《核酸发酵》PPT课件.ppt

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。 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。 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。,1 核酸类物质的概述,嘌呤核苷酸的结构,GMP,AMP,IMP,嘧啶核苷酸的结构,1、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。20世纪40年代对核酸分子的结构认识及其在生命活动中的作用有重大突破。 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5080吨。目前预计年产量在300吨。,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：嘌呤类似物8-氮鸟嘌呤和6-巯基嘌呤具有与抗生素类似的功能，可以抑制癌细胞生长；9-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。 此外，核苷酸在农业上也有良好的应用前景，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。,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（ribonucleic acid,简称RNA）水解法：酶法和化学 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,一般培养产朊假丝酵母、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。,用化学法水解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。现在工业生产上培养这些菌株作为酶源。采用橘青霉的5-磷酸二酯酶水解RNA时,得到的产物为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。,发酵法和化学法相结合的方法：先采用微生物发酵的方法,生产出核苷,然后再经化学法进行磷酸化，最终得到5-肌苷酸和5-鸟苷酸。 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。,直接发酵法：利用微生物发酵直接生产5-肌苷酸、5-黄苷酸。 微生物以葡萄糖为原料直接发酵生产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核酸碱基和核苷的问题，现根据代谢调控机制选育出的菌株，已成功地解决了这一问题。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。,4、核酸类产品的生产菌种,自然界的微生物都有合成核苷酸的能力。在正常情况下,当微生物生成的核苷酸量达到一定程度时,微生物体内的一套反馈系统能抑制核苷酸继续合成，使核苷酸的合成与分解处于平衡状态。为了生产核苷酸物质，就必须解除微生物体内的平衡状态，使核苷酸在培养液中不断地蓄积。 发酵法生产核酸的产生菌主要有：枯草芽孢杆菌、短小芽孢杆菌、产氨短杆菌及其变异株。,2 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： 全合成途径由磷酸戊糖开始； 补救途径由培养基中获取。,一、核苷酸的生物合成途径,采用同位素标记法可知嘌呤环上各个元素的来源：,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CO2 2分子NH3 共消耗8分子ATP。,1.嘌呤核苷酸的全合成途径（“从无到有”途径）,IMP肌苷酸 SAICAR5-氨基-(N-琥珀基)代氨甲 AMP腺苷酸 酰咪唑核苷酸 GMP鸟苷酸 AICAR5-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 PRA5-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,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,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,产氨短杆菌的嘌呤核苷酸生物合成途径,2. 嘧啶核苷酸的全合成途径,谷氨酰胺 的酰胺基,3. 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 + PRPP 5- 核苷酸 + PPi,核苷酸焦磷酸化酶,合成过程,腺嘌呤磷酸核糖转移酶,次黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸核糖转移酶,嘧啶核苷酸的补救合成,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,A,PR-ATP 1- （5-磷酸核糖基） -三磷酸腺苷,AMP脱氨酶,SAMP裂解酶,SAMP合成酶,XMP氨化酶,GMP还原酶,IMP脱氢酶,AICAR5-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IMP向XMP转变，AMP则反馈抑制IMP转变为腺苷琥珀酸，从而防止生成过多的AMP和GMP。此外GTP加速IMP向AMP转变，而ATP则可促进GMP的生成。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。,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,SAMPAMP反应的供能体为GTP，XMPGMP反应的供能体为ATP（即GTP加速IMP向AMP转变；ATP则促进GMP生成）,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： AICARIMPAMPATPPR-ATPAICAR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。,一、肌苷酸（IMP）： 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。max，248；min，225。 食品中主要作为鲜味添加剂，医药行业可用于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。 肌苷酸的生产方法有四种：利用微生物直接发酵生产（一步法）；利用细菌发酵生产肌苷，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。,3 核酸类物质生产各论,1、产氨短杆菌肌苷酸合成的代谢调控机制,R-5-P,PRPP和酶,PRPP,PRPP转胺酰酶,PRA,AICAR,FAICAR,IMP,AMP,GMP,ATP,GTP,SAMP,XMP,SAMP裂解酶,SAMP 合成酶,Ade 腺嘌呤,IMP脱氢酶,胺化酶,Gua 鸟嘌呤,AMP ADP ATP,反馈抑制,反馈阻遏,1、PRPP转氨酶受到AMP、ADP、ATP和GMP反馈抑制，还受腺嘌呤的反馈阻遏。,2、 IMP脱氢酶受GMP 的反馈抑制，被鸟嘌呤阻遏,3、 SAMP合成酶受AMP、ADP、ATP的反馈调节,PRPP转氨酶受到AMP、ADP、ATP和GMP反馈抑制，还受腺嘌呤的反馈阻遏。当使用腺嘌呤缺陷型（Ade）突变株时，限制Ade添加量，既可以解除Ade系化合物对PRPP转酰胺酶的反馈抑制，而且避免了腺嘌呤对PRPP的反馈阻遏，为5，IMP积累建立了首要条件。,调控措施,从IMP开始有两个分支途径分别合成AMP和GMP,催化该反应的酶分别为IMP脱氢酶（催化IMPXMP）和SAMP合成酶（催化IMPSAMP)。IMP脱氢酶受GMP 反馈抑制，被鸟嘌呤阻遏。SAMP合成酶受AMP、ADP、ATP反馈调节。以腺嘌呤缺陷型（丧失SAMP合成酶）为出发菌株再诱变成Xan（黄嘌呤缺陷性，丧失IMP脱氢酶），不但切断了支路代谢，还可以通过限量添加Gua （鸟嘌呤）或Xan使GMP生成量减少，解除GMP对PRPP转酰胺酶的反馈抑制，保证肌苷酸大量积累。,2、肌苷和肌苷酸高产菌的选育模型,1）切断两条支路代谢， 切断支路：IMPSAMPAMP；IMPXMP，选育腺嘌呤缺陷型（Ade）和黄 嘌呤缺陷型（Xan）的双重缺陷型突变株； 2）通过限量腺嘌呤和鸟嘌呤来解除腺嘌呤系和鸟嘌呤系 化合物对IMP生物合成的酶的反馈抑制； 3）进一步选育抗腺嘌呤、鸟嘌呤类似物和（或）抗磺胺剂突变株，从遗传上解除正常代谢控制；选育8-AGr（抗8-氮鸟嘌呤）突变株 （选育抗性突变株时，应采用丧失腺嘌呤脱氢酶 的菌株为出发菌株）,4）选育Mn2+脱敏突变株（MnINS），或控制培养基中Mn2+的浓度，解除细胞膜渗透型障碍。 5）生产肌苷时，肌苷酸酶活性要强，而肌苷酸化酶要越弱越好，以使生成的肌苷不再分解。 模型： Ade+ Xan+ dea+ GMPred + 8AGr（或8AXr、ARr）+ SGr + NP + ARr + Smr （符号见微生物工程工艺原理p.116）,4、5-IMP发酵应具备的条件： 选择肌苷酸酶弱或丧失的出发菌株（不分解肌苷酸） 切断IMP向下的两条支路，使IMP大量生成和积累； 选育结构类似物双重抗性突变株； 限量添加Mn2+，解除细胞膜渗透型障碍。,5、核苷酸分泌 ： 核苷酸是不易分泌出细胞外的，实验证明Mn2+对产氨短杆菌核苷酸分泌起关键作用。Mn2+可引起细胞形态的变化，在IMP发酵中，控制Mn2+（限量）造成细胞膨胀的不规则形态，膜产生异常，非常专一性的膜透性被破坏，核苷酸生物合成补救途径酶系PRPP激酶、Hx（次黄嘌呤）焦磷酸化酶及Hx和R-5-P都分泌于体外，在体外大量生物合成IMP。但当Mn2+过量时，菌体呈小球状，抑制了这些物质的分泌。,3、肌苷酸的产生菌,产氨短杆菌 谷氨酸棒杆菌 谷氨酸小球菌,6、肌苷酸的发酵工艺 （1）工艺流程,试管斜面培养,摇瓶种子培养,二级种子罐培养,三级种子罐培养,发酵,板框压滤,脱色,活性碳吸附,浓缩结晶,精制,（2）操作说明,培养基： （1）碳源：淀粉水解液、葡萄糖 （2）氮源：玉米浆、酵母粉、硫酸氨、尿素（补充无机氮和调节pH。 （3） 0.5%的酵母膏或酵母水解液：补充生长所需的亚适量腺嘌呤 （4）2玉米浆：富含B族维生素、生物素、嘌呤、嘧啶、氨基酸等微量有机物质，对菌体生长有重要的影响，并富含有机氮，可提供His、Lys、Gly、Ala、高丝氨酸对菌体生长有促进作用。 （5）无机盐：1磷酸盐（钾盐）和镁盐（硫酸镁），碳酸钙 （6） Mn2需限量添加,培养条件 （1）接种量：25 （2）温度控制：3040。 （3）pH控制：6.3-6.7。通过流加氨水、尿素等方式控制发酵液的pH。 （4）溶氧的控制：20立方发酵灌，搅拌速度130r/min，通气比1：（0.12-0.15),7、肌苷酸的提取工艺：离子交换树脂法 （1）工艺流程,发酵液,过滤,酸化pH1.5,阳离子树脂吸附,流出液碱化pH9.5,减压浓缩,结晶,溶解,重结晶,阴离子树脂吸附,洗脱,肌苷酸精品,盐酸,732#（H）型,NaOH,717#（OH）型,0.05mol/LHCl 0.05ml/LNaCl,95乙醇,（2）提取工艺说明,过滤、酸化：发酵液加活性白土（15g/L)，压滤除菌体，清液加1.5倍体积的0.1mol/LHCl。 阳离子交换： 732#（H）型树脂，上柱液体积为湿树脂体积的6倍。流出液用NaOH溶液调pH8.5-9.5。 阴离子交换：上柱液体积为湿树脂体积的6倍，90肌苷酸被吸附。 洗脱：先用水冲洗柱子，再用0.05mol/LHCl洗涤至流出液pH为3.5；然后用含0.05mol/LHCl和0.05mol/LNaCl混合液进行洗脱。收集肌苷酸流出液。 减压浓缩：将洗脱液用40NaOH调pH至7.5，减压浓缩1520倍体积。 结晶：浓缩液加入2倍体积的95乙醇，低温育晶，析出肌苷酸粗品。 重结晶：肌苷酸粗品加水溶解，加乙醇低温结晶，过滤，晶体用30乙醇洗涤23次 肌苷酸精品：湿肌苷酸晶体烘干，制得肌苷酸精品。,二、鸟苷（GMP）： 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。中国目前年产5-肌苷酸和5-鸟苷酸能力为5080吨。 无色至白色结晶或结晶性粉末。水溶液在pH值214范围内稳定。加热3060min几乎无变化，250时分解。 5-鸟苷酸二钠有特殊香菇滋味，鲜味程度约为肌苷酸钠的三倍以上，5-鸟苷酸二钠常与谷氨酸钠配合使用(加入量1%5)，有十分明显的增鲜作用。亦与肌苷酸二钠混合配制成呈味核苷酸二钠，作混合味精用。,3 核酸类物质生产各论,1、鸟苷酸的代谢调控及发酵机制,PRPP,PRA,5,-IMP,AMP,GMP,ADP,SAMP,XMP,枯草芽孢杆菌嘌呤核苷酸生物合成调节机制,反馈抑制,反馈阻遏,IR,嘌呤核苷酸生物合成途径的关键酶： PRPP转酰胺酶、IMP脱氢酶和SAMP合成酶。 PRPP转酰胺酶被AMP、ADP完全反馈抑制，IMP、GMP、XMP、ATP对其抑制较弱 肌苷酸脱氢酶受GMP系物质的反馈阻遏。其次受ATP、XMP、GTP的反馈抑制。 在枯草芽孢杆菌中，GMP合成中的专一性酶（IMP脱氢酶）仅受GMP系物质的反馈阻遏。 从IMP合成AMP、GMP。倾向于优先合成GMP。,2、GMP发酵应具备的条件：,因枯草芽孢杆菌具有GMP的环形支路： 菌株因丧失SAMP合成酶（Ade）活性，切断从IMP到AMP的通路，使生成的IMP全部转向合成GMP，同时丧失GMP还原酶活性，使生成的GMP不致还原为IMP。 为了积累鸟苷，核苷酶或核苷磷酸化酶等鸟苷分解酶的活性必须微弱； 鸟苷酸（GMP）是嘌呤核苷酸全合成的终产物，为了积累鸟苷，必须解除GMP对PRPP转胺酰酶，IMP脱氢酶及GMP合成酶等的反馈抑制与阻遏。（封闭基因或选择渗漏） 为了抑制肌苷产生，高效率积累鸟苷，由IMP脱氢酶及GMP所催化的反应应该比核苷酸酶（IMP-IR)所催化的反应优先进行。,3、鸟苷的产生菌,枯草芽孢杆菌、产氨短杆菌、微黄短杆菌、铜绿假单孢菌都能产鸟苷。其中枯草芽孢杆菌代谢途径清晰，一般作为选育鸟苷高产菌株的出发菌株。 鸟苷酸的助鲜作用比肌苷酸更强。直接发酵糖质原料或利用鸟嘌呤作前体都能得到鸟苷酸。 GMP工业生产多用发酵法先制成鸟苷，然后通过微生物或化学磷酸化作用转变为 GMP。生产鸟苷采用的菌种有枯草杆菌、短小芽孢杆菌、产氨短杆菌的多种变异株，它们的特点是生成必需嘌呤碱基并对嘌呤结构类似物具有抗性，各菌株的鸟苷生成量达10克/升