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1、氨基酸工业代谢控制发酵氨基酸工业代谢控制发酵课程教学的基本要求课程教学的基本要求p了解氨基酸发酵行业发展现状与中国氨基酸行业存了解氨基酸发酵行业发展现状与中国氨基酸行业存在问题，氨基酸发酵行业发展方向在问题，氨基酸发酵行业发展方向p掌握谷氨酸的生物合成途径和谷氨酸发酵调节机制，掌握谷氨酸的生物合成途径和谷氨酸发酵调节机制，掌握谷氨酸细胞膜渗透性的控制方法掌握谷氨酸细胞膜渗透性的控制方法p了解谷氨酸生产菌的主要特征以及谷氨酸生产菌在了解谷氨酸生产菌的主要特征以及谷氨酸生产菌在发酵过程中的形态变化，掌握谷氨酸发酵的代谢控发酵过程中的形态变化，掌握谷氨酸发酵的代谢控制育种策略制育种策略第一节第一节
2、氨基酸工业现状及发展方向氨基酸工业现状及发展方向近近4040多年来，国内外在研究、开发和应用氨基酸方面多年来，国内外在研究、开发和应用氨基酸方面均取得重大进展，新发现的氨基酸种类和数量已由均取得重大进展，新发现的氨基酸种类和数量已由2020世纪世纪6060年代年代5050种左右，发展到种左右，发展到2020世纪世纪8080年代的年代的400400种，种，目前已达目前已达10001000多种。其中用于药物的氨基酸及氨基酸多种。其中用于药物的氨基酸及氨基酸衍生物的品种达衍生物的品种达100100多种。多种。氨基酸分为两大类，即蛋白质氨基酸和非蛋白质氨基氨基酸分为两大类，即蛋白质氨基酸和非蛋白质氨基
3、酸。酸。氨基酸中有氨基酸中有8 8种氨基酸人体本身不能合成，只能从食种氨基酸人体本身不能合成，只能从食物的蛋白质中摄取，称为必需氨基酸，它们是物的蛋白质中摄取，称为必需氨基酸，它们是L-L-赖氨赖氨酸、酸、L-L-色氨酸、色氨酸、L-L-苏氨酸、苏氨酸、L-L-缬氨酸、缬氨酸、L-L-亮氨酸、亮氨酸、L-L-异亮氨酸、异亮氨酸、L-L-苯丙氨酸和苯丙氨酸和L-L-蛋氨酸。蛋氨酸。还有两种半必需氨基酸，即精氨酸和酪氨酸。还有两种半必需氨基酸，即精氨酸和酪氨酸。氨基酸的生产方法氨基酸的生产方法p抽提法（水解蛋白质）抽提法（水解蛋白质）p化学合成法化学合成法p生物法（包括直接发酵法和酶转化）生物法（
4、包括直接发酵法和酶转化）目前绝大多数氨基酸是以发酵法或酶法生产的目前绝大多数氨基酸是以发酵法或酶法生产的谷氨酸发酵的历史谷氨酸发酵的历史p18661866年德国化学家里豪森利用硫酸水解小麦面筋，分年德国化学家里豪森利用硫酸水解小麦面筋，分离到一种酸性氨基酸，依据原料的取材，将此氨基酸离到一种酸性氨基酸，依据原料的取材，将此氨基酸命名为谷氨酸命名为谷氨酸p18721872年赫拉西维茨等用酪蛋白也制取了谷氨酸年赫拉西维茨等用酪蛋白也制取了谷氨酸p18901890年沃尔夫利用年沃尔夫利用-酮戊酸经溴化后合成酮戊酸经溴化后合成DL-DL-谷氨酸。谷氨酸。日本池田菊苗教授在探讨海带汁的鲜味时，提取了谷日
5、本池田菊苗教授在探讨海带汁的鲜味时，提取了谷氨酸，并在氨酸，并在19081908年开始制造商品味之素年开始制造商品味之素p19101910年日本味之素公司用水解法生产谷氨酸。年日本味之素公司用水解法生产谷氨酸。19361936年年美国从甜菜废液美国从甜菜废液(司蒂芬废液司蒂芬废液)中提取谷氨酸。中提取谷氨酸。氨基酸发酵的现状氨基酸发酵的现状p自从发酵法生产谷氨酸成功以后，世界各国纷纷自从发酵法生产谷氨酸成功以后，世界各国纷纷开展氨基酸发酵的研究与生产，产量增长很快。开展氨基酸发酵的研究与生产，产量增长很快。20002000年氨基酸产量达年氨基酸产量达237237万吨，销售额接近万吨，销售额接近
6、4545亿美亿美元，占生物技术产品销售额的元，占生物技术产品销售额的7 7。p目前氨基酸产业发展较快的国家是美国、日本和目前氨基酸产业发展较快的国家是美国、日本和中国。中国。我国氨基酸发酵的发展我国氨基酸发酵的发展p我国氨基酸生产最早在我国氨基酸生产最早在19221922年用酸法水解面筋生产谷氨酸年用酸法水解面筋生产谷氨酸钠即味精，在上海开办了天厨味精厂，该味精的制造方法钠即味精，在上海开办了天厨味精厂，该味精的制造方法曾向美、英、法申请专利，并取得了专利权。并先后建立曾向美、英、法申请专利，并取得了专利权。并先后建立了沈阳味精厂、青岛味精厂和天津味精厂，规模均很小，了沈阳味精厂、青岛味精厂和
7、天津味精厂，规模均很小，19491949年全国味精总产量不到年全国味精总产量不到500500吨。吨。p19651965年发酵法生产味精取得成功，带动了其他氨基酸的研年发酵法生产味精取得成功，带动了其他氨基酸的研究开发。究开发。p19651965年以后，我国味精生产全部采用以淀粉质或糖蜜为原年以后，我国味精生产全部采用以淀粉质或糖蜜为原料的微生物发酵工艺，大大的促进了生产的发展，到料的微生物发酵工艺，大大的促进了生产的发展，到19851985年全国味精生产企业达到年全国味精生产企业达到140140家。随着酶制剂的应用和生家。随着酶制剂的应用和生产工艺及装备的改进，技术水平不断提高，进一步推动了产
8、工艺及装备的改进，技术水平不断提高，进一步推动了味精生产的快速发展。味精生产的快速发展。p发酵法发酵法L-L-赖氨酸生产起步于赖氨酸生产起步于2020世纪世纪7070年代，当时仅有上海年代，当时仅有上海天厨味精厂少量生产，以实用为主，天厨味精厂少量生产，以实用为主，19811981年在广西建成年年在广西建成年产产100100吨食品级吨食品级L-L-赖氨酸试验工厂，于赖氨酸试验工厂，于19871987年投产。年投产。氨基酸发酵的发展动向氨基酸发酵的发展动向新技术和工艺的开发应用新技术和工艺的开发应用1.现代生物技术在氨基酸工业中的应用2.生物化工技术在氨基酸工业中的应用新产品的开发、新应用领域的
9、拓展新产品的开发、新应用领域的拓展1.医药中间体2.肽类3.多聚氨基酸4.氨基酸系表面活性剂第二节第二节 微生物代谢控制发酵微生物代谢控制发酵p微生物代谢调节微生物代谢调节 1 1、时序调节、时序调节(temporal regulation)(temporal regulation)微生物对生长、发育、分化不同生理时期的代谢调节微生物对生长、发育、分化不同生理时期的代谢调节 2 2、适应调节、适应调节 微生物对细胞内外环境的变化作出应答性调节微生物对细胞内外环境的变化作出应答性调节p微生物的经济化学与合目的性微生物的经济化学与合目的性 Economic BiochemistryEconomic
10、 Biochemistry（经济化学）：微生物利于生（经济化学）：微生物利于生存发生的所有生化反应皆有精确计算，有很高经济效益存发生的所有生化反应皆有精确计算，有很高经济效益 Telenomic Telenomic（合目的性）：微生物按需要有目的进行（合目的性）：微生物按需要有目的进行物质合成的能力物质合成的能力一、代谢控制发酵的定义一、代谢控制发酵的定义代谢控制发酵：微生物正常代谢调节，不过量积累代谢控制发酵：微生物正常代谢调节，不过量积累初级代谢产物；人为解除正常代谢调节，而大量积初级代谢产物；人为解除正常代谢调节，而大量积累初级代谢产物的发酵方式。累初级代谢产物的发酵方式。代谢控制发酵方
11、法代谢控制发酵方法：1 1、发酵条件控制、发酵条件控制 2 2、菌种遗传改造、菌种遗传改造1 1、分解代谢降解物阻遏、分解代谢降解物阻遏 分解代谢降解物阻遏：几种底物同时存在时，易利用对分解代谢降解物阻遏：几种底物同时存在时，易利用对难利用或利用快对利用慢底物分解的抑制作用。难利用或利用快对利用慢底物分解的抑制作用。2 2、解除分解代谢降解物阻遏的技术与方法、解除分解代谢降解物阻遏的技术与方法p 发酵条件控制发酵条件控制 加入安慰诱导物：如加入安慰诱导物：如LacLac结构类似物结构类似物IPTGIPTGp 抗降解物阻遏突变株的选育抗降解物阻遏突变株的选育 加入高浓度底物筛选仍产生大量目的产物
12、的突变株加入高浓度底物筛选仍产生大量目的产物的突变株二、分解代谢降解物阻遏二、分解代谢降解物阻遏反馈调节作用反馈调节作用1 1、终产物反馈阻遏和反馈抑制、终产物反馈阻遏和反馈抑制 野生型菌株野生型菌株“A A”氨基酸合成操纵子模型氨基酸合成操纵子模型ARPOA结构基因无活性repressorARNA聚合酶反馈阻遏反馈阻遏活性A合成酶系（E1,E2）A反馈抑制反馈抑制超过生理需要量野生型菌株酶合成水平的反馈阻遏 野生型菌株酶活性水平的反馈抑制野生型菌株酶活性水平的反馈抑制过量过量A A作用效应物位点，酶构型变化，影响酶活性中心而失活作用效应物位点，酶构型变化，影响酶活性中心而失活Gene编码酶效
13、应物位点 过量A酶活中心酶活中心反馈阻遏与反馈抑制比较反馈阻遏与反馈抑制比较 反馈阻遏反馈阻遏反馈抑制反馈抑制控制对象酶合成酶活性控制量终产物浓度终产物浓度控制水平转录水平酶构象变化控制装置终产物与阻遏蛋白亲和终产物与控制酶构象的部位亲和控制装置的动作阻遏蛋白与操纵子基因结合,不转录mRNA酶构型变化，活性中心失活形成控制开关控制酶活性大小控制反应迟缓，粗控制迅速，精控制细胞经济超高效益高效益2 2、解除反馈阻遏、反馈抑制突变株的选育、解除反馈阻遏、反馈抑制突变株的选育野生型菌株野生型菌株诱变诱变解除反馈调节突变株解除反馈调节突变株AR-或或AO-AR-AO-酶基因突变酶基因突变 解除反馈调节
14、突变株可以大量积累末端产物解除反馈调节突变株可以大量积累末端产物筛选方法：筛选方法：解除解除Lys反馈调节突变株筛选反馈调节突变株筛选野生型菌株野生型菌株诱变诱变菌细胞菌细胞正常反馈调节型正常反馈调节型解除反馈调节突变型解除反馈调节突变型第三节第三节 谷氨酸的生物合成途径谷氨酸的生物合成途径p生产谷氨酸的主要菌株生产谷氨酸的主要菌株p生成谷氨酸的主要酶反应生成谷氨酸的主要酶反应p谷氨酸生物合成的理想途径谷氨酸生物合成的理想途径p谷氨酸发酵的代谢途径谷氨酸发酵的代谢途径 GluGlu发酵常用菌种发酵常用菌种 谷氨酸棒杆菌谷氨酸棒杆菌(C.glutamicumC.glutamicum)北京棒杆菌北
15、京棒杆菌(C.peikingC.peiking AS.1229)AS.1229)黄色短杆菌黄色短杆菌(Brevibacterium flavumBrevibacterium flavum)乳糖发酵短杆菌乳糖发酵短杆菌(B.lactofermentumB.lactofermentum)谷氨酸的生物合成包括谷氨酸的生物合成包括由葡萄糖生物合成谷氨酸的理想途径：由葡萄糖生物合成谷氨酸的理想途径：A？B？谷氨酸生物合成的理想途径谷氨酸生物合成的理想途径谷氨酸发酵的代谢途径谷氨酸发酵的代谢途径p生成的丙酮酸，一部分在丙酮酸脱生成的丙酮酸，一部分在丙酮酸脱氢酶系的作用下氧化脱羧生成乙酰氢酶系的作用下氧化脱
16、羧生成乙酰CoA，另一部分经，另一部分经CO2固定反应生成固定反应生成草酰乙酸或苹果酸，催化草酰乙酸或苹果酸，催化CO2固定固定反应的酶有丙酮酸羧化酶、苹果酸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。酶和磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶。p草酰乙酸与乙酰草酰乙酸与乙酰CoA在柠檬酸合成在柠檬酸合成酶催化作用下，缩合成柠檬酸，进酶催化作用下，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酸再在异柠檬酸脱氢酶的作用下生成成-酮戊二酸，酮戊二酸，-酮戊二酸是谷氨酮戊二酸是谷氨酸合成的直接前体酸合成的直接前体。p-酮戊二酸在谷氨酸脱氢酶作用下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经还原氨基化反应生成谷氨酸CO2固定酶固定酶系活力强系活力强Citrate synthase,Aconitase,ICDH,GDH酶活力强酶活力强乙醛酸循环弱乙醛酸循环弱异柠檬酸裂解酶异柠檬酸裂解酶活力欠缺或微弱活力欠缺或微弱-酮戊二酸氧化酮戊二酸氧化能力缺失或微弱能力缺失或微弱
