核酸发酵课件-PPT精选.ppt

1、GMPAMPIMP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核酸发酵是在氨基酸发酵基础上的进一步深化和发展核酸发酵是在氨基酸发酵基础上的进

2、一步深化和发展 的代谢控制发酵。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，生物体必须先合成成的，因此，生物体必须先合成单核苷酸。单核苷酸。单核苷酸有两条完全不同的合成途径：单核苷酸有两条完全不同的合成途径：全合成途径全合成途径由磷酸戊糖开始由磷酸戊糖开始；补救途径补救途径由培养基中获取由培养基中获取。采用同位素标记法可知嘌呤环上各个元素的来源：嘌呤环的前体嘌呤环的前体合成1分子IMP（肌苷酸肌苷酸）需用 1分子PRPP（磷酸核糖焦磷酸磷酸核糖焦磷酸）1分子Asp（天冬氨酸）1分子Gly（甘氨酸）2分子甲酸 1分子C

3、O2 2分子NH3共消耗8分子ATP。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）次黄嘌呤核苷一磷酸）（腺嘌呤核苷一磷酸）（腺嘌呤核苷一磷酸）（黄嘌呤核苷一磷酸）（黄嘌呤核苷一磷酸）嘌呤核苷酸的全合成途径嘌呤核苷酸的全合成途径(1)5-IMP的生成（的生成（“从无到有从无到有”）：）：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u枯

4、草杆菌枯草杆菌以IMP为中心分出两条环形路线，由此AMP与GMP可以互相转换；u 产氨短杆菌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枯草芽孢杆菌枯草芽孢杆菌嘌呤核苷酸的全合成途径(2)AMP和GMP的互变枯草杆菌的嘌呤核苷酸生物合成途径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产氨短杆菌的嘌呤核苷酸生物合成途径的嘌呤核苷酸生物合成途径谷氨酰胺

5、的酰胺基利用体内游离的嘌呤或嘌呤核苷，经过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。补救合成（或重新利用）途径。定义定义当全合成受阻时，微生物可从培养基中取得完当全合成受阻时，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，所以称为接合成单核苷酸，所以称为“补救途径补救途径”。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核苷酸焦磷酸化酶腺嘌呤腺嘌呤 +PRPPAMP

6、+PPiAPRT次黄嘌呤次黄嘌呤 +PRPPIMP+PPiHGPRT鸟嘌呤鸟嘌呤 +PRPPHGPRTGMP+PPi合成过程合成过程腺嘌呤核苷腺嘌呤核苷腺苷激酶腺苷激酶ATPADPAMP腺嘌呤磷酸核糖转移酶腺嘌呤磷酸核糖转移酶次黄嘌呤次黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸核糖转移酶鸟嘌呤磷酸核糖转移酶嘧啶嘧啶 +PRPP磷酸嘧啶核苷磷酸嘧啶核苷 +PPi嘧啶磷酸核糖转移酶嘧啶磷酸核糖转移酶尿嘧啶核苷尿嘧啶核苷 +ATP尿苷激酶尿苷激酶UMP+ADP 胸腺嘧啶核苷胸腺嘧啶核苷 +ATP胸苷激酶胸苷激酶TMP+ADP核苷酸的补救合成途径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嘌呤碱基、核苷和核苷酸的相

7、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合成系的代谢控制及嘌呤核苷酸互变的代谢控制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嘌呤核苷酸相互转换系的代谢控制调节位点调节位点APR-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

8、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

9、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

10、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

11、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-PPRPP和酶PRPPPRPP转胺酰酶PRAAICARFAICARIMPAMPGMPATPGTPSAMPXMPSAMP裂解酶SAMP合成酶Ade腺嘌呤IMP脱氢酶胺化酶Gua鸟嘌呤AMPADPATP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

12、。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

13、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、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M

14、n2+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：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

15、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

16、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

17、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NaOH717#（OH）型0.05mol/LHCl0.05ml/LNaCl95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

18、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

19、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核酸类物质生产各论1、鸟苷酸的代谢调控及发酵机制PRPPPRA5,-IMPAMPGMPADPSAMPXMP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

20、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：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P

21、RPP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

22、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/升左右。4、鸟苷的发酵工艺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低温结晶精制（2）操作说明培养基：鸟苷酸发酵采用的都是营养缺陷型菌株，培养基中除碳源、氮源和无机盐等基本成分，还需添加菌株所需的必需营养物质。（1）碳源：葡萄糖或麦芽糖，1012，流加补糖。（2）氮源：（NH4）2SO4或NH4Cl，初始浓度2，发酵过程中流加氨水补充氮源和调解pH。（3）无机盐：磷酸盐、镁盐、铁盐、锰盐。（4）嘌呤前体物：L-谷氨酸钠等氨基酸。（5）营养缺陷型菌株的营养物质：腺嘌呤或者含各种嘌呤的酵母

23、粉或酵母膏，限制性营养物质必须是亚适量。（5）生物素：亚适量，调节细胞膜的透性（6-10g/L）。培养条件投料量和接种量：投料量为发酵灌体积的6080；接种量910。温度控制：024h温度为36，24h后为36.5-37.5 。pH控制：发酵培养基起始pH为6.8，发酵10h后通过流加氨水控制pH在6.4-6.5；发酵结束前pH会突然上升，pH超过6.6即可放罐。罐压与通风比：024h通气比1:0.2。24h后为1:0.35(2.5t发酵灌）。发酵过程中罐压控制在0.05-0.1MPa。鸟苷的发酵周期为48h。5、鸟苷的提取工艺：（1）工艺流程发酵液过滤除菌体一次结晶过滤鸟苷粗品二次结晶过滤鸟苷烘干、磨粉脱色过滤包装、成品板框压滤机（2）提取工艺说明过滤：发酵液加絮凝剂壳聚糖（1g/L)，升温到9095。趁热以板框压滤机过滤，收集滤液，沸水洗涤滤饼，合并滤液。结晶：滤液在结晶罐中冷却，获得鸟苷粗品。脱色：将鸟苷粗品、水、粉末活性碳（比例为10:200:1)于脱色罐中升温至90维持1h，不断搅拌。然后以板框压滤机过滤，收集滤液，沸水洗涤滤饼，合并滤液。活性炭(疏水或非极性吸附剂）结晶：滤液在结晶罐中冷却到10，结晶得鸟苷精品烘干、包装：鸟苷精品于80干燥12h，磨粉，过40目筛，包装。