7.2氨基酸发酵机理和菌种选育 7.2.1氨基酸发酵机理 如前所述,几乎所有的微生物都能在其代谢途经中合成氨基酸以满足细胞生长的需要 但由于受到产物的负反馈抑制,细胞内各种氨基酸的浓度只能维持在生理浓度范围内,不会 产生过量的积累。当以葡萄糖为碳源时,细胞内各种氨基酸代谢途径如图71.1所示 葡萄糖( Glucose,C6) 组氨酸(HisC6N3)+戊糖(C3) 甘氨酸(Gly,C2N) 四碳糖(C4) 苯丙氨酸(PheC9N) 三糖(C3)—丝氨酸(Ser,C3 酪氨酸(Tyr,CN) 莽草酸(C7) 色氨酸(Ty,C1N2) 半胱氨酸(CyC3NS) 丙氨酸(AaC3N) 丙酮酸(Pyr,C3)(Cs)→缬氨酸( Val. CsN) 赖氨酸( Lys, C6N2)氨基庚二酸 (DAP, C7N2) Acetyl(C2) 亮氨酸( Leu, CN) 蛋氨酸( Met CsNS) 天冬氨酸(Asp,CN)+草酰乙酸( Oxalacetate C) 柠檬酸( Citrate,C6) 苏氨酸(Thr,C4N) 异亮氨酸(llu,C6N) 脯氨酸(Pro,CsN a-酮戊二酸(Cs)一谷氨酸( Glu. CsN精氨酸(Arg,C6N4 图721以葡萄糖为碳源时,细胞内各种氨基酸的代谢途经 从图中可以看到,细胞内氨基酸的合成具有如下特点:1)某一类氨基酸往往有一个共 同的前体;2)氨基酸的生物合成与EMP途径、三羧酸循环有十分密切的关系;3)一种氨 基酸可能是另一种氨基酸的前体。因此如果要细胞大量地积累氨基酸,就必需做到:1)必 需解除氨基酸代谢途经中存在的产物反馈抑制:2)应该防止所合成的目标氨基酸降解或者 用于合成其它细胞组分;3)若几种氨基酸有一个共同的前体,应该切断其他氨基酸的合成 途经:4)应该增加细胞膜的通透性,使得细胞内合成的氨基酸能够及时释放到胞外,降低 其胞内的浓度。因此在氨基酸生产菌种的育种工作中,应该在基因水平对微生物进行改造, 改造的方法包括传统的诱变育种及应用现代基因工程 下面将以谷氨酸的生物合成机理为例进行讨论。谷氨酸生产菌可以从自然界中筛选得 到,但产量不高。谷氨酸是三羧酸循环中的α-酮戊二酸在L谷氨酸脱氢酶的催化下与游离 氨反应合成的。α-酮戊二酸则是由草酰琥珀酸脱羧生成、在三羧酸循环中又会在α-酮戊二 酸脱氢酶复合物的催化下进一步脱去一分子二氧化碳形成琥珀酸辅酶A。正是由于上述机 理,自然界筛选的细胞积累的谷氨酸浓度不髙。通过诱变育种,限制细胞内α-酮戊二酸脱3 7. 2 氨基酸发酵机理和菌种选育 7. 2. 1 氨基酸发酵机理 如前所述，几乎所有的微生物都能在其代谢途经中合成氨基酸以满足细胞生长的需要， 但由于受到产物的负反馈抑制，细胞内各种氨基酸的浓度只能维持在生理浓度范围内，不会 产生过量的积累。当以葡萄糖为碳源时，细胞内各种氨基酸代谢途径如图 7.1.1 所示。 葡萄糖(Glucose, C6） 组氨酸(His,C6N3) 戊糖(C5) 甘氨酸(Gly,C2N) 四碳糖(C4) 苯丙氨酸(Phe,C9N) 三糖(C3) 丝氨酸(Ser,C3N) 酪氨酸(Tyr,C9N) 莽草酸(C7) 色氨酸(Try,C11N2) 半胱氨酸(Cys,C3NS) 丙氨酸(Ala,C3N) 丙酮酸(Pyr,C3) (C5) 缬氨酸(Val,C5N) 赖氨酸(Lys,C6N2) 氨基庚二酸 (DAP,C7N2) Acetyl(C2) 亮氨酸(Leu,C6N) 蛋氨酸(Met,C5NS) 天冬氨酸(Asp,C4N) 草酰乙酸(Oxalacetate,C4) 柠檬酸(Citrate,C6) 苏氨酸(Thr,C4N) 异亮氨酸(Ileu,C6N) 脯氨酸(Pro,C5N) α-酮戊二酸(C5) 谷氨酸(Glu,C5N) 精氨酸(Arg,C6N4) 图 7.2.1 以葡萄糖为碳源时，细胞内各种氨基酸的代谢途经 从图中可以看到，细胞内氨基酸的合成具有如下特点：1）某一类氨基酸往往有一个共 同的前体；2）氨基酸的生物合成与 EMP 途径、三羧酸循环有十分密切的关系；3）一种氨 基酸可能是另一种氨基酸的前体。因此如果要细胞大量地积累氨基酸，就必需做到：1）必 需解除氨基酸代谢途经中存在的产物反馈抑制；2）应该防止所合成的目标氨基酸降解或者 用于合成其它细胞组分；3）若几种氨基酸有一个共同的前体，应该切断其他氨基酸的合成 途经；4）应该增加细胞膜的通透性，使得细胞内合成的氨基酸能够及时释放到胞外，降低 其胞内的浓度。因此在氨基酸生产菌种的育种工作中，应该在基因水平对微生物进行改造， 改造的方法包括传统的诱变育种及应用现代基因工程。 下面将以谷氨酸的生物合成机理为例进行讨论。谷氨酸生产菌可以从自然界中筛选得 到，但产量不高。谷氨酸是三羧酸循环中的α-酮戊二酸在 L-谷氨酸脱氢酶的催化下与游离 氨反应合成的。α-酮戊二酸则是由草酰琥珀酸脱羧生成、在三羧酸循环中又会在α-酮戊二 酸脱氢酶复合物的催化下进一步脱去一分子二氧化碳形成琥珀酸辅酶 A。正是由于上述机 理，自然界筛选的细胞积累的谷氨酸浓度不高。通过诱变育种，限制细胞内α-酮戊二酸脱