第13章生物合成核酸类药物

第第1313章章 生物合成核酸类生物合成核酸类药物药物核酸类物质药物一般可分为两大类：核酸类物质药物一般可分为两大类：一类具天然结构的核酸类物质，一类具天然结构的核酸类物质，另一类是自然结构碱基、核苷、核苷酸的另一类是自然结构碱基、核苷、核苷酸的结构类似物或聚合物。结构类似物或聚合物。前者是生物体合成原料或蛋白质、脂肪、糖前者是生物体合成原料或蛋白质、脂肪、糖生物合成与降解以及能量代谢的辅酶，生物合成与降解以及能量代谢的辅酶，这一这一类药物有助于改善机体的物质代谢和能量平类药物有助于改善机体的物质代谢和能量平衡，加速受损组织的修复，促使缺氧组织恢衡，加速受损组织的修复，促使缺氧组织恢复正常生理机能，复正常生理机能，临床上已广泛使用于放射临床上已广泛使用于放射病、血小板减少症、白细胞减少症、急慢性病、血小板减少症、白细胞减少症、急慢性肝炎、心血管疾病、肌肉萎缩等病症的治疗，肝炎、心血管疾病、肌肉萎缩等病症的治疗，包括肌苷、辅酶包括肌苷、辅酶A、GTP、CTP、UTP、ATP、腺苷、辅酶、腺苷、辅酶I、辅酶、辅酶等，等，多数是生多数是生物体自身能够合成的物质，具有一定临床功物体自身能够合成的物质，具有一定临床功能，毒副作用小，基本都可经微生物发酵或能，毒副作用小，基本都可经微生物发酵或从生物资源中提取。从生物资源中提取。后一类药物是治疗病毒感染性疾病、肿瘤后一类药物是治疗病毒感染性疾病、肿瘤的重要手段，也是产生干扰素、免疫抑制的重要手段，也是产生干扰素、免疫抑制的临床药物。的临床药物。正式用于临床的抗病毒核苷类药物有三氮正式用于临床的抗病毒核苷类药物有三氮唑核苷、叠氮胸苷、阿糖腺苷等。唑核苷、叠氮胸苷、阿糖腺苷等。核酸类物质生产方法有化学合成法、酶解核酸类物质生产方法有化学合成法、酶解法和发酵法三种。法和发酵法三种。化学合成法化学合成法生产，工艺比较复杂，设备条生产，工艺比较复杂，设备条件要求较高；件要求较高；酶解法酶解法受到酶源及原材料的局限受到酶源及原材料的局限；发酵法发酵法以糖质原料生产核苷酸类物质，符以糖质原料生产核苷酸类物质，符合食用习惯，生产成本低、效益高，特别合食用习惯，生产成本低、效益高，特别是目前基因工程育种技术及高产优化控制是目前基因工程育种技术及高产优化控制技术的采用，使发酵法生产成本大大降低，技术的采用，使发酵法生产成本大大降低，优势更为明显。优势更为明显。主要核酸类发酵产物及其应用主要核酸类发酵产物及其应用13.1肌苷的发酵法生产肌苷的发酵法生产1概述概述肌苷是近年来生产发展较快的一种生化药肌苷是近年来生产发展较快的一种生化药品，对不同类型的心脏病及肝脏病都有较品，对不同类型的心脏病及肝脏病都有较好疗效，并具有无毒、无副作用的特点。好疗效，并具有无毒、无副作用的特点。另外，它还是唯一能代替人体内辅酶另外，它还是唯一能代替人体内辅酶A功能功能的药物。的药物。肌苷经磷酸酯化后生成肌苷经磷酸酯化后生成5-肌苷酸，用作鲜肌苷酸，用作鲜味剂的前体物质。味剂的前体物质。主要生产国是日本，试验室产量已达主要生产国是日本，试验室产量已达80g/L以上，我国实验室产量以上，我国实验室产量30g/L左右，生产水左右，生产水平在平在20g/L左右。左右。肌苷化学名是次黄嘌呤核苷，是次黄嘌呤肌苷化学名是次黄嘌呤核苷，是次黄嘌呤和核糖的缩合物，其磷酸酯为肌苷酸。和核糖的缩合物，其磷酸酯为肌苷酸。在次黄嘌呤核苷中，核糖连在在次黄嘌呤核苷中，核糖连在N-9位置上，位置上，以糖苷键的形式连接在以呋喃形式存在的以糖苷键的形式连接在以呋喃形式存在的核糖第一位碳原子上，分子式为核糖第一位碳原子上，分子式为C10H12N4O5，相对分子质量为，相对分子质量为268.23。肌苷为白色结晶或呈无水粉末状，无嗅，肌苷为白色结晶或呈无水粉末状，无嗅，味微苦，熔点约为味微苦，熔点约为218，易溶于水，易溶于水，pH近近中性。中性。在饱和水溶液中约含肌苷在饱和水溶液中约含肌苷15g/L，在稀盐酸，在稀盐酸或氢氧化钠溶液中易溶，在氯仿、乙醇中或氢氧化钠溶液中易溶，在氯仿、乙醇中不溶。不溶。肌苷的结构式肌苷的结构式2生产菌种生产菌种主要为细菌，如枯草芽孢杆菌、短小芽孢主要为细菌，如枯草芽孢杆菌、短小芽孢杆菌、产氨短杆菌、谷氨酸棒杆菌、谷氨杆菌、产氨短杆菌、谷氨酸棒杆菌、谷氨酸小球菌、节杆菌、铜绿色假单胞菌、大酸小球菌、节杆菌、铜绿色假单胞菌、大肠杆菌等。肠杆菌等。此外，一些酵母和霉菌也可产生肌苷。此外，一些酵母和霉菌也可产生肌苷。3培养基培养基斜面培养基：斜面培养基：葡萄糖葡萄糖1.0、牛肉膏、牛肉膏1.4、蛋、蛋白胨白胨1.0、酵母膏、酵母膏1.0、氯化钠、氯化钠0.5，pH7.07.2。种子培养基：种子培养基：葡萄糖葡萄糖1.0、酵母膏、酵母膏1.5%、蛋、蛋白胨白胨1.0、玉米浆、玉米浆0.5、氯化钠、氯化钠0.5，pH7.07.2。发酵培养基：发酵培养基：葡萄糖葡萄糖12、酵母粉、酵母粉1.4、硫酸、硫酸铵铵1.3、玉米浆、玉米浆0.5、尿素、尿素0.2%、氯化钾、氯化钾0.6%、磷酸氢二钠、磷酸氢二钠0.5、硫酸镁、硫酸镁0.22、碳、碳酸钙酸钙2.0、pH7.07.2。灭菌条件：灭菌条件：斜面培养基斜面培养基0.1MPa，20min，种，种子培养基及发酵培养基子培养基及发酵培养基0.08MPa，15min。4生产工艺生产工艺5发酵控制发酵控制碳源大多使用葡萄糖，在发酵生产中也可碳源大多使用葡萄糖，在发酵生产中也可利用淀粉水解液。利用淀粉水解液。常用氮源有氯化铵、硫酸铵或尿素等。常用氮源有氯化铵、硫酸铵或尿素等。因肌苷的合氮量很高因肌苷的合氮量很高(20.9)，所以须供应，所以须供应足够的氮源，工业发酵常用氨水来调节足够的氮源，工业发酵常用氨水来调节pH，这样既可以供氮源，又可调节发酵液的，这样既可以供氮源，又可调节发酵液的pH。磷酸盐对肌苷生成有很大影响。磷酸盐对肌苷生成有很大影响。采用短小芽孢杆菌的腺嘌呤缺陷型发酵时，采用短小芽孢杆菌的腺嘌呤缺陷型发酵时，可溶性磷酸盐如磷酸钾显著抑制肌苷累积，可溶性磷酸盐如磷酸钾显著抑制肌苷累积，不溶性磷酸盐如磷酸钙可促进肌苷的生成。不溶性磷酸盐如磷酸钙可促进肌苷的生成。采用产氨短杆菌变异株时，肌苷发酵不需采用产氨短杆菌变异株时，肌苷发酵不需要维持低水平无机磷，即使添加要维持低水平无机磷，即使添加2磷酸盐，磷酸盐，也能累积大量肌苷。也能累积大量肌苷。肌苷生产菌株一般为腺嘌呤缺陷型菌株，培肌苷生产菌株一般为腺嘌呤缺陷型菌株，培养基中须加入适量腺嘌呤，如酵母膏等。养基中须加入适量腺嘌呤，如酵母膏等。由于腺嘌呤是肌苷酸的前体，而腺苷酸又是由于腺嘌呤是肌苷酸的前体，而腺苷酸又是控制控制IMP生物合成的主要因子，所以加入腺生物合成的主要因子，所以加入腺嘌呤的多少，不仅影响菌体的生长，更影响嘌呤的多少，不仅影响菌体的生长，更影响肌苷积累。肌苷积累。腺嘌呤对肌苷积累最适浓度比菌体生长所需腺嘌呤对肌苷积累最适浓度比菌体生长所需要的最适浓度小一些，称为亚适量。要的最适浓度小一些，称为亚适量。氨基酸促进肌苷积累、节约腺嘌呤用量。氨基酸促进肌苷积累、节约腺嘌呤用量。其中组氨酸是必需的，异亮氨酸、亮氨酸、其中组氨酸是必需的，异亮氨酸、亮氨酸、蛋氨酸、甘氨酸、苏氨酸、苯丙氨酸及赖蛋氨酸、甘氨酸、苏氨酸、苯丙氨酸及赖氨酸等氨酸等8种氨基酸也有促进作用。种氨基酸也有促进作用。除组氨酸外的其他除组氨酸外的其他8种氨基酸可以用高浓度种氨基酸可以用高浓度的苯丙氨酸一种来代替。的苯丙氨酸一种来代替。氨基酸可通过促进菌体生长使肌苷产量增氨基酸可通过促进菌体生长使肌苷产量增加。加。发酵条件，如发酵条件，如pH值、温度、通气搅拌等都值、温度、通气搅拌等都是影响肌苷积累的重要因素。是影响肌苷积累的重要因素。肌苷积累的最适肌苷积累的最适pH值为值为6.06.2；最适温度对枯草杆菌为最适温度对枯草杆菌为30，对短小芽孢，对短小芽孢杆菌为杆菌为32；供氧不足可使肌苷生成受到显著的抑制，供氧不足可使肌苷生成受到显著的抑制，而积累一些副产物；而积累一些副产物；通气搅拌可减少通气搅拌可减少CO2对肌苷发酵的抑制作用。对肌苷发酵的抑制作用。6肌苷的生理作用和药用价值肌苷的生理作用和药用价值肌苷可直接透过细胞膜，进入人体细胞内，肌苷可直接透过细胞膜，进入人体细胞内，使处于低能缺氧状态下的细胞恢复正常水平，使处于低能缺氧状态下的细胞恢复正常水平，继续进行新陈代谢，并能活化丙酮酸氧化酶继续进行新陈代谢，并能活化丙酮酸氧化酶类，参与人体细胞蛋白质的合成，具有激活类，参与人体细胞蛋白质的合成，具有激活细胞、刺激代谢等作用。细胞、刺激代谢等作用。当细胞内当细胞内ATP含量显著或持续下降时，细胞含量显著或持续下降时，细胞功能低下，此时细胞进入低能状态，功能低下，此时细胞进入低能状态，ATP的的加入可以解除这种低能状态。加入可以解除这种低能状态。但但ATP不能透过细胞膜，而肌苷对细胞有高不能透过细胞膜，而肌苷对细胞有高度的渗透性，因此，肌苷是唯一代替人体度的渗透性，因此，肌苷是唯一代替人体增加增加ATP的药物。的药物。肌苷进入细胞后生成丙酮酸，丙酮酸可转肌苷进入细胞后生成丙酮酸，丙酮酸可转化为辅酶化为辅酶A和乳酸。和乳酸。肌苷主要应用于心脏疾病、肝脏病、白细肌苷主要应用于心脏疾病、肝脏病、白细胞减少症、放射性照射病、贫血病、血吸胞减少症、放射性照射病、贫血病、血吸虫病、视网膜炎、神经萎缩、毛地黄中毒虫病、视网膜炎、神经萎缩、毛地黄中毒等症。等症。肌苷可制成肌苷二醛、异丙肌，对精巢上肌苷可制成肌苷二醛、异丙肌，对精巢上皮瘤、麦粒细胞癌以及某些病毒性疾患都皮瘤、麦粒细胞癌以及某些病毒性疾患都可以起缓解或抵抗作用，还可制造干扰素可以起缓解或抵抗作用，还可制造干扰素的诱导剂。的诱导剂。此外，肌苷磷酸化后生成肌苷酸，是制造此外，肌苷磷酸化后生成肌苷酸，是制造强力味精的前体物质。强力味精的前体物质。13.2肌苷酸的生产肌苷酸的生产肌苷酸由核糖、磷酸和次黄嘌呤组成，其肌苷酸由核糖、磷酸和次黄嘌呤组成，其中磷酸结合在核酸的第中磷酸结合在核酸的第5位羟基上。位羟基上。肌肌苷苷酸酸的的结结构构式式肌苷酸为白色结晶粉末状或颗粒状，味鲜，肌苷酸为白色结晶粉末状或颗粒状，味鲜，无臭，易溶于水，在乙醇或其他有机溶剂无臭，易溶于水，在乙醇或其他有机溶剂中溶解度极小。中溶解度极小。核苷和碱基容易透过细胞膜而核苷酸却难核苷和碱基容易透过细胞膜而核苷酸却难以透过，因此由微生物直接发酵法生产肌以透过，因此由微生物直接发酵法生产肌苷酸比较困难。苷酸比较困难。可解除微生物自身反馈调节、改变细胞膜可解除微生物自身反馈调节、改变细胞膜通透性，在发酵液中积累肌苷酸。发酵法通透性，在发酵液中积累肌苷酸。发酵法得到的是肌苷酸钠盐。得到的是肌苷酸钠盐。1生产菌种生产菌种有短小芽孢杆菌、产氨短杆菌、枯草芽孢有短小芽孢杆菌、产氨短杆菌、枯草芽孢杆菌、谷氨酸棒杆菌、某些链霉菌等。杆菌、谷氨酸棒杆菌、某些链霉菌等。肌苷酸产生菌在肌苷酸产生菌在Mn2+限量限量(20g/L以下以下)的的条件下，菌体会产生膨胀异常形态，积累条件下，菌体会产生膨胀异常形态，积累肌苷酸，因此认为细胞膜对肌苷酸存在透肌苷酸，因此认为细胞膜对肌苷酸存在透过性障碍。过性障碍。Mn2+使细胞通透性降低。使细胞通透性降低。2肌苷酸生物合成途径肌苷酸生物合成途径最初起作用的酶是最初起作用的酶是PRPP氨基转移酶，该酶氨基转移酶，该酶受受AMP、ATP及及GMP的反馈抑制，被腺嘌的反馈抑制，被腺嘌呤阻遏。还有腺苷酸琥珀脱氢酶（呤阻遏。还有腺苷酸琥珀脱氢酶（SAMP脱脱氢酶）和氢酶）和GMP还原酶。还原酶。诱变处理可获得诱变处理可获得SAMP脱氢酶缺失的腺嘌呤脱氢酶缺失的腺嘌呤缺陷型突变株和缺失缺陷型突变株和缺失XMP氨化酶的鸟嘌呤氨化酶的鸟嘌呤缺陷型菌株更多地积累肌苷酸。缺陷型菌株更多地积累肌苷酸。肌苷酸合成途径肌苷酸合成途径3肌苷酸的生产工艺肌苷酸的生产工艺肌苷酸的生产方法肌苷酸的生产方法（1）将生物细胞内的呈味核苷酸用化学方）将生物细胞内的呈味核苷酸用化学方法抽提和精制。法抽提和精制。（2）从微生物（例如酵母）细胞提取核酸）从微生物（例如酵母）细胞提取核酸后，再通过有关酶系进行核酸降解。后，再通过有关酶系进行核酸降解。（3）用发酵法或合成工艺制得肌苷酸的前）用发酵法或合成工艺制得肌苷酸的前体物质，再经微生物转化而成。体物质，再经微生物转化而成。（4）选育肌苷酸高产变异菌株，直接发酵）选育肌苷酸高产变异菌株，直接发酵生产。生产。一般采用方法（一般采用方法（2）和方法（）和方法（4）生产肌酸。）生产肌酸。国外采用枯草芽孢杆菌、产氨短杆菌的营养国外采用枯草芽孢杆菌、产氨短杆菌的营养缺陷型、抗代谢类似物、缺陷型、抗代谢类似物、Mn2+不敏感抗生物不敏感抗生物素菌株，以糖类等为基质的发酵法得到稳步素菌株，以糖类等为基质的发酵法得到稳步发展，效益显著。发展，效益显著。工艺路线如下：工艺路线如下：试管斜面培养试管斜面培养摇瓶种子培养摇瓶种子培养二级种子罐二级种子罐培养培养三级种子罐培养三级种子罐培养发酵发酵板框压滤板框压滤脱色脱色活性炭吸附活性炭吸附浓缩结晶浓缩结晶精制精制4肌苷酸的用途肌苷酸的用途肌苷酸可参与机体能量代谢以及蛋白质合成，肌苷酸可参与机体能量代谢以及蛋白质合成，活化丙酮酸氧化酶，能使细胞在缺氧状态下活化丙酮酸氧化酶，能使细胞在缺氧状态下继续进行代谢。继续进行代谢。肌苷酸的主要医用价值为白细胞或血小扳减肌苷酸的主要医用价值为白细胞或血小扳减少症、各种急慢性肝炎、肺原性心脏病、中少症、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、放射线照射心性视网膜炎、视神经萎缩症、放射线照射病、毛地黄中毒症以及血吸虫病等的治疗。病、毛地黄中毒症以及血吸虫病等的治疗。肌苷酸更主要用途是作为助鲜剂，制成强肌苷酸更主要用途是作为助鲜剂，制成强力味精力味精(第二代味精第二代味精)和复合调味料和复合调味料(第三代第三代味精味精)。肌苷酸单独存在时，鲜味并不显著，但与肌苷酸单独存在时，鲜味并不显著，但与谷氨酸钠谷氨酸钠(味精味精)并存时，该混合物鲜味随肌并存时，该混合物鲜味随肌苷酸含量的增加而增强。苷酸含量的增加而增强。此外肌苷酸可提高酱油品质。此外肌苷酸可提高酱油品质。13.3鸟苷酸的生产鸟苷酸的生产鸟苷酸由鸟嘌呤、核糖和磷酸三部分组成，鸟苷酸由鸟嘌呤、核糖和磷酸三部分组成，磷酸结合在核糖的磷酸结合在核糖的5位羟基上，又名位羟基上，又名5-单单磷酸鸟苷，分子式为磷酸鸟苷，分子式为C10H12N5O6P。鸟鸟苷苷酸酸的的结结构构式式鸟苷酸为白色晶体或粉末，溶于冷水中，能鸟苷酸为白色晶体或粉末，溶于冷水中，能完全溶于碱溶液中，在冷的酸性溶液中缓慢完全溶于碱溶液中，在冷的酸性溶液中缓慢分解。生产中多以钠盐形式出现。分解。生产中多以钠盐形式出现。鸟苷酸在菌体内的浓度超过一定限度，就会鸟苷酸在菌体内的浓度超过一定限度，就会引起反馈调节，抑制鸟苷酸合成。尤其是使引起反馈调节，抑制鸟苷酸合成。尤其是使PRPP转酰胺酶、转酰胺酶、IMP脱氢酶及脱氢酶及GMP合成酶合成酶等受到抑制。而且微生物中还普遍存在催化等受到抑制。而且微生物中还普遍存在催化由由GMP向乌鸟苷、鸟嘌呤降解的酶系。向乌鸟苷、鸟嘌呤降解的酶系。因此必须利用相关营养缺陷型进行发酵生产。因此必须利用相关营养缺陷型进行发酵生产。鸟苷溶解度很低，发酵中容易析出结晶，减鸟苷溶解度很低，发酵中容易析出结晶，减弱了反馈调节的效果，有可能积累鸟苷。弱了反馈调节的效果，有可能积累鸟苷。GMP生产方法除生产方法除RNA分解外，还有：分解外，还有：（1）生物和化学合成并用：）生物和化学合成并用：利用微生物发利用微生物发酵法生产酵法生产AICAR（S），然后），然后AICAR(S)经经过有机化学合成的方法制成过有机化学合成的方法制成GMP。（2）利用细菌发酵生产鸟苷，然后以酶法）利用细菌发酵生产鸟苷，然后以酶法或化学合成法将鸟苷进行磷酸化，得到或化学合成法将鸟苷进行磷酸化，得到GMP。（3）双菌混合发酵：）双菌混合发酵：利用利用XMP或黄苷生产或黄苷生产菌与能将菌与能将XMP或黄苷转化为或黄苷转化为GMP的菌株混的菌株混合培养法。合培养法。（4）利用直接发酵法生产）利用直接发酵法生产GMP。目前，国内外多采用酵母提取核酸后进行酶目前，国内外多采用酵母提取核酸后进行酶解生产鸟苷酸。解生产鸟苷酸。5-鸟苷酸有助鲜作用，鸟苷酸有助鲜作用，与适量谷氨酸钠按与适量谷氨酸钠按不同比例混合时，其鲜昧更优于不同比例混合时，其鲜昧更优于5-肌苷酸。肌苷酸。在特鲜酱油方面也重要应用。在特鲜酱油方面也重要应用。在医疗方面，其钠盐用于治疗白细胞减少、在医疗方面，其钠盐用于治疗白细胞减少、血小板下降及肝炎等。血小板下降及肝炎等。结束语结束语谢谢大家聆听！谢谢大家聆听！35