氨基酸发酵机制及过程

①磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶受天冬氨酸的反馈抑 制，受谷氨酸和天冬氨酸的反馈阻遏。 ②柠檬酸合成酶是三羧酸循环的关键酶，除受能 荷调节外，还受谷氨酸的反馈阻遏和乌头酸的反 馈抑制。
反馈抑制：是指最终产物抑制作用，即在合成过程中有生物合成途径的终点 产物对该途径的酶的活性调节，所引起的抑制作用。
反馈抑制与反馈阻遏的区别在于：反馈阻遏是转录水平的调节，产生效应慢， 反馈抑制是酶活性水平调节，产生效应快。此外，前者的作用往往会影响催 化一系反应的多个酶，而后者往往只对是一系列反应中的第一个酶起作用。
③异柠檬酸脱氢酶活力强，而异柠檬酸裂解酶活力不 能太强，这就有利于谷氨酸前体物α-酮戊二酸的生成， 满足合成谷氨酸的需要。 异柠檬酸脱氢酶催化的异柠檬酸脱氢脱羧生成α– 酮戊二酸的反应和谷氨酸脱氢酶催化的α-酮戊二酸还 原氨基化生成谷氨酸的反应是一对氧化还原共轭反应， 细胞内α–酮戊二酸的量与异柠檬酸的量需维持平衡， 当α–酮戊二酸过量时，对异柠檬脱氢酶发生反馈抑制 作用，停止合成α–酮戊二酸。
能荷逐渐升高时，即细胞内的能量水平逐渐升高， 这一过程中AMP、ADP转变成ATP。 ATP的增加会抑制糖分解代谢，抑制如柠檬酸合 成酶、异柠檬酸脱氢酶等酶的活性，并激活糖类合 成的酶，加速糖原的合成。
糖酵解主要受三个酶调节：磷酸果糖激酶、己糖激酶、 丙酮酸激酶，其中磷酸果糖激酶是限速酶，己糖激酶控制 酵解的入口，丙酮酸激酶控制出口；三羧酸循环的调控由 三个酶调控，即柠檬酸合成酶、异柠檬酸脱氢酶和ā-酮戊 二酸脱氢酶。两者都与能荷的控制调节相关。
当生物体内生物合成或其它需能反应加强时，细 胞内ATP分解生成ADP或AMP，ATP减少，能荷降低， 就会激活某些催化糖类分解的酶(糖原磷酸化酶、磷酸 果糖激酶、柠檬酸合成酶、异柠檬酸脱氢酶等)或解除 ATP对这些酶的抑制，并抑制合成糖原的酶(NN合成 酶、果糖-1，6～二磷酸酯酶等)，从而加速酵解、 TCA循环产生能量，通过氧化磷酸化作用生成ATP。
葡萄糖和琥珀酸等对异柠檬酸裂解酶起着阻遏作用。
(1)以糖质为原料的谷氨酸发酵中生物素对 DCA循环的影响
在生物素亚适量条件下，琥珀酸氧化力降低， 积累的琥珀酸会反馈抑制异柠檬酸裂解酶活性，并 阻遏该酶的生成，DCA循环基本处于封闭状态， 异柠檬酸高效率地转化为α–酮戊二酸，再生成谷 氨酸。 在生物素充足的条件下，异柠檬酸裂解酶活性 增大，通过DCA循环提供能量，进行蛋白质的合 成，不仅异柠檬酸转化生成谷氨酸的反应减弱使得 谷氨酸减少，而且生成的谷氨酸在转氨酶的催化作 用下又转成其它氨基酸，也不利于谷氨酸积累。
(2)以醋酸为原料的谷氨酸发酵对DCA循环的影响
以醋酸为原料发酵谷氨酸时，醋酸浓度要低，高浓度 的醋酸易被完全氧化。 当菌体内的有机酸浓度低到一定程度，DCA循环启 动，此时异柠檬酸裂解酶催化生成的乙醛酸与细胞内 的草酰乙酸共同抑制异柠檬酸脱氢酶，TCA循环转为 DCA循环，不利于谷氨酸生成与积累； 当DCA循环运转使得TCA循环包含的某些有机酸过剩 时，异柠檬酸裂解酶被抑制，乙醛酸浓度下降，解除 对异柠檬酸脱氢酶的抑制，TCA循环运转。
④沿着由柠檬酸至α–酮戊二酸的氧化途径，谷氨酸产 生菌有两种NADP专性脱氢酶，即异柠檬酸脱氢酶和L谷氨酸脱氢酶。 在谷氨酸的生物合成中，谷氨酸脱氢酶和异柠檬 酸脱氢酶在铵离子存在下，两者非常密切地偶联起 来，形成强固的氧化还原共轭体系，不与NADPH2 的末端氧化系相连接，使α–酮戊二酸还原氨基化生 成谷氨酸。
α -酮戊二酸脱氢酶 NH4 异柠檬酸脱氢酶 乙醛酸循环中的两个关键 酶——异柠檬酸裂解酶和 苹果酸合成酶。
谷氨酸 （胞内）
转移到胞外
（二）谷氨酸合成的理想途径
生物素充足菌EMP所占比例约为62％； 在发酵产酸期，EMP所占比例更大，约为74％。
（三）由葡萄糖生物合成谷氨酸的代谢途径
1.谷氨酸生产菌株为缺陷型，生产过程分为菌体生 长期和谷氨酸积累期。 2.此代谢途径至少有16步酶促反应。 3.在谷氨酸发酵的菌体生长期，由于三羧酸循环中 的缺陷(丧失a-酮戊二酸脱氢酶氧化能力或氧化能力 微弱)，谷氨酸产生菌采用乙醛酸循环途径进行代谢， 提供四碳二羧酸及菌体合成所需的中间产物等。
4. 在菌体生长期之后，进入谷氨酸生成期，封闭 乙醛酸循环，积累α -酮戊二酸，就能够大量生 成、积累谷氨酸。 因此在谷氨酸发酵中，菌体生长期的最适条 件和谷氨酸生成积累期的最适条件是不一样的。
5. 由葡萄糖生 物合成谷氨酸的 代谢途径
6.葡萄糖对谷氨酸的转化率
（1）在谷氨酸生成期，假如四碳二羧酸是100 ％通过C02固定反应供给，在生长期之后，理 想的发酵按如下反应进行：
1mol葡萄糖可以生成1mol的谷氨酸，谷氨酸对葡萄 糖的质量理论转化率为：
（2）在谷氨酸生成期，若 CO2固定反应完全不起作用， 丙酮酸在丙酮酸脱氢酶的催 化作用下，脱氢脱羧全部氧 化成乙酰CoA，通过乙醛酸循环： 4乙酰CoA +4H2O 2琥珀酸+4CoASH 6丙酮酸 6乙酰CoA
4．CO2固定反应的调节
CO2固定反应主要通过以下途径完成：
C02的固定反应的作用：补充草酰乙酸； 在谷氨酸合成过程中，糖的分解代谢途径与C02固定 的适当比例是提高谷氨酸对糖收率的关键问题。
5．NH4+的调节
谷氨酸脱氢酶也能催化谷氨酸氧化脱氨反应，脱 氨过程以NAD+作为辅酶，该酶催化的反应虽然偏向 氨合成谷氨酸一边，但是脱氢过程产生的NADH被氧 化成NAD+，同时产生的NH3很容易被除去。 脱氨反应被NH4+和α–酮戊二酸所抑制，这对于谷 氨酸的积累也起到了很好的作用。
原因：碳水化合物、脂肪和蛋白质代谢中的许多反应都需要生 物素。 生物素的主要功能是在脱羧-羧化反应和脱氨反应中起辅酶 作用，并和碳水化合物与蛋白质的互变、碳水化合物以及蛋白 质向脂肪的转化有关。 在碳水化合物代谢中，生物素酶能催化脱羧和羧化反应。 碳水化合物代谢中依赖生物素的特异反应有：丙酮酸转化生成 草酰乙酸；苹果酸转化为丙酮酸；琥珀酸与丙酮酸的互变；草 酰琥珀酸转化为α-酮戊二酸。
谷氨酸发酵机制
第一节 谷氨酸发酵机制
1.谷氨酸的作用：谷氨酸(g1utamate，Glu， C5H9O4N)是中枢神经系统中一种最重要的兴奋性神 经递质，主要分布于大脑皮质、海马、小脑和纹状 体，在学习、记忆、神经元可塑性及大脑发育等方 面均起重要作用。此外，谷氨酸对心肌能量代谢和 心肌保护起着重要作用。
细胞膜是在细胞壁与细胞质之间的一层柔软而富有 弹性的半渗透性膜，磷脂双分子层为其基本结构， 在双分子层中镶嵌蛋白质。
根据细胞膜的结构特性，控制细胞膜 通透性的方法主要有两种： 一种是通过控制脂肪酸和甘油的合成，实现对磷脂 合成的控制，使得细胞不能形成完整的细胞膜； 一种是通过干扰细菌细胞壁的形成，使得细胞不能 形成完整的细胞壁，丧失了对细胞膜的保护作用。 在膜内外渗透压差等因素影响下，细胞膜物理性损 伤，增大膜的通透性。
中间体合成氨基酸、核酸、蛋白质 等物质。
在工业上，通过对微生物代谢途径的控制来满足 生产的需要，提高生产效益。 所以，研究微生物代谢调节机制有极其重要的意义。
1．糖代谢(EMP途径和HMP途径)的调节
糖代谢可分为分解与合成两方面。 糖分解代谢包括酵解与三羧酸循环；（提供能量） 合成代谢包括糖的异生、糖原与结构多糖的合成 等，中间代谢还有磷酸戊糖途径、糖醛酸途径等。 （消耗能量）
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，所以由三羧酸循环所得的柠檬酸的氧 化中间物就不再往下氧化，而以谷氨酸的形式积累 起来。 谷氨酸对谷氨酸脱氢酶存在着反馈抑制和反馈 阻遏。若铵离子进一步过剩供给时，发酵液偏酸性， pH在5.5～6.5，谷氨酸会进一步生成谷氨酰胺。
⑤在谷氨酸产生菌中，α–酮戊二酸脱氢酶先天 性缺失或微弱，对导向谷氨酸形成具有重要意 义，这是谷氨酸产生菌糖代谢的一个重要特征。
6乙酰CoA +2NH3+3O 2谷氨酸 +2CO2+6H2O 2
3mol葡萄糖可以生成2mol的谷氨酸，谷氨 酸对葡萄糖的质量理论转化率为：
(3)实际转化率：处于二者之间，即54.4%～ 81.7%。 CO2固定反应、乙醛酸循环的比率等对转化率影 响较大。 乙醛酸循环活性越高，谷氨酸越不易生成与积累。
一、谷氨酸生物合成途径
生物体内合成谷氨酸的前体物质是a-酮戊二酸， 是三羧酸循环(TCA循环)的中间产物，由糖质原料 生物合成谷氨酸的途径包括糖酵解途径(EMP途径)、 三羧酸循环、乙醛酸循环、CO2的固定反应(伍德一 沃克曼反应)等。
（一）、葡萄糖的糖酵解、三羧酸循环 和乙醛酸循环 葡萄糖
1.糖酵解途径（EMP途径） 将一分子葡萄糖分解成 两分子丙酮酸,并且发生 氧化(脱氢)和生成少量 ATP。
在谷氨酸发酵生产中，生物素缺陷型菌在 NH4+存在时，葡萄糖消耗速率快而且谷氨酸收率 高； NH4+不存在时，葡萄糖消耗速率很慢，生 成物是α–酮戊二酸、丙酮酸等物质，不产生谷氨 酸。
四、细胞膜通透性的调节
对谷氨酸发酵的重要性： 当细胞膜转变为有利于谷 氨酸向膜外渗透的方式， 谷氨酸才能不断地排出细 胞外，这样既有利于细胞 内谷氨酸合成反应的优先 性、连续性，也有利于谷 氨酸在胞外的积累。
6-磷酸葡萄糖 6-磷酸葡萄糖酸
EMP途径 HMP途径
3-磷酸甘油醛
5-磷酸核酮糖
丙酮酸
2.戊糖磷酸途径（HMP途径） 可以生成酵解途径的中间产物6-磷酸果糖和 3-磷酸甘油醛。
肌肉中的葡萄糖代谢情况
3.三羧酸循环（TCA循环）
丙酮酸
+CO2
乙酰CoA
草酰乙酸 柠檬酸 苹果酸 顺乌头酸 延胡索酸 乙醛酸 异柠檬酸 琥珀酸 α -酮戊二酸
(1)能荷的调节 腺嘌呤核苷三磷酸，又叫三磷酸腺苷(腺苷三磷酸)， 简称为ATP。 其结构简式是：A—P～ P～P，其相邻的两个磷 酸基之间的化学键非常活 跃，水解时可释放约 30.54kJ/mol的能量， 因此称为高能磷酸键。