酸优先合成，
谷氨酸合成过量时，谷氨酸抑制和阻遏谷氨酸脱氢酶的活
力、阻遏柠檬酸合成酶催化柠檬酸的合成，使代谢转向合 成天冬氨酸。天冬氨酸合成过量后，天冬氨酸抑制和阻遏 磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶的活力，停止草酰乙酸的合成。 所以，在正常情况下，谷氨酸并不积累。
一、生成谷氨酸的主要酶反应
1.谷氨酸脱氢酶(GHD)所催化的还原氨基化反应
+H2O
还原氨基化为主导性反应
2.转氨酶(AT)催化的转氨反应
3.谷氨酸合成酶(GS)催化的反应
a-酮戊二酸+谷氨酰胺
2谷氨酸
二、 谷氨酸生物合成的理想途径
由1mol葡萄糖发酵可以生成1mol谷氨酸，理论糖酸 转化率为81.7% 。
(3) 糖酸转化率 按理想途径进行发酵，即四碳二羧酸100%通过 CO2固定反应供给，理论糖酸转化率为81.7%。
如果CO2固定反应完全不起作用，通过乙醛酸循环供给四碳 二羧酸，理论糖酸转化率为54.4%。 3C6H12O6 2C5H9O4N
实际生产中，因发酵条件控制、菌体形成、微量副产物、生物 合成消耗的能量等，消耗一部分糖，实际糖酸转化率处于 54.4%和81.7%之间。
三、 谷氨酸发酵的代谢途径
（一）谷氨酸发 酵的代谢途径
EMP途径
HMP途径
TCA循环
DCA循环
CO2固定反应
磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶
（1）葡萄糖首先经EMP和HMP两个途径生成丙酮酸。生长 期：HMP 占38%，产酸期： HMP约占26%。 （2）生成的丙酮酸，一部分在丙酮酸脱氢酶系的作用下 氧化脱羧生成乙酰辅酶A，另一部分经CO2固定反应生成 草酰乙酸或苹果酸，催化CO2固定反应的酶有丙酮酸羧化 酶、苹果酸酶和磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶。 （3）草酰乙酸与乙酰辅酶A在柠檬酸合成酶催化作用下， 缩合成柠檬酸，进入三羧酸循环，柠檬酸在顺乌头酸酶的 作用下生成异柠檬酸，异柠檬酸再在异柠檬酸脱氢酶的作 用下生成a-酮戊二酸。 （4）a-酮戊二酸在谷氨酸脱氢酶作用下经还原氨基化反应 生成谷氨酸。此代谢途径至少有16步酶促反应。