天冬氨酸族氨基酸发酵机制---赖氨酸(补充材料) 共31页
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够的要求营养物 培养时添加抗生素，抑制恢复突变株的生长，
达到分纯的目的。
第三节 苏氨酸、蛋氨酸、高丝氨酸和天冬氨 酸的育种途径
一、苏 氨酸的 育种途 径
苏氨酸高产菌株应具备的生化特征
DDP合成酶活力极弱或欠缺 琥珀酰高丝氨酸合成酶酶活力极弱或欠缺 苏氨酸脱氨酶酶活力极弱或欠缺 CO2固定能力强 天冬氨酸合成能力强 天冬氨酸激酶活力强，对苏氨酸和赖氨酸的协
第二节 赖氨酸生产菌的育种途径
出发菌株的选择：要求代谢比较简单的细 菌（如黄色短杆菌、谷氨酸棒杆菌、乳酸发酵 短杆菌等）
1.优先合成的转换：渗漏缺陷型的选育。 降低高丝氨酸脱氢酶活性，使代谢流转向优 先合成赖氨酸。 高丝氨酸脱氢酶渗漏缺陷型。
2.切断支路代谢：营养缺陷型的选育。
黄色短杆菌、谷氨酸棒杆菌，对天冬 氨酸激酶的反馈抑制是赖氨酸+苏氨酸的协 同作用，通过诱变使高丝氨酸脱氢酶缺失， 切断通向苏氨酸、蛋氨酸的代谢流，控制 高丝氨酸（或苏氨酸+蛋氨酸）量，降低苏 氨酸浓度，解除协同反馈作用，过量积累 赖氨酸。
第八章 天冬氨酸族氨 基酸发酵机制
第一节 生物合成途径（天冬氨酸族） 及代谢调控机制
一、生物合成途径
天冬氨酸族氨基酸合成可以以草酰乙酸 或天冬氨酸为原料，合成苏氨酸、异亮氨酸、 蛋氨酸和赖氨酸。
葡萄糖 EMP
丙酮酸
CO2 固定、氧化
氨基化反应
草酰乙酸
天冬氨酸激酶
天冬氨酸β-半醛脱氢酶
天冬氨酸
天冬氨酸β-半醛
二氢吡啶二羧酸（DDP）合成酶
赖氨酸
高丝氨酸脱氢酶
高丝氨酸
琥珀酰高丝氨
酸合成酶
蛋氨酸
苏氨酸脱氨酶
高丝氨酸激酶
苏氨酸
异亮氨酸
二、天冬氨酸族生物合成的代谢调节机制 在细菌中，虽然天冬氨酸族氨基酸生
物合成途径是相同的，但是其代谢调节机 制是多种多样的。
1.大肠杆菌K12
①天冬氨酸激酶（ AK）
AKⅠ:受苏氨酸、异亮氨酸的多价抑制和阻遏 天冬氨酸激酶 AKⅡ：受蛋氨酸专一性抑制和阻遏
3.乳糖发酵短杆菌赖氨酸合成调节 P75，图65
1）存在代谢优先向苏氨酸和蛋氨酸方向进行。 2）与黄色短杆菌区别： AK受赖氨酸+苏氨酸的反馈抑制 存在代谢互锁，DDP合成酶的合成受亮氨酸阻
遏。DDP还原酶受半胱氨酸和丙氨酸抑制。
三、酵母和霉菌的赖氨酸生物合成途径和 调节机制
所谓同型TCA循环途径进行，但生物合 成酶与TCA循环酶完全两样。
反馈抑制不敏感 高丝氨酸脱氢酶活力强，苏氨酸和异亮氨酸的反
馈调节不敏感、不受蛋氨酸反馈调节。
四、天冬氨酸的育种途径
高产天冬氨酸菌株应有的生化特征
天冬氨酸激酶丧失 丙酮酸氨基化酶丧失 CO2固Biblioteka Baidu酶系丙酮酸氧化脱羧要强 草酰乙酸氨基化反应强。
AKⅢ：受赖氨酸专一性抑制和阻遏
②天冬氨酸-β-半醛脱氢酶 专一性的受赖氨酸不完全的抑制
③二氢吡啶二羧酸（DDP）合成酶（赖氨酸分 支的第一个酶）
DDP合成酶受赖氨酸反馈抑制。 二氨基庚二酸（DAP）脱羧酶受赖氨酸阻遏
④高丝氨酸脱氢酶（HD）（通向苏氨酸、蛋氨 酸分支的第一个酶） HD HDⅠ：受苏氨酸反馈抑制 HDⅡ：受蛋氨酸阻遏
3.抗结构类似物突变株的选育（代谢调节突变）。
优点：突变株遗传性地解除了终产物对自身合成 途径的酶的调节控制，不受培养基中所要求物 质浓度的影响，生产较稳定。
通过诱变使天冬氨酸激酶编码的结构基因 发生突变，对赖氨酸及结构类似物不敏感，即 使有过量苏氨酸存在，该酶也不与赖氨酸或结 构类似物结合，但酶活性中心不变。
天冬氨酸系分枝代谢途径中，末端产物 种类多，调节机制复杂，为高效率生产 赖氨酸，可以采取顺次解除各种调节机 制的诱变育种，获得多重标记的突变株。
8.应用细胞工程和遗传工程育种 9.防止高产菌株回复突变 选育遗传性稳定的菌株 定向赋加生产菌多个遗传标记 菌种培养和保藏时，培养基要丰富，尤其有足
4.解除代谢互锁
①选育亮氨酸缺陷型菌株，或者以抗AEC的赖 氨酸的生产菌为出发菌株，经诱变得到抗 AEC兼抗亮氨酸缺陷型菌株。
②选育抗亮氨酸结构类似物的突变株，从遗 传上解除亮氨酸对DDP合成酶的阻遏。
③选育对苯醌或喹啉衍生物敏感菌株，这是 一种寻找亮氨酸渗漏缺陷型菌株的有效方法。
5.增加前体物的生物合成和阻塞产物的生成：
⑤苏氨酸脱氨酶（异亮氨酸合成途径的酶） 受异亮氨酸的反馈抑制和阻遏
2.黄色短杆菌
其赖氨酸生物合成调节机制比大肠杆 菌简单，其天冬氨酸激酶只有一种，该酶具 有两个变构部位，可以与终产物结合，当只 有一种终产物（赖氨酸或苏氨酸）与酶结合， 酶活性不受影响。当两种终产物（赖氨酸和 苏氨酸）同时过量时，与酶的两个变构部位 结合，该酶活性受到抑制，这种终产物的反 馈抑制称为协同反馈抑制。P74图6-3
反馈抑制不敏感 高丝氨酸脱氢酶活力强，不受苏氨酸和蛋氨酸反
馈调节。
三、蛋氨酸育种途径
高产蛋氨酸应具备的生化特性
DDP合成酶活力极弱或欠缺 S-腺苷蛋氨酸酶活力极弱或欠缺 高丝氨酸激酶欠缺 CO2固定能力强 天冬氨酸合成能力强 天冬氨酸激酶活力强，对苏氨酸和赖氨酸的协同
同反馈抑制不敏感 高丝氨酸脱氢酶活力强，不受苏氨酸反馈调节。
二、高丝氨酸菌种的选育途径
高产高丝氨酸菌株应具备的生化特征
DDP合成酶活力极弱或欠缺 琥珀酰高丝氨酸合成酶酶活力极弱或欠缺 高丝氨酸激酶欠缺 CO2固定能力强 天冬氨酸合成能力强 天冬氨酸激酶活力强，对苏氨酸和赖氨酸的协同
方法：
①选育丙氨酸缺陷型；
②选育抗天冬氨酸结构类似物突变株；
③选育适宜的CO2固定酶/TCA循环酶活性比突变株； 1.通过TCA循环
葡萄糖→丙酮酸→草酰乙酸→天冬氨酸
赖氨酸
2.通过磷酸烯醇式丙酮酸羧化反应
葡萄糖→磷酸烯醇式丙酮酸→草酰乙酸→天冬氨酸
丙酮酸
赖氨酸
6.改变细胞膜的透过性
7.选育温度敏感突变株
达到分纯的目的。
第三节 苏氨酸、蛋氨酸、高丝氨酸和天冬氨 酸的育种途径
一、苏 氨酸的 育种途 径
苏氨酸高产菌株应具备的生化特征
DDP合成酶活力极弱或欠缺 琥珀酰高丝氨酸合成酶酶活力极弱或欠缺 苏氨酸脱氨酶酶活力极弱或欠缺 CO2固定能力强 天冬氨酸合成能力强 天冬氨酸激酶活力强，对苏氨酸和赖氨酸的协
第二节 赖氨酸生产菌的育种途径
出发菌株的选择：要求代谢比较简单的细 菌（如黄色短杆菌、谷氨酸棒杆菌、乳酸发酵 短杆菌等）
1.优先合成的转换：渗漏缺陷型的选育。 降低高丝氨酸脱氢酶活性，使代谢流转向优 先合成赖氨酸。 高丝氨酸脱氢酶渗漏缺陷型。
2.切断支路代谢：营养缺陷型的选育。
黄色短杆菌、谷氨酸棒杆菌，对天冬 氨酸激酶的反馈抑制是赖氨酸+苏氨酸的协 同作用，通过诱变使高丝氨酸脱氢酶缺失， 切断通向苏氨酸、蛋氨酸的代谢流，控制 高丝氨酸（或苏氨酸+蛋氨酸）量，降低苏 氨酸浓度，解除协同反馈作用，过量积累 赖氨酸。
第八章 天冬氨酸族氨 基酸发酵机制
第一节 生物合成途径（天冬氨酸族） 及代谢调控机制
一、生物合成途径
天冬氨酸族氨基酸合成可以以草酰乙酸 或天冬氨酸为原料，合成苏氨酸、异亮氨酸、 蛋氨酸和赖氨酸。
葡萄糖 EMP
丙酮酸
CO2 固定、氧化
氨基化反应
草酰乙酸
天冬氨酸激酶
天冬氨酸β-半醛脱氢酶
天冬氨酸
天冬氨酸β-半醛
二氢吡啶二羧酸（DDP）合成酶
赖氨酸
高丝氨酸脱氢酶
高丝氨酸
琥珀酰高丝氨
酸合成酶
蛋氨酸
苏氨酸脱氨酶
高丝氨酸激酶
苏氨酸
异亮氨酸
二、天冬氨酸族生物合成的代谢调节机制 在细菌中，虽然天冬氨酸族氨基酸生
物合成途径是相同的，但是其代谢调节机 制是多种多样的。
1.大肠杆菌K12
①天冬氨酸激酶（ AK）
AKⅠ:受苏氨酸、异亮氨酸的多价抑制和阻遏 天冬氨酸激酶 AKⅡ：受蛋氨酸专一性抑制和阻遏
3.乳糖发酵短杆菌赖氨酸合成调节 P75，图65
1）存在代谢优先向苏氨酸和蛋氨酸方向进行。 2）与黄色短杆菌区别： AK受赖氨酸+苏氨酸的反馈抑制 存在代谢互锁，DDP合成酶的合成受亮氨酸阻
遏。DDP还原酶受半胱氨酸和丙氨酸抑制。
三、酵母和霉菌的赖氨酸生物合成途径和 调节机制
所谓同型TCA循环途径进行，但生物合 成酶与TCA循环酶完全两样。
反馈抑制不敏感 高丝氨酸脱氢酶活力强，苏氨酸和异亮氨酸的反
馈调节不敏感、不受蛋氨酸反馈调节。
四、天冬氨酸的育种途径
高产天冬氨酸菌株应有的生化特征
天冬氨酸激酶丧失 丙酮酸氨基化酶丧失 CO2固Biblioteka Baidu酶系丙酮酸氧化脱羧要强 草酰乙酸氨基化反应强。
AKⅢ：受赖氨酸专一性抑制和阻遏
②天冬氨酸-β-半醛脱氢酶 专一性的受赖氨酸不完全的抑制
③二氢吡啶二羧酸（DDP）合成酶（赖氨酸分 支的第一个酶）
DDP合成酶受赖氨酸反馈抑制。 二氨基庚二酸（DAP）脱羧酶受赖氨酸阻遏
④高丝氨酸脱氢酶（HD）（通向苏氨酸、蛋氨 酸分支的第一个酶） HD HDⅠ：受苏氨酸反馈抑制 HDⅡ：受蛋氨酸阻遏
3.抗结构类似物突变株的选育（代谢调节突变）。
优点：突变株遗传性地解除了终产物对自身合成 途径的酶的调节控制，不受培养基中所要求物 质浓度的影响，生产较稳定。
通过诱变使天冬氨酸激酶编码的结构基因 发生突变，对赖氨酸及结构类似物不敏感，即 使有过量苏氨酸存在，该酶也不与赖氨酸或结 构类似物结合，但酶活性中心不变。
天冬氨酸系分枝代谢途径中，末端产物 种类多，调节机制复杂，为高效率生产 赖氨酸，可以采取顺次解除各种调节机 制的诱变育种，获得多重标记的突变株。
8.应用细胞工程和遗传工程育种 9.防止高产菌株回复突变 选育遗传性稳定的菌株 定向赋加生产菌多个遗传标记 菌种培养和保藏时，培养基要丰富，尤其有足
4.解除代谢互锁
①选育亮氨酸缺陷型菌株，或者以抗AEC的赖 氨酸的生产菌为出发菌株，经诱变得到抗 AEC兼抗亮氨酸缺陷型菌株。
②选育抗亮氨酸结构类似物的突变株，从遗 传上解除亮氨酸对DDP合成酶的阻遏。
③选育对苯醌或喹啉衍生物敏感菌株，这是 一种寻找亮氨酸渗漏缺陷型菌株的有效方法。
5.增加前体物的生物合成和阻塞产物的生成：
⑤苏氨酸脱氨酶（异亮氨酸合成途径的酶） 受异亮氨酸的反馈抑制和阻遏
2.黄色短杆菌
其赖氨酸生物合成调节机制比大肠杆 菌简单，其天冬氨酸激酶只有一种，该酶具 有两个变构部位，可以与终产物结合，当只 有一种终产物（赖氨酸或苏氨酸）与酶结合， 酶活性不受影响。当两种终产物（赖氨酸和 苏氨酸）同时过量时，与酶的两个变构部位 结合，该酶活性受到抑制，这种终产物的反 馈抑制称为协同反馈抑制。P74图6-3
反馈抑制不敏感 高丝氨酸脱氢酶活力强，不受苏氨酸和蛋氨酸反
馈调节。
三、蛋氨酸育种途径
高产蛋氨酸应具备的生化特性
DDP合成酶活力极弱或欠缺 S-腺苷蛋氨酸酶活力极弱或欠缺 高丝氨酸激酶欠缺 CO2固定能力强 天冬氨酸合成能力强 天冬氨酸激酶活力强，对苏氨酸和赖氨酸的协同
同反馈抑制不敏感 高丝氨酸脱氢酶活力强，不受苏氨酸反馈调节。
二、高丝氨酸菌种的选育途径
高产高丝氨酸菌株应具备的生化特征
DDP合成酶活力极弱或欠缺 琥珀酰高丝氨酸合成酶酶活力极弱或欠缺 高丝氨酸激酶欠缺 CO2固定能力强 天冬氨酸合成能力强 天冬氨酸激酶活力强，对苏氨酸和赖氨酸的协同
方法：
①选育丙氨酸缺陷型；
②选育抗天冬氨酸结构类似物突变株；
③选育适宜的CO2固定酶/TCA循环酶活性比突变株； 1.通过TCA循环
葡萄糖→丙酮酸→草酰乙酸→天冬氨酸
赖氨酸
2.通过磷酸烯醇式丙酮酸羧化反应
葡萄糖→磷酸烯醇式丙酮酸→草酰乙酸→天冬氨酸
丙酮酸
赖氨酸
6.改变细胞膜的透过性
7.选育温度敏感突变株