第五章-核酸

第五章核酸的发酵生产核苷酸Nucleotide由嘌呤碱或嘧啶碱、核糖或脱氧核糖以及磷酸三种物质组成的化合物。戊糖与碱基合成核苷，核苷与磷酸合成核苷酸，4种核苷酸组成核酸。许多单核苷酸也具有多种重要的生物学功能，如与能量代谢有关的三磷酸腺苷（ATP）、脱氢辅酶等。某些核苷酸的类似物能干扰核苷酸代谢，可作为抗癌药物。第一节核酸类物质的概述核苷酸分类：根据糖的不同，核苷酸有核糖核苷酸及脱氧核苷酸两类。根据碱基的不同，又有腺嘌呤核苷酸（腺苷酸，AMP）、鸟嘌呤核苷酸（鸟苷酸，GMP）、胞嘧啶核苷酸（胞苷酸，CMP）、尿嘧啶核苷酸（尿苷酸，UMP）、胸腺嘧啶核苷酸（胸苷酸，TMP）及次黄嘌呤核苷酸（肌苷酸，IMP）等。嘌呤核苷酸的结构GMPAMPIMP嘧啶核苷酸的结构一、核酸类物质的生产现状1868年，Miescher从浓血细胞的细胞核中发现核酸物质。1913年日本小玉新太郎发现干松鱼的鲜味是因含有5′-肌苷酸而引起。1960年日本又发现5′-鸟苷酸的呈味效果，继而发现呈味核苷酸与谷氨酸钠（味精）并用时，对谷氨酸钠具有强烈的助鲜效果。此后不久，日本对5′-肌苷酸和5′-鸟苷酸进行工业化生产，80年代年产量已达4000吨左右。中国80年代后对核酸制品生产开展研究工作，年产5′-肌苷酸和5′-鸟苷酸能力为50～80吨。目前预计年产量在300吨。1、发展历史2、核酸类产品的应用食品添加剂：强化食品风味，对咸、酸、苦、腥味等有消杀作用。以5‘-鸟苷酸（GMP)、5’-肌苷酸(IMP)和5‘-黄苷酸(XMP)及其二钠盐为代表。功能食品添加剂：婴儿乳制品中添加，可增强婴儿的免疫功能，减少婴儿腹泻的发生。近年来欧美、日本已在婴儿奶粉中添加核苷酸(推荐用量为72mg/L)，这对于提高婴儿免疫力十分有效（人奶与牛奶的区别）。临床治疗药物：8-氮鸟嘌呤和6-巯基嘌呤（嘌呤类似物）：具有与抗生素类似的功能，可以抑制癌细胞生长；9-β-D阿拉伯呋喃糖基腺苷聚肌胞：用于治疗疱疹；阿糖胞苷、阿糖腺苷：可治疗急性白血病，具有抗癌和抗病毒功效。S-腺苷蛋氨酸及其盐类：用于治疗帕金森氏症、失眠并具有消炎镇痛作用。药物中间体：5’-AMP可用于制造ATP、环AMP、S-腺苷甲硫氨酸等生化药物产品5’-CMP用于制造胞二磷胆碱、CTP、阿糖胞苷、聚肌胞等生化药物；5'-UMP参与肝脏解毒物质葡萄糖醛酸苷的生化合成，具有重要生理作用，还可制造UTP、聚腺尿、UDP-葡萄糖等药物。农业生产应用：用核苷酸及其衍生物进行浸种、蘸根及喷雾，可以提高农作物的产量。名称估计年产量(T/Y)用途5'-IMP(肌苷酸)3000食品添加剂5'-GMP(鸟苷酸)2000食品添加剂Inosine(肌苷)500心脏病胞苷二磷酸-胆碱4强心剂ATP(三磷酸腺苷)200肌肉营养不良FAD(黄素腺嘌呤二核苷酸)少量生产肝或肾病NAD(烟酰胺腺嘌呤二核苷酸)少量生产肝或肾病腺嘌呤少量生产白细胞减少腺苷少量生产冠状缺陷、咽炎、高血压和动脉硬化5'-AMP(腺苷单磷酸)少量生产循环系统疾病、风湿病CAMP(环腺苷单磷酸)少量生产糖尿病、气喘、癌症乳清酸少量生产肝病6-蛋尿苷少量生产癌症3、核酸类产品的生产方法化学合成法：工艺复杂，设备条件要求高。核糖核酸（ribonucleicacid,简称RNA）水解法：酶法和化学方法水解用糖质原料或亚硫酸制浆废液等制备酵母菌体，从菌体中分离出RNA，水解RNA，得到5′-肌苷酸和5′-鸟苷酸。制备RNA的原料，以酵母菌最为实用,产朊假丝酵母、酿酒酵母等酵母。工业生产上以2％热食盐水从其菌体中抽提出RNA最为简便。RNA含量为干菌体的10-15％。化学法水解RNA：若以氢氧化钙作水解剂，则几乎全部水解成核苷，分离所得到的核苷，再用化学法使其磷酸化，可制得5′-肌苷酸、5′-鸟苷酸。酶法水解：采用的5′-磷酸二酯酶,在橘青霉和金色链霉菌存在此种酶。培养这些菌株作为酶源。酶解RNA产物为5′-腺苷酸、5′-鸟苷酸、5′-胞苷酸、5′-尿苷酸混合物。还需采用米曲霉产生的5′-腺苷酸脱氨酶将混合物中的5′-腺苷酸脱氨生成5′-肌苷酸。发酵法：发酵法和化学法相结合的方法：采用微生物发酵方法,生产核苷,再经化学磷酸化，得到5′-肌苷酸和5′-鸟苷酸。如采用枯草杆菌、产氨短杆菌、短小芽孢杆菌的腺嘌呤营养缺陷型发酵生产肌苷，再用化学法使其磷酸化得到5′-肌苷酸。亦可采用对抗菌素有抗性的枯草杆菌突变株发酵生产鸟苷,同样再经化学磷酸化,生成5′-鸟苷酸。以葡萄糖为原料发酵生产5′-核苷酸，必须解决使所生成的核苷酸透过细胞膜和不使生成的核苷酸分解成磷酸、碱基和核苷的问题，现根据代谢调控机制选育出的菌株，已解决此问题。采用对锰离子不敏感的产氨短杆菌突变株，直接发酵生产5′-肌苷酸，产率达20g/L。亦可采用产氨短杆菌突变株直接发酵高产5′-黄苷酸，进而再由其他突变株或用酶法进一步将5′-黄苷酸转化为5′-鸟苷酸。直接发酵法：利用微生物发酵直接生产5′-肌苷酸、5′-黄苷酸。4、核酸类产品的生产菌种枯草芽孢杆菌短小芽孢杆菌产氨短杆菌及其变异株。第二节核酸类物质的代谢调控机制核酸发酵是在氨基酸发酵基础上的进一步深化和发展的代谢控制发酵。生物体内大分子的核酸是由单核苷酸作为原料聚合而成的，因此，生物体必须先合成单核苷酸。单核苷酸有两条完全不同的合成途径：⑴全合成途径——由磷酸戊糖开始……；⑵补救途径——由培养基中获取……。一、核苷酸的生物合成途径是指利用磷酸核糖、氨基酸、一碳单位及二氧化碳等简单物质为原料，经过一系列酶促反应，合成嘌呤核苷酸的途径。肝是体内从头合成嘌呤核苷酸的主要器官，其次是小肠和胸腺，而脑、骨髓则无法进行此合成途径。（一）嘌呤核苷酸的从头合成CO2天冬氨酸甲酰基（一碳单位）甘氨酸甲酰基（一碳单位）谷氨酰胺（酰胺基）1、嘌呤碱合成的元素来源采用同位素标记法可知嘌呤环上各个元素的来源：1、嘌呤碱合成的元素来源嘌呤环的前体合成1分子IMP（肌苷酸）需用1分子PRPP（磷酸核糖焦磷酸）1分子Asp（天冬氨酸）1分子Gly（甘氨酸）2分子甲酸1分子CO22分子NH3共消耗8分子ATP。2.嘌呤核苷酸的全合成途径（“从无到有”途径）IMP－肌苷酸SAICAR－5-氨基-(N-琥珀基)代氨甲AMP－腺苷酸酰咪唑核苷酸GMP－鸟苷酸AICAR－5-氨基-4-氨甲酰咪唑核苷酸XMP－黄苷酸PRPP－磷酸核糖焦磷酸SAMP－腺苷琥珀酸PRA－5-磷酸核糖胺（次黄嘌呤核苷一磷酸）（腺嘌呤核苷一磷酸）（黄嘌呤核苷一磷酸）嘌呤核苷酸的全合成途径(1)5′-IMP的生成（“从无到有”）：磷酸戊糖途径四氢叶酸IMP生成总反应过程各种微生物合成IMP的途径是一样的，但从IMP分别生成AMP和GMP的途径不同。从IMP开始枯草杆菌：以IMP为中心分出两条环形路线，由此AMP与GMP可以互相转换；产氨短杆菌：分出的两条路线不是环形，而是单项分枝的，AMP与GMP不能互相转换3、合成IMP的价值：进一步合成AMP和GMP枯草芽孢杆菌嘌呤核苷酸的全合成途径(2)——AMP和GMP的互变①腺苷酸代琥珀酸合成酶③IMP脱氢酶②腺苷酸代琥珀酸裂解酶④GMP合成酶AMP和GMP的生成产氨短杆菌枯草杆菌的嘌呤核苷酸生物合成途径葡萄糖→→→5-磷酸核糖→（磷酸核糖焦磷酸）（5-磷酸核糖胺）（5-胺基-4-（N-琥珀基）-代氨甲酰咪唑核苷酸）（5-胺基-4-氨甲酰咪唑核苷酸）肌苷酸黄苷酸鸟苷酸腺苷酸琥珀酰腺苷酸产氨短杆菌的嘌呤核苷酸生物合成途径嘌呤核苷酸是在磷酸核糖分子上逐步合成的。IMP的合成需5个ATP，6个高能磷酸键。AMP或GMP的合成又需1个ATP。4、嘌呤核苷酸从头合成特点（二）嘧啶核苷酸的全合成途径谷氨酰胺的酰胺基（三）.核苷酸生物合成的补救途径利用体内游离的嘌呤或嘌呤核苷，经过简单的反应，合成嘌呤核苷酸的过程，称为补救合成（或重新利用）途径。•定义•补救合成的生理意义补救合成节省从头合成时的能量和一些氨基酸的消耗。体内某些组织器官，如脑、骨髓等只能进行补救合成。当全合成受阻时，微生物可从培养基中取得完整的嘌呤或嘧啶，和戊糖、磷酸通过酶的作用直接合成单核苷酸，所以称为“补救途径”。嘌呤碱基、核苷和核苷酸之间能通过分段合成互相转变。其中最重要的反应是：碱基+PRPP5'-核苷酸+PPi核苷酸焦磷酸化酶鸟嘌呤+PRPPHGPRTGMP+PPi合成过程腺嘌呤核苷腺苷激酶ATPADPAMP腺嘌呤+PRPPAMP+PPiAPRT腺嘌呤磷酸核糖转移酶次黄嘌呤+PRPPIMP+PPiHGPRT次黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸核糖转移酶嘧啶核苷酸的补救合成嘧啶+PRPP磷酸嘧啶核苷+PPi嘧啶磷酸核糖转移酶尿嘧啶核苷+ATP尿苷激酶UMP+ADP胸腺嘧啶核苷+ATP胸苷激酶TMP+ADP核苷酸的补救合成途径——嘌呤碱基、核苷和核苷酸的相互转换1'-磷酸核糖IMP合成系的代谢控制及嘌呤核苷酸互变的代谢控制二、嘌呤核苷酸的代谢调节机制（枯草杆菌型）AMP脱氨酶SAMP裂解酶SAMP合成酶IMP脱氢酶GMP还原酶XMP氨化酶（5-磷酸核糖胺）AICAR（5-胺基-4-氨甲酰咪唑核苷酸）嘌呤核苷酸相互转换系的代谢控制调节位点A①②③④⑤⑥PR-ATP1-（5'-磷酸核糖基）-三磷酸腺苷⑥AMP脱氨酶⑤SAMP裂解酶④SAMP合成酶③XMP氨化酶②GMP还原酶①IMP脱氢酶AICAR－5-氨基-4-氨甲酰咪唑核苷酸PRA-（5-磷酸核糖胺）磷酸核糖酰胺转移酶嘌呤核苷酸的从头合成受到产物的反馈控制。第一个控制点是由5-磷酸核糖转变为磷酸核糖焦磷酸（PRPP），由核糖磷酸焦磷酸激酶催化。PRPP合成酶受ADP、ATP、GTP、UTP抑制。第二个控制点是PRPP接受谷氨酰胺的氨基转变为5，-磷酸核糖胺（PRA），磷酸核糖酰胺转移酶受到ADP、ATP、AMP、GTP、GDP、GMP的反馈抑制。其中ADP、ATP、AMP结合在酶的一个抑制位点，而GTP、GDP、GMP结合在另一抑制位点。IMP是AMP、GMP合成途径的分支点，每条分支途径的第一步反应也是控制点，GMP反馈抑制和阻遏IMP脱氢酶（IMP向XMP转变），ATP反馈抑制GMP还原酶（GMP向IMP）同样，AMP则反馈抑制SAMP合成酶（抑制IMP转变为腺苷琥珀酸SAMP），GTP抑制AMP脱氨酶（AMP到IMP），从而防止生成过多的AMP和GMP。以IMP为中心的两个循环，各个反应是不可逆的IMP脱氢酶受GMP的反馈抑制，也被GMP阻遏；ATP反馈抑制GMP还原酶。同样的，AMP抑制SAMP合成酶，GTP抑制AMP脱氨酶SAMP→AMP反应的供能体为GTP，XMP→GMP反应的供能体为ATP（即GTP加速IMP向AMP转变；ATP则促进GMP生成）,这样可使酰嘌呤和鸟嘌呤核苷酸的水平保持相对平衡，满足核酸合成的需要。总结根据上述调节机制，当细胞中的GMP水平提高到一定程度时，从IMP的代谢流就自动地转向AMP方面；反之，当细胞的AMP水平高到一定程度时，从IMP的代谢流就自动地转向GMP方面。另一方面，核苷酸的代谢也与组氨酸的生物合成有关：AICAR→IMP→AMP→ATP→PR-ATP→AICAR形成一个循环，由PRATP经咪唑甘油磷酸生成组氨酸。假如组氨酸过剩，则不走此途径（AMP→ATP→PR-ATP→AICAR途径。）次黄嘌呤核苷酸，白色粉末状或颗粒状结晶，味鲜、易溶于水，难溶于有机溶剂。食品：鲜味添加剂医药：白细胞或血小板减少症，各种急慢性肝炎，肺原性心脏病，中心性视网膜炎，视神经萎缩症，毛地黄中毒症以及血吸虫病的治疗。第三节核酸类物质生产各论一、肌苷酸（IMP）：生产方法：微生物直接发酵生产（一步法）；细菌发酵生产肌苷，然后采用化学发或酶法进行磷酸化；添加前体物次黄嘌呤，通过补救途径合成（半合成法）；利用微生物发酵生产腺苷或5，－腺苷酸，再用化学法或酶法生产。P