氨基酸代谢控制发酵机制及育种策略.ppt

目 录 Chapter1 代谢机制理论基础 Chapter2 L-谷氨酸 Chapter3 L-亮氨酸 Chapter4 L-缬氨酸 Chapter5 L-异亮氨酸 Chapter1 代谢机制理论基础 氨基酸发酵机制 在一般情况下，微生物细胞只合成本身需要的中间代谢产物，严格防止氨基酸、核苷酸等中间物质的大量积累。当氨基酸或核苷酸等物质进入细胞后，微生物细胞立即停止该物质的合成，一直到所供应的养料消耗到很低浓度，微生物细胞才能重新开始进行该物质的合成。微生物细胞中这种调节控制作用主要靠两个因素，即参与调节的有关酶的活性和酶量 代谢控制机制的研究已经证明，酶的生物合成受基因和代谢物的双重控制。 一方面，从DNA的分子水平上阐明了酶生物合成的控制机制，酶的合成像普通蛋白质的合成一样，受到结构基因的控制，由结构基因决定形成酶分子的一级结构； 另一方面, 酶的生物合成还受代谢物（酶反应的底物、产物及其类似物）的控制和调节。当有诱导物存在时，酶的生成量可以几倍乃至几百倍的数量增加。相反，某些酶促反应的产物，特别是终产物，又能产生阻遏作用，使酶的合成量大大减少。 参与氨基酸生物合成的关键酶主要有12种：①磷酸果糖激酶；②柠檬酸合成酶；③N-乙酰谷氨酸激酶；④鸟氨酸转氨基甲酰酶；⑤天冬氨酸激酶；⑥高丝氨酸脱氢酶；⑦苏氨酸脱水酶；⑧α-乙酰乳酸合成酶；⑨DAHP（2-酮-3-脱氧-D-阿拉伯糖型庚糖酸-7-磷酸）合成酶；⑩分支酸变位酶；11预苯酸脱水酶；12预苯酸脱氢酶。 一般情况下，与氨基酸生物合成途径分支点有关系的分支点酶（branching enzyme）可以成为关键酶，但关键酶并不都是分支点酶。关键酶的关键效果也只是在特定的氨基酸生物合成过程中成立，而在其他氨基酸的生物合成过程中则不成立。例如，α-乙酰乳酸合成酶在缬氨酸生物合成途径中起主导性的关键酶作用，但在异亮氨酸的生物合成中，起主导性关键作用的却是苏氨酸脱水酶。该酶位于α-乙酰乳酸合成酶的前一阶段，并且不是分支点酶。 反馈控制与优先合成 氨基酸生物合成的基本调节机制有反馈控制（反馈阻遏与反馈抑制）和在合成途径分支点处的优先合成 如图所示的反馈控制，由催化合成途径最初反应A→B的初始酶受终产物氨基酸E的反馈抑制和合成途径上各种酶受终产物氨基酸E的反馈阻遏组成。 优先合成 底物A经分支合成途径生成两种终产物E和G，由于a酶的酶活性远远大于b酶的酶活性，结果优先合成E。E合成达到一定浓度时，就会抑制a酶，使代谢转向合成G。G合成达到一定浓度时就会对c酶产生抑制作用 平衡合成（balanced synthesis） 底物A经分支合成途径生成两种终产物E与G，由于a酶的酶活性远远大于b酶，结果优先合成E。E过量后就会抑制a酶，使代谢转向合成G。G过量后，就会拮抗或逆转E的反馈抑制作用，结果代谢流又转向合成E，如此循环 Chapter2 L-谷氨酸 谷氨酸脱氢酶（GHD）所催化的还原氨基化反应 转氨酶（AT）催化的转氨反应 谷氨酸合成酶（GS）催化的反应 由上述谷氨酸生物合成的理想途径可知，由葡萄糖生物合成谷氨酸的总反应方程式为： C6H12O6 + NH3 + 1.5O2 C5H9O4N +CO2 +3H2O 由于1摩尔葡萄糖可以生成1摩尔的谷氨酸，因此理论糖酸转化率为81.7%。 谷氨酸脱氢酶活性强 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，减低了对谷氨酸脱氢酶的抑制，并使谷氨酸的生成途径畅通。由生物素亚适量可造成细胞膜对产物的高通透性。生物素改变细胞膜通透性的机制与影响细胞膜磷脂的含量及成分有关。还可通过添加表面活性剂、高级饱和脂肪酸，或青霉素等控制细胞膜对谷氨酸的通透性。通过选育温度敏感突变株、油酸缺陷型或甘油缺陷型等突变株也可控制细胞膜对谷氨酸的通透性。 反馈调节 细胞膜的脂质主要是磷脂，每一个磷脂分子由一个带正电荷且能溶于水的极性头和一个不带电荷、不溶于水的非极性尾所构成,极性头朝向膜的内外两个表面，呈亲水性；而非极性的疏水尾则埋藏在膜的内层，从而形成一个磷脂双分子层。膜内的蛋白质有的是酶，有的是携带胞外物质进入细胞的载体蛋白，镶嵌或埋在脂质双层内或附着在它的表面，主要分为嵌入蛋白和表在蛋白。有的嵌入蛋白是糖蛋白，它的糖链主要朝向外表面。 细胞膜是一个选择性半渗透性膜，它的重要生理功能是控制细胞内外物质的运送和交换，是细胞同外界环境进行物质交换和信息交流的接触面。通过改变细胞膜的组成成分可改变膜的渗透性。 选育强化三羧酸循环中从柠檬酸到?-酮戊二酸代谢的突变株 选育柠檬酸合成酶强的突变株 柠檬酸合成酶是三羧酸循环的关键酶，强