第八章 天冬氨酸族氨基酸发酵机制第八章 天冬氨酸族氨基酸发酵机制重点重点：天冬氨酸族氨基酸生物合成途径及代谢：天冬氨酸族氨基酸生物合成途径及代谢调节机制；天冬氨酸族氨基酸生物合成的代谢调节机制；天冬氨酸族氨基酸生物合成的代谢调节机制；酵母和霉菌的赖氨酸生物合成途径调节机制；酵母和霉菌的赖氨酸生物合成途径和调节机制；赖氨酸生产菌的育种途径；和调节机制；赖氨酸生产菌的育种途径； 难点难点：天冬氨酸族氨基酸生物合成的代谢：天冬氨酸族氨基酸生物合成的代谢调节机制；调节机制；氨基酸本身的合成在不同生物体中，有较大的差异，氨基酸本身的合成在不同生物体中，有较大的差异，然而许多氨基酸的合成途径在不同生物体中也有然而许多氨基酸的合成途径在不同生物体中也有共同之处。共同之处。 按照起始物可将氨基酸的合成分成几个家族：按照起始物可将氨基酸的合成分成几个家族： 谷氨酸族（谷氨酸族（-酮戊二酸族）酮戊二酸族） 包括：谷氨酸、谷氨酰胺、精氨酸、赖氨酸和包括：谷氨酸、谷氨酰胺、精氨酸、赖氨酸和脯氨酸；脯氨酸； 丙酮酸族丙酮酸族 包括：丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸；包括：丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸； 天冬氨酸族（草酰乙酸族）天冬氨酸族（草酰乙酸族） 包括：天冬氨酸、天冬酰胺、苏氨酸和异亮氨包括：天冬氨酸、天冬酰胺、苏氨酸和异亮氨酸；酸；磷酸甘油酸族磷酸甘油酸族 包括：甘氨酸、丝氨酸和半胱氨酸；包括：甘氨酸、丝氨酸和半胱氨酸；芳香族芳香族 包括：苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸；包括：苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸； 另外，组氨酸的合成为单独的一条途径。另外，组氨酸的合成为单独的一条途径。第一节第一节 生物合成途径（天冬氨酸族）生物合成途径（天冬氨酸族）及代谢调控机制及代谢调控机制一、生物合成途径一、生物合成途径 天冬氨酸族氨基酸合成可以以草酰乙酸天冬氨酸族氨基酸合成可以以草酰乙酸或天冬氨酸为原料，合成苏氨酸、异亮氨酸、或天冬氨酸为原料，合成苏氨酸、异亮氨酸、蛋氨酸和赖氨酸。蛋氨酸和赖氨酸。葡萄糖葡萄糖 丙酮酸丙酮酸 草酰乙酸草酰乙酸天冬氨酸天冬氨酸 天冬氨酸天冬氨酸-半醛半醛 赖氨酸赖氨酸 高丝氨酸高丝氨酸 蛋氨酸蛋氨酸 苏氨酸苏氨酸 异亮氨酸异亮氨酸EMPCO2 固定、氧化固定、氧化 氨基化反应氨基化反应天冬氨酸激酶天冬氨酸激酶天冬氨酸天冬氨酸-半醛脱氢酶半醛脱氢酶二氢吡啶二羧酸（二氢吡啶二羧酸（DDP）合成酶）合成酶高丝氨酸脱氢酶高丝氨酸脱氢酶 琥珀酰高丝氨琥珀酰高丝氨酸合成酶酸合成酶高丝氨酸激酶高丝氨酸激酶苏氨酸脱氨酶苏氨酸脱氨酶二、天冬氨酸族生物合成的代谢调节机制 在细菌中，虽然天冬氨酸族氨基酸生物合成途径是相同的，但是其代谢调节机制是多种多样的。1.大肠杆菌K12天冬氨酸激酶（ AK） AK:AK:受苏氨酸、异亮氨酸的多价抑制和阻遏受苏氨酸、异亮氨酸的多价抑制和阻遏 天冬氨酸激酶天冬氨酸激酶 AK AK：受蛋氨酸专一性抑制和阻遏：受蛋氨酸专一性抑制和阻遏 AK AK：受赖氨酸专一性抑制和阻遏：受赖氨酸专一性抑制和阻遏天冬氨酸天冬氨酸-半醛脱氢酶半醛脱氢酶 专一性的受赖氨酸不完全的抑制专一性的受赖氨酸不完全的抑制二氢吡啶二羧酸（二氢吡啶二羧酸（DDP）合成酶（赖氨酸分）合成酶（赖氨酸分支的第一个酶）支的第一个酶） DDP合成酶受赖氨酸反馈抑制。合成酶受赖氨酸反馈抑制。 二氨基庚二酸（二氨基庚二酸（DAP）脱羧酶受赖氨酸阻遏）脱羧酶受赖氨酸阻遏高丝氨酸脱氢酶（高丝氨酸脱氢酶（HDHD）（通向苏氨酸、蛋氨）（通向苏氨酸、蛋氨酸分支的第一个酶）酸分支的第一个酶） HD HDHD HD：受苏氨酸反馈抑制：受苏氨酸反馈抑制 HD HD：受蛋氨酸阻遏：受蛋氨酸阻遏苏氨酸脱氨酶（异亮氨酸合成途径的酶）苏氨酸脱氨酶（异亮氨酸合成途径的酶） 受异亮氨酸的反馈抑制和阻遏受异亮氨酸的反馈抑制和阻遏2.2.黄色短杆菌黄色短杆菌 其赖氨酸生物合成调节机制比大肠杆菌其赖氨酸生物合成调节机制比大肠杆菌简单，其天冬氨酸激酶只有一种，该酶具有简单，其天冬氨酸激酶只有一种，该酶具有两个变构部位，可以与终产物结合，当只有两个变构部位，可以与终产物结合，当只有一种终产物（赖氨酸或苏氨酸）与酶结合，一种终产物（赖氨酸或苏氨酸）与酶结合，酶活性不受影响。当两种终产物（赖氨酸和酶活性不受影响。当两种终产物（赖氨酸和苏氨酸）同时过量时，与酶的两个变构部位苏氨酸）同时过量时，与酶的两个变构部位结合，该酶活性受到抑制，这种终产物的反结合，该酶活性受到抑制，这种终产物的反馈抑制称为馈抑制称为协同反馈抑制协同反馈抑制。P P P P74747474图图图图6-3 6-3 6-3 6-3 3.3.乳糖发酵短杆菌赖氨酸合成调节乳糖发酵短杆菌赖氨酸合成调节 P P7575，图，图6-6-5 51 1）存在代谢优先向苏氨酸和蛋氨酸方向进行。）存在代谢优先向苏氨酸和蛋氨酸方向进行。2 2）与黄色短杆菌区别：）与黄色短杆菌区别：n nAKAK受赖氨酸受赖氨酸+ +苏氨酸的反馈抑制苏氨酸的反馈抑制n n存在代谢互锁，存在代谢互锁，DDPDDP合成酶的合成受亮氨酸阻合成酶的合成受亮氨酸阻遏。遏。DDPDDP还原酶受半胱氨酸和丙氨酸抑制。还原酶受半胱氨酸和丙氨酸抑制。三、酵母和霉菌的赖氨酸生物合成途径和三、酵母和霉菌的赖氨酸生物合成途径和调节机制调节机制 所谓同型所谓同型TCATCA循环途径进行，但生物合循环途径进行，但生物合成酶与成酶与TCATCA循环酶完全两样。循环酶完全两样。第二节第二节 赖氨酸生产菌的育种途径赖氨酸生产菌的育种途径 出发菌株的选择：要求代谢比较简单的细出发菌株的选择：要求代谢比较简单的细菌（如黄色短杆菌、谷氨酸棒杆菌、乳酸发酵菌（如黄色短杆菌、谷氨酸棒杆菌、乳酸发酵短杆菌等）短杆菌等） 1.优先合成的转换：渗漏缺陷型的选育。优先合成的转换：渗漏缺陷型的选育。 降低高丝氨酸脱氢酶活性，使代谢流转向优降低高丝氨酸脱氢酶活性，使代谢流转向优先合成赖氨酸。先合成赖氨酸。 高丝氨酸脱氢酶渗漏缺陷型高丝氨酸脱氢酶渗漏缺陷型。 2.2.切断支路代谢：营养缺陷型的选育。切断支路代谢：营养缺陷型的选育。 黄色短杆菌、谷氨酸棒杆菌，对天冬黄色短杆菌、谷氨酸棒杆菌，对天冬氨酸激酶的反馈抑制是赖氨酸氨酸激酶的反馈抑制是赖氨酸+ +苏氨酸的协苏氨酸的协同作用，通过诱变使同作用，通过诱变使高丝氨酸脱氢酶缺失高丝氨酸脱氢酶缺失，切断通向苏氨酸、蛋氨酸的代谢流，控制切断通向苏氨酸、蛋氨酸的代谢流，控制高丝氨酸（或苏氨酸高丝氨酸（或苏氨酸+ +蛋氨酸）量，降低苏蛋氨酸）量，降低苏氨酸浓度，解除协同反馈作用，过量积累氨酸浓度，解除协同反馈作用，过量积累赖氨酸。赖氨酸。 3.3.抗结构类似物突变株的选育（代谢调节突变）。抗结构类似物突变株的选育（代谢调节突变）。优点：突变株遗传性地解除了终产物对自身合成优点：突变株遗传性地解除了终产物对自身合成途径的酶的调节控制，不受培养基中所要求物途径的酶的调节控制，不受培养基中所要求物质浓度的影响，生产较稳定。质浓度的影响，生产较稳定。 通过诱变使天冬氨酸激酶编码的结构基因通过诱变使天冬氨酸激酶编码的结构基因发生突变，对赖氨酸及结构类似物不敏感，即发生突变，对赖氨酸及结构类似物不敏感，即使有过量苏氨酸存在，该酶也不与赖氨酸或结使有过量苏氨酸存在，该酶也不与赖氨酸或结构类似物结合，但酶活性中心不变。构类似物结合，但酶活性中心不变。 4.解除代谢互锁解除代谢互锁选育亮氨酸缺陷型菌株，或者以抗选育亮氨酸缺陷型菌株，或者以抗AECAEC的赖的赖氨酸的生产菌为出发菌株，经诱变得到抗氨酸的生产菌为出发菌株，经诱变得到抗AECAEC兼抗亮氨酸缺陷型菌株。兼抗亮氨酸缺陷型菌株。 选育抗亮氨酸结构类似物的突变株，从遗选育抗亮氨酸结构类似物的突变株，从遗传上解除亮氨酸对传上解除亮氨酸对DDPDDP合成酶的阻遏。合成酶的阻遏。 选育对苯醌或喹啉衍生物敏感菌株，这是选育对苯醌或喹啉衍生物敏感菌株，这是一种寻找亮氨酸渗漏缺陷型菌株的有效方法。一种寻找亮氨酸渗漏缺陷型菌株的有效方法。5.5.5.5.增加前体物的生物合成和阻塞产物的生成：增加前体物的生物合成和阻塞产物的生成：增加前体物的生物合成和阻塞产物的生成：增加前体物的生物合成和阻塞产物的生成： 方法方法方法方法： 选育丙氨酸缺陷型；选育丙氨酸缺陷型；选育丙氨酸缺陷型；选育丙氨酸缺陷型； 选育抗天冬氨酸结构类似物突变株；选育抗天冬氨酸结构类似物突变株；选育抗天冬氨酸结构类似物突变株；选育抗天冬氨酸结构类似物突变株； 选育适宜的选育适宜的选育适宜的选育适宜的COCOCOCO2 2 2 2固定酶固定酶固定酶固定酶/TCA/TCA/TCA/TCA循环酶活性比突变株；循环酶活性比突变株；循环酶活性比突变株；循环酶活性比突变株；1.1.1.1.通过通过通过通过TCATCATCATCA循环循环循环循环 葡萄糖葡萄糖葡萄糖葡萄糖丙酮酸丙酮酸丙酮酸丙酮酸草酰乙酸草酰乙酸草酰乙酸草酰乙酸天冬氨酸天冬氨酸天冬氨酸天冬氨酸 赖氨酸赖氨酸赖氨酸赖氨酸2.2.通过磷酸烯醇式丙酮酸羧化反应通过磷酸烯醇式丙酮酸羧化反应 葡萄糖葡萄糖葡萄糖葡萄糖磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸草酰乙酸草酰乙酸草酰乙酸草酰乙酸天冬氨酸天冬氨酸天冬氨酸天冬氨酸 丙酮酸丙酮酸丙酮酸丙酮酸 赖氨酸赖氨酸赖氨酸赖氨酸6.6.改变细胞膜的透过性改变细胞膜的透过性7.7.选育温度敏感突变株选育温度敏感突变株 天冬氨酸系分枝代谢途径中，末端天冬氨酸系分枝代谢途径中，末端产物种类多，调节机制复杂，为高效率产物种类多，调节机制复杂，为高效率生产赖氨酸，可以采取顺次解除各种调生产赖氨酸，可以采取顺次解除各种调节机制的诱变育种，获得多重标记的突节机制的诱变育种，获得多重标记的突变株。变株。 8.8.应用细胞工程和遗传工程育种应用细胞工程和遗传工程育种9.9.防止高产菌株回复突变防止高产菌株回复突变n n选育遗传性稳定的菌株选育遗传性稳定的菌株n n定向赋加生产菌多个遗传标记定向赋加生产菌多个遗传标记n n菌种培养和保藏时，培养基要丰富，尤其有足菌种培养和保藏时，培养基要丰富，尤其有足够的要求营养物够的要求营养物n n培养时添加抗生素，抑制恢复突变株的生长，培养时添加抗生素，抑制恢复突变株的生长，达到分纯的目的。达到分纯的目的。第三节第三节 苏氨酸、蛋氨酸、高丝氨酸和天冬氨苏氨酸、蛋氨酸、高丝氨酸和天冬氨酸的育种途径酸的育种途径n n一、苏一、苏氨酸的氨酸的育种途育种途径径苏氨酸高产菌株应具备的生化特征苏氨酸高产菌株应具备的生化特征n nDDP合成酶活力极弱或欠缺合成酶活力极弱或欠缺n n琥珀酰高丝氨酸合成酶酶活力极弱或欠缺琥珀酰高丝氨酸合成酶酶活力极弱或欠缺n n苏氨酸脱氨酶酶活力极弱或欠缺苏氨酸脱氨酶酶活力极弱或欠缺n nCO2固定能力强固定能力强n n天冬氨酸合成能力强天冬氨酸合成能力强n n天冬氨酸激酶活力强，对苏氨酸和赖氨酸的协天冬氨酸激酶活力强，对苏氨酸和赖氨酸的协同反馈抑制不敏感同反馈抑制不敏感n n高丝氨酸脱氢酶活力强，不受苏氨酸反馈调节。高丝氨酸脱氢酶活力强，不受苏氨酸反馈调节。二、高丝氨酸菌种的选育途径二、高丝氨酸菌种的选育途径n nDDP合成酶活力极弱或欠缺合成酶活力极弱或欠缺n n琥珀酰高丝氨酸合成酶酶活力极弱或欠缺琥珀酰高丝氨酸合成酶酶活力极弱或欠缺n n高丝氨酸激酶欠缺高丝氨酸激酶欠缺n nCO2固定能力强固定能力强n n天冬氨酸合成能力强天冬氨酸合成能力强n n天冬氨酸激酶活力强，对苏氨酸和赖氨酸的协同天冬氨酸激酶活力强，对苏氨酸和赖氨酸的协同反馈抑制不敏感反馈抑制不敏感n n高丝氨酸脱氢酶活力强，不受苏氨酸和蛋氨酸反高丝氨酸脱氢酶活力强，不受苏氨酸和蛋氨酸反馈调节。馈调节。高产高丝氨酸菌株应具备的生化特征高产高丝氨酸菌株应具备的生化特征三、蛋氨酸育种途径三、蛋氨酸育种途径高产蛋氨酸应具备的生化特性高产蛋氨酸应具备的生化特性n nDDP合成酶活力极弱或欠缺合成酶活力极弱或欠缺n nS-腺苷蛋氨酸酶活力极弱或欠缺腺苷蛋氨酸酶活力极弱或欠缺n n高丝氨酸激酶欠缺高丝氨酸激酶欠缺n nCO2固定能力强固定能力强n n天冬氨酸合成能力强天冬氨酸合成能力强n n天冬氨酸激酶活力强，对苏氨酸和赖氨酸的协同天冬氨酸激酶活力强，对苏氨酸和赖氨酸的协同反馈抑制不敏感反馈抑制不敏感n n高丝氨酸脱氢酶活力强，苏氨酸和异亮氨酸的反高丝氨酸脱氢酶活力强，苏氨酸和异亮氨酸的反馈调节不敏感、不受蛋氨酸反馈调节。馈调节不敏感、不受蛋氨酸反馈调节。四、天冬氨酸的育种途径四、天冬氨酸的育种途径高产天冬氨酸菌株应有的生化特征高产天冬氨酸菌株应有的生化特征n n天冬氨酸激酶丧失天冬氨酸激酶丧失n n丙酮酸氨基化酶丧失丙酮酸氨基化酶丧失n nCO2固定酶系丙酮酸氧化脱羧要强固定酶系丙酮酸氧化脱羧要强n n草酰乙酸氨基化反应强。草酰乙酸氨基化反应强。 复习思考题复习思考题n n简述黄色短杆菌赖氨酸生物合成的调节简述黄色短杆菌赖氨酸生物合成的调节机制机制n n简述赖氨酸生产菌的选育原则简述赖氨酸生产菌的选育原则