谷氨酸发酵

第二章 谷氨酸发酵机制
3 谷氨酸发酵中如何控制细胞膜的渗透性
控制细胞膜渗透性的方法 3.1. 控制磷脂的合成：细胞膜磷脂含量低，有利于提高细胞膜通透性。 (3) 油酸缺陷型 油酸缺陷型突变株阻断了油酸的合成，丧失了脂肪酸生物合成的能力。 (4) 甘油缺陷型 甘油缺陷型菌株的遗传阻碍是丧失α-磷酸甘油脱氢酶，自身不能合成α-磷酸甘 油和磷脂。 (5) 温度敏感突变株 其突变位置发生在与谷氨酸分泌有密切关系的细胞膜的结构基因上，发生碱基 的转换或颠换，这样为基因所指导释出的酶，在高温时失活，导致细胞膜某些 结构的改变。
谢流阻止在α-酮戊二酸的堰上，对导向谷氨酸形成具有重要意义。 (2) 谷氨酸脱氢酶活性强 由于谷氨酸产生菌的谷氨酸脱氢酶比其它微生物强大得多，所以由三羧酸循环得到
的柠檬酸的氧化中间物就不再往下氧化，而以谷氨酸的形式积累起来。 (3) 细胞膜对谷氨酸的通透性高 谷氨酸的分泌可降低细胞内产物的浓度，消除了谷氨酸转化成其它代谢物的可能，
☆优先合成与反馈调节:
优先合成：催化某一分支途径反应的酶活性远大于催化另一分支反 应的酶活性，结果先合成酶活性大的那一分支的终产物。
当该终产物达到一定浓度时，就会抑制该酶，使代谢转向合成另一 分支的终产物。
☆糖代谢的调节
糖代谢的调节主要受能荷（能量水平）的控制。细胞内ATP分解， 即能荷降低，就会激活某些催化糖类分解的酶或解除ATP对这些酶 的抑制，从而加速糖酵解、TCA循环产生能量；当能荷高时，ATP 增加，就抑制糖酵解、TCA循环的关键酶，从而抑制糖的分解。 ☆氮代谢的调节
降低了对谷氨酸脱氢酶的抑制，并使谷氨酸的生成途径畅通。 生物素亚适量可造成细胞膜的高通透性；还可添加表面活性剂、高级饱和脂肪酸
或青霉素等提高膜的通透性。
第二章 谷氨酸发酵机制
乙醛酸循环的作用
(1) 菌体生长期
由于三羧酸循环的缺陷——α-酮戊二酸氧化能力微弱，即α-酮戊二酸脱氢酶活力微 弱，为了获得能量和产生生物合成反应所需的中间产物，需走乙醛酸循环途径。
第二章 谷氨酸发酵机制
1 谷氨酸的生物合成途径
1.1 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
COOH
CHNH2
CH2
+
CH2
COOH
α-酮戊二酸
COOH
谷氨酸脱氢酶 CHNH2
NADPH + H+ + NH4+
CH2
CH2
COOH
谷氨酸
+ H2O + NADP+
1 谷氨酸的生物合成途径
乙醛酸循环产生的苹果酸仍可返回三羧酸循环。
(2) 谷氨酸生成期
封闭乙醛酸循环。
(3) 如果CO2固定反应完全不起作用，丙酮酸完全氧化成乙酰CoA，，则
3C6H12O6
2C5H9O4N
此时，理论糖酸转化率为54.4%.
实际生产中，因发酵条件控制、菌体形成、微量副产物等，消耗一部分糖，实际糖 酸转化率处于54.4%和81.7%之间。
第二章 谷氨酸发酵机制 黄色短杆菌中谷氨酸的代谢调节机制如下图所示
1.4 谷氨酸生产菌的育种思路
第二章 谷氨酸发酵机制
谷氨酸生产菌的具体育种思路
第二章 谷氨酸发酵机制
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
1.1 生成谷氨酸的主要酶反应 (2)转氨酶(AT)催化的转氨反应
COOH
CHNH2 CH2 CH2 COOH
α-酮戊二酸
COOH
+ CHNH2
R
转氨酶
第二章 谷氨酸发酵机制
COOH CHNH2 CH2 CH2 COOH
谷氨酸
COOH
+ CHNH2
R
α-酮酸
第二章 谷氨酸发酵机制
1 谷氨酸的生物合成途径
第二章 谷氨酸发酵机制
由葡萄糖发酵生成谷氨酸的理想途径
1.3 谷氨酸发酵的代谢途径如下图所示
第二章 谷氨酸发酵机制
第二章 谷氨酸发酵机制
控制谷氨酸合成的重要措施
(1) α-酮戊二酸氧化能力微弱，即α-酮戊二酸脱氢酶活力微弱。 α-酮戊二酸的氧化能力微弱，三羧酸循环到达α-酮戊二酸时，即受到阻挡，把糖代
谷氨酸发酵的代谢途径
第二章 谷氨酸发酵机制
在谷氨酸发酵时,糖酵解经过EMP及HMP两个途径进行,生物素充足菌HMP所占比 例是38%,控制生物素亚适量的结果,发酵产酸期,EMP所占的比例更大,HMP所占比例 约为26%。
由葡萄糖生物合成谷氨酸的代谢途径中的主要过程至少有16步酶促反应。在糖质原 料发酵法生产谷氨酸时,应尽量控制通过CO2固定反应供给四碳二羧酸;在谷氨酸发酵 的菌体生长期,需要异柠檬酸裂解酶反应,走乙醛酸循环途径。菌体生长期之后,进入 谷氨酸生成期,最好没有异柠檬酸裂解酶反应,封闭乙醛酸循环。
降低蛋白质的合成能力，使合成的谷氨酸不转化成其它氨基酸和参 与蛋白质的合成。
第二章 谷氨酸发酵机制
3 谷氨酸发酵中如何控制细胞膜的渗透性
控制细胞膜渗透性的方法 3.1. 控制磷脂的合成：细胞膜磷脂含量低，有利于提高细胞膜通透性。 (1) 生物素缺陷型 生物素作为催化脂肪酸生物合成最初反应的关键酶乙酰CoA羧化酶的辅酶， 参与了脂肪酸的合成，进而影响磷脂的合成。限制发酵培养基中生物素的浓度 控制脂肪酸生物合成，从而控制控制磷脂的合成。当磷脂减少到正常值的一半 时，细胞变性，谷氨酸向膜外渗出，积累于发酵液中。 (2) 添加表面活性剂 在不饱和脂肪酸的合成过程中，吐温-60或饱和脂肪酸等抑制脂肪酸的合成。
在生长之后,理想的发酵按如下反应进行:
C6H12O6+NH3+1.5O2 ──C6H9O4N+CO2+3H2O
理论收率为81.7%。四碳二羧酸是100%通过CO2固定反应供给。若通过乙醛酸循环供 给四碳二羧酸,则理论收率仅为54.4%,实际收率处于中间值。
第二章 谷氨酸发酵机制
2 谷氨酸生物合成的调节wenku.baidu.com制
1.1 生成谷氨酸的主要酶反应 (3)谷氨酸合成酶(GS)催化的反应
COOH
CHNH2 CH2 CH2 COOH
α-酮戊二酸
COOH
+ CHNH2 CH2 CH2 COOH 谷氨酰胺
COOH
谷氨酸合成酶 CHNH2
+ NADPH + H+
2 CH2
CH2
COOH
谷氨酸
+ NADP+
1.2 谷氨酸生物合成的理想途径