第二章-谷氨酸发酵机制
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氨基酸工艺学第二章谷氨酸发酵机制
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 循环供给四碳二羧酸。反应 如下： 3C6H12O6 乙醛酸循环： 4乙酰CoA +4H2O 2琥珀酸+4CoASH 6丙酮酸 6乙酰CoA
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。
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。
(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。
Atkinson提出了能荷的概念。 认为能荷是细胞中高能磷酸状态的一种数量上的衡量， 能荷大小可以说明生物体中ATP—ADP—AMP系统的 能量状态。能荷的大小决定于ATP和ADP的多少。 能荷调节是通过ATP、ADP和AMP分子对某些酶 分子进行变构调节来实现的。
4谷氨酸发酵机制
硫是含硫氨基酸的组成成分，构成酶的活性基团。培养基 中的硫酸镁供应的硫已充足，不需另加。
3. 钾盐
许多酶的激活剂,钾盐少长菌体，钾盐足够产谷氨酸。 谷氨酸发酵产物生成期需要的钾盐比菌体生长期高。
菌体生长期需硫酸钾量约为0.1g/L,谷氨酸生成期需硫酸钾量
为0.2－1.0g/L.
4. 微量元素
添加方式：
铵盐、液氨等可采取流加方法，液氨作用快，采取连续流加， 尿素少量多次分批流加。 用硫酸铵等生理酸性盐为氮源时，由于铵离子被利用而残留 SO42-等酸根，使PH下降，需在培养基中加入碳酸钙以自动中 和pH。但添加碳酸钙易形成污染，生产上一般不用此法。
三、无机盐
功能
构成菌体成分、酶的组成成分、酶的激活剂或抑制剂、
斜面菌种的培养 目的：纯菌生长繁殖 措施：多含有机氮，不含或少含糖 一级种子培养
目的：大量繁殖活力强的菌体 措施：少含糖分，多含有机氮，培养条件有利于长菌。
二级种子培养
目的：获得发酵所需的足够数量的菌体
为发酵培养基的配制原则
供给菌体生长繁殖和谷氨酸生产所需要的适量的营养和能源 原料来源丰富，价格便宜，发酵周期短，对产物提取无妨碍等。
酶活
改变生物合成途径，使代谢产物发生变化
改变发酵液物理性质 影响菌种对营养物的分解与吸收
5.
6.
不同微生物的最适生长温度不同
同一种微生物，菌体生长和产物合成的最适温度不一定相同。
谷氨酸生产菌的最适生长温度为30-34℃,T6-13菌 株比较耐高温，斜面、一级、二级种子和发酵开始 温度可选用33-34 ℃,生产谷氨酸的最适温度为3537℃. 谷氨酸温度敏感菌株1021最适生长温度是30 ℃， 最适产谷氨酸温度38 ℃,发酵过程中采用分段控制。
谷氨酸发酵机制
• (3)谷氨酸合成酶(Gs)催化的反应
α-酮戊二酸 + 谷氨酰胺
NADPH2 NADP GS
2谷氨酸
二、谷氨酸生物合成的理想途径
• 由葡萄糖发酵谷氨酸的理想途径
※第二节 谷氨酸生物合成的调节机制
一、优先合成与反馈调节
1、优先合成 2、反馈调节
二、糖代谢的调节 三、氮代谢的调节 四、其它调节
一、优先合成与反馈调节
④ -酮戊二酸脱氢酶在谷氨酸产生菌中 先天性地丧失或微弱。
⑤磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶的调节。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。
磷酸烯醇式丙酮酸 ④ 丙酮酸
葡萄糖
①柠檬酸合成酶 ②磷酸烯醇式
丙酮酸羧化酶 ③丙酮酸羧化酶 ④丙酮酸激酶CO2来自③ ②草酰乙酸 Asp
苹果酸
乙酰CoA
①
柠檬酸
乙酰CoA
⑥
乙醛酸
异柠檬酸
延胡索酸
α-酮戊二酸
琥珀酸
谷氨酸
谷氨酸生产菌的育种思路
在菌体的代谢中，谷氨酸比天冬氨酸优先合成。 谷氨酸合成过量后，谷氨酸抑制谷氨酸脱氢酶的活 力和阻遏柠檬合成酶的合成。使代谢转向天冬氨酸 的合成；天冬氨酸合成过量后，反馈抑制磷酸烯醇 式丙酮酸羧化酶的活力，停止草酰乙酸的合成。所 以在正常情况下，谷氨酸并不积累。
(1) 、优先合成
在菌体的代谢中，谷氨酸比天冬 氨酸优先合成。谷氨酸合成过量后， 谷氨酸抑制谷氨酸脱氢酶的活力和阻 遏柠檬合成酶的合成。使代谢转向天 冬氨酸的合成；天冬氨酸合成过量后， 反馈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 正常情况下，谷氨酸并不积累。
黄色短杆菌中，谷氨酸、天冬氨酸生物合 成的调节机制
2谷氨酸发酵机制
反馈阻遏（feedback repression）：是指终产物（或终产
物的结构类似物）阻止催化该途径的一个或几个反应中的 一个或几个酶的合成，其实质是调节基因的作用，与此相 反有酶合成的诱导。
• 优先合成：对于分支途径而言，由于催化某一分支反应的酶
活性远远大于催化另一分支反应的酶活性，结果先合成酶活 性大的那2一、分优先支合的成终与平产衡物合。成当该终产物浓度达到一定浓度时， 就会抑制（该1酶）优，先使合代成（谢P转ref向eren合ce成d sy另nth一esi分s）支的终产物。
第二章 谷氨酸发酵机制
【教学目的与要求】理解并掌握谷氨酸的生物合成途
径及其调节机制、掌握谷氨酸产生菌细胞膜渗透性
控制
【教学重点与难点】掌握谷氨酸的生物合成途径及其
调节机制、发酵过程中谷氨酸产生菌细胞膜渗透性
控制
• 【教学内容】 2.1 谷氨酸的生物合成途径
•
2.2 谷氨酸生物合成的调节机制
•
2.3 谷氨酸发酵中细胞膜渗透性控制
2.1 谷氨酸的生物合成途径
2.1.1 谷氨酸生物合成的主要酶反应 • (1)谷氨酸脱氢酶（GDH）所催化的还原氨基化反应
α-酮戊二酸+NH4++NADPH2+→ 谷氨酸+H2O+NADP+
• (2) 转氨酶（AT）催化的转氨反应
α-酮戊二酸+氨基酸 → 谷氨酸+ α-酮酸
• (3) 谷氨酸合成酶（GS）催化的反应
2.1.3影响两条代谢途径比例的主要因素
• (1)内在因素：菌种特性
• 丙酮酸羧化酶 • 苹果酸酶 • 磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶
• 二氧化碳固定反应酶系 看上述酶活决定是否该
物的结构类似物）阻止催化该途径的一个或几个反应中的 一个或几个酶的合成，其实质是调节基因的作用，与此相 反有酶合成的诱导。
• 优先合成：对于分支途径而言，由于催化某一分支反应的酶
活性远远大于催化另一分支反应的酶活性，结果先合成酶活 性大的那2一、分优先支合的成终与平产衡物合。成当该终产物浓度达到一定浓度时， 就会抑制（该1酶）优，先使合代成（谢P转ref向eren合ce成d sy另nth一esi分s）支的终产物。
第二章 谷氨酸发酵机制
【教学目的与要求】理解并掌握谷氨酸的生物合成途
径及其调节机制、掌握谷氨酸产生菌细胞膜渗透性
控制
【教学重点与难点】掌握谷氨酸的生物合成途径及其
调节机制、发酵过程中谷氨酸产生菌细胞膜渗透性
控制
• 【教学内容】 2.1 谷氨酸的生物合成途径
•
2.2 谷氨酸生物合成的调节机制
•
2.3 谷氨酸发酵中细胞膜渗透性控制
2.1 谷氨酸的生物合成途径
2.1.1 谷氨酸生物合成的主要酶反应 • (1)谷氨酸脱氢酶（GDH）所催化的还原氨基化反应
α-酮戊二酸+NH4++NADPH2+→ 谷氨酸+H2O+NADP+
• (2) 转氨酶（AT）催化的转氨反应
α-酮戊二酸+氨基酸 → 谷氨酸+ α-酮酸
• (3) 谷氨酸合成酶（GS）催化的反应
2.1.3影响两条代谢途径比例的主要因素
• (1)内在因素：菌种特性
• 丙酮酸羧化酶 • 苹果酸酶 • 磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶
• 二氧化碳固定反应酶系 看上述酶活决定是否该
论述谷氨酸发酵的原理
论述谷氨酸发酵的原理
谷氨酸发酵是一种利用微生物如大肠杆菌（Escherichia coli）进行合成谷氨酸的生物工艺过程。
原理如下：
1. 微生物选择：在谷氨酸发酵中，经常选择大肠杆菌作为发酵菌。
大肠杆菌具有高产谷氨酸的能力，并且生长速度较快，适应性强。
2. 培养基准备：谷氨酸发酵的培养基需提供适合微生物生长和发酵所需的营养物质，如碳源、氮源、矿物盐和辅助因子等。
常用的碳源包括葡萄糖、淀粉等，氮源则可以是氨基酸、蛋白质等。
此外，还可添加特定的辅助因子如磷酸、镁离子等。
3. 发酵过程：将所选的微生物接种到预先准备好的培养基中，进行发酵过程。
在发酵过程中，微生物利用碳源和氮源进行生长和代谢，并分泌出所需的酶以转化底物产生目标产物谷氨酸。
4. 发酵控制：为了提高谷氨酸的产量和质量，发酵过程需要进行严格的控制。
这包括控制发酵温度、pH值、氧气供给和搅拌速度等。
适当调节这些因素可以提高微生物的生长速度和代谢产物的积累。
5. 谷氨酸提取和纯化：发酵结束后，需将谷氨酸从发酵液中提取出来，并进行纯化。
一般通过离心、过滤和浓缩等步骤，将目标产物分离提取。
接下来，通过
晶体化、离子交换层析等方法，进行纯化和分离，得到高纯度的谷氨酸。
总之，谷氨酸发酵的原理是利用适宜的菌种和培养基，通过微生物的生长和代谢过程，合成谷氨酸。
发酵过程需要进行严格的控制，以提高产量和质量，最终通过提取和纯化得到高纯度的谷氨酸。
氨基酸类药物的发酵生产—谷氨酸的发酵生产
生物素的来源：氨基酸生产上可以作为生物素来源的原料 有玉米浆、麸皮水解液、糖蜜及酵母水解液等，通常选取 几种混合使用。例如，许多工厂选择纯生物素、玉米浆、 糖蜜这三种物质来配制培养基。各种原料来源及加工工艺 不同，所含生物素的量不同。玉米浆含生物素500μg/kg， 麸皮含生物素300μg/kg，甘蔗糖蜜含生物素1500μg/kg。
操作简单 周期长，占地面积大。
直接常温等电点法工艺流程
发酵液
起晶中和点（pH4-4.5) 育晶（2h）
盐酸
菌体及细小的 谷氨酸晶体
等电点搅拌pH3-3.22 静置沉降4-6h 离心分离
成品
母液
干燥
湿谷氨酸晶体
2、离子交换法
可用阳离子交换树脂来提取吸附在树脂上的谷氨 酸阳离子，并可用热碱液洗脱下来，收集谷氨酸 洗脱流分，经冷却、加盐酸调pH 3.0～3.2进行结 晶，之后再用离心机分离即可得谷呈棒形或短杆形； 革兰氏阳性菌，无鞭毛，无芽孢；不能运动； 需氧性的微生物； 生物素缺陷型； 脲酶强阳性； 不分解淀粉、纤维素、油脂、酪蛋白、明胶等；
发酵中菌体发生明显形态变化，同时细胞膜渗透性改变； 二氧化碳固定反应酶系强； 异柠檬酸裂解酶活力欠缺或微弱，乙醛酸循环弱； α-酮戊二酸氧化能力微弱； 柠檬酸合成酶、乌头酸酶、异柠檬酸脱氢酶、谷氨酸脱氢酶活
有机氮丰富有利于长菌，因此谷氨酸发酵前期要 求一定量的有机氮，通常在基础培养基中加入适 量的有机氮，在发酵过程中流加尿素、液氨或氨 水来补充无机氮。
（3）无机盐
磷酸盐 ：工业生产上可用K2HPO4·3H2O、KH2PO4、 Na2HPO4·12H2O、NaH2PO4·2H2O等磷酸盐，也可用磷酸。 过高：代谢转向合成缬氨酸。 过低：菌体生长缓慢。
2谷氨酸发酵机制
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。由于谷 氨酸产生菌不利用菌体外的谷，故谷氨酸 成为最终产物。
2.2.1 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。
(三)乙醛酸循环的作用
由于三羧酸循环的缺陷(α-酮戊二酸脱 氢酶活力微弱，即α-酮戊二酸氧化能力微 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。
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：
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，理论糖酸转化率为81.7 ％。
倘若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(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：
细胞所处的能量状态用ATP、ADP和AMP之 间的关系来表示，称为能荷(energy charge)。能 荷计算公式为：
从上式可以看出，能荷是细胞所处能量状态 的一个指标。当细胞内的ATP全部转化为 AMP时， 能荷值为0；当AMP全部转化为ATP时，能荷值 为1。可见能荷值在0和1之间变动。已知大多数 细胞的能荷处于0～0.95之间，处于一种动态平 衡。
第二章 谷氨酸发酵
第二章 谷氨酸发酵机制 3 谷氨酸发酵中如何控制细胞膜的渗透性 控制细胞膜渗透性的方法 3.1. 控制磷脂的合成：细胞膜磷脂含量低，有利于提高细胞膜通透性。 (3) 油酸缺陷型 油酸缺陷型突变株阻断了油酸的合成，丧失了脂肪酸生物合成的能力。 (4) 甘油缺陷型 甘油缺陷型菌株的遗传阻碍是丧失α-磷酸甘油脱氢酶，自身不能合成α-磷酸甘 油和磷脂。 (5) 温度敏感突变株 其突变位置发生在与谷氨酸分泌有密切关系的细胞膜的结构基因上，发生碱基 的转换或颠换，这样为基因所指导释出的酶，在高温时失活，导致细胞膜某些 结构的改变。
第二章 谷氨酸发酵机制 乙醛酸循环的作用 (1) 菌体生长期 由于三羧酸循环的缺陷——α-酮戊二酸氧化能力微弱，即α-酮戊二酸脱氢酶活力微 弱，为了获得能量和产生生物合成反应所需的中间产物，需走乙醛酸循环途径。 乙醛酸循环产生的苹果酸仍可返回三羧酸循环。 (2) 谷氨酸生成期 封闭乙醛酸循环。 (3) 如果CO2固定反应完全不起作用，丙酮酸完全氧化成乙酰CoA，，则 3C6H12O6 2C5H9O4N 此时，理论糖酸转化率为54.4%. 实际生产中，因发酵条件控制、菌体形成、微量副产物等，消耗一部分糖，实际糖 酸转化率处于54.4%和81.7%之间。
α-酮酸
第二章 谷氨酸发酵机制 1 谷氨酸的生物合成途径
1.1 生成谷氨酸的主要酶反应 (3)谷氨酸合成酶(GS)催化的反应
COOH CHNH2 CH2 CH2 COOH
α-酮戊二酸
COOH
COOH
+
CHNH2 CH2 CH2 COOH
谷氨酰胺
+ NADPH + H+
谷氨酸合成酶
CHNH2
2 CH
第二章 谷氨酸发酵机制 3 谷氨酸发酵中如何控制细胞膜的渗透性 控制细胞膜渗透性的方法 3.1. 控制磷脂的合成：细胞膜磷脂含量低，有利于提高细胞膜通透性。 (1) 生物素缺陷型 生物素作为催化脂肪酸生物合成最初反应的关键酶乙酰CoA羧化酶的辅酶， 参与了脂肪酸的合成，进而影响磷脂的合成。限制发酵培养基中生物素的浓度 控制脂肪酸生物合成，从而控制控制磷脂的合成。当磷脂减少到正常值的一半 时，细胞变性，谷氨酸向膜外渗出，积累于发酵液中。 (2) 添加表面活性剂 在不饱和脂肪酸的合成过程中，吐温-60或饱和脂肪酸等抑制脂肪酸的合成。
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(1)菌体生长期 由于三羧酸循环的缺陷——α-酮戊二酸氧化能 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， 需走乙醛酸循环途径。乙醛酸循环中关键酶是异柠檬酸裂解 酶和苹果酸合成酶。 乙醛酸循环产生的琥珀酸、苹果酸仍可返回三羧酸循环， 可看作TCA的支路和中间产物的补给途径。 (2) 谷氨酸生成期 封闭乙醛酸循环。 这就说明在谷氨酸发酵中，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。
第三节 谷氨酸发酵中细胞膜渗透性的控制
一、细胞膜的结构
谷氨酸发酵的关键在于发酵培养期间谷氨酸产生菌细胞 膜结构和功能上的特异性变化。
二、控制细胞膜渗透性的方法
根据细胞膜的结构特征，控制细胞膜通透性的 方法主要有两种类型： 一类是通过控制磷脂的合成来控制细胞膜通透性； 一类是通过控制细胞壁的合成间接控制细胞膜通 透性。
三、氮代谢的调节
• 控制谷氨酸发酵的关键之一就是降低蛋白质的合 成能力，使合成的谷氨酸不去转化成其他氨基酸 和合成蛋白质。生物素亚适量时，几乎没有异柠 檬酸裂解酶活力，琥珀酸氧化力弱，苹果酸和草 酰乙酸脱羧反应停止，完全氧化降低，ATP量减 少，蛋白质合成停滞，在铵离子适量存在时，菌 体积累谷氨酸。 • 生物素充足时，蛋白质合成增强，谷氨酸减少， 谷氨酸通过转氨作用生成其他蛋白质。
生物素对糖代谢的调节与能荷的调节是不同的，能 荷是对糖代谢流的调节，而生物素能够促进糖的 EMP途径、HMP途径、TCA循环。 在糖代谢中，生物素能催化脱羧和羧化反应。糖代 谢中依赖生物素的特异反应有：丙酮酸转化成草酰乙 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a-酮戊二酸。
第二章
谷氨酸发酵机制
第一节 谷氨酸的生物合成途径
第二节 谷氨酸生物合成的调节机制
第三节 谷氨酸发酵过程中细胞膜渗透性 的控制
第一节 谷氨酸的生物合成途径
糖酵解作用（EMP途径） 戊糖磷酸途径（HMP途径） 三羧酸循环（TCA循环） 乙醛酸循环（DCA循环） 丙酮酸羧化支路（CO2固定反应） a-酮戊二酸的还原氨基化反应 这6条途径之间 是相互联系和相 互制约的。
第二节 谷氨酸生物合成的调节机制
一、优先合成与反馈调节
黄色短杆菌中谷氨酸的代谢调节机制
• 1.优先合成 柠檬酸、谷氨酸
• 2.磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶的调节
• 3.柠檬酸合成酶的调节
• 4.异柠檬酸脱氢酶的调节
• 5. a-酮戊二酸脱氢酶的调节
• 6.谷氨酸脱氢酶的调节
反馈抑制和反馈阻遏的区别：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。
（二）控制谷氨酸合成的重要措施
1.α-酮戊二酸氧化能力微弱，即α-酮戊二酸脱氢酶活力 微弱。 2. 谷氨酸脱氢酶活性强 3. 细胞膜对谷氨酸的通透性高
方法： 生物素亚适量 添加表面活性剂、高级 饱和脂肪酸或青霉素等
选育温度敏感突变株、
油酸缺陷性、甘油缺陷性等突变株
（三）乙醛酸循环的作用
1. 控制磷脂的合成
通过控制发酵培养基中的化学成分，达到控制磷 脂合成的目的，从而控制细胞膜的生物合成，导致 形成磷脂合成不足的不完全的细胞膜，使谷氨酸产 生菌处于异常的生理状态，以解除细胞对谷氨酸向 胞外渗漏的渗透障碍。
• 2.生物素对CO2固定反应的影响
生物素是丙酮酸羧化酶的辅酶，参与CO2固定反 应，据报道，生物素大过量时（100µ g/L）， CO2 固定反应可提高30%。
• 3.生物素对乙醛酸循环的影响
乙醛酸循环的关键酶是异柠檬酸裂解酶和苹果酸 酶。异柠檬酸裂解酶受葡萄糖、琥珀酸等阻遏，受 醋酸诱导。以葡萄糖为原料发酵生产谷氨酸时，通 过控制生物素亚适量，几乎看不到异柠檬酸裂解酶 的活性。
二、糖代谢的调节
（一）能荷控制
•
能量生成代谢系的调节
ห้องสมุดไป่ตู้
总结：
• 生物体内生物合成或其他需能反应加强时， ATP→ADP、AMP，能荷降低，激活降解，抑制 合成；
• 能荷高时， ADP、AMP → ATP，抑制糖原降解、 糖酵解、TCA，激活合成。
（二）生物素对糖代谢速率的调节
• 1.生物素对糖代谢速率的影响
• 总结：
在菌体的正常代谢中，谷氨酸比天冬氨酸优先合成，
谷氨酸合成过量时，谷氨酸抑制和阻遏谷氨酸脱氢酶的活
力、阻遏柠檬酸合成酶催化柠檬酸的合成，使代谢转向合 成天冬氨酸。天冬氨酸合成过量后，天冬氨酸抑制和阻遏 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，在正常情况下，谷氨酸并不积累。
一、生成谷氨酸的主要酶反应
1.谷氨酸脱氢酶(GHD)所催化的还原氨基化反应
+H2O
还原氨基化为主导性反应
2.转氨酶(AT)催化的转氨反应
3.谷氨酸合成酶(GS)催化的反应
a-酮戊二酸+谷氨酰胺
2谷氨酸
二、 谷氨酸生物合成的理想途径
由1mol葡萄糖发酵可以生成1mol谷氨酸，理论糖酸 转化率为81.7% 。
(3) 糖酸转化率 按理想途径进行发酵，即四碳二羧酸100%通过 CO2固定反应供给，理论糖酸转化率为81.7%。
如果CO2固定反应完全不起作用，通过乙醛酸循环供给四碳 二羧酸，理论糖酸转化率为54.4%。 3C6H12O6 2C5H9O4N
实际生产中，因发酵条件控制、菌体形成、微量副产物、生物 合成消耗的能量等，消耗一部分糖，实际糖酸转化率处于 54.4%和81.7%之间。
三、 谷氨酸发酵的代谢途径
（一）谷氨酸发 酵的代谢途径
EMP途径
HMP途径
TCA循环
DCA循环
CO2固定反应
磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶
（1）葡萄糖首先经EMP和HMP两个途径生成丙酮酸。生长 期：HMP 占38%，产酸期： HMP约占26%。 （2）生成的丙酮酸，一部分在丙酮酸脱氢酶系的作用下 氧化脱羧生成乙酰辅酶A，另一部分经CO2固定反应生成 草酰乙酸或苹果酸，催化CO2固定反应的酶有丙酮酸羧化 酶、苹果酸酶和磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶。 （3）草酰乙酸与乙酰辅酶A在柠檬酸合成酶催化作用下， 缩合成柠檬酸，进入三羧酸循环，柠檬酸在顺乌头酸酶的 作用下生成异柠檬酸，异柠檬酸再在异柠檬酸脱氢酶的作 用下生成a-酮戊二酸。 （4）a-酮戊二酸在谷氨酸脱氢酶作用下经还原氨基化反应 生成谷氨酸。此代谢途径至少有16步酶促反应。
第三节 谷氨酸发酵中细胞膜渗透性的控制
一、细胞膜的结构
谷氨酸发酵的关键在于发酵培养期间谷氨酸产生菌细胞 膜结构和功能上的特异性变化。
二、控制细胞膜渗透性的方法
根据细胞膜的结构特征，控制细胞膜通透性的 方法主要有两种类型： 一类是通过控制磷脂的合成来控制细胞膜通透性； 一类是通过控制细胞壁的合成间接控制细胞膜通 透性。
三、氮代谢的调节
• 控制谷氨酸发酵的关键之一就是降低蛋白质的合 成能力，使合成的谷氨酸不去转化成其他氨基酸 和合成蛋白质。生物素亚适量时，几乎没有异柠 檬酸裂解酶活力，琥珀酸氧化力弱，苹果酸和草 酰乙酸脱羧反应停止，完全氧化降低，ATP量减 少，蛋白质合成停滞，在铵离子适量存在时，菌 体积累谷氨酸。 • 生物素充足时，蛋白质合成增强，谷氨酸减少， 谷氨酸通过转氨作用生成其他蛋白质。
生物素对糖代谢的调节与能荷的调节是不同的，能 荷是对糖代谢流的调节，而生物素能够促进糖的 EMP途径、HMP途径、TCA循环。 在糖代谢中，生物素能催化脱羧和羧化反应。糖代 谢中依赖生物素的特异反应有：丙酮酸转化成草酰乙 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a-酮戊二酸。
第二章
谷氨酸发酵机制
第一节 谷氨酸的生物合成途径
第二节 谷氨酸生物合成的调节机制
第三节 谷氨酸发酵过程中细胞膜渗透性 的控制
第一节 谷氨酸的生物合成途径
糖酵解作用（EMP途径） 戊糖磷酸途径（HMP途径） 三羧酸循环（TCA循环） 乙醛酸循环（DCA循环） 丙酮酸羧化支路（CO2固定反应） a-酮戊二酸的还原氨基化反应 这6条途径之间 是相互联系和相 互制约的。
第二节 谷氨酸生物合成的调节机制
一、优先合成与反馈调节
黄色短杆菌中谷氨酸的代谢调节机制
• 1.优先合成 柠檬酸、谷氨酸
• 2.磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶的调节
• 3.柠檬酸合成酶的调节
• 4.异柠檬酸脱氢酶的调节
• 5. a-酮戊二酸脱氢酶的调节
• 6.谷氨酸脱氢酶的调节
反馈抑制和反馈阻遏的区别：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。
（二）控制谷氨酸合成的重要措施
1.α-酮戊二酸氧化能力微弱，即α-酮戊二酸脱氢酶活力 微弱。 2. 谷氨酸脱氢酶活性强 3. 细胞膜对谷氨酸的通透性高
方法： 生物素亚适量 添加表面活性剂、高级 饱和脂肪酸或青霉素等
选育温度敏感突变株、
油酸缺陷性、甘油缺陷性等突变株
（三）乙醛酸循环的作用
1. 控制磷脂的合成
通过控制发酵培养基中的化学成分，达到控制磷 脂合成的目的，从而控制细胞膜的生物合成，导致 形成磷脂合成不足的不完全的细胞膜，使谷氨酸产 生菌处于异常的生理状态，以解除细胞对谷氨酸向 胞外渗漏的渗透障碍。
• 2.生物素对CO2固定反应的影响
生物素是丙酮酸羧化酶的辅酶，参与CO2固定反 应，据报道，生物素大过量时（100µ g/L）， CO2 固定反应可提高30%。
• 3.生物素对乙醛酸循环的影响
乙醛酸循环的关键酶是异柠檬酸裂解酶和苹果酸 酶。异柠檬酸裂解酶受葡萄糖、琥珀酸等阻遏，受 醋酸诱导。以葡萄糖为原料发酵生产谷氨酸时，通 过控制生物素亚适量，几乎看不到异柠檬酸裂解酶 的活性。
二、糖代谢的调节
（一）能荷控制
•
能量生成代谢系的调节
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总结：
• 生物体内生物合成或其他需能反应加强时， ATP→ADP、AMP，能荷降低，激活降解，抑制 合成；
• 能荷高时， ADP、AMP → ATP，抑制糖原降解、 糖酵解、TCA，激活合成。
（二）生物素对糖代谢速率的调节
• 1.生物素对糖代谢速率的影响
• 总结：
在菌体的正常代谢中，谷氨酸比天冬氨酸优先合成，
谷氨酸合成过量时，谷氨酸抑制和阻遏谷氨酸脱氢酶的活
力、阻遏柠檬酸合成酶催化柠檬酸的合成，使代谢转向合 成天冬氨酸。天冬氨酸合成过量后，天冬氨酸抑制和阻遏 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，在正常情况下，谷氨酸并不积累。
一、生成谷氨酸的主要酶反应
1.谷氨酸脱氢酶(GHD)所催化的还原氨基化反应
+H2O
还原氨基化为主导性反应
2.转氨酶(AT)催化的转氨反应
3.谷氨酸合成酶(GS)催化的反应
a-酮戊二酸+谷氨酰胺
2谷氨酸
二、 谷氨酸生物合成的理想途径
由1mol葡萄糖发酵可以生成1mol谷氨酸，理论糖酸 转化率为81.7% 。
(3) 糖酸转化率 按理想途径进行发酵，即四碳二羧酸100%通过 CO2固定反应供给，理论糖酸转化率为81.7%。
如果CO2固定反应完全不起作用，通过乙醛酸循环供给四碳 二羧酸，理论糖酸转化率为54.4%。 3C6H12O6 2C5H9O4N
实际生产中，因发酵条件控制、菌体形成、微量副产物、生物 合成消耗的能量等，消耗一部分糖，实际糖酸转化率处于 54.4%和81.7%之间。
三、 谷氨酸发酵的代谢途径
（一）谷氨酸发 酵的代谢途径
EMP途径
HMP途径
TCA循环
DCA循环
CO2固定反应
磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶
（1）葡萄糖首先经EMP和HMP两个途径生成丙酮酸。生长 期：HMP 占38%，产酸期： HMP约占26%。 （2）生成的丙酮酸，一部分在丙酮酸脱氢酶系的作用下 氧化脱羧生成乙酰辅酶A，另一部分经CO2固定反应生成 草酰乙酸或苹果酸，催化CO2固定反应的酶有丙酮酸羧化 酶、苹果酸酶和磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶。 （3）草酰乙酸与乙酰辅酶A在柠檬酸合成酶催化作用下， 缩合成柠檬酸，进入三羧酸循环，柠檬酸在顺乌头酸酶的 作用下生成异柠檬酸，异柠檬酸再在异柠檬酸脱氢酶的作 用下生成a-酮戊二酸。 （4）a-酮戊二酸在谷氨酸脱氢酶作用下经还原氨基化反应 生成谷氨酸。此代谢途径至少有16步酶促反应。