8氨基酸发酵机制

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图8-3 氨基酸生物合成途径中的关键酶
一般情况下，与氨基酸生物合成途径分 支点有关系的分支点酶(branching 支点有关系的分支点酶(branching enzyme) 可以成为关键酶，但关键酶并不都是分支点 酶。关键酶的关键效果也只是在特定的氨基 酸生物合成过程中成立，而在其它氨基酸的 生物合成过程中则不成立。
变构酶的活性中心负责对底物的结合与 催化，变构中心可结合调节物，负责调节酶 促反应的速度。调节物也称为效应物或调节 因子。它与变构酶的变构中心结合后，诱导 出或稳定住酶分子的某种构象，使酶活性中 心对底物的结合和催化作用受到影响，从而 调节酶的反应速度及代谢过程。此效应称为 变构效应。使酶活性升高的效应物称为正效 应物或变构激活剂；相反，使酶活性降低的 效应物称为负效应物或变构抑制剂。
微生物细胞的经济性是在自然选择的过 程中逐渐形成的。微生物细胞的生命过程就 是细胞经济运行的过程。一般地说，细胞经 济性可以以生成细胞的质量与消耗底物/ 济性可以以生成细胞的质量与消耗底物/基 质的质量之比值即细胞经济系数来衡量。
微生物在生存竞争中进化的方向是发展 自身的适应能力和提高细胞运行的经济系数。 经生存竞争而幸存下来的野生型微生物在其 所处的环境中是富有竞争能力的，并且它们 的代谢流量在代谢网络中的分布及细胞经济 运行状况有利于细胞生长、繁殖和在竞争中 获胜。
这些小分子化合物存在于细胞内，由细 胞产生。通过它们调节酶反应速率以及激活 或抑制关键酶，从而有效地控制各种代谢过 程。酶活性的调节可归纳为变( 程。酶活性的调节可归纳为变(别)构效应、 共价修饰、寡聚酶的解聚与聚合、蛋白酶水 解激活等。
8.2.1 变构调节
（1）变构效应 早已发现在代谢途径中催化第一步反应 的酶大多能被最终产物所抑制，或者是代谢 途径交叉处的酶受到终产物的抑制。催化第 一步反应的酶或交叉处的酶即为变构酶( 一步反应的酶或交叉处的酶即为变构酶(也称 别构酶) 别构酶)。变构酶通过酶分子构象的变化来改 变酶的活性。变构酶多为寡聚酶，含有两个 或两个以上亚基。酶分子中除活性中心外， 还有变构中心。它们可能存在于同一个亚基 的不同部位上，也可能存在于不同亚基上。
研究发现，变构酶经特定处理后，可以 不丧失酶活性而失去对变构效应物的敏感性。 人们将变构酶经特定处理后不丧失酶活性而 失去对变构效应物的敏感性的现象称为脱敏 作用。可以通过各种方法使变构酶脱敏，例 如利用汞盐和对氯汞苯甲酸(PCMB)处理、 如利用汞盐和对氯汞苯甲酸(PCMB)处理、 0~5℃ 0~5℃低温处理以及诸如冷水、尿素或蛋白 酶处理等。
图8-1 微生物细胞中氨基酸、核苷酸的调节机制
代谢控制机制的研究已经证明，酶的 生物合成受到基因和代谢物的双重控制。 一方面，从DNA的分子水平上阐明了酶生 一方面，从DNA的分子水平上阐明了酶生 物合成的控制机制，酶的合成像普通蛋白 质的合成一样，受到结构基因的控制，由 结构基因决定形成酶分子的一级结构；另 一方面，仅仅有某种基因并不能保证可以 大量产生某种酶。
微生物体内代谢过程的各种生物化学反应都是 由各种酶来催化的。根据在代谢调节中的不同作用， 可将酶分为以下三大类： (1) 调节酶(通常称为关键酶，与代谢调节关系 调节酶( 密切) 调节酶包括以下3 密切) 调节酶包括以下3种： ① 变构酶：通过酶分子构象的变化来改变酶活 性的一类酶。 ② 同功酶：具有同一种酶的底物专一性，但分 子结构不同的一类酶。 ③ 多功能酶：能够催化两种以上不同反应的一 类酶。
另外，关键酶所受的反馈调节因菌株而 异。例如，天冬氨酸族氨基酸(Lys、Thr、 异。例如，天冬氨酸族氨基酸(Lys、Thr、 Met)生物合成途径的主导关键酶——天冬氨 Met)生物合成途径的主导关键酶——天冬氨 酸激酶在大肠杆菌中有3 酸激酶在大肠杆菌中有3种同功酶，分别受苏 氨酸、蛋氨酸和赖氨酸的反馈调节( 氨酸、蛋氨酸和赖氨酸的反馈调节(图8-3)； 而在谷氨酸棒杆菌中该酶却是单一的，不存 在同功酶，该酶受赖氨酸和苏氨酸的协同反 馈抑制。
8 氨基酸发酵机制
8.1 概述
众所周知，微生物的生命活动是由产能 与生物合成中各种代谢途径组成的代谢网络 互相协调来维持的。每一条代谢途径由一系 列特异性的酶催化反应组成，这些反应的结 果造就了一个新生的细胞。
微生物要在自然界生存与竞争，就必须 生长迅速，以便很快适应环境。为此，细胞 必须拥有适当的方法来平衡各种代谢途径的 物流。为了适应环境变化的需要，细胞能够 对其代谢机构作定量调整。
细胞中还存 在着调节基因， 能够产生一种阻 遏物。该阻遏物 与辅阻遏物( 与辅阻遏物(通常 是酶促反应的终 产物) 产物)结合时，由 于变构效应，阻 遏物结构发生改 变而使其与操纵 基因的亲和力变 大，结果使有关 的结构基因不能 转录出mRNA。 转录出mRNA。 因此，酶的合成 受到阻遏。
诱导物 也能和阻遏 物结合，使 其结构发生 改变，减少 与操纵基因 的亲和力， 使操纵基因 回复自由， 进而结构基 因进行转录， 合成mRNA， 合成mRNA， 再翻译合成 特定的酶。 图8-2 酶生物合成的活性控制
当氨基酸或核苷酸等物质进入细胞后， 微生物细胞会立即停止该物质的合成，一直 到所供应的氨基酸或核苷酸消耗到很低浓度， 微生物细胞才能重新开始进行该物质的合成。 微生物细胞中这种调节控制作用主要靠两个 因素，即参与调节的有关酶的活性和酶量( 因素，即参与调节的有关酶的活性和酶量(图 8-1)。 1)。
8.2 酶活性的调控
调节酶活性比调节酶的合成迅速、及时 而有效，这是微生物饥饿情况下的一种经济 的调节方式。可通过改变代谢途径中一个或 几个关键酶的活性影响代谢途径中各中间化 合物的流量。这种活性调节通常由一个特异 的小分子代谢物(终产物等变构效应物) 的小分子代谢物(终产物等变构效应物)与酶 的可逆性结合来进行。
若细胞经济实体的运行状态过度偏离竞 争型经济运行状态，则活细胞的高度有序的 状态将受到严重冲击，最终导致细胞经济的 崩溃。因此，从竞争型细胞经济向导向型细 胞经济的转变取决于遗传和环境因素的信息 导向，这种导向必须遵循细胞经济的基本运 行规律。
一般来讲，微生物细胞可以看作是生物 机器，它们进行能量代谢和物质代谢；同时 又可以把它们看作是信息处理器，它们复制 和传递自己的生物信息，接收细胞内外的物 理、化学甚至生物信息，并在对这些信息流 进行综合处理的基础上发出代谢调控的指令， 控制微生物细胞自身的生命活动。
(2) 静态酶 一般与代谢调节关系不大的 一类酶。 (3) 潜在酶 指酶原、非活性型或与抑制 剂结合的酶。
关键酶 (key enzyme或switching enzyme或 enzyme)是参与代谢调节的酶的总称。作为 enzyme)是参与代谢调节的酶的总称。作为 一个反应链的限速因子，对整个反应起限速 作用。这些酶常位于代谢流的枢纽之处，对 代谢流的质和量都起着制约的作用。
例如，α 例如，α-乙酰乳酸合成酶在缬氨酸生物 合成途径中起主导性的关键酶作用，但在异 亮氨酸的生物合成中，起主导性关键作用的 却是苏氨酸脱水酶。该酶位于α 却是苏氨酸脱水酶。该酶位于α-乙酰乳酸合 成酶的前一阶段，并且不是分支点酶。幻灯 成酶的前一阶段，并且不是分支点酶。幻灯 片 24
在每个氨基酸的生物合成途径中，都 有一种以上的关键酶。生物合成的途径越 长，关键酶的数目就越多。关键酶中有的 是变构酶，有的是同功酶，也有的是多功 能酶。
归纳起来， 以上内容可分为以下几类。 (1) 通过控制有关基因表达的控制机制 ① 诱导：促进酶的合成。 ② 阻遏：抑制酶的合成，包括终产物阻遏、 分解代谢物阻遏和弱化调节。
(2) 通过酶活性的控制机制 ① 终产物抑制或激活。 ② 通过辅酶水平的活性调节。 ③ 酶原的活化。 ④ 潜在酶的活化。 (3) 通过细胞膜渗透性的控制如棒杆菌、短杆 菌积累谷氨酸过程中的细胞膜渗透性变化。
如果要求微生物在细胞外即培养基中 积累某种代谢中间产物，则必须对微生物 的代谢流进行பைடு நூலகம்向。根据已获得的代谢网 络定量分析的信息，可以设计出理想的载 流途径和配套的发酵培养工艺条件，进而 改造菌种、调整工艺，将代谢主流导向理 想载流途径。
在导向成功的前提下，细胞处于异常 代谢状态，细胞经济体系呈现导向型经济 的特色。导向型细胞经济固然有利于特定 的代谢产物的生产，但竞争型细胞经济向 导向型细胞经济的转化却受到能量代谢、 还原力[NADH(P)]的平衡等严格制约，表 还原力[NADH(P)]的平衡等严格制约，表 现出代谢网络的刚性。
对代谢流影响最大的关键酶处于主导地 位，常被配备在由同一前体物出发去生物合 成多种氨基酸的关键点（key point）上。例 成多种氨基酸的关键点（key point）上。例 如，缬氨酸如，缬氨酸-异亮氨酸生物合成系的关键酶 α-乙酰乳酸合成酶或天冬氨酸族氨基酸生物 合成途径的关键酶天冬氨酸激酶等就是这样。
而在枯草芽孢杆菌中只有一种DAHP(2而在枯草芽孢杆菌中只有一种DAHP(2酮-3-脱氧-D-阿拉伯糖型庚糖酸-7-磷酸)合 脱氧- 阿拉伯糖型庚糖酸- 磷酸) 成酶，受顺序反馈抑制；在氢极毛杆菌中也 只有一种DAHP合成酶，受积累反馈抑制； 只有一种DAHP合成酶，受积累反馈抑制； 在谷氨酸棒杆菌中也是只有一种DAHP合成 在谷氨酸棒杆菌中也是只有一种DAHP合成 酶，该酶受L 苯丙氨酸和L 酶，该酶受L-苯丙氨酸和L-酪氨酸的协同反 馈抑制，L 馈抑制，L-色氨酸能增强抑制作用。当上述 3种氨基酸同时存在时，最大抑制作用接近 90%。 90%。
要想选育出某种目的产物生产菌，首先 要了解这种物质的生物合成途径、关键酶以 及关键酶受到怎样的反馈调节，再考虑如何 解除反馈调节，随之设计出正确的代谢改造 方案来。
图8-3可以看 出，参与氨基酸 生物合成的关键 酶主要有12种： 酶主要有12种： ①磷酸果糖激酶； ②柠檬酸合成酶； ③N-乙酰谷氨酸 激酶；④鸟氨酸 转氨基甲酰酶； ⑤天冬氨酸激酶； ⑥高丝氨酸脱氢 酶；⑦苏氨酸脱 水酶；⑧α 水酶；⑧α-乙酰 乳酸合成酶；⑨ DAHP合成酶； DAHP合成酶； ⑩分支酸变位酶； ⑾预苯酸脱水酶； ⑿预苯酸脱氢酶。
已经证明，微生物细胞具有高度适应 环境和繁殖的能力，细胞的各种机构能协 调地进行工作，对环境的刺激和信息作出 反应，进行自我调节。
可以说微生物活细胞是个远离平衡状态 的开放体系，从微生物细胞对能量和化学物 质的内外交换、增收节支、协调规律的客观 存在出发，可以把微生物细胞作为按特殊的 经济规律运行的经济实体看待，并且把这种 按特殊的经济规律运行的有利于生存竞争的 新陈代谢特性称作细胞经济性。
酶的生物合成还受代谢物( 酶的生物合成还受代谢物(酶反应的底 物、产物及其类似物) 物、产物及其类似物)的控制和调节。当有 诱导物存在时，酶的生成量可以几倍乃至 几百倍的数量增加。相反，某些酶促反应 的产物，特别是终产物，又能产生阻遏作 用，使酶的合成量大大减少。
按照Monod等提出的操纵子学说，操 按照Monod等提出的操纵子学说，操 纵子由细胞中的调节基因、启动基因、操 纵基因和邻近的几个结构基因所组成。结 构基因能转录遗传信息，合成相应的信使 RNA(mRNA)，进而再翻译合成特定的酶。 RNA(mRNA)，进而再翻译合成特定的酶。 操纵基因能够控制结构基因作用的发挥。
研究证明，在每个微生物细胞的遗传物 质中存在着限制性的生死攸关的遗传信息。 它们规定微生物细胞生命活动的基本的代谢 网络及其调节机制。
这些遗传信息是微生物细胞能够自主生 活和独立存在的依据，也是微生物对环境适 应的局限性，以及设计育种的计划往往不能 完全兑现的内在原因。因此，在一般情况下， 微生物细胞只合成本身需要的中间代谢产物， 严格防止氨基酸、核苷酸等中间代谢物质的 大量积累。
芳香族氨基酸(Phe、Tyr、Trp)生物合 芳香族氨基酸(Phe、Tyr、Trp)生物合 成途径的主导关键酶DAHP(2成途径的主导关键酶DAHP(2-酮-3-脱氧-D脱氧阿拉伯糖型庚糖酸- 磷酸) 阿拉伯糖型庚糖酸-7-磷酸)合成酶在大肠杆 菌中也是有3 菌中也是有3种同功酶，分别受酪氨酸、苯 丙氨酸和色氨酸的反馈调节；