Как производить фермент Q10?

КоэнзимQ10, an important hydrogen transporter in the respiratory chain of living cells, is widely found in animals, plants and microorganisms. Coenzyme Q10 was first isolated from the mitochondria of bovine hearts by Frederick crane of Wisconsin, USA, in 1957; in the same year, Morton of the UK obtained the same compound from the livers of vitamin A-deficient rats and named it coenzyme Q10; and in 1958 karl Folkers of Merck Inc. determined its structure and chemically synthesized it for the first time.

В 1958 году Карл фолкерс из Merck Inc. впервые определил свою структуру и химически синтезировал Coenzyme Q10. В 1977 году в японии было налажено промышленное производство коэнзима Q10 путем микробной ферментации. В 1978 году Питер митчелл был удостоен нобелевской премии за использование теории химического осмоза для объяснения важной роли коэнзима Q10 в преобразовании энергии в протоны [1].

В настоящее время основными методами производства коэнзима Q10 являются экстракция тканей растений и животных, культура тканей растений и животных, микробная ферментация и химический синтез. По сравнению с другими методами микробная ферментация характеризуется высокой активностью продукта, низкой стоимостью сырья, легким контролем и масштабным производством [2].

Благодаря обширным исследованиям медицинской ценности и клиническому применению коэнзима Q10, он широко используется в лечении различных заболеваний, таких как сердечные заболевания, диабет, Рак, острый и хронический гепатит, паркинсон и#39. Болезнь s. Кроме того, он способен блокировать пероксирование белков. В качестве падальщика кислородных радикалов коэнзим Q10 также широко используется в здравоохранении и косметических услугах [3-4].

1 биосинтетический путь Coenzyme Q10

1. Работа. 1 структура и прекурсоры

Коэнзим Q10 - это квинноновое соединение- да. Его структура показана на рис. 1. Из его структуры видно, что он основан на 2,3- диметоксии 5- метилбензохиноне как ядро, с полиуретаном (на основе 2- метилбутена (2)), прикрепленной боковой цепью [5].

Прекурсор кинонового ядра, p- гидроксибензоиновая кислота, синтезируется в бактериях и высших эукариотах с использованием, соответственно, разветвленной кислоты и тирозина в качестве прекурсоров, однако в дрожжах оба вещества могут использоваться в качестве прекурсоров для синтеза p- гидроксибензоиновой кислоты. В дрожжах оба вещества могут использоваться в качестве прекурсоров для синтеза p- гидроксибензоиновой кислоты. Синтез поли (2- метилбутена)- бутилена (2) на основе боковых цепей основан на двух изомерных прекурсорах: диметилпропилпирофосфате (дмапп) и изопенфенилпирофосфате (ипп) [6].

Рис. 1 структура коэнзима Q10

1. Работа. 2 пути синтеза ароматического кольца

1. Работа. 2. Работа. 1 биосинтез p- гидроксибензоиновой кислоты (PHB)

The synthesis of PHB, an important precursor in the aromatic ring synthesis pathway of coenzyme Q10, представляет большой интерес. Меганатан исследовал синтез PHB из E. Коли и с. серева мутанты. Меганатан изучил пути синтеза coenzyme Q10 в двух штаммах мутантов E. coli и S. cereva, ubi и coq и обнаружил, что их в vivo пути синтеза ароматического кольца несколько отличаются. И. И. E. коли соединяется с мангиферолиновой кислотой (путь метаболизма сахара до ароматических аминокислот, который широко встречается в растениях и микроорганизмах) для производства PHB с использованием фермента разветвленной кислотной щели, кодированного геном ubic. С. середаа, с другой стороны, может щелочной кислотой для производства PHB с помощью фермента щелочной кислоты, закодированного мутантом с. середай. С. середина, в дополнение к расщеплению разрывных кислот, также может получить PHB путем ряда оглушения, ациляции и деациляции тирозина [7].

1. Работа. 2. Работа. 2 изменения ароматического кольца 

Meganathan' исследование s также показало, что синтетический путь, начинающийся с PHB, включает в общей сложности 7 ферментов в 8- этапной реакции (см. рис. 2). PHB- поли -2- метилбутен (2)-yltransferase кодируется ubi a/coq 2 передает поли -2- метилбутен (2)- ил боковой цепи к ароматическому кольцу, и фермент имеет высокую субstrate специфичность. Последующие метаболические пути варьируются от организма к организму.

- в с. Цередаа, гидроксиляция, метиляция и затем декарбоксиляция происходят, в то время как в кишечной палочки декарбоксиляция, гидроксиляция и метиляция происходят в первую очередь, за которыми следует метиляция. В с. середе происходит гидроксиляция, метиляция, а затем декарбоксиляция, в то время как в E. coli происходит декарбоксиляция, гидроксиляция и затем метиляция. В синтетическом пути о-трансметилазы кодируются соответственно ubi G/coq 3, c-трансметилазы-ubi E/coq 5, декарбоксилазы-ubiD/ubiX и монооксигеназы-ubiB и ubi E/coq 5. В некоторых сообщениях о генах растений и животных, используемых для синтеза коэнзима Q10, все эти гены встречаются в генах растений и животных в качестве гомологов. Однако ген ubi F/coq 7, который также кодирует монооксигеназу, до сих пор не найден в генах растений и животных [8].

Рис. 2 E. Коли и с. Церебрышки in vivo coenzyme Q10 пути синтеза ароматического кольца [6]

1. Работа. 3 биосинтетических пути для поли (2- метилбутин (2) на основе боковых цепей

1. Работа. 3. Работа. Прекурсоры 1 боковой цепи

3.1 синтез прекурсоров боковой цепи при синтезе поли (на основе 2- метилбутина (2)) в боковых цепях требуется наличие двух изомерных прекурсоров, дмапп и IPP, которые получают через мевалонатную (MVA) в дрожжевых составах и 2- c-метилd-эритритол - 4- фосфатный путь (MEP) в бактериях [9]. Метил-д-эритритол 4- фосфат (меп) в бактериях [9].

1. Работа. 3. Работа. 1. Работа. Путь 1 мва 

Синтез IPP и DMAPP в грибах и дрожжах показан на рис. 3. Исходным веществом в пути синтеза является ацетилкоэнзим а, который сначала взаимодействует с собственной этиловой группой и карбометил-группой другой ацетилкоэнзим а, образуя бис (ацетилкоэнзим а), который, в свою очередь, соединяется с другой молекулой, образуя 3- гидроксид 3- метилглутарил коэнзим а (ХМГ-коа). HMG-CoA проходит двухступенчатую редукционную реакцию, чтобы сформировать мевалонат. Мевалонат преобразуется в мевалонат пирофосфат с помощью двухэтапного процесса фосфоризации. После обезвоживания и декарбоксиляции мевалонатного пирофосфата образуется IPP, а IPP и DMAPP заменяются изомерами IPP [10].

1. Работа. 3. Работа. 1. Работа. Два пути европарламента 

Исходные прекурсоры для синтеза IPP и DMAPP в бактериях получены из двух промежуточных продуктов гликолиза: пропионовой кислоты и 3- фосфод-глицералдегида, пути синтеза которых показаны на рис. 4. Во-первых, продукт декарбоксилирования пропионовой кислоты сочетается с d-фосфод-глицералдегидом в форме 5- фосфо1 - деоксиксилированных ксилоглюканов (DXP) через действие исп d-генного кодированного d-ксилоглюкозана синтеза фермента. DXP далее снижается до MEP, который сочетает в себе 1 молекулу КЦП, образующую 2- метил 4- цитидин дифосфат-д-эритритол через действие 2- метил 4- цитидин дифосфат-д-эритритол синтезазу, кодируемую геном isp D. Вещество далее фосфорилируется для производства 2- метил -4- цитидин дифосфат-д-эритритола.

В присутствии 2- метил-д-эритритол -2,4- циклический пирофосфатный синтаз, кодированный isp F, 2- метил -2- фосфат -4- цитидин дифосфат-д-эритритол -2,4- циклический пирофосфат разлагаются из одной молекул CMP до 2- метил-д-эритритол -2,4- циклический пирофосфат. Ферменты и гены, участвующие в метаболизме циклического пирофосфата в IPP и DMAPP, нуждаются в дальнейшем изучении. IPP и DMAPP мутируются действием idi генов, кодирующих IPP изоферменты [11].

Рис. 3 пути синтеза грибковых и дрожжевых эндосомных прекурсоров боковой цепи [10]

1. Работа. 3. Работа. 2 синтез боковых цепей

В боковых цепях биосинтеза (см. рис. 5) первичный дмапп сначала синтезируется с помощью синтазы ГПЗ с помощью IPP для синтеза глюкокортикоидного пирофосфата (ГПЗ) C10. GPP и одна молекула IPP катализируются с помощью синтазы FPP для синтеза фарнезилпирофосфата C15 (FPP). FPP объединяется с IPP, образуя пирофосфат C20 geranylgeranyl (GGPP) через синтезазу GGPP. После этого ряд побочных цепочек коэнзима Q синтезируется серией изопентанилпирофосфатных синтезатов [12].

Длина боковой цепи серии coenzyme Q, как правило, больше, чем C25, в то время как менее чем C25 редко являются боковыми цепями серии natural coenzyme Q. Кайнус обнаружил, что синтезаза FPP и синтезаза GGPP имеют два апартических кислотных региона, и что пятипозитная апартическая кислота в первом регионе играет важную роль в длине боковых цепей и что прекурсоры различного происхождения оказывают определенное воздействие на длину боковых цепей. Прекурсоры из различных источников оказывают определенное воздействие на длину боковых цепей. И. И. E. coli может синтезировать прекурсоры, полученные в ходе MEP пути, в ряд боковых цепей от Q7 до Q10 через серию синтазов изопентонилпирофосфатов, кодированных его генами isopentenyl и isp B. - с. Cereui-sa может синтезировать прекурсоры на пути движения в MVA в ряд боковых цепей от Q5 до Q10 [13].

Рис. 5 E. Коли и с. - церебрысия е. Коли и с. Cerevisiae in vivo coenzyme Q10 side chain synthesis pathway [7] рис. 5 путь f0r bi0synthesis 0f p0lyprenyl diph0sphate in E. Коли и с. Коли и с. Церебра с. церебра

2 оптимизация процесса ферментации Coenzyme Q10

2. Работа. 1 штамм производства

В настоящее время количество зарегистрированных штаммов CoQ10 сосредоточено главным образом в псевдодомах, сахаромицидах, фотосинтезирующих бактериях и паракоцидиодах и т.д. Распределение CoQ10 в микроорганизмах неоднородно. Распределение коэнзима Q10 в микроорганизмах неоднородно, с низким уровнем производства в клетках, не требующих кислородного дыхания, таких как грам-позитивные бактерии, и относительно высоким уровнем производства в грам-негативных клетках. После дальнейшего уточнения путей синтеза коэнзима Q10 в организмах и применения ферментной инженерии и генной инженерии в последние годы сообщалось также об синтезе коэнзима Q10 генетически измененными штаммами бактерий. Y0shida [14] получила штамм мутантов ау -55 благодаря мутагенезу родококкового глобула и рационализации скрининг, а самая высокая урожайность 180 мг/л была достигнута благодаря культуре ферментации мясных фляг.

2. Работа. 2 оптимизация среднего состава

2. Работа. 2. Работа. 1. Источники углерода 

Для синтеза коэнзима Q10 требуется боковая цепь на основе полиметилбутена (2). Tanaka et al. [13] использовали мясорубки для выращивания штамма C. - ти. - привет. Tanaka et al. [13] использовали культуру мясных фляг штамма C. T. PK-233, используя углеводороды C10~C13 в качестве источников углерода, и вырабатывали штамм при 30 ℃ в течение 45 ч. Coenzyme Q10 в растворе культуры составлял 4,66 мг/л. Коэнзим Q10 был получен из раствора культуры в концентрации 4,66 мг/л.

2.2. 2 источники азота 

В работе Wu Zufang et al. [15] использовались различные источники азота, такие как мази ферментация, пептон, кукурузный сироп, хлорид аммония, сульфат аммония и нитрат аммония, для ферментации Rhizobium radiobacter WsH2601 в дровяных фляжках, и полученные результаты показали, что органический азот является более эффективным, чем неорганический азот. Когда в качестве источника азота использовался пептон 16 г/л, синтез коэнзима Q10 был максимально увеличен.

2.2. 3 ионы металлов 

Исследование ACI (Япония) показало, что ионы металлов, особенно Mg2+, Fe2+ и Mn2+, оказывают благотворное воздействие на ферментацию R. sphaeroides для производства коэнзима Q10. Ферментация сфероидов для производства коэнзима Q10. Добавление 12,2 мм0л/л Mgso2 + и Mn2 + к средствам массовой информации способствовало ферментации коэнзима Q10. 2 мм0л/л мгсо4, 1. 12,2 мм0л/л Mgso4, 1,8 мм0л/л Feso4, 0,9 мм0л/л Mnso4 добавление 12,2 мм0л/л Mgso4, 1,8 мм0л/л Feso4 и 0,9 мм0л/л Mnso4 в среде культуры увеличило производство Coenzyme Q10 с 2,0 мг/г до 8,0 мг/г. 0 мг/г до 8. 9 ~ 9. 6 мг/г [2].

2. Работа. 2. Работа. 4. Прекурсоры 

При определенных условиях прекурсор может контролировать анаболический поток бактерии, тем самым повышая урожайность коэнзима Q10. Шимицу и др. сообщили, что пропионовая кислота в трикарбоксиловом кислотном цикле является предшественником боковой цепи 2- метилбутена (2) на основе полимера в коэнзиме Q10 и что к этой среде было добавлено 0,5% пропионовой кислоты, в результате чего выход коэнзима Q10 составил 52 мг/л. Объем производства коэнзима Q10 составил 52 мг/л с добавлением 0,5 % пропионовой кислоты в среду культуры. Kawada et al. сообщили, что добавление изопентил этанола и жирного алкоголя в качестве прекурсоров для синтеза боковой цепи в культурный носитель P. schuy lkilliensis увеличило содержание коэнзима Q10 бактерии примерно на 20- 60%. Танака и др., используемые мясные фляги культуры C. шуй lkilliensis. - ти. - привет. Tanaka et al. культурный штамм C. T. PK-233 в коктейльных фляжках и обнаружили, что добавление p- гидроксибензоиновой кислоты в среду культуры способствует биосинтезу коэнзима Q10 [16].

2. Работа. 2. Работа. 5 добавление воздействия 

Чжан яньцзин и др. [17] исследовали последствия добавления соевого масла, соевой муки, морковного сока, томатного сока, табачного листа, грава-каротина и апельсинового сока для производства коэнзима Q10 путем ферментации дрожжей, и результаты показали, что добавление вышеупомянутых факторов может увеличить содержание коэнзима Q10 в дрожжевых продуктах.

2. Работа. 3 оптимизация культурных условий

2. Работа. 3. Работа. 1. Освещенность

Сасаки и др. культурные псевдономы aeruginosa в отсутствие света, и количество coenzyme Q10 составил 1,22 мг/г, в то время как в присутствии света, количество coenzyme Q10 было 1,5 мг/г. При отсутствии света псевдодомы aeruginosa культивировались с 1,22 мг/г coenzyme Q10, в то время как при наличии света уровень coenzyme Q10 составлял 1,98 мг/г [16]. Car и EXcell сообщили, что содержание coenzyme Q10 в PsB было выше при анаэробных условиях в свете света, но урожайность резко упала, как только культура была переведена в темное [2].

2. Работа. 3. Работа. 2 растворенный кислород

Влияние растворенного кислорода на ферментацию коэнзима Q10 сильно варьируется в зависимости от штамма бактерии. Y0shida et al. [14] обнаружили, что снижение кислородного давления увеличило выход коэнзима Q10 в ферментации родококкового глобула ки -4113, а электроновые микроскопические фотографии клеток показали, что внутренняя мембрана клеток имеет многослойную структуру в присутствии низкого кислорода. Ван генхуа и др. [18] обнаружили, что количество растворенного кислорода в колпаках для коктейлей влияет не только на рост клеток, но и на производство коэнзима Q10. Чем выше содержание растворенного кислорода, тем более развита дыхательная система клеток и выше содержание коэнзима Q10.

2. Работа. 3. Работа. 3 объем прививки 

Увеличение инокулята может сократить период ферментации и ускорить темпы роста бактерий, тем самым сокращая цикл ферментации. У зуфан и др. [15] показали, что наибольшая урожайность коэнзима Q10 была получена при уровне иннокля 4% в ходе эксперимента с фляжками для коктейлей с радиодуранами ризобия (WSH2601) [15].

2. Работа. 3. Работа. 4 pH (h) 

Первоначальное значение pH влияет на коэффициент использования субстрата грибком и структурное состояние клетки, что, в свою очередь, влияет на темпы роста грибка и метаболических продуктов. Ван генхуа и др. [18] показали, что лейгуминосарум ризобия производит больше коэнзима Q10 в кислотных условиях, чем щелочных условиях в эксперименте с фляжками для коктейлей. Наибольшее количество внутриклеточного коэнзима Q10 было обнаружено при pH 5.

3. Перспективы на будущее

The development and utilization of coenzyme Q10 has become a hot research topic in recent years due to its wide range of applications and high market demand. The production of coenzyme Q10 by fermentation has many advantages, such as high product activity and unlimited raw material sources. However, the low level of fermentation and the complexity of the metabolites have resulted in high extraction costs. In order to improve the industrialization of the fermentation method, high-yielding strains can be selected by regulating the metabolic pathway of coenzyme Q10, and the fermentation level can be further improved through the improvement of the fermentation process. In addition, the study of a set of efficient separation and extraction routes is one of the effective ways to improve the industrialization of the fermentation process.

Справочные материалы:

[1] литтарру г п. Биомедицинские и клинические аспекты коэнзима Q [J]. Clin Investig, 1993, 71(8):587-588.

[2] юань цзинь, вэй хон. Прогресс микробной ферментации для производства coenzyme Q10 [J]. Аминокислоты и биоресурсы, 2004, 26(1):53 — 56.

[3] Wu Zufang, Weng Peifang, Chen Jian. Прогресс в исследовании функции coenzyme Q10[J]. Журнал университета нинбо: наука и техника, 2001, 14(2):85 — 88.

[4] ван генхуа, цянь хэ. Coenzyme Q10 и его преимущества для здоровья [J]. Jiangsu Food and Fermentation, 2002,(2):16-17.

[5] Huang W, Xu JZ. Новый прогресс в исследовании Coenzyme Q10 [J]. Химическая промышленность хэнань, 2003, 223(2): 12-15.

[6] мактото к. Биосинтез, биопроизводство и новые роли ubiQuinon ae [J]. J Biosci Bioeng, 2002, 94(6):511-517.

[7] биосинтез меганатана р. увихинона в микроорганизмах [J]. Биосинтез бибихинона в микроорганизмах [J]. FEMS Lett, 2001, 203(2):131- 139.

[8] пун W W, дэвис D E, Ha H T, и др. Идентификация Escherichia coli ubi B, гена, необходимого для первого шага монооксигеназы в биосинтезе ubiQuinone [J]. J бактериология, 2000, 182(18):5139-5146.

[9] ромер м. Открытие мевалонатного независимого пути для iso- преноидной биосинтеза у бактерий, водорослей и высших растений [J]. Nat prod Rep, 1999, 16(5):565-574.

[10] Grunler J, Ericsson J, Dallner G. Ответная реакция в биосине — тезисы холестерина, долихола, убихинона и пренлилированных белков [J]. Biochim Biophys Acta, 1994, 1221(2):259 — 277.

 [11] меганатан р. Биосинтсис менакинона и убихинона: перспективный на ферзиматические механизмы [J]. Витам хорм, 2001, 61(2):173 — 218.

[12] ван к, охнума с. Механизм определения цепной длины синтазов iso- пренила дифосфата и последствий для молекулярной эволюции [J]. Тенденции Biochem Sci, 1999, 24(11):445-451.

[13] кайну т, окада к, сузуки к и др. Димерное образование октапреновой дифосфатной синтазы (Isp B) необходимо для определения длины цепи ubiQ-uinone [J]. J Biol chem, 2001, 276(11):7876-7883.

 [14] Yoshida H, Kotani Y, ochiai K, et al. Производство ubiQuinone-10 с использованием бактерий [J]. J Gen Appl Microbiol, 1998, 44(1):19-26.

[15] у зуфан, бу гочэн, чэнь цзянь. Условия ферментации мясных фляг для производства коэнзима Q10 радиодуранцами Rhizobium WSH2601[J]. Журнал вуси университета легкой промышленности, 2003, 22(1):65-69.

[16] гу цзюфэнь, чэнь гуаньмин, ли шучжэнь. Синтез коэнзима Q10 путем преобразования микробов [J]. Прогресс фармакологии, 2001, 25(6):339 — 343.

[17] чжан яньцзинь, юань ципень, лян хао. Исследование условий ферментации дрожжей, производящих коэнзим q10 [J]. Microbiology Bulletin, 2003, 30(2):65-69.

[18] ван генхуа, цянь хэ. Влияние условий ферментации на рост клеток и синтез коэнзима Q10 ризобиевого гороха [J]. Журнал вуси университета легкой промышленности, 2003, 22(3):101-103.