糖酵解與磷酸戊糖途徑，生物發酵的“雙引擎”

從碳流分配到還原力供應的精密調控

在氨基酸生物發酵中，糖酵解（EMP）與磷酸戊糖途徑（PPP）如同代謝的雙螺旋，共同驅動碳骨架流動與能量轉化。糖酵解提供丙酮酸等核心前體，而PPP則供應NADPH和核苷酸原料，二者協同支撐氨基酸的高效合成。本文將深度解析兩條途徑的運行機制、工業級調控策略及其在氨基酸發酵中的系統價值。

 一、糖酵解：氨基酸合成的“碳骨架工廠”

1. 核心路徑與關鍵節點
糖酵解將1分子葡萄糖分解為2分子丙酮酸，經歷10步酶促反應，分為耗能階段（消耗ATP）和產能階段（生成ATP與NADH）：

• ? 耗能階段：葡萄糖經己糖激酶（HK）、磷酸果糖激酶（PFK）和丙酮酸激酶（PK）催化，消耗2 ATP生成兩分子3-磷酸甘油醛。其中PFK是限速酶，受ATP抑制、ADP激活。
• ? 產能階段：3-磷酸甘油醛氧化生成1,3-二磷酸甘油酸，通過底物水平磷酸化生成4 ATP（凈得2 ATP）和2 NADH。

2. 糖酵解與氨基酸合成的直接耦合

• ? 丙酮酸的核心地位：
• ? 作為EMP終產物，丙酮酸可轉化為丙氨酸（AlaDH催化）、纈氨酸（經α-乙酰乳酸），或進入TCA循環生成α-酮戊二酸（谷氨酸前體）。
• ? 人工細胞實驗表明，封裝GDH、GAD、KDGA酶可實現葡萄糖→丙酮酸→丙氨酸的定向轉化，產率達296 μM/7.5 mM葡萄糖。
• ? 能量與還原力供應：EMP產生的ATP驅動氨基酸活化，NADH則參與還原氨基化反應（如谷氨酸脫氫酶催化α-酮戊二酸→谷氨酸）。

 二、磷酸戊糖途徑：NADPH與五碳糖的“戰略儲備庫”

1. 兩階段反應與核心產物
PPP分為氧化階段（不可逆）和非氧化階段（可逆）：

• ? 氧化階段：
  6-磷酸葡萄糖在6-磷酸葡萄糖脫氫酶（G6PDH） 催化下生成NADPH和5-磷酸核酮糖（Ru5P）。此階段每分子葡萄糖生成2 NADPH。
• ? 非氧化階段：
  通過轉酮酶（TKT）和轉醛酶（TAL）催化，Ru5P轉化為3-磷酸甘油醛（GAP）和6-磷酸果糖（F6P），二者可重新進入EMP，實現碳回收。

2. PPP在氨基酸發酵中的核心功能

3. 關鍵酶調控靶點

• ? G6PDH活性調控：NADP?/NADPH比值升高激活酶活，確保NADPH按需生成。
• ? 轉酮酶工程改造：過表達TKT可增加赤蘚糖-4-磷酸（E4P）供應，促進芳香族氨基酸合成。

 三、雙途徑協同：碳流分配的“動態平衡術”

1. 碳流競爭與分流策略
葡萄糖進入EMP或PPP取決于細胞能量與合成需求：

• ? 能量優先：高ATP/ADP比值抑制PFK，激活EMP產能。
• ? 合成優先：NADPH需求增加時，G6PDH活性上調，碳流導向PPP。

2. 工業級協同調控案例

• ? 谷氨酸發酵：
• ? 初期：增強EMP→快速生成丙酮酸→進入TCA積累α-酮戊二酸。
• ? 中后期：激活PPP→提供NADPH→驅動谷氨酸脫氫酶合成谷氨酸。
• ? 色氨酸發酵：
  同步強化EMP（供應PEP）和PPP（供應E4P和NADPH），使莽草酸途徑通量提升50%。

高ATP需求NADPH/五碳糖需求葡萄糖碳流分配糖酵解EMP磷酸戊糖途徑PPP丙酮酸TCA循環→α-酮戊二酸→谷氨酸乳酸/乙醇副產物5-磷酸核糖核苷酸合成NADPH芳香族氨基酸合成

 四、關鍵保障技術：從酶活性到系統代謝工程

1. 關鍵酶活性維護策略

2. 代謝工程改造范例

• ? 強化PPP通量：
  在大腸桿菌中過表達zwf（G6PDH基因），NADPH提升2倍，色氨酸產量提高35%。
• ? 阻斷副產物競爭：
  敲除乳酸脫氫酶基因ldhA，減少碳流損失，使丙酮酸定向轉化丙氨酸。

3. 智能發酵控制

• ? 在線監測系統：
  通過NIR光譜實時檢測NADPH/GAP比值，動態調節葡萄糖流加速率。
• ? 人工智能預測：
  輸入參數（溶氧、pH、NADPH）→ 輸出EMP/PPP通量比，優化碳分配效率。

 結語：雙途徑驅動的氨基酸發酵新范式

糖酵解與磷酸戊糖途徑的協同本質是能量-還原力-碳骨架的三角平衡：

• ? 微觀層：EMP提供前體，PPP供應還原力，共筑氨基酸合成基石；
• ? 中觀層：關鍵酶的別構調控實現碳流動態分配；
• ? 宏觀層：代謝工程與智能控制結合，釋放菌株最大潛能。