氨基酸工艺学第二章谷氨酸发酵机制

(1)能荷的调节 能荷的调节 腺嘌呤核苷三磷酸，又叫三磷酸腺苷 腺苷三磷酸 腺苷三磷酸)， 腺嘌呤核苷三磷酸，又叫三磷酸腺苷(腺苷三磷酸 ， 简称为ATP。 简称为 。 其结构简式是：A—P～ 结构简式是： ～ P～P，其相邻的两个磷 ～ ， 酸基之间的化学键非常活 跃，水解时可释放约 30.54kJ/mol的能量， 的能量， 的能量 因此称为高能磷酸键。 因此称为高能磷酸键。
一、谷氨酸生物合成途径
生物体内合成谷氨酸的前体物质是a-酮戊二酸 酮戊二酸， 生物体内合成谷氨酸的前体物质是 酮戊二酸， 是三羧酸循环(TCA循环 的中间产物，由糖质原料 循环)的中间产物 是三羧酸循环 循环 的中间产物， 糖酵解途径(EMP途径 、 途径)、 生物合成谷氨酸的途径包括糖酵解途径 生物合成谷氨酸的途径包括糖酵解途径 途径 三羧酸循环、乙醛酸循环、 的固定反应(伍德一 三羧酸循环、乙醛酸循环、CO2的固定反应 伍德一 的固定反应 沃克曼反应)等 沃克曼反应 等。
肌肉中的葡萄糖代谢情况
3.三羧酸循环（TCA循环） 三羧酸循环（ 循环） 三羧酸循环 循环
丙酮酸
+CO2
乙酰CoA 乙酰
草酰乙酸 柠檬酸 苹果酸 顺乌头酸 延胡索酸 乙醛酸 异柠檬酸 琥珀酸 α-酮戊二酸
α-酮戊二酸脱氢酶 酮戊二酸脱氢酶 NH4 异柠檬酸脱氢酶 乙醛酸循环中的两个关键 乙醛酸循环中的两个关键 异柠檬酸裂解酶和 酶——异柠檬酸裂解酶和 异柠檬酸裂解酶 苹果酸合成酶。 苹果酸合成酶。
糖代谢可分为分解与合成两方面。 糖代谢可分为分解与合成两方面。 分解 两方面 糖分解代谢包括酵解与三羧酸循环； 提供能量） 糖分解代谢包括酵解与三羧酸循环；（提供能量） 包括酵解与三羧酸循环 合成代谢包括糖的异生、糖原与结构多糖的合成 合成代谢包括糖的异生、 包括糖的异生 中间代谢还有磷酸戊糖途径、糖醛酸途径等。 等，中间代谢还有磷酸戊糖途径、糖醛酸途径等。 消耗能量） （消耗能量）
当生物体内生物合成或其它需能反应加强时， 当生物体内生物合成或其它需能反应加强时，细 胞内ATP分解生成 分解生成ADP或AMP，ATP减少，能荷降低， 减少， 胞内 分解生成 或 ， 减少 能荷降低， 就会激活某些催化糖类分解的酶(糖原磷酸化酶 激活某些催化糖类分解的酶 糖原磷酸化酶、 就会激活某些催化糖类分解的酶 糖原磷酸化酶、磷酸 果糖激酶、柠檬酸合成酶、异柠檬酸脱氢酶等)或解除 果糖激酶、柠檬酸合成酶、异柠檬酸脱氢酶等 或解除 ATP对这些酶的抑制，并抑制合成糖原的酶 对这些酶的抑制， 对这些酶的抑制 并抑制合成糖原的酶(NN合成 合成 果糖-1， ～二磷酸酯酶等)，从而加速酵解、 酶、果糖 ，6～二磷酸酯酶等 ，从而加速酵解、 TCA循环产生能量，通过氧化磷酸化作用生成 循环产生能量， 循环产生能量 通过氧化磷酸化作用生成ATP。 。
3mol葡萄糖可以生成 葡萄糖可以生成2mol的谷氨酸，谷氨 的谷氨酸， 葡萄糖可以生成 的谷氨酸 酸对葡萄糖的质量理论转化率 质量理论转化率为 酸对葡萄糖的质量理论转化率为：
(3)实际转化率：处于二者之间，即54.4%～ 实际转化率：处于二者之间， 实际转化率 ～ 81.7%。 。 CO2固定反应、乙醛酸循环的比率等对转化率影 固定反应、 响较大。 响较大。 乙醛酸循环活性越高，谷氨酸越不易生成与积累。 乙醛酸循环活性越高，谷氨酸越不易生成与积累。
谷氨酸 胞内） （胞内）
转移到胞外 转移到胞外
（二）谷氨酸合成的理想途径
生物素充足菌EMP所占比例约为 ％； 所占比例约为62％； 生物素充足菌 所占比例约为 在发酵产酸期 所占比例更大， 在发酵产酸期，EMP所占比例更大，约为 ％。 产酸 所占比例更大 约为74％。
（三）由葡萄糖生物合成谷氨酸的代谢途径
糖酵解主要受三个酶调节：磷酸果糖激酶、己糖激酶、 糖酵解主要受三个酶调节：磷酸果糖激酶、己糖激酶、 主要受三个酶调节 丙酮酸激酶，其中磷酸果糖激酶是限速酶， 磷酸果糖激酶是限速酶 丙酮酸激酶，其中磷酸果糖激酶是限速酶，己糖激酶控制 酵解的入口，丙酮酸激酶控制出口；三羧酸循环的调控由 酵解的入口，丙酮酸激酶控制出口；三羧酸循环的调控由 三个酶调控， 柠檬酸合成酶、异柠檬酸脱氢酶和 酮戊 三个酶调控，即柠檬酸合成酶、异柠檬酸脱氢酶和ā-酮戊 二酸脱氢酶。两者都与能荷的控制调节相关。 二酸脱氢酶。两者都与能荷的控制调节相关。
6-磷酸葡萄糖 6-磷酸葡萄糖酸 磷酸葡萄糖 磷酸葡萄糖酸
EMP途径 HMP途径
3-磷酸甘油醛 磷酸甘油醛
5-磷酸核酮糖 磷酸核酮糖
丙酮酸
2.戊糖磷酸途径（HMP途径） 戊糖磷酸途径（ 途径） 戊糖磷酸途径 途径 可以生成酵解途径的中间产物6-磷酸果糖和 可以生成酵解途径的中间产物 磷酸果糖和 磷酸果糖 3-磷酸甘油醛。 磷酸甘油醛。 磷酸甘油醛
4. 在菌体生长期之后，进入谷氨酸生成期，封闭 在菌体生长期之后，进入谷氨酸生成期 谷氨酸生成期， 乙醛酸循环，积累α 酮戊二酸， 乙醛酸循环，积累α-酮戊二酸，就能够大量生 积累谷氨酸。 成、积累谷氨酸。 因此在谷氨酸发酵中， 因此在谷氨酸发酵中，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。 件和谷氨酸生成积累期的最适条件是不一样的。
7.醋酸或正石蜡原料发酵谷氨酸的推测途径 醋酸或正石蜡原料发酵谷氨酸的推测途径 醋酸 在醋酸发酵谷氨酸或石油发酵谷氨酸时， 在醋酸发酵谷氨酸或石油发酵谷氨酸时，却只能 经乙醛酸循环供给四碳二羧酸， 经乙醛酸循环供给四碳二羧酸，四碳二羧酸经草酰 乙酸又转化为柠檬酸。 乙酸又转化为柠檬酸。
二、谷氨酸生物合成的代谢调节机制
能荷逐渐升高时，即细胞内的能量水平逐渐升高， 能荷逐渐升高时，即细胞内的能量水平逐渐升高， 这一过程中AMP、ADP转变成 转变成ATP。 这一过程中 、 转变成 。 ATP的增加会抑制糖分解代谢，抑制如柠檬酸合 的增加会抑制糖分解代谢 的增加会抑制糖分解代谢， 成酶、异柠檬酸脱氢酶等酶的活性， 成酶、异柠檬酸脱氢酶等酶的活性，并激活糖类合 成的酶，加速糖原的合成。 成的酶，加速糖原的合成。
Atkinson提出了能荷的概念。 提出了能荷的概念。 提出了能荷的概念 认为能荷是细胞中高能磷酸状态的一种数量上的衡量， 能荷是细胞中高能磷酸状态的一种数量上的衡量 认为能荷是细胞中高能磷酸状态的一种数量上的衡量， 能荷大小可以说明生物体中ATP—ADP—AMP系统的 能荷大小可以说明生物体中 系统的 能量状态。能荷的大小决定于ATP和ADP的多少。 的多少。 能量状态。能荷的大小决定于 和 的多少 能荷调节是通过ATP、ADP和AMP分子对某些酶 、 能荷调节是通过 和 分子对某些酶 分子进行变构调节来实现的。 分子进行变构调节来实现的。
第二章
谷氨酸发酵Βιβλιοθήκη Baidu制
第一节 谷氨酸发酵机制
1.谷氨酸的作用：谷氨酸(g1utamate，Glu， 谷氨酸的作用：谷氨酸 谷氨酸的作用 ， ， C5H9O4N)是中枢神经系统中一种最重要的兴奋性神 是中枢神经系统中一种最重要的兴奋性神 是中枢神经系统中一种最重要的 经递质，主要分布于大脑皮质、海马、 经递质，主要分布于大脑皮质、海马、小脑和纹状 学习、记忆、神经元可塑性及大脑发育等方 体，在学习、记忆、神经元可塑性及大脑发育等方 面均起重要作用。此外，谷氨酸对心肌能量代谢 心肌能量代谢和 面均起重要作用。此外，谷氨酸对心肌能量代谢和 心肌保护起着重要作用 起着重要作用。 心肌保护起着重要作用。
分解代谢： 从环境中摄取营养物质， 分解代谢： 从环境中摄取营养物质，把它们转 微生物 的代谢
化为自身物质， 化为自身物质，以此来提供能源和 小分子中间体； 小分子中间体；
合成代谢：合成代谢将分解代谢产生的能量和 合成代谢：
中间体合成氨基酸、核酸、蛋白质 中间体合成氨基酸、核酸、 等物质。 等物质。
1.谷氨酸生产菌株为缺陷型，生产过程分为菌体生 谷氨酸生产菌株为缺陷型，生产过程分为菌体生 谷氨酸生产菌株为缺陷型 长期和谷氨酸积累期。 长期和谷氨酸积累期。 2.此代谢途径至少有 步酶促反应。 此代谢途径至少有16步酶促反应。 此代谢途径至少有 步酶促反应 3.在谷氨酸发酵的菌体生长期，由于三羧酸循环中 在谷氨酸发酵的菌体生长期， 在谷氨酸发酵的菌体生长期 缺陷(丧失 丧失a-酮戊二酸脱氢酶氧化能力或氧化能力 的缺陷 丧失 酮戊二酸脱氢酶氧化能力或氧化能力 乙醛酸循环途径进行代谢 微弱)，谷氨酸产生菌采用乙醛酸循环途径进行代谢， 微弱 ，谷氨酸产生菌采用乙醛酸循环途径进行代谢， 提供四碳二羧酸及菌体合成所需的中间产物等。 提供四碳二羧酸及菌体合成所需的中间产物等。
（一）、葡萄糖的糖酵解、三羧酸循环 ）、葡萄糖的糖酵解、 葡萄糖的糖酵解 和乙醛酸循环 葡萄糖
1.糖酵解途径（EMP途径） 糖酵解途径（ 途径） 糖酵解途径 途径 将一分子葡萄糖分解成 一分子葡萄糖分解成 两分子丙酮酸,并且发生 两分子丙酮酸 并且发生 氧化(脱氢 脱氢)和生成少量 氧化 脱氢 和生成少量 ATP。 。
1mol葡萄糖可以生成1mol的谷氨酸， 1mol葡萄糖可以生成1mol的谷氨酸，谷氨酸对葡萄 葡萄糖可以生成1mol的谷氨酸 糖的质量理论转化率 质量理论转化率为 糖的质量理论转化率为：
（2）在谷氨酸生成期，若 在谷氨酸生成期， 固定反应完全不起作用 完全不起作用， CO2固定反应完全不起作用， 丙酮酸在丙酮酸脱氢酶的催 化作用下，脱氢脱羧全部氧 化作用下， 化成乙酰CoA CoA， 化成乙酰CoA，通过乙醛酸 循环供给四碳二羧酸。 循环供给四碳二羧酸。反应 如下： 如下： 3C6H12O6 乙醛酸循环： 乙醛酸循环： 4乙酰 乙酰CoA +4H2O 2琥珀酸 乙酰 琥珀酸+4CoASH 琥珀酸 6乙酰 乙酰CoA +2NH3+3O2 2谷氨酸 谷氨酸+2CO2+6H2O 乙酰 谷氨酸 6丙酮酸 丙酮酸 6乙酰 乙酰CoA 乙酰
(2)生物素对糖代谢速率的调节 生物素对糖代谢速率的调节
生物素对糖代谢的调 节与能荷的调节是不同的， 节与能荷的调节是不同的， 能荷是对糖代谢流的调节， 能荷是对糖代谢流的调节， 而生物素能够促进糖的 EMP、HMP途径、TCA 途径、 、 途径 循环。 循环。
谷氨酸产生菌大多为生物素缺陷型。 谷氨酸产生菌大多为生物素缺陷型。许多研究表 生物素缺陷型 明，生物素对从糖开始到丙酮酸为止的糖降解途径的 比例并没有显著的影响，主要作用是对糖降解速率的 比例并没有显著的影响，主要作用是对糖降解速率的 调节。 调节。
原因：碳水化合物、脂肪和蛋白质代谢中的许多反应都需要生 原因：碳水化合物、脂肪和蛋白质代谢中的许多反应都需要生 物素。 物素。 生物素的主要功能是在脱羧 羧化反应和脱氨反应中起辅酶 是在脱羧-羧化反应和脱氨反应中起 生物素的主要功能是在脱羧 羧化反应和脱氨反应中起辅酶 作用，并和碳水化合物与蛋白质的互变、 作用，并和碳水化合物与蛋白质的互变、碳水化合物以及蛋白 质向脂肪的转化有关。 质向脂肪的转化有关。 在碳水化合物代谢中，生物素酶能催化脱羧和羧化反应。 在碳水化合物代谢中，生物素酶能催化脱羧和羧化反应。 碳水化合物代谢中依赖生物素的特异反应有： 碳水化合物代谢中依赖生物素的特异反应有：丙酮酸转化生成 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α-酮戊二酸 酮戊二酸。 酰琥珀酸转化为 酮戊二酸。
5. 由葡萄糖生 物合成谷氨酸的 代谢途径
6.葡萄糖对谷氨酸的转化率 葡萄糖对谷氨酸的转化率
（1）在谷氨酸生成期，假如四碳二羧酸是100 在谷氨酸生成期，假如四碳二羧酸是100 通过C0 固定反应供给，在生长期之后， ％通过C02固定反应供给，在生长期之后，理 想的发酵按如下反应进行： 想的发酵按如下反应进行：
在工业上，通过对微生物代谢途径的控制来满足 在工业上，通过对微生物代谢途径的控制来满足 对微生物代谢途径的控制 生产的需要，提高生产效益。 生产的需要，提高生产效益。 所以，研究微生物代谢调节机制有极其重要的意义。 所以，研究微生物代谢调节机制有极其重要的意义。
1．糖代谢(EMP途径和 ．糖代谢 途径和HMP途径 的调节 途径)的调节 途径和 途径