燃料和工业化学品.ppt

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1、微生物工程与设备微生物工程与设备湖师院生科院湖师院生科院第一节第一节 谷氨酸谷氨酸生物合成途径生物合成途径：糖经过酵解途径（：糖经过酵解途径（EMP)和单磷酸己糖途径和单磷酸己糖途径（HMP）生成丙酮酸。一方面，丙酮酸氧化脱羧生成乙酰）生成丙酮酸。一方面，丙酮酸氧化脱羧生成乙酰-CoA，另一方面，经，另一方面，经CO2固定作用生成草酰乙酸，两者合成固定作用生成草酰乙酸，两者合成柠檬酸进入三羧酸循环（柠檬酸进入三羧酸循环（TCA循环），由三羧酸循环的中间产循环），由三羧酸循环的中间产物物-酮戊二酸在谷氨酸脱氢酶催化下，还原氨基化合成谷氨酮戊二酸在谷氨酸脱氢酶催化下，还原氨基化合成谷氨酸。酸。合成

2、途径包括合成途径包括EMP、HMP、TCA循环，乙醛酸循环循环，乙醛酸循环（DCA）和）和CO2的固定作用。的固定作用。总反应式总反应式 C6H12O6+NH3+3/2O2 C5H9O4N+CO2+3H2O理论转化率：（理论转化率：（147/180）100%=81.7%第十八章第十八章 燃料和工业化学品燃料和工业化学品谷谷氨氨酸酸的的生生物物合合成成途途径径CO2第一节第一节 谷氨酸谷氨酸一、一、EMP和和HMP1.EMP途径途径葡萄糖葡萄糖 丙酮酸丙酮酸 生成不同产物生成不同产物2.HMP途径途径 6-磷酸葡萄糖在磷酸葡萄糖在6-磷酸葡萄糖脱氢酶作用下氧化生成磷酸葡萄糖脱氢酶作用下氧化生成6

3、-磷酸葡萄糖酸，后者生成磷酸葡萄糖酸，后者生成5-磷酸戊糖，通过戊糖代谢分磷酸戊糖，通过戊糖代谢分解成解成3C化合物和化合物和2C化合物，化合物，3C化合物与化合物与EMP途径联系，途径联系，2C化合物进入化合物进入TCA.第一节第一节 谷氨酸谷氨酸生物素充足菌：生物素充足菌：HMP途径所占比例为途径所占比例为38%生物素亚适量菌：生物素亚适量菌：HMP途径所占比例为途径所占比例为26%第一节第一节 谷氨酸谷氨酸一、一、EMP和和HMP二、二、TCA、DCA和和CO2固定作用固定作用1.TCA循环循环-酮戊二酸脱氢酶：酮戊二酸脱氢酶：活力很弱，使糖代谢流活力很弱，使糖代谢流进入进入TCA循环后

4、受阻在循环后受阻在-酮戊二酸处，在有酮戊二酸处，在有NH4+存在下，由谷氨酸存在下，由谷氨酸脱氢酶催化还原氨基化脱氢酶催化还原氨基化生成谷氨酸生成谷氨酸CO2第一节第一节 谷氨酸谷氨酸2.DCA循环（乙醛酸循环）循环（乙醛酸循环）作为作为TCA循环有缺陷时循环有缺陷时C4二羧酸的补充，特别是以醋酸二羧酸的补充，特别是以醋酸和乙醇为原料的谷氨酸发酵，它是和乙醇为原料的谷氨酸发酵，它是C4二羧酸的唯一补充来二羧酸的唯一补充来源源作为能量供给来源的末端氧化系作为能量供给来源的末端氧化系3C6H12O6 6丙酮酸丙酮酸 6醋酸醋酸6醋酸醋酸+2NH3+3O2 2C5H9O4N+2CO2+6H2O转化率

5、：转化率：2 147/（3180）100%=54.4%二、二、TCA、DCA和和CO2固定作用固定作用第一节第一节 谷氨酸谷氨酸3.CO2固定固定在谷氨酸产生菌中已检出两种在谷氨酸产生菌中已检出两种CO2固定酶：固定酶：磷酸烯醇丙酮酸（磷酸烯醇丙酮酸（PEP）羧化酶和苹果酸酶）羧化酶和苹果酸酶PEP+CO2+GDP 草酰乙酸草酰乙酸+GTPPEP羧化酶羧化酶丙酮酸丙酮酸 苹果酸苹果酸 草酰乙酸草酰乙酸苹果酸脱氢酶苹果酸脱氢酶苹果酸酶苹果酸酶CO2 NAD+NADH+H+PEP羧化酶对羧化酶对PEP的表现亲和力约是丙酮酸激酶的的表现亲和力约是丙酮酸激酶的1/10二、二、TCA、DCA和和CO2固

6、定作用固定作用第一节第一节 谷氨酸谷氨酸PEP浓度低浓度低PEP易进入易进入分解途径分解途径乙酰乙酰-CoA浓度增加浓度增加与与二二磷磷酸酸果果糖糖共共同同激激活活PEP羧羧化化酶酶转向转向CO2固定固定草酰乙酸草酰乙酸TCA循环中间循环中间产物浓度增加产物浓度增加抑制抑制PEP羧羧化酶化酶防止防止过剩过剩乙酰乙酰-CoA氧化氧化ATP水平提高水平提高抑制丙酮抑制丙酮酸激酶酸激酶所以在谷氨酸发酵所以在谷氨酸发酵中，糖的分解代谢中，糖的分解代谢途径与途径与CO2固定的固定的适当比例是提高谷适当比例是提高谷氨酸对糖收率的关氨酸对糖收率的关键问题。键问题。第一节第一节 谷氨酸谷氨酸三、氨的导入三、氨

7、的导入1.糖代谢中间体糖代谢中间体-酮戊二酸还原氨基化生成谷氨酸酮戊二酸还原氨基化生成谷氨酸2.天冬氨酸或丙氨酸通过氨基转移作用将氨基转给天冬氨酸或丙氨酸通过氨基转移作用将氨基转给-酮戊二酸而生成酮戊二酸而生成3.谷氨酸合成酶途径谷氨酸合成酶途径导导入入方方式式柠檬酸柠檬酸异柠檬酸异柠檬酸-酮戊二酸酮戊二酸谷氨酸谷氨酸NADPH+H+NADPNH4+异柠檬酸脱氢酶异柠檬酸脱氢酶：需：需NADP为为辅酶，催化辅酶，催化-酮戊二酸的生成酮戊二酸的生成（谷氨酸的前体），并为谷氨（谷氨酸的前体），并为谷氨酸脱氢酶提供辅酶酸脱氢酶提供辅酶谷氨酸脱氢酶谷氨酸脱氢酶：需：需NADPH+H+为辅酶为辅酶活细胞

8、中，异柠檬酸脱氢酶活活细胞中，异柠檬酸脱氢酶活性小于谷氨酸脱氢酶活性性小于谷氨酸脱氢酶活性第一节第一节 谷氨酸谷氨酸 黄色短杆菌中，谷氨酸脱氢酶对黄色短杆菌中，谷氨酸脱氢酶对-酮戊二酸和谷氨酸酮戊二酸和谷氨酸表现表现出同促相互作用，低浓度的出同促相互作用，低浓度的-酮戊二酸和谷氨酸对此酶有显酮戊二酸和谷氨酸对此酶有显著的激活作用。著的激活作用。谷氨酸的生成被反应产物谷氨酸所抑制。谷氨酸的生成被反应产物谷氨酸所抑制。逆反应又被逆反应又被NHNH4 4+和和-酮戊二酸所抑制。酮戊二酸所抑制。生物素缺乏菌生物素缺乏菌NH4+存在：葡萄糖消耗速度快，谷氨酸生成存在：葡萄糖消耗速度快，谷氨酸生成收率高收

9、率高NH4+不存在：糖消耗速度慢，生成物是不存在：糖消耗速度慢，生成物是-酮酮戊二酸、丙酮酸、醋酸和琥珀酸戊二酸、丙酮酸、醋酸和琥珀酸生物素充足菌生物素充足菌：NH4+几乎不影响糖代谢几乎不影响糖代谢生物素和生物素和NH4+对糖代谢的影响：对糖代谢的影响：三、氨的导入三、氨的导入第一节第一节 谷氨酸谷氨酸20世纪世纪70年代初，在年代初，在细菌中发现了谷氨酸细菌中发现了谷氨酸合成酶途径合成酶途径谷氨酸合成酶对谷氨酸合成酶对NH4+的亲和力比谷氨酸脱氢酶强的多。的亲和力比谷氨酸脱氢酶强的多。谷氨酸发酵，细胞内的谷氨酸浓度高，反馈抑制谷氨谷氨酸发酵，细胞内的谷氨酸浓度高，反馈抑制谷氨酸脱氢酶活性，

10、但不抑制谷氨酸合成酶酸脱氢酶活性，但不抑制谷氨酸合成酶三、氨的导入三、氨的导入第一节第一节 谷氨酸谷氨酸在在生生物物素素贫贫乏乏和和丰丰富富培培养养基基中中生生长长的的黄黄色色短短杆杆菌菌体体内内游游离离的的和和培培养养基基中中存存在在的的氨氨基基酸酸组组成成及及洗洗涤涤影影响响第一节第一节 谷氨酸谷氨酸四、菌种选育四、菌种选育1.在生物素贫乏培养基中积累大量谷氨酸，而在生物素丰富在生物素贫乏培养基中积累大量谷氨酸，而在生物素丰富的培养基中几乎不积累谷氨酸的培养基中几乎不积累谷氨酸2.生物素贫乏的细胞内，谷氨酸含量少，而且容易被洗出，生物素贫乏的细胞内，谷氨酸含量少，而且容易被洗出，在生物素丰

11、富的细胞内含有大量谷氨酸，而且不易被洗出，在生物素丰富的细胞内含有大量谷氨酸，而且不易被洗出，只有用表面活性剂处理才能洗出只有用表面活性剂处理才能洗出硫硫殖殖短短杆杆菌菌体体内内油油酸酸量量和和体体外外谷谷氨氨酸酸生生成成量量 研究发现一些菌体内，当饱和脂研究发现一些菌体内，当饱和脂肪酸增加，不饱和脂肪酸减少，它肪酸增加，不饱和脂肪酸减少，它们间的比例超过们间的比例超过1时，有利于谷氨时，有利于谷氨酸的分泌。酸的分泌。不饱和脂肪酸以油酸为主，油不饱和脂肪酸以油酸为主，油酸对细胞膜的谷氨酸通透性不利，酸对细胞膜的谷氨酸通透性不利，有碍谷氨酸排出体外有碍谷氨酸排出体外第一节第一节 谷氨酸谷氨酸四、

12、菌种选育四、菌种选育后来研究发现细后来研究发现细胞膜的谷氨酸通胞膜的谷氨酸通透性受细胞膜的透性受细胞膜的磷脂磷脂含量控制，含量控制，关于不饱和脂肪关于不饱和脂肪酸对谷氨酸分泌酸对谷氨酸分泌的影响，也是由的影响，也是由于于不饱和脂肪酸不饱和脂肪酸减少而导致减少而导致磷脂磷脂含量减少。含量减少。细菌细胞的谷氨酸排出控制机制细菌细胞的谷氨酸排出控制机制第一节第一节 谷氨酸谷氨酸四、菌种选育四、菌种选育磷磷 脂脂 结结 构构谷氨酸分泌谷氨酸分泌细胞膜控制细胞膜控制细胞膜的磷脂含量细胞膜的磷脂含量控制磷脂的合成或使细胞膜受损控制磷脂的合成或使细胞膜受损控制油酸的合成、甘油的合成或磷脂的合成控制油酸的合成

13、、甘油的合成或磷脂的合成第一节第一节 谷氨酸谷氨酸四、菌种选育四、菌种选育1、生物素缺陷型、生物素缺陷型生物素：生物素：脂肪酸生物合成中乙酰脂肪酸生物合成中乙酰-CoA羧化酶的辅酶，催化乙羧化酶的辅酶，催化乙酰酰CoA合成丙二酰合成丙二酰-CoA第一节第一节 谷氨酸谷氨酸四、菌种选育四、菌种选育生物素缺陷型：生物素缺陷型：阻断了生物素的合成，限制外源生物素供应量阻断了生物素的合成，限制外源生物素供应量 抑抑制了不饱和脂肪酸的合成制了不饱和脂肪酸的合成 磷脂含量减少，从而含量不磷脂含量减少，从而含量不足足 细胞膜结构不完整细胞膜结构不完整 提高了细胞膜的谷氨酸通透提高了细胞膜的谷氨酸通透型型当原

14、料中生物素丰富，则可以在发酵过程中添加：当原料中生物素丰富，则可以在发酵过程中添加：饱和脂肪酸的表面活性剂：饱和脂肪酸的表面活性剂：促使脂肪酸和它的表面活性促使脂肪酸和它的表面活性 剂对生物素有拮抗作用，阻断不饱和脂肪酸的合成剂对生物素有拮抗作用，阻断不饱和脂肪酸的合成 青霉素：青霉素：抑制细胞壁的合成，从而使细胞膜失去细胞壁抑制细胞壁的合成，从而使细胞膜失去细胞壁 的保护而发生继发性变化所致的保护而发生继发性变化所致1、生物素缺陷型、生物素缺陷型第一节第一节 谷氨酸谷氨酸四、菌种选育四、菌种选育2、选育油酸缺陷型、选育油酸缺陷型 油酸缺陷型：阻断不饱和脂肪酸合成，并限制外源供给量，油酸缺陷型

15、：阻断不饱和脂肪酸合成，并限制外源供给量，从而限制了磷脂的合成。从而限制了磷脂的合成。3、选育甘油缺陷型、选育甘油缺陷型 甘油缺陷型：阻断甘油的合成，并限制外源供给量，从而限甘油缺陷型：阻断甘油的合成，并限制外源供给量，从而限制了磷脂的合成。制了磷脂的合成。4、温度敏感突变株、温度敏感突变株磷脂本身的合成发生障碍，磷脂含量就低。磷脂本身的合成发生障碍，磷脂含量就低。5、其他突变株、其他突变株一些营养缺陷型、药物抗性突变株和敏感型突变株等。一些营养缺陷型、药物抗性突变株和敏感型突变株等。第一节第一节 谷氨酸谷氨酸四、菌种选育四、菌种选育抗抗药药性性突突变变株株的的谷谷氨氨酸酸生生产产其它突变株的谷氨酸生产其它突变株的谷氨酸生产第一节第一节 谷氨酸谷氨酸四、菌种选育四、菌种选育