《谷氨酸发酵》.ppt

2 谷氨酸发酵
L-谷氨酸是生物机体内氮代谢的基本氨基酸之一，也是联接糖代谢与氨基酸代谢的枢纽之一，在代谢上具有比较重要的意义。L-谷氨酸单钠，通称味精，具有强烈的鲜味，是一种十分重要调味品，广泛应用于烹调和食品加工。
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***戊二酸的堰上，对导向谷氨酸形成具有重要意义。在铵离子存在下，α-***戊二酸因谷氨酸脱氢酶的催化作用，经还原氨基化反应生成谷氨酸。
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(2)谷氨酸脱氢酶活性强
谷氨酸产生菌的谷氨酸脱氢酶活性都很强。该酶以NADP+为专一性辅酶，谷氨酸发酵的氨同化过程，是通过连接NADP+的L-谷氨酸脱氢酶催化完成的。沿着由柠檬酸至α-***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。
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在谷氨酸生物合成中必须有谷氨酸脱氢酶和异柠檬酸脱氢酶的共轭反应。在铵离子存在下，两者偶联起来形成氧化还原共轭体系，使α-***戊二酸还原氨基化生成谷氨酸。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α-***戊二酸就不再往下氧化，而以谷氨酸的形式积累起来。
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(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，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 。
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(三)乙醛酸循环的作用
由于三羧酸循环的缺陷(α-***戊二酸脱氢酶活力微弱，即α-***戊二酸氧化能力微弱)，为了获得能量和产生生物合成反应所需的中间产物，在谷氨酸发酵的菌体生长期，需要异柠檬酸裂解酶催化反应，走乙醛酸循环途径。
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乙醛酸循环中关键酶是异柠檬酸裂解酶和苹果酸合成酶，它们催化的反应如下：
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乙醛酸循环中生成的四碳二羧酸，如琥珀酸、苹果酸仍可返回三羧酸循环，因此，乙醛酸循环途径可看作三羧酸循环的支路和中间产物的补给途径。谷氨酸产生菌通过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。但是，在菌体生长期之后，进入谷氨酸生成期，为了大量生成、积累谷氨酸，最好没有异柠檬酸裂解酶催化反应，封闭乙醛酸循环。
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这就说明在谷氨酸发酵过程中，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。在菌体生长之后，理想的发酵应按图2-1由葡萄糖生物合成谷氨酸的理想途径进行，即四碳二羧酸是100％通过CO2固定反应供给，％。
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倘若固定反应完全不起作用，***酸在***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(异柠檬酸裂解生成琥珀酸和乙醛酸)供给四碳二羧酸(琥珀酸)，反应如下：
C6H12O6 + NH3+ → C5H9O4N+4CO2+6H2O
，%[147/(×180) ×100%=%]。
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实际上谷氨酸发酵时，由于菌体生长、副产物生成、生物合成所消耗的能量(ATP等)均消耗了一部分葡萄糖，另外培养基还有残糖，%％的中间值。
当以葡萄糖为碳源时，CO2固定反应与乙醛酸循环的比率对谷氨酸产率有影响，乙醛酸循环活性越高，谷氨酸生成收率越低。因此，在糖质原料发酵生产谷氨酸时，应尽量通过CO2固定反应供给四碳二羧酸，减弱乙醛酸循环。
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谷氨酸生物合成的调节机制
谷氨酸产生菌大多为生物素缺陷型，谷氨酸发酵时通常控制生物素亚适量，引起代谢失调，使谷氨酸得以积累。
谷氨酸产生菌应丧失或仅有微弱的α-***戊二酸脱氢酶活力，使α-***戊二酸不能继续氧化。
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谷氨酸脱氢酶活力很强，同时NADPH＋H＋再氧化能力弱，使到琥珀酸的反应受阻，在过量NH4+存在时，经氧化还原共轭的氨基化反应而生成谷氨酸。生成的谷氨酸不形成蛋白质而分泌到菌体外。
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优先合成与反馈调节
黄色短杆菌的谷氨酸代谢调节机制如图2-3所示，以它为例说明以葡萄糖为原料生物合成谷氨酸主要存在的代谢调节方式。
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图2-3 黄色短杆菌谷氨酸的代谢调节机制
1一磷酸烯醇式***酸羧化酶