Glutamine production from glutamate was carried out using glutamine synthetase from E. coli K-12 pgln 6 and baker's yeast, which supplies ATP into the reaction system through alcohol fermentation, simultaneously. With whole cells of E. coli K-12 pgln 6 as an enzyme source of glutamine synthetase, 11.8 g/ι of glutamine produced after 18-h incubation (60% yield based on a substrate, glutamate). Using the partially purified glutamine synthetase, 19.8 git of glutamine was produced after 5-h incubation. This amount of glutamine was correspond to 90% yield, based on substrate, glutamate.
The conversion of glutamate by glutamine synthetase Is the endergonic reaction that demands ATP as its energy source. In order to supply efficiently ATP that is demanded in the conversion of glutamate to glutamine, the ATP- generating system by acetate kinase partially purified from Escherichia coli K-12 was coupled with glutamine synthetase partially purified 5. coli K-12 Pgln6. The optinum conditions of the coupled reaction were investigated. As the result, the highest conversion of glutamate to glutamine was shown In the reaction mixture containing 100mM glutamate, 100mM NHtCl, 50M acetyl phosphate, 5mM ADP, 40M MgCl2, 300mM potassium phosphate buffer (pH 7.5), 5mM MnCl2, Under this condition, the most effective concentrations of enzyme were 70unit/ml glutamine synthetase and 99unit/ml acetate kinase. Under the optinum conditions, 98% of 100mM glutamate was converted to glutamine within 6 hours.
Chlorobium liimicola f. thiosulfatophilum NCIB 8327 was grown on modified Pfennig's medium using ammonium chloride. glutamine. glutamate, or dinitrogen gas as nitrogen sources. Except for the case of dinitrogen gas. the extent of gro\\1h was almost the s~me. The specific activity of glutamine synthetase in crude extracts is the highest in the cells which were grown on the medium containing glutamate. hut that of glutamate synthase is uniform for all four nitrogen sources. When the concentration of ammonium ions increases in the reaction mixture. the specific activity of glutamine synthetase in crude extract from the cells grown on glutamate decreases. hut that of glutamate dehydrogenase increases. whereas that of glutamate synthase remains unchanged. When the concentration of methionine sulfoximine increases, the activity of glutamine synthetases decreases rapidly. On the other hand. when the concentration of ammonium ions increases in the reaction mixture gradually. the activity of glutamine synthetase from the cells grown on higher concentration of ammonium ions less decreases. In the presence of light. the activity of glutamine synthetase increases. hut in the dark it decreases gradually. The production of hydrogen in intact cells depends on light. It is inhihited by adding ammonium ions. hut restores immediately hy adding methionine sulfoximine. The produclion of hydrogen in this strain can he mediated by nitrogenase only. and regulated hy glutamine synthetase.
The effects of simazine [2-chloro-4, 6-bis(methylamino)-s-triazine] on in vivo nitrogenase, glutamine synthetase, glutamate synthase, and glutamate dehydrogenase which are important in nitrogen assimilation of Rhodopseudomonas sphaeroides were investigated. Simazine inhibited the synthesis of nitrogenase and glutamine synthetase. The activity of glutamine synthetase in crude extracts of Rhodopseudomonas sphaeroides is less inhibited by simazine than that of glutamate synthase and glutamate dehydrogenase. These results suggest the possibility that simazine inhibits photosynthetic activity and so inhibits the synthesis of nitrogenase and glutamine synthetase in Rhodopseudomonas sphaeroides.
Proceedings of the Korean Society for Applied Microbiology Conference
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1986.12a
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pp.506-508
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1986
Metabolic activity of inorganic nitrogenous compounds affects not only microbial growth but also metabolite production in fermentation technology. We have worked on the enzymes participating in ammonia assimulation of some fermentation bacteria. This paper summarizes the results on glutamine synthetase and its application in practical field. Glutamine synthetase (L-glutamate:ammonia ligase, EC. 6.3.1.2) catalyzes the formation of glutamine from glutamate and ammonia at the expense of cleavage of ATP and inorganic phosphate. The enzyme plays a dual role in nitrogen metabolism in bacteria; it is a key enzyme not only in the biosynthesis of various compounds through glutamine but also in the regulation of synthesis of some enzymes involved in the metabolism of nitrogenous compounds. The detailed works with the Eschericia coli and other enterobacterial enzymes revealed that glutamine synthetase is controlled by the following complex of mechanisms: (a) feedback inhibition by end products, (b) repression and derepression of enzyme synthesis, (c) modulation of enzyme activity in response to divalent cation and (d) covalent modification of enzyme protein by adenylylation and its cascade control. Comparative studies have also been made on the enzymes from other organisms.
Slow-growing pathogenic mycobacterium species, including Mycobacterium bovis BCG, secrete a large amount of glutamine synthetase into culture media. Extracellular and intracellular glutamine synthetases were purified from M. bovis BCG. While the native molecular weights of both glutamine synthetases were estimated to be 370.2 kDa, those of the subunits were 61.7 kDa, indicating that the native forms were composed of 6 subunits. The enzymes showed a hhigh thermal stability and high degree of sequence similarity with the glutamine synthetase from M. tuberculosis in the N-terminal amino acid sequence. Western blotting analysis indicated that the antibodies prepared against both the extracellular and intracellular enzymes exhibited common antigen determinants.
The excretion of ammonia and glutamine synthetase activities were measured in aposymbiotic Paramecium and symbiotic Paramecium. The uptake of nitrate and ammonia, and specific enzyme activities of nitrate reductase, glutamate dehydrogenase and glutamine synthetase were investigated in symbiotic Chlorella from Paramecium bursaria and Chlorella ellipsoidea. The ammonia concentration in the culture media of aposymbiotic Paramecium was increased according to the growth of the Paramecium but it was not changed in symbiotic Paramecium. Nitrate, the major nitrogen source, was taken up at a rate of 0.635 nmol/ 106 Chlorella/hr in Chlorella ellipsoidea. Most of ammonia was assimilated to glutamine by glutamine synthetase, of which acitivty was 1,467 $\mu$mol/mg protein/min in Chlorella elliposidea. Contrary to Chlorella ellipsoidea, ammonia and glutamine transported from the Paramecium were the nitrogen source of symbiotic Chlorella and ammonia was taken up at a rate of 3.854 nmo./106 Chlorella/hr into synmbiotic Chlorella. Most of ammonia were assimilated to glutamate by glutamate dehydrogenase in symbiotic Chlorella. The glutamate dehydrogenase (GDH/NADH) activity was 0.851 $\mu$mol/mg protein/min.
Enzymatic micro-assay methods were studied those were capable of determining ammonia down to 10$^{-5}$M(0.01 $\mu$mole/ml) in the presence of other nitrogenous compounds such as protein and amino acid. Microquantities of ammonia (0.01-0.1 $\mu$mole) could be determined indirectly by measuring phosphorous, one of the products of the enzymatic reaction catalyzed by glutamine synthetase. In this reaction, L-glutamate, ATP and ammonium chloride were used as substrates, and phosphorous was formed in propotion to the concentration of ammonium chloride In the reaction mixture. Another procedure was examined in which glutamine synthetase reaction coupled with pyruvate kinase and lactate dehydrogenase reactions was used. One mililiter of the assay mixture contained; phosphoenol pyruvate, 3 mM, L-glutamate, 10 mM; ATP, 1mM: MgSO$_4$, 20 mM: KCl, 75mM: NADH, 0.2mM: Tris-HCl buffer(pH 7.0), 100mM; pyruvate kinase, 10 U: lactate dehydrogenase, 12 U and glutamine synthetase, 4 U. After preincubation for 20 min at 3$0^{\circ}C$, NH$_4$Cl was added and the rates of NADH oxidation were followed at 340nm. The effective range of this method was proved to be from 0.01 to 0.05 $\mu$mole/$m{\ell}$. Glutamine synthetase reaction coupled with glutamate synthase reaction could also be effectively used for determining microquantities of ammonia. The one mililiter assay mixture contained; ATP, 5mM: L-glutamate, 5mM; L-ketoglutarate, 5mM; MgCl$_2$, 15mM; NADPH, 0.15mM; Tris-HCl buffer(pH 7.0); 100mM; glutamine synthetase, 1U and glutamate synthase, 0.5U. After preincubation for 20min at 3$0^{\circ}C$ NH$_4$Cl was added and the rates of NADPH oxidation were followed at 340nm. The effective range of this procedure was appeared to be from 0.01 to 0.05$\mu$mole/$m{\ell}$.
Glutamine synthetase (GS) of Kkbsiellu pmumonzae was purified and identified it's properties. It was determined to be composed of 12 identical subunits and it's molecular weight was about 600,000. It's optimum pH and temperature were identified as pH 7.0 and $37^{\circ}C$ respectively, and also there was no considerable variation of activity between pH 5 and 8. When GS was incubated at $57^{\circ}C$ for 10 min, it's activity was decreased to half of maximum activity. It was observed that K. pneumoniae has adenylylation-deadenylylation system which regulates activity of GS according to the quality and quantity of nitrogen source like GS of E. coli Also it's GS was very similar to that of E. coli. in structure deduced from the immunodiffuslon experiment using anti-E. coli GS antibody.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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