Как производить фермент Q10?

КоэнзимQ10, являющийся важным транспортером водорода в дыхательной цепи живых клеток, широко распространен среди животных, растений и микроорганизмов. Coenzyme Q10 был впервые изолирован от mitochondria of bovine hearts фредериком крейном из висконсина, США, в 1957 году; В Том же году мортон из соединенного королевства получил такое же вещество из печени крыс, страдающих дефицитом витамина а, и назвал его коэнзим Q10; В 1958 году Карл фолкерс из Merck Inc. определил ее структуру и впервые химически синтезировал ее.

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 основные методы производстваКоэнзим Q10Включают экстракцию растительных и животных тканей, культуру растительных и животных тканей, микробную ферментацию 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. 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)

Синтез PHB, важного прекурсора в процессе синтеза ароматического кольца 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

Разработка и использование coenzyme Q10 стала горячей темой исследований в последние годы из-за его широкого спектра применения и высокого рыночного спроса. Производство coenzyme Q10 ферментацией имеет много преимуществ, таких как высокая активность продукта и неограниченные источники сырья. Однако низкий уровень ферментации и сложность метаболитов привели к высоким затратам на извлечение. Для улучшения индустриализации метода ферментации высокопродуктивные штаммы могут быть выбраны путем регулирования метаболических путей коэнзима Q10, а уровень ферментации может быть улучшен путем совершенствования процесса ферментации. Кроме того, изучение комплекса эффективных разделительных и экстракционных путей является одним из эффективных способов совершенствования индустриализации процесса ферментации.

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.