第二章谷氨酸发酵机制
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1
6
二、糖代谢的调节
1.能荷控制 能荷=
能荷高：抑制降解、酵解、TCA 能荷低：激活降解、抑制合成
抑制
激活
2.生物素对糖代谢的调节
（1）生物素对糖酵解途径的影响 生物素充足，糖酵解加速，趋向形成乳酸。
（2） 生物素对CO2固定途径的影响 生物素是羧化酶辅酶。
（3） 生物素对乙醛酸途径的影响 生物素亚适量：异柠檬酸裂解酶活力低、琥珀酸氧化能 力低。
第三节 谷氨酸发酵过程中细胞膜渗透性的控制
选择性半渗透性膜
• 控制细胞膜通透性的方法
1.控制磷脂合成 1）生物素缺陷型 生物素作为辅酶参与脂肪酸的合成，进而影响磷 脂合成。 控制关键：生物素亚适量（5-10μg/L） 乙酰CoA + HCO3- + ATP
生物素
丙二酸单酰CoA
乙酰CoA羧化酶
2）添加表面活性剂或饱和脂肪酸 吐温-60 • 作用机制：对生物素的拮抗作用。 • 控制关键：添加时间与用量， 在对数生长期的早期（4~6h），添加0.2% 3）油酸缺陷型 作用机制：阻断油酸合成。 4）甘油缺陷型 • 作用机制：丧失了α-磷酸甘油脱氢酶
理 想 途 径
C6H12O6+NH3+1.5O2 →C6H9O4N+CO2+3H2O
三、谷氨酸发酵的代谢途径
1.代谢途径
2.控制谷氨酸合成的重要措施
谷氨酸生产菌应具备的生化特点 （1）α-酮戊二酸氧化能力微弱
（2）谷氨酸脱氢酶活性强
异柠檬酸脱氢酶
谷氨酸脱氢酶与异柠檬酸 脱氢酶偶联，缺乏异柠檬 酸脱氢酶，虽有谷氨酸脱 氢酶，但不能生产L-谷氨 酸
第二章 谷氨酸发酵机制
第一节 谷氨酸的生物合成途径
主要包括EMP、HMP、TCA循环、乙醛酸循环、 CO2固定反应。
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
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)催化的合成反应
二、谷氨酸生物合成的理想途径
1.EMP途径
2.HMP途径 3.TCA 4.乙醛酸循环 5.CO2固定
Glu
ATP ADP
1.EMP途径
G-6-P F-6-P
ATP ADP
F-1,6-2P 3-磷酸 磷酸 甘油醛
磷酸二 羟丙酮
NAD+ NADH+H+
1,3-二磷酸甘油酸 二磷酸甘油酸
ADP ATP
3-磷酸甘油酸 磷酸甘油酸 2-磷酸甘油酸 磷酸甘油酸 磷酸烯醇式丙酮酸
ADP ATP
丙酮酸
2.HMP途径
生长期：HMP 38% 产酸期：HMP 26%
3.TCA
4.乙醛酸循环
乙醛酸循环与三羧酸循环 相比，可以看成是三羧酸 循环的一个支路。 参与乙醛酸循环的酶除了 异柠檬酸裂解酶和苹果酸wk.baidu.com合酶外，其余的酶都与三 羧酸循环的酶相同。
5.CO2固定
若四碳二羧酸完全通过CO2固定生成，糖酸转化率 81.7% 若四碳二羧酸完全通过乙醛酸途径生成，糖酸转 化率54.4%
三、氨代谢的调节
谷氨酸发酵关键之一：降低蛋白质的合成能力。
生物素亚适量： 异柠檬酸裂解酶活力低 琥珀酸氧化能力低 苹果酸和草酰乙酸脱羧 停滞 ATP减少
谷氨酸生产菌的育种思路
1.切断或减弱支路代谢 2.解除自身的反馈抑制 3.增加前体物的合成 4.提高细胞膜的渗透性 5.强化能量代谢 6.利用基因工程技术构建 谷氨酸工程菌株
（3）细胞膜对谷氨酸的通透性强
①生物素亚适量 ②添加表面活性剂、高级饱和脂肪酸或青霉素 ③选育温度敏感突变株、油酸缺陷型或甘油缺陷型突变株
第二节 谷氨酸生物合成的调节机制
黄色短杆菌的谷氨酸代谢调节机制
一、优先合成与反馈调节
1.优先合成：先合成酶活性大的那一分支终 产物。Glu＞Asp 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 4. 5. a-酮戊二酸脱氢酶的调节 6.谷氨酸脱氢酶的调节
吐温60
5）温度敏感型 2.控制细胞壁的合成 添加青霉素或头孢霉素
作用机制：抑制细胞壁糖肽的合成 控制关键：添加时间和添加量
青霉素
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二、糖代谢的调节
1.能荷控制 能荷=
能荷高：抑制降解、酵解、TCA 能荷低：激活降解、抑制合成
抑制
激活
2.生物素对糖代谢的调节
（1）生物素对糖酵解途径的影响 生物素充足，糖酵解加速，趋向形成乳酸。
（2） 生物素对CO2固定途径的影响 生物素是羧化酶辅酶。
（3） 生物素对乙醛酸途径的影响 生物素亚适量：异柠檬酸裂解酶活力低、琥珀酸氧化能 力低。
第三节 谷氨酸发酵过程中细胞膜渗透性的控制
选择性半渗透性膜
• 控制细胞膜通透性的方法
1.控制磷脂合成 1）生物素缺陷型 生物素作为辅酶参与脂肪酸的合成，进而影响磷 脂合成。 控制关键：生物素亚适量（5-10μg/L） 乙酰CoA + HCO3- + ATP
生物素
丙二酸单酰CoA
乙酰CoA羧化酶
2）添加表面活性剂或饱和脂肪酸 吐温-60 • 作用机制：对生物素的拮抗作用。 • 控制关键：添加时间与用量， 在对数生长期的早期（4~6h），添加0.2% 3）油酸缺陷型 作用机制：阻断油酸合成。 4）甘油缺陷型 • 作用机制：丧失了α-磷酸甘油脱氢酶
理 想 途 径
C6H12O6+NH3+1.5O2 →C6H9O4N+CO2+3H2O
三、谷氨酸发酵的代谢途径
1.代谢途径
2.控制谷氨酸合成的重要措施
谷氨酸生产菌应具备的生化特点 （1）α-酮戊二酸氧化能力微弱
（2）谷氨酸脱氢酶活性强
异柠檬酸脱氢酶
谷氨酸脱氢酶与异柠檬酸 脱氢酶偶联，缺乏异柠檬 酸脱氢酶，虽有谷氨酸脱 氢酶，但不能生产L-谷氨 酸
第二章 谷氨酸发酵机制
第一节 谷氨酸的生物合成途径
主要包括EMP、HMP、TCA循环、乙醛酸循环、 CO2固定反应。
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
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)催化的合成反应
二、谷氨酸生物合成的理想途径
1.EMP途径
2.HMP途径 3.TCA 4.乙醛酸循环 5.CO2固定
Glu
ATP ADP
1.EMP途径
G-6-P F-6-P
ATP ADP
F-1,6-2P 3-磷酸 磷酸 甘油醛
磷酸二 羟丙酮
NAD+ NADH+H+
1,3-二磷酸甘油酸 二磷酸甘油酸
ADP ATP
3-磷酸甘油酸 磷酸甘油酸 2-磷酸甘油酸 磷酸甘油酸 磷酸烯醇式丙酮酸
ADP ATP
丙酮酸
2.HMP途径
生长期：HMP 38% 产酸期：HMP 26%
3.TCA
4.乙醛酸循环
乙醛酸循环与三羧酸循环 相比，可以看成是三羧酸 循环的一个支路。 参与乙醛酸循环的酶除了 异柠檬酸裂解酶和苹果酸wk.baidu.com合酶外，其余的酶都与三 羧酸循环的酶相同。
5.CO2固定
若四碳二羧酸完全通过CO2固定生成，糖酸转化率 81.7% 若四碳二羧酸完全通过乙醛酸途径生成，糖酸转 化率54.4%
三、氨代谢的调节
谷氨酸发酵关键之一：降低蛋白质的合成能力。
生物素亚适量： 异柠檬酸裂解酶活力低 琥珀酸氧化能力低 苹果酸和草酰乙酸脱羧 停滞 ATP减少
谷氨酸生产菌的育种思路
1.切断或减弱支路代谢 2.解除自身的反馈抑制 3.增加前体物的合成 4.提高细胞膜的渗透性 5.强化能量代谢 6.利用基因工程技术构建 谷氨酸工程菌株
（3）细胞膜对谷氨酸的通透性强
①生物素亚适量 ②添加表面活性剂、高级饱和脂肪酸或青霉素 ③选育温度敏感突变株、油酸缺陷型或甘油缺陷型突变株
第二节 谷氨酸生物合成的调节机制
黄色短杆菌的谷氨酸代谢调节机制
一、优先合成与反馈调节
1.优先合成：先合成酶活性大的那一分支终 产物。Glu＞Asp 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 4. 5. a-酮戊二酸脱氢酶的调节 6.谷氨酸脱氢酶的调节
吐温60
5）温度敏感型 2.控制细胞壁的合成 添加青霉素或头孢霉素
作用机制：抑制细胞壁糖肽的合成 控制关键：添加时间和添加量
青霉素