鸟氨酸、瓜氨酸和精氨酸发酵.doc

鸟氨酸、瓜氨酸和精氨酸发酵第十二章鸟氨酸、瓜氨酸、精氨酸发酵第十二章鸟氨酸、瓜氨酸和精氨酸发酵L-精氨酸(L-Arginine,L-Arg)是具有胍基的碱性氨基酸,是合成蛋白质和肌酸的重要氨酸是人体和动物体的半必需氨酸,在医药和食品工业上具有广泛的用途。L-鸟氨原料。精酸(L-Ornithine,L-Orn)和L-瓜氨酸(L-Citrulline,L-Cit)是精氨酸生物合成的前体物质。L-精氨酸是生物体尿素循环中的一种重要中间代谢产物,临床上除作为复合氨基酸输液的主要成分之一外,L-精氨酸及其盐类广泛用作氨中毒性肝昏迷的解毒剂和肝功能促进剂。对病毒性肝炎疗效显著,对肠道溃疡、血栓形成、神经衰弱和男性无精病等症都有治疗效果。它也是配制营养支持用或特殊治疗用要素膳的重要原料。第一节生物合成途径和代谢调节机制一、鸟氨酸、瓜氨酸、精氨酸的相互转化图12-l鸟氨酸、瓜氨酸、精氨酸的结构从结构(见图12-1)上看,鸟氨酸虽与谷氨酸都是五碳酸,但是鸟氨酸却是一羧基二氨基的氨基酸。如果在鸟氨酸末端氨基的氮上接上氨甲酰基,则生成瓜氨酸。瓜氨酸经过精氨琥珀酸,将瓜氨酸的酮基转换成亚氨基,则成为精氨酸。当然,精氨酸放出尿素,就转变为鸟氨酸。因此,鸟氨酸、瓜氨酸和精氨酸的生物合成,可认为是从谷氨酸出发,逐步合成鸟氨酸、瓜氨酸和精氨酸,从而组成以精氨酸为最终产物的不分支代谢途径。但是,如果精氨酸发生分解,放出尿素,则生成鸟氨酸。这样在代谢途径上,就使所谓的终产物精氨酸与鸟氨酸相衔接,形成一个循环,即尿素循环或鸟氨酸环(图12-2)。-1-第十二章鸟氨酸、瓜氨酸、精氨酸发酵图12-2尿素循环二、生物合成途径和代谢调节机制从谷氨酸经鸟氨酸、瓜氨酸生物合成L-精氨酸,由八个酶催化的反应组成(见图12-3),第一步和第五步反应因微生物的种类不同而不同。ADPATP??N-乙酰谷氨酸磷酸NADPH谷氨酸N-乙酰谷氨酸××?×??NADPN-乙酰谷氨酸半醛N-乙酰鸟氨酸鸟氨酸××氨基甲酰磷酸?谷氨酸α-酮戊二酸×??精氨酸瓜氨酸精氨酰琥珀酸××门冬氨酸+ATPADP反丁烯二酸I型大肠杆菌、枯草杆菌??×N-乙酰谷氨酸磷酸谷氨酸N-乙酰谷氨酸×??××?N-乙酰谷氨酸半醛N-乙酰鸟氨酸鸟氨酸×?×??精氨酰琥珀酸精氨酸瓜氨酸××II型谷氨酸产生菌、酵母菌可能存在的阻遏反馈抑制阻遏××图12-3L-精氨酸生物合成途径及调节机制-2-第十二章鸟氨酸、瓜氨酸、精氨酸发酵大肠杆菌、枯草杆菌等微生物由图12-3I的途径合成L-精氨酸,称为I型途径。谷氨酸产生菌、酵母菌等微生物由图12-3II的途径合成L-精氨酸,称为II途径。两种途径的区别在于I型途径由谷氨酸生成N-乙酰谷氨酸,由N-乙酰鸟氨酸生成鸟氨酸,分别由N-乙酰谷氨酸合成酶和N-乙酰鸟氨酸酶催化;而II型途径由谷氨酸合成N-乙酰谷氨酸,由N-乙酰鸟氨酸生成鸟氨酸,是由N-乙酰谷氨酸和乙酰鸟氨酸乙酰基转移酶共轭反应催化,即II型途径中有一个从谷氨酸到鸟氨酸的循环反应。由于微生物合成L-精氨酸的途径不同,故其合成的调节机制也不同。具有I型合成途径的大肠杆菌等,其生物合成途径的第一个酶,即N-乙酰谷氨酸合成酶受到精氨酸的反馈抑制,其途径上催化八步反应的酶的合成都受到精氨酸的阻遏。具有II型途径的谷氨酸产生菌等,其生物合成的第二个酶,即N-乙酰谷氨酸激酶受到精氨酸的反馈抑制,其合成途径中各步酶的合成,大部分受到精氨酸的阻遏。第二节鸟氨酸和瓜氨酸发酵一、鸟氨酸发酵1(由谷氨酸产生菌发酵生产鸟氨酸,(1957年)把谷氨酸棒杆菌的瓜氨酸缺陷(Cit)突变株,在限量精氨酸的培养基中培养,成功地积累了大量的鸟氨酸,其产量高达36%(对糖分子收率)。该突变株缺失鸟氨酸氨甲酰基转移酶,阻断了瓜氨酸、精氨酸的生成,这就解除了精氨酸对N-乙酰谷氨酸激酶的反馈抑制,也就使鸟氨酸氨甲酰基转移酶的底物——鸟氨酸大量积累。Kinoshita等发现由谷氨酸棒杆菌选育精氨酸营养缺陷突变株,可高产L-鸟氨酸。当L-精氨酸亚适量时,10,葡萄糖可产L-鸟氨酸25g/L。陈宁等以谷氨酸棒杆菌为出发菌株,经硫酸二乙酯和紫外线多次诱变,定向选育出一株,rr鸟氨酸生产菌A1157,其遗传标记为Arg+D-Arg+SG,并能耐受高浓度糖。该菌株切断了由鸟氨酸向精氨酸的代谢途径,并解除了精氨酸对鸟氨酸合成酶系的反馈调控,从而可以大量积累鸟氨酸。采用乳糖发酵短杆菌、柠檬酸节杆菌等的精氨酸缺陷突变株,均可在限量供给精氨酸的培养基中大量积累L-鸟氨酸(见表12-1)。表12-1L-鸟氨酸产生菌遗传标记及产量,1菌株遗传标记底物L-鸟氨酸(g?L),乳糖发酵短杆菌Arg葡萄糖62,柠檬节杆菌Arg葡萄糖40rr枯草杆菌ArgHx、TRA葡萄糖35,r谷氨酸小球