丙氨酸、脯氨酸、谷氨酰胺和组氨酸发酵.doc

丙氨酸、脯氨酸、谷氨酰胺和组氨酸发酵
第一节丙氨酸发酵
丙氨酸(Alanine,A1a),亦称α-氨基丙酸(α-aminopropionic acid),具有甜味,常用作调味料。霉菌、酵母、细菌、放线菌等微生物都能够由糖类和无机氮源、有机氮源发酵生产L-丙氨酸。这就是所谓的直接发酵法。后来又开发了酶法及固定化法等,原料则使用延胡索酸或L-天冬氨酸。
发酵法生产L-丙氨酸,主要是以降解葡萄糖等碳源生成的丙酮酸为底物,经过氨基转移反应或还原氨基化反应完成的。酶法是以L-天冬氨酸为底物,经过L-天冬氨酸-β-脱羧酶的反应,生成L-丙氨酸。

氨基转移反应,很早就已为人所知,该反应广泛分布在植物、动物、微生物的代谢过程之中。北井等的研究表明,丙氨酸产生菌胶状棒杆菌(Corynebacterium gelatinosum),是通过丙酮酸与L-谷氨酸之间的转氨作用生成丙氨酸的。最初由氨基移转反应生成的丙氨酸是L-丙氨酸,但是经丙氨酸消旋酶的作用,转变成D-丙氨酸,因此该菌株生成的最终产物是DL-丙氨酸。

Wiame和Goldmann分别报导了枯草杆菌、肺结核小杆菌(Myeobacterium tuberculosis)有还原氨基化反应。,检出了丙氨酸脱氢酶活性,该酶以NAD为辅酶,最适
。但是还原氨基化反应的氢并不是由乳酸脱氢酶反应提供,而是由丙糖磷酸脱氢酶反应供给。该菌株生产的丙氨酸是L-丙氨酸。
-β-脱羧酶反应
由于大多数采用直接发酵法生产的丙氨酸是DL-型,而L-天冬氨酸可通过酶法由反丁烯二酸廉价生产,因此,可采用天冬氨酸为原料,利用天冬氨酸-β-脱羧酶催化L-天冬氨酸-β-羧基的裂解来生产L-丙氨酸。Chibata等发现德阿昆哈假单孢菌(Pseudomonas dacunhae)具有很高的天冬氨酸-β-脱羧酶活性。L-丙氨酸可由L-天冬氨酸化学定量地酶法生产,100g L-天冬氨酸可生成66g L-丙氨酸,其摩尔转化率为99%。
Takamatsu等和Tosa等采用共同固定化大肠杆菌(天冬氨酸酶)和德德阿昆哈假单孢菌(天冬氨酸-β-脱羧酶),由反丁烯二酸直接酶法生产L-丙氨酸。
目前主要采用酶法来生产L-丙氨酸。
第二节脯氨酸发酵
L-脯氨酸(L-Proline,L-Pro)是非必需氨基酸,具有特殊甜味,用于制作医药品、配制氨基酸输液、抗高血压药物甲巯丙脯氨酸等。工业制造L-脯氨酸,最早是用动物胶水解提取的。1965年前后,吉永、大和谷、千畑、野口等相继报导了L-脯氨酸的发酵生产法。发酵法主要采用谷氨酸产生菌的突变株,近来已引入基因工程技术,用非谷氨酸产生菌由糖质原料发酵生产L-脯氨酸。
- 1 -
一、脯氨酸生物合成途径及调节机制
在微生物中,L-脯氨酸的生物合成是由谷氨酸经过四步反应而生成的,其合成途径如下:
谷氨酸→γ-谷氨酰磷酸→L-谷氨酸-γ-半醛→Δ′-吡哆啉-5-羧酸→L-脯氨酸上述四步反应中有三步反应是由酶催化进行的。但其中Δ′-吡哆啉-5-羧酸的合成是自发进行的。
-5(异亮氨酸缺陷)代谢的研究,该菌株主要按上述途径合成L-脯氨酸,几乎没有鸟氨酸合成的乙酰化途径,也就是说几乎没有鸟氨酸-酮酸转氨酶的反应。
+
l967年,-5由L-谷氨酸生成L-脯氨酸,而且谷氨酸的磷酸化(活化)反应参与了脯氨酸的生物合成。还指出,-5菌株的异亮氨酸缺陷突变的遗传变异部位是苏氨酸脱水酶的缺失,而且证明,恰恰是由于这种苏氨酸脱水酶的缺失才引起了脯氨酸的大量积累。因为菌体内苏氨酸脱水酶的缺失,而随着苏氨酸的积累,与赖氨酸一起协同反馈抑制了天冬氨酸激酶的活性,从而使ATP剩余。同时,由于苏氨酸的增多,也抑制了高丝氨酸激酶的活性,同样也使ATP剩余。上述两项ATP剩余,使以ATP为辅酶的谷氨酸激酶反应容易进行。而且作为谷氨酸激酶底物的谷氨酸,也因高浓度生物素存在,在菌体内异常地增加,也有利于该酶反应的进行,从而导致谷氨酸向脯氨酸转变。也就是说,产生菌是通过把难以透过的谷氨酸转换为容易透过的脯氨酸的方式,完成了菌体内大量谷氨酸的解毒,于是
L-脯氨酸大量积累。
二、脯氨酸发酵
脯氨酸发酵所用菌株大体分为两类,即从谷氨酸产生菌诱导而来的和由非谷氨酸产生菌
-
诱导来的,见表l5-1。从脯氨酸发酵产生菌的遗传特性来看,有异亮氨酸缺陷(Ile)、组氨
----
酸缺陷(His)、鸟氨酸缺陷(Orn)、丝氨酸缺陷(Ser)、苯丙氨酸缺陷(P