柠檬酸和谷氨酸的合成

2. 根据EMP途径和TCA循环，解释柠檬酸生物合成原理。（10分）

答：已知生长在葡萄糖培养基上的黑曲霉存在糖酵解途径（EMP）、磷酸戊糖途径（HMP）、三羧酸循环（TCA）和乙醛酸循环的酶系。黑曲霉利用糖类产生柠檬酸的生物合成途径如下：葡萄糖经EMP或HMP降解，代谢成两分子丙酮酸；一分子丙酮酸氧化脱羧生成乙酰辅酶A，另固定羧化成草酰乙酸；然后草酰乙酸和乙酰辅酶A缩合生成柠檬酸。

一分子丙酮酸经CO

2

在黑曲霉生长期有约70%的葡萄糖经EMP途径降解；在产酸阶段则有80%的葡萄糖经HMP途径代谢。这说明在黑曲霉产柠檬酸的整个过程中葡萄糖主要经EMP途径降解。

黑曲霉中也存在三羧酸循环（TCA）和乙醛酸循环的酶系，但在产柠檬酸阶段，这两个循环均被阻断或减弱。合成柠檬酸所需的草酰乙酸只能由丙酮酸经CO2固定羧化提供。

根据上述内容，要获得高产率的柠檬酸，必须围绕EMP途径和三羧酸循环（TCA）进行代谢调控。

（1）EMP途径的代谢调控

在EMP途径中，第一个调节酶是磷酸果糖激酶（PFK），也是柠檬酸合成中控制EMP代谢流量最重要的关键酶。此酶受到柠檬酸和ATP的抑制，但NH4+、2,6-二磷酸果糖、Pi和AMP能激活此酶或消除柠檬酸和ATP的抑制作用。显然，设法消除对磷酸果糖激酶（PFK）的抑制就能确保EMP途径的畅通。

（2）丙酮酸是EMP途径的末端产物。在柠檬酸合成中，一分子丙酮酸氧化脱羧生成乙酰辅酶

固定羧化成草酰乙酸，确保这两个反应的平衡，才能获得柠檬酸高A，另一分子丙酮酸经CO

2

产。

（3）在三羧酸循环（TCA）中与柠檬酸合成关系密切的酶有：柠檬酸合成酶、顺乌头酸水合酶和异柠檬酸脱氢酶。柠檬酸合成酶的作用主要取决于底物草酰乙酸和乙酰辅酶A的浓度,不存在重要调节作用。顺乌头酸水合酶和异柠檬酸脱氢酶的作用能使柠檬酸进一步代谢而分解，已知这几类酶在pH2.0时均失活，且顺乌头酸水合酶受Fe2+的激活，因此，当环境缺乏Fe2+和柠檬酸积累后（pH下降），柠檬酸沿TCA循环代谢的通道被阻断。

（4）Mn2+对柠檬酸的合成有重要影响，因为Mn2+是催化核酸合成的酶所必需的，Mn2+不足将影响某些蛋白质、核酸的合成，使NH4+浓度上升，激活PFK酶或消除柠檬酸和ATP的抑制作用，使EMP代谢流畅通，故Mn2+要以亚适量存在。

固定的适当比例是提高收率的关键？

2.为什么说在谷氨酸的合成中，糖的分解代谢途径与CO

2

（12分）

答：谷氨酸的合成途径如下：葡萄糖由酵解途径（EMP途径）和单磷酸己糖途径（HMP途径）代谢生成两分子丙酮酸，其中一分子丙酮酸固定CO

生成草酰乙酸，另一分子丙酮酸脱羧生成

2

乙酰辅酶A，两者缩合成柠檬酸。柠檬酸进入三羧酸循环（TCA环）得到α-酮戊二酸。由于α-酮戊二酸继续进行的氧化代谢途径停滞，以及异柠檬酸脱氢酶和谷氨酸脱氢酶的有效配合，使α-酮戊二酸还原氨化作用高效率地进行，进而生成谷氨酸。

生成草酰乙酸和丙酮酸脱羧生成乙酰辅酶A应保持适当比在上述过程中，丙酮酸固定CO

2

反应充分进行时，由葡萄糖生成谷氨酸的收例，才能保证谷氨酸的高收率。若丙酮酸固定CO

2

的固定，则丙酮酸全部氧化脱羧生成乙酰辅酶A，经由乙醛酸环率为82%；若完全不发生CO

2

进行代谢。形成的异柠檬酸在异柠檬酸分解酶作用下分解为乙醛酸和琥珀酸，减少了α-酮戊二酸的生成量，谷氨酸的收率最多只有54%。

所以糖的分解代谢途径（EMP，HMP，TCA）与CO

固定的适当比例是提高谷氨酸收率的关

2

键。