氨基酸发酵机制及过程

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ADP或AMP，ATP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、磷酸 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(NN合成
酶、果糖-1，6～二磷酸酯酶等)，从而加速酵解、 TCA循环产生能量，通过氧化磷酸化作用生成ATP。
(1)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)， 简称为ATP。
其结构简式是：A—P～ 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， 因此称为高能磷酸键。
Atkinson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， 能荷大小可以说明生物体中ATP—ADP—AMP系统的 能量状态。能荷的大小决定于ATP和ADP的多少。
谷氨酸发酵机制
第一节 谷氨酸发酵机制
1.谷氨酸的作用：谷氨酸(g1utamate，Glu， C5H9O4N)是中枢神经系统中一种最重要的兴奋性神 经递质，主要分布于大脑皮质、海马、小脑和纹状 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和 心肌保护起着重要作用。
能荷调节是通过ATP、ADP和AMP分子对某些酶 分子进行变构调节来实现的。
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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ATP。
ATP的增加会抑制糖分解代谢，抑制如柠檬酸合 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。
糖酵解主要受三个酶调节：磷酸果糖激酶、己糖激酶、 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 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。
1mol葡萄糖可以生成1mol的谷氨酸，谷氨酸对葡萄 糖的质量理论转化率为：
（2）在谷氨酸生成期，若 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 化成乙酰CoA，通过乙醛酸 循环供给四碳二羧酸。反应 如下：
3C6H12O6
6丙酮酸
6乙酰CoA
乙醛酸循环：
4乙酰CoA +4H2O 2琥珀酸+4CoASH
6乙酰CoA +2NH3+23谷O氨2 酸+2CO2+6H2O
3mol葡萄糖可以生成2mol的谷氨酸，谷氨 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%～ 81.7%。 CO2固定反应、乙醛酸循环的比率等对转化率影 响较大。 乙醛酸循环活性越高，谷氨酸越不易生成与积累。
中间体合成氨基酸、核酸、蛋白质 等物质。
在工业上，通过对微生物代谢途径的控制来满足 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。
1．糖代谢(EMP途径和HMP途径)的调节
糖代谢可分为分解与合成两方面。 糖分解代谢包括酵解与三羧酸循环；（提供能量）
合成代谢包括糖的异生、糖原与结构多糖的合成 等，中间代谢还有磷酸戊糖途径、糖醛酸途径等。 （消耗能量）
将一分子葡萄糖分解成 EMP途径 两分子丙酮酸,并且发生 3-磷酸甘油醛
HMP途径
5-磷酸核酮糖
氧化(脱氢)和生成少量
ATP。
丙酮酸
2.戊糖磷酸途径（HMP途径）
可以生成酵解途径的中间产物6-磷酸果糖和 3-磷酸甘油醛。
肌肉中的葡萄糖代谢情况
3.三羧酸循环（TCA循环）
苹果酸
丙酮酸
+CO2
草酰乙酸
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。
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、碳水化合物以及蛋白 质向脂肪的转化有关。
4. 在菌体生长期之后，进入谷氨酸生成期，封闭 乙醛酸循环，积累α-酮戊二酸，就能够大量生 成、积累谷氨酸。
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。
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
（1）在谷氨酸生成期，假如四碳二羧酸是100 ％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：
（三）由葡萄糖生物合成谷氨酸的代谢途径
1.谷氨酸生产菌株为缺陷型，生产过程分为菌体生 长期和谷氨酸积累期。
2.此代谢途径至少有16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 的缺陷(丧失a-酮戊二酸脱氢酶氧化能力或氧化能力 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。
(2)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， 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 循环。
谷氨酸产生菌大多为生物素缺陷型。许多研究表 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 调节。
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， 是三羧酸循环(TCA循环)的中间产物，由糖质原料 生物合成谷氨酸的途径包括糖酵解途径(EMP途径)、 三羧酸循环、乙醛酸循环、CO2的固定反应(伍德一 沃克曼反应)等。
（一）、葡萄糖的糖酵解、三羧酸循环
和乙醛酸循环
葡萄糖
1.糖酵解途径（EMP途径） 6-磷酸葡萄糖 6-磷酸葡萄糖酸
7.醋酸或正石蜡原料发酵谷氨酸的推测途径
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，四碳二羧酸经草酰 乙酸又转化为柠檬酸。
二、谷氨酸生物合成的代谢调节机制
微生物 的代谢
分解代谢：从环境中摄取营养物质，把它们转
化为自身物质，以此来提供能源和 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
乙酰CoA 柠檬酸
延胡索酸 乙醛酸
顺乌头酸
乙醛酸循环中的两个关键 酶——异柠檬酸裂解酶和 苹果酸合成酶。
琥珀酸
α-酮戊二酸脱氢酶
异柠檬酸
异柠檬酸脱氢酶
α-酮戊二酸
NH4
谷氨酸 （胞内）
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62％； 在发酵产酸期，EMP所占比例更大，约为74％。