谷氨酸發(fā)酵機(jī)制PPT課件

1、一、生成谷氨酸的主要酶促反應(yīng) （1）谷氨酸脫氫酶(GHD)所催化的還原氨基化反應(yīng)-酮戊二酸NH4+ NADPH2谷氨酸H2O+NADPGHD第1頁/共53頁 這一反應(yīng)是利用已存在的其他氨基酸，經(jīng)過轉(zhuǎn)氨酶的作用，將其它氨基酸與-酮戊二酸生成L谷氨酸。(2)轉(zhuǎn)氨酶(AT)催化的轉(zhuǎn)氨反應(yīng) COOHC=OCH2CH2COOH+COOHCHNH2R轉(zhuǎn)氨酶COOHCHNH2CH2CH2COOH+COOHRC=O酮戊二酸氨基酸谷氨酸-酮酸第2頁/共53頁 (3)谷氨酸合成酶(Gs)催化的反應(yīng)NADP-酮戊二酸 + 谷氨酰胺GSNADPH22谷氨酸第3頁/共53頁二、谷氨酸生物合成的理想途徑 由葡萄糖發(fā)酵谷氨

2、酸的理想途徑第4頁/共53頁第二節(jié) 谷氨酸生物合成的調(diào)節(jié)機(jī)制1、優(yōu)先合成2、反饋調(diào)節(jié)一、優(yōu)先合成與反饋調(diào)節(jié)二、糖代謝的調(diào)節(jié)三、氮代謝的調(diào)節(jié)四、其它調(diào)節(jié)第5頁/共53頁黃色短桿菌中，谷氨酸、天冬氨酸生物合黃色短桿菌中，谷氨酸、天冬氨酸生物合成的調(diào)節(jié)機(jī)制成的調(diào)節(jié)機(jī)制(1) 、優(yōu)先合成、優(yōu)先合成一、優(yōu)先合成與反饋調(diào)節(jié) 在菌體的代謝中，谷氨酸比天冬氨酸優(yōu)先合成。谷氨酸合成過量后，谷氨酸抑制谷氨酸脫氫酶的活力和阻遏檸檬合成酶的合成。使代謝轉(zhuǎn)向天冬氨酸的合成；天冬氨酸合成過量后，反饋抑制磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶的活力，停止草酰乙酸的合成。所以在正常情況下，谷氨酸并不積累。第6頁/共53頁 谷氨酸脫氫酶(GD

3、H)的調(diào)節(jié) 谷氨酸對谷氨酸脫氫酶存在著反饋抑制和反饋阻遏。異檸檬酸脫氫酶的調(diào)節(jié)異檸檬酸脫氫酶的調(diào)節(jié) 異檸檬酸脫氫酶催化的異檸檬酸脫氫脫羧生成-酮戊二酸的反應(yīng)和谷氨酸脫氫酶催化的-酮戊二酸還原氨基化生成谷氨酸的反應(yīng)是一對氧化還原共軛反應(yīng)，細(xì)胞內(nèi) -酮戊二酸的量與異檸檬酸的量需維持平衡。當(dāng) -酮戊二酸過量時對異檸檬酸脫氫酶發(fā)生反饋抑制作用，停止合成。檸檬酸合成酶的調(diào)節(jié)檸檬酸合成酶的調(diào)節(jié) 檸檬酸合成酶是三羧酸循環(huán)的關(guān)鍵酶，除受能荷調(diào)節(jié)外，還受谷氨酸的反饋阻遏和烏頭酸的反饋抑制。(2) 、反饋調(diào)節(jié)、反饋調(diào)節(jié)第7頁/共53頁 -酮戊二酸脫氫酶在谷氨酸產(chǎn)生菌中先天性地喪失或微弱。 磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶的

4、調(diào)節(jié)。磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶受天冬氨酸的反饋抑制，受谷氨酸和天冬氨酸的反饋阻遏。第8頁/共53頁乙酰乙酰CoA 檸檬酸檸檬酸 草酰乙酸草酰乙酸 琥珀酸琥珀酸 -酮戊二酸酮戊二酸 異檸檬酸異檸檬酸 蘋果酸蘋果酸 乙醛酸 檸檬酸合成酶磷酸烯醇式 丙酮酸羧化酶丙酮酸羧化酶丙酮酸激酶延胡索酸延胡索酸 磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸 丙酮酸丙酮酸 乙酰乙酰CoA 葡萄糖葡萄糖 CO2谷氨酸谷氨酸第9頁/共53頁谷氨酸生產(chǎn)菌的育種思路 第10頁/共53頁 在菌體的代謝中，谷氨酸比天冬氨酸優(yōu)先合成。谷氨酸合成過量后，谷氨酸抑制谷氨酸脫氫酶的活力和阻遏檸檬合成酶的合成。使代謝轉(zhuǎn)向天冬氨酸的合成；天冬氨酸合成

5、過量后，反饋抑制磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶的活力，停止草酰乙酸的合成。所以在正常情況下，谷氨酸并不積累。第11頁/共53頁二、糖代謝的調(diào)節(jié) 1、能荷控制(細(xì)胞內(nèi)的能量水平)能量生成代謝系的調(diào)節(jié)第12頁/共53頁 2生物素對糖代謝的調(diào)節(jié) (1)生物素對糖代謝速度的影響 生物素對糖代謝的影響主要是影響糖解速度。 在生物素充足條件下，由于糖降解速度顯著提高，打破了糖降解速度與丙酮酸氧化速度之間的平衡，丙酮酸趨于生成乳酸，因而會引起乳酸的溢出。第13頁/共53頁 (2)生物素對CO 2固定反應(yīng)的影響由磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶催化的反應(yīng)第14頁/共53頁 由丙酮酸羧化酶催化的反應(yīng)第15頁/共53頁 先由蘋果酸

6、酶所催化，進(jìn)行還原羧化作用，生成蘋果酸。然后再生成草酰乙酸：第16頁/共53頁生物素是丙酮酸羧化酶的輔酶，參與CO2的固定反應(yīng)。據(jù)有關(guān)資樹報道，生物素大過量(100 gL以上)， CO2固定反應(yīng)可提高30。第17頁/共53頁(3)生物素對乙醛酸循環(huán)的影響 乙醛酸循環(huán)中關(guān)鍵酶是異檸檬酸裂解酶和蘋果酸合成酶。異檸檬酸裂解酶催化的反應(yīng)第18頁/共53頁 蘋果酸合成酶催化的反應(yīng)第19頁/共53頁乙醛酸循環(huán)的關(guān)鍵酶異檸檬酸裂解酶受葡萄糖、琥珀酸阻遏，為醋酸所誘導(dǎo)。以葡萄糖為原料發(fā)酵生產(chǎn)谷氨酸時，通過控制生物素亞適量，幾乎看不到異檸檬酸裂解酶的活性。原因：丙酮酸氧化能力下降，醋酸的生成速度慢，所以為醋酸所

7、誘導(dǎo)形成的異檸檬酸裂解酶就很少。由于該酶受琥珀酸阻遏，在生物素亞適量條件下，因琥珀酸氧化能力降低而積累的琥珀酸就會反饋抑制該酶的活性，并阻遏該酶的生成，乙醛酸循環(huán)基本上是封閉的。這樣就使代謝流向異檸檬酸 酮戊二酸谷氨酸的方向高效率地移動。第20頁/共53頁三、氮代謝的調(diào)節(jié) 控制谷氨酸發(fā)酵的另外一個關(guān)鍵因素就是降低蛋白質(zhì)的合成能力，使合成的谷氨酸不去轉(zhuǎn)化成其它氨基酸和參與蛋白質(zhì)的合成。 生物素亞適量時，幾乎沒有異檸檬酸裂解酶，琥珀酸氧化力弱，蘋果酸和草酰乙酸脫羧反應(yīng)停滯，同時又由于完全氧化降低的結(jié)果，使ATP形成量減少，導(dǎo)致蛋白質(zhì)合成活動停滯，在銨離子適量存在下，積累谷氨酸。生成的谷氨酸也不通過

8、轉(zhuǎn)氨作用生成其它氨基酸和合成蛋白質(zhì)。 生物素充足時，異檸檬酸裂解酶的活性增強(qiáng)，琥珀酸氧化力增強(qiáng)，丙酮酸氧化力加強(qiáng)，乙醛酸循環(huán)的比例增加。草酰乙酸、蘋果酸脫羧反應(yīng)增強(qiáng)，蛋白質(zhì)合成增強(qiáng)，谷氨酸減少，合成的谷氨酸通過轉(zhuǎn)氨作用生成的其它氨基酸量增加。第21頁/共53頁在生物素充足與缺乏條件下異檸檬酸代謝途徑生物素充足條件下生物素充足條件下生物素缺乏條件下生物素缺乏條件下第22頁/共53頁四、其它調(diào)節(jié) 除了上述調(diào)節(jié)機(jī)制外，發(fā)現(xiàn)在以醋酸或石蠟為碳源時，銅離子對谷氨酸的生物合成具有調(diào)節(jié)作用。 在以醋酸為碳源，利用一種短桿菌D248進(jìn)行谷氨酸發(fā)酵時，添加低濃度的銅離子，可以促進(jìn)谷氨酸的積累。 利用石蠟節(jié)桿菌K

9、Y4303菌株以石蠟為碳源，在青霉素存在下培養(yǎng)，則銅離子可促進(jìn)海藻糖和谷氨酸的生物合成。第23頁/共53頁1、谷氨酸發(fā)酵中的生物素問題 發(fā)酵通訊科技第32卷第1期2003年2月2、谷氨酸發(fā)酵中生物素含量的測定 發(fā)酵通訊科技第32卷第2期2003年2月3、谷氨酸的代謝控制發(fā)酵育種 發(fā)酵通訊科技第32卷第2期2003年2月 張克旭(天津科技大學(xué)食品科學(xué)與生物工程學(xué)院)第24頁/共53頁谷氨酸發(fā)酵中的生物素問題 生物素用量多少，將影響到谷氨酸的產(chǎn)量。它的影響大體可歸納為三方面： 一、影響糖降解的速度。 二、改變發(fā)酵代謝方向。 三、控制脂肪酸生物合成第25頁/共53頁當(dāng)培養(yǎng)基中生物素處于過量時，糖降解

10、速度加快，糖至丙酮酸一段增加速度大于丙酮酸向下氧化速度，動態(tài)生物平衡被破壞。異檸酸裂解酶加強(qiáng)，反應(yīng)沿著乙醛酸循環(huán)進(jìn)行，代謝處于完全氧化型。完全氧化型代謝第26頁/共53頁過量生物素催化脂肪酸合成，進(jìn)而生成足夠量磷脂，使細(xì)胞形成比較完善的細(xì)胞膜，細(xì)胞膜滲透性差，使細(xì)胞內(nèi)合成谷氨酸不能及時滲透到細(xì)胞外，引起谷氨酸合成過程中的產(chǎn)物反饋抑制。限量生物素時，有利于谷氨酸生產(chǎn)并在體外積累大量的谷氨酸。第27頁/共53頁 利用微生物法，通過生物素的梯度濃度，找出其與谷氨酸菌的生長量(即OD值)，在一定范圍內(nèi)的線性關(guān)系，可繪制出生物素的標(biāo)準(zhǔn)曲線，待測樣經(jīng)稀釋后，培養(yǎng)12h，從已知OD值曲線中找出對應(yīng)的谷氨酸含

11、量。第28頁/共53頁第三節(jié) 在谷氨酸發(fā)酵中怎樣控制細(xì)胞膜的滲透性 在谷氨酸發(fā)酵的過程中，關(guān)鍵之一在于發(fā)酵培養(yǎng)期間谷氨酸生產(chǎn)菌的細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)與功能上的特異性變化，使細(xì)胞膜轉(zhuǎn)變成有利于谷氨酸向膜外滲透的式樣，即完成谷氨酸非積累型細(xì)胞向谷氨酸積累型細(xì)胞的轉(zhuǎn)變。這樣，由于終產(chǎn)物谷氨酸不斷的排出細(xì)胞外，使細(xì)胞內(nèi)的谷氨酸不能積累到引起反饋調(diào)節(jié)的濃度。引言第29頁/共53頁第一、控制細(xì)胞膜的滲透性的方法 通過控制發(fā)酵培養(yǎng)基中的化學(xué)成分，達(dá)到控制磷脂、細(xì)胞膜的形成、或者阻礙細(xì)胞壁的正常的生物合成，使谷氨酸生產(chǎn)菌處于異常的生理狀態(tài)，以解除細(xì)胞對谷氨酸向胞漏出的滲透屏障。 第30頁/共53頁一、控制磷脂的合成，

12、導(dǎo)致形成磷脂合成不足的不完全的細(xì)胞膜 a、生物素缺陷型（使用生物素缺陷型菌種進(jìn)行生產(chǎn)的時候，必須控制生物素的用量） 1作用機(jī)制 生物素作為催化脂肪酸生物合成最初反應(yīng)的關(guān)鍵酶乙酰輔酶A羧化酶的輔酶，參與了脂肪酸的合成，進(jìn)而影響磷脂的合成。 當(dāng)磷脂合成減少到正常量的1/2左右時，細(xì)胞變形，谷氨酸向膜外漏出，積累于發(fā)酵液中。第31頁/共53頁 2控制的關(guān)鍵 為了形成有利于谷氨酸向外滲透的磷脂合成不足的細(xì)胞膜，必須亞適量控制生物素（510微克/升）發(fā)酵初期（08小時），菌體正常生長，菌體形態(tài)為單個、成對、八字形、棒狀、橢圓，短桿形。當(dāng)生物素耗盡后，在菌體的再次倍增期間，開始出現(xiàn)異常形態(tài)的細(xì)胞，菌體伸長

13、、膨大乃至不規(guī)則形，邊緣有褶皺。完成谷氨酸非積累型細(xì)胞向谷氨酸積累型細(xì)胞的轉(zhuǎn)變。 如果生物素過剩，就會出現(xiàn)只是長菌而不產(chǎn)酸的現(xiàn)象或者長菌好而產(chǎn)酸低。 第32頁/共53頁 b b添加表面活性劑（吐溫6060）或者飽和脂肪酸 使用生物素過量的糖蜜原料發(fā)酵生產(chǎn)谷氨酸時，通過添加表面活性劑或者高級飽和脂肪酸（C16-18）及其親水聚醇酯類，同樣能清除滲透屏障物，積累谷氨酸。 1作用機(jī)制 表面活性劑和飽和脂肪酸的作用，并不是在于他的表面效果，而是在不飽和脂肪酸的合成過程中，作為抗代謝物具有抑制作用，對生物素有拮抗作用。通過拮抗生物素的生物合成，導(dǎo)致磷脂合成不足，結(jié)果形成磷脂不足的細(xì)胞膜。提高了細(xì)胞膜對脂

14、肪酸的滲透性。 第33頁/共53頁 2影響產(chǎn)酸的關(guān)鍵 必須控制好添加表面活性劑、不飽和脂肪酸的時間與濃度，必須在藥劑添加之后，在這些藥劑存在下，再次進(jìn)行菌的分裂增值。形成處于異常生理狀態(tài)的產(chǎn)酸型細(xì)胞，即完成谷氨酸非積累型細(xì)胞向谷氨酸積累型細(xì)胞的轉(zhuǎn)變。 例如：以甜菜糖蜜為原料，采用高生物素、高吐溫的工藝，一般發(fā)酵對數(shù)生長期的早期（46小時），添加0.2吐溫60后OD值與菌體重約凈增一倍。剩余生長太多，意味著谷氨酸生產(chǎn)菌的細(xì)胞不能完成有效的進(jìn)行生理學(xué)變化；剩余生長不足，意味著谷氨酸生產(chǎn)菌沒有機(jī)會完成這種轉(zhuǎn)變。 第34頁/共53頁 C. C.油酸缺陷型 使用油酸缺陷型菌株進(jìn)行谷氨酸發(fā)酵時，必須限制發(fā)

15、酵培養(yǎng)基中油酸的濃度 1、作用機(jī)制 由于油酸缺陷型突變株切斷了油酸的后期合成，喪失了自身合成油酸的能力；即喪失了脂肪酸生物合成的能力，必須由外界供給油酸，才能生長。故油酸的多少，直接影響到磷脂合成量的多少和細(xì)胞膜的滲透性。通過控制油酸，使磷脂合成量減少到正常量的1/2左右時，細(xì)胞變形，谷氨酸分泌積累于培養(yǎng)液中。第35頁/共53頁 2控制的關(guān)鍵 對油酸缺陷型突變株的谷氨酸生產(chǎn)力來說，最重要的因子是細(xì)胞內(nèi)的油酸含量，必須控制油酸亞適量，而細(xì)胞內(nèi)生物素、棕櫚酸等飽和脂肪酸的含量多少卻影響甚微。若油酸過量時，只長菌不產(chǎn)酸，或者長菌好而產(chǎn)酸低，只有在油酸亞適量的情況下，當(dāng)油酸耗盡之后，谷氨酸菌經(jīng)再度倍增

16、，發(fā)生細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)與功能上的特異性變化，除去谷氨酸向膜外滲透的障礙物，谷氨酸才能高產(chǎn)。第36頁/共53頁 d甘油缺陷型 使用甘油缺陷型菌株進(jìn)行谷氨酸發(fā)酵時，必須限制發(fā)酵培養(yǎng)基終甘油的濃度 1作用機(jī)制 甘油缺陷型的菌株喪失 -磷酸甘油脫氫酶，即喪失L-甘油3磷酸NADP氧化還原酶。所以必能合成 -磷酸甘油和磷脂，必須由外界供給甘油才能生長。在甘油限量供應(yīng)下，由于控制了細(xì)胞膜中與滲透性直接關(guān)系的磷脂含量，使谷氨酸得以積累。 第37頁/共53頁 2控制的關(guān)鍵 使用甘油缺陷型菌株進(jìn)行谷氨酸發(fā)酵的生產(chǎn)時，為了高產(chǎn)谷氨酸，必須控制添加亞適量的甘油或甘油衍生物。這樣，不管是用醋酸,還是糖質(zhì)原料，不管添加還是不

17、添加生物素、油酸、硫氨素等物質(zhì)，都能高產(chǎn)谷氨酸。這是由甘油缺陷型所控制的位置決定的。細(xì)胞內(nèi)的磷脂可以由添加甘油的數(shù)量來調(diào)節(jié)，添加甘油過少，菌株生長不好，數(shù)量不夠，周期長。甘油過量，磷脂合成正常，只長菌不產(chǎn)酸，或者長菌好產(chǎn)酸低；只有亞適量的控制甘油的時候，開始菌體正常生長，當(dāng)甘油耗盡后，通過再度增殖，細(xì)胞變形。細(xì)胞磷脂的含量變?yōu)橛H株的一半。壓榨細(xì)胞的體積變小，從而破壞了細(xì)胞膜對谷氨酸的滲透屏障，使谷氨酸向膜外滲漏。 第38頁/共53頁二、阻礙谷氨酸菌細(xì)胞壁的合成，形成不完全的細(xì)胞壁，進(jìn)而導(dǎo)致形成不完全的細(xì)胞膜 例如，在發(fā)酵對數(shù)生長期的早期，添加青霉素或者頭胞霉素C等抗生素 1、作用機(jī)制 添加青霉

18、素是抑制谷氨酸生產(chǎn)菌細(xì)胞壁的后期合成，主要是抑制糖肽轉(zhuǎn)移酶，影響細(xì)胞壁糖肽的合成。第39頁/共53頁 2、影響產(chǎn)酸的關(guān)鍵 在生長的什么階段添加青霉素是影響產(chǎn)酸的關(guān)鍵。 必須要在增殖過程的適當(dāng)時期添加，開始進(jìn)入對數(shù)生長期的早期（3-6小時）添加，添加青霉素的時間與濃度，因菌種、接種量、培養(yǎng)基的組成以及發(fā)酵條件的不同而不同。加入青霉素后，在菌體倍增期間，使新增殖的細(xì)胞沒有充足的細(xì)胞壁合成，菌體形態(tài)急劇變化。多呈現(xiàn)伸張，膨潤的菌型。完成由非積累型谷氨酸向積累型谷氨酸的轉(zhuǎn)變。 第40頁/共53頁第二、物理控制方法 利用溫度敏感型細(xì)胞進(jìn)行谷氨酸發(fā)酵時，由于僅僅控制溫度就能實現(xiàn)谷氨酸的生產(chǎn)，所以我們把這種

19、新工藝稱為物理控制方法。1、突變位置這些突變株的突變位置是發(fā)生在決定與谷氨酸分泌有密切聯(lián)系的細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)基因上，發(fā)生堿基的轉(zhuǎn)換或顛換，一個堿基為另一個堿基所置換，這樣為堿基所指導(dǎo)譯出的酶，在高溫時失活，導(dǎo)致細(xì)胞膜某些結(jié)構(gòu)的改變。第41頁/共53頁（2）影響產(chǎn)酸的關(guān)鍵利用溫度敏感型突變株進(jìn)行谷氨酸發(fā)酵時，在生長的什么階段轉(zhuǎn)化溫度是影響產(chǎn)酸的關(guān)鍵。必須要控制好溫度轉(zhuǎn)換的時間。（由30度提高到40度的時間),并且要在溫度轉(zhuǎn)換之后，進(jìn)行適度的剩余生長，溫度轉(zhuǎn)換的最適時間，因菌株、接種量、培養(yǎng)基組成和發(fā)酵條件而異。以甘蔗糖蜜或甜菜糖蜜為原料生產(chǎn)時，一般在A562為0.3-0.5范圍內(nèi)轉(zhuǎn)換溫度為宜。轉(zhuǎn)換時間不同，產(chǎn)酸顯著變化。在溫度轉(zhuǎn)移之后，必須要進(jìn)行適度的剩余生長，完成從谷氨酸非積累型細(xì)胞向谷氨酸積累型細(xì)胞轉(zhuǎn)變。剩余生長太多，意味著細(xì)胞未能進(jìn)行有效的生理學(xué)變化，剩余生長太少，意味著細(xì)胞沒有機(jī)會完成這種轉(zhuǎn)變。第42頁/共53頁第三、強(qiáng)制控制工藝的要點和實例 為了穩(wěn)定產(chǎn)酸，克服因發(fā)酵培養(yǎng)基中某些營養(yǎng)不易控制（如生物素的含量）所造成的影響，在谷氨酸發(fā)酵中，也可以采取“高生物素、高青霉素”、“高生物素、高吐溫”的辦法。第43頁/共53頁采用強(qiáng)制工