¿Cómo producir la enzima Q10?

Lacoenzima Q10, un importante transportador de hidrógeno en la cadena respiratoria de las células vivas, se encuentra ampliamente en animales, plantas y microorganismos. La coenzima Q10 fue aislada por primera vez de la mitocondria de corazones bovinos por Frederick Crane de Wisconsin, EE.UU., en 1957; En el mismo año, Morton del Reino unido obtuvo el mismo compuesto de los hígados de las ratas con deficiencia de vitamina a y lo nombró coenzima Q10; Y en 1958 Karl Folkers de Merck Inc. determinó su estructura y químicamente sintetizpor primera vez.

En 1958, Karl Folkers de Merck Inc. determinó su estructura y sintetizquímicamente la coenzima Q10 por primera vez. En 1977, la producción de coenzima Q10 por fermentación microbiana se industrializó en Japón. En 1978, Peter Mitchell fue galardonado con el premio Nobel por su uso de la teoría de la ósmosis química para explicar el importante papel de transferencia de protde la coenzima Q10 en los sistemas de conversión de energía [1].

Actualmente, los principales métodos de producción de la coenzima Q10 incluyen la extracción de tejidos vegetales y animales, el cultivo de tejidos vegetales y animales, la fermentación microbiana y la síntesis química. En comparación con otros métodos, la fermentación microbiana se caracteriza por una alta actividad del producto, bajo costo de la materia prima, fácil control y producción a gran escala [2].

Con la amplia investigación sobre el valor médico y clínicoAplicación de coenzima Q10Ha sido ampliamente utilizado en el tratamiento de varias enfermedades como enfermedades del corazón, diabetes, cáncer, hepatitis aguda y crónica, y Parkinson's enfermedad. Además, tiene la capacidad de bloquear la peroxidde las proteínas. Como eliminador de radicales de oxígeno, la coenzima Q10 también se usa ampliamente en el cuidado de la salud y la belleza [3-4].

1 coenzima Q10 vía biosintética

1. 1 estructura y precursores

La coenzima Q10 es un compuesto de quinona. Su estructura se muestra en la figura 1. Por su estructura, se puede ver que se basa en la 2,3-dimetoxi5-metilbenzoquinona como núcleo, con una cadena lateral de poli (2-metilbuten(2)) basada en [5].

El precursor del núcleo de quinona, el ácido p-hidroxibenzoico, es sintetizen bacterias y eucariotas superiores usando ácido ramiy tirosina como precursores, respectivamente, pero en la levadura, ambas sustancias pueden ser utilizadas como precursores para la síntesis de ácido p-hidroxibenzoico. En la levadura, ambas sustancias pueden ser utilizadas como precursores para la síntesis de ácido p-hidroxibenzoico. La síntesis de las cadenas laterales basadas en poli (2-metilbuteno) -butileno (2) se basa en dos precursores isoméricos, pirofosfato de dimetilpropil (DMAPP) y pirofosfato de isopentenil (IPP) [6].

Fig 1 la estructura de la coenzima Q10

1. Ruta de síntesis de 2 anillos aromáticos

1. 2. 1 biosíntesis del ácido p-hidroxibenzoico (PHB)

La síntesis de PHB, un importante precursor en la vía de síntesis de anillos aromáticos de la coenzima Q10, ha sido de gran interés. Meganathan ha investigado la síntesis de PHB a partir de E. Coli y S. cerevisa mutantes. Meganathan estudió la vía de síntesis de la coenzima Q10 en dos cepas mutantes de E. coli y S. cerevisa, ubi y CoQ, y encontró que sus vías in vivo para la síntesis de anillos aromáticos son ligeramente diferentes. E. E. coli divide la vía del ácido mangiferólico (una vía para el metabolismo de azúcares a aminoácidos aromáticos, que se encuentra ampliamente en las plantas y microorganismos) para producir PHB mediante el uso de una enzima de escisión de ácido ramicodificada por el gen ubic. S. cerevisa, por otro lado, puede escindiácido de ramiramipara producir PHB mediante el uso de una enzima de escisión de ácido de ramiramicodificada por el mutante S. cerevisa. S. cerevisa, además de la escisión de los ácidos de rami, también puede obtener PHB por una serie de desaminación, acilación y desacilación de la tirosina [7].

1. 2. 2 modificaciones de anillos aromáticos 

Meganathan's estudio también encontró que la ruta sintética que comienza con PHB implica un total de 7 enzimas en una reacción de 8 pasos (ver figura 2) la phb-poly-2-metilbuteno (2) -iltransferasa codificada por ubi a/CoQ 2 transfila poli-2-metilbuten(2) -il cadena lateral al anillo aromático, y la enzima tiene una fuerte especificidad de sustr. La ruta metabólica posterior varía de un organismo a otro.

En S. Cecheque, hidroxilación, metily luego descarboxilación tienen lugar, mientras que en E. coli, descarboxilación, hidroxilación y metiltienen lugar primero, seguido de metil. En S. cerevisa, hidroxilación, metily luego descarboxilación tienen lugar, mientras que en E. coli, descarboxilación, hidroxilación y luego metiltienen lugar. En la vía sintética, las o-transmetilasas son codificadas por ubi G/ CoQ 3, c-transmetilasas por ubi E/ CoQ 5, descarboxilasas por ubiD/ubiX, y monooxigenasas por ubiB y ubi E/ CoQ 5, respectivamente. En algunos informes de genes de plantas y animales utilizados para sintetizar la coenzima Q10, todos estos genes se encuentran en genes de plantas y animales como homólogos. Sin embargo, el gen ubi F/ CoQ 7, que también codifica una monooxigenasa, aún no ha sido encontrado en genes de plantas o animales [8].

Figura 2 E. Coli y S. Cereuisiae in vivo coenzima Q10 rutas de síntesis de anillos aromáticos [6]

1. 3 rutas biosintéticas para las cadenas laterales basadas en poli (2-metilbuten(2)

1. 3. Precursores de 1 cadena lateral

3.1 síntesis de precursores de cadena lateral en la síntesis de cadenas laterales basadas en poli (2-metilbuten(2)), se requieren dos precursores isoméricos, DMAPP e IPP, que se obtienen a través de la vía del mevalon(MVA) en la levadura y la vía 2-C- metil-d-eritritol 4-fosfato (MEP) en bacterias [9]. Metil-d-eritritol 4-fosfato (MEP) en bacterias [9].

1. 3. 1. Vía 1 MVA 

La síntesis de IPP y DMAPP en hongos y levaduras se muestra en la Fig. 3. El precursor inicial en la vía de síntesis es la coenzima acetil A, que primero intercambia con su propio grupo etilo y el grupo carbometilo de otra coenzima acetil A para formar bis(acetil coenzima A), que A su vez se combina con la otra molécula para formar 3-hidroxi 3-metilglutaril coenzima A (HMG-CoA). HMG-CoA sufre una reacción de reducción de dos pasos para formar mevalonato. El mevalonato se convierte en pirofosfato de mevalonmediante un proceso de fosforilación de dos pasos. Después de la deshidraty descarboxilación del pirofosfato de mevalonato, se forma IPP, y IPP y DMAPP son intercambipor IPP isomerasa [10].

1. 3. 1. 2 vía de acceso al eurodiputado 

Los precursores iniciales para la síntesis de IPP y DMAPP en bacterias se derivan de dos productos intermedios de la glucólisis: ácido propiónico y 3-fosfod-gliceraldehído, la vía de síntesis de los cuales se muestra en la Fig. 4. En primer lugar, el producto de la descarboxilación del ácido propiónico se combina con d-fosfo-d-gliceraldehído para formar 5-fosfo1-desoxixilxilxiloglucanos (DXP) a través de la acción de la enzima de síntesis de d-xiloglucosan codificada por d-gen ISP. DXP se reduce aún más a MEP, que se combina con 1 molécula de CTP para formar 2-metil-4-citidina difosd-eritritol a través de la acción de 2-meti4-citidina difosd-eritritol sintetasa codificada por el gen ISP D. La sustancia es fosforilpara producir 2-metil-4-citidifosfato d-eritritol.

En presencia de 2-metil-d-eritritol-2,4-fosfato pirocíclicsintasa codificada por ISP F, 2-metil-2-fosfato4-citidina difosfato d-eritritol las moléculas se degradan de una molécula de CMP a 2-metil-d-eritritol-2,4-pirofosfato cíclic. Las enzimas y los genes implicados en el metabolismo del pirofosfato cíclica IPP y DMAPP necesitan ser investigados más a fondo. IPP y DMAPP son mutados por la acción de los genes idi que codifican IPP isoenzimas [11].

Figura 3 vías de síntesis de precursores de cadena lateral endosómica de hongos y lev[10]

1. 3. Síntesis de 2 cadenas laterales

En la vía de biosíntesis de cadena lateral (ver figura 5), el primer DMAPP es sintetizpor primera vez con IPP por GPP sintasa para sintetizar C10 pirofosfato glucocorticoide (GPP). GPP y una molécula de IPP son catalizados por FPP sintasa para sintetizar un pirofosfato de farnesil C15 (FPP). FPP se combina con IPP para formar un pirofosfato de gerangeranilo C20 (GGPP) a través de GGPP sintetasa. Después de eso, una serie de cadenas laterales de la coenzima Q son sintetizpor una serie de isopentenil pirofosfato sintetasas [12].

Las longitudes de las cadenas laterales de la serie de coenzimas Q son usualmente mayores que C25, mientras que aquellas menores que C25 son raramente las cadenas laterales de la serie de coenzimas Q natural. Kainous encontró que FPP sintetasa y GGPP sintetasa tienen dos regiones ricas en ácido aspártico, y que el ácido aspártico de cinco posiciones en la primera región juega un papel importante en la longitud de las cadenas laterales, y que los precursores de diferentes orígenes tienen ciertos efectos en las longitudes de las cadenas laterales. Los precursores de diferentes fuentes tienen un cierto efecto en la longitud de las cadenas laterales. E. E. coli puede sintetizar los precursores obtenidos en la vía MEP en una serie de cadenas laterales de Q7 a Q10 a través de una serie de isopentenil pirofosfato sintasa codificada por sus genes ISP a e ISP B. S. Cereui-sa puede sintetizar los precursores en la vía del MVA en una serie de cadenas laterales de Q5 a Q10 [13].

Figura 5 E. Coli y S. Cerevisiae E. Coli y S. Cerevisiae in vivo coenzima Q10 vía de síntesis de cadena lateral [7] Fig. 5 vía F0R la bi0síntesis 0f p0liprenil diph0sphate en E. Coli y S. Coli y S. Cerevisiae S. cerevisiae

2 optimización del proceso de fermentación de la coenzima Q10

2. 1 cepa de producción

Actualmente, el número de cepas de CoQ10 reportadas se concentra principalmente en Pseudomonas, Saccharomyces, bacterias fotosintetizadoras y Paracoccidioides, etc. La distribución de CoQ10 en microorganismos es heterogénea. La distribución de la coenzima Q10 en los microorganismos es heterogénea, con baja producción en las células que no requieren respiración de oxígeno, como las bacterias grampositivas, y una producción relativamente alta en las células gramnegativas. Con la mayor aclaración de la vía de la síntesis de la coenzima Q10 en los organismos y la aplicación de la ingeniería enzimy la ingeniería genética, la síntesis de la coenzima Q10 por cepas bacterianas modificadas genéticamente también se ha informado en los últimos años. Y0shida [14] obtuvo la cepa mutante AU-55 por mutagenesis de Rhodococcus globulus y screening de revisión de la Raley el mayor rendimiento de 180 mg/L se logró por cultivo de fermentación en matraz agit.

2. 2 optimización de la composición del medio

2. 2. 1 fuentes de carbono 

Una cadena lateral basada en poli2-metilbuten(2) es necesaria para la síntesis de la coenzima Q10. Tanaka et al. [13] utilizaron frasagitpara cultivar la cepa C. T. Tanaka et al. [13] utilizaron el cultivo en matraz agitde de la cepa C. T. PK-233, con hidrocarburos C10~C13 como fuentes de carbono, e incubaron la cepa a 30 ℃ durante 45 h. La coenzima Q10 en la solución de cultivo fue de 4,66 mg/L. La coenzima Q10 se obtuvo de la solución de cultivo a una concentración de 4,66 mg/L.

2.2. 2 fuentes de nitrógeno 

Wu Zufang et al. [15] utilizaron diferentes fuentes de nitrógeno, tales como ungüento de fermentación, peptona, jarabe de maíz, clorde amonio, sulfato de amonamony nitrato de amonamon, para fermentar Rhizobium radiobacter WsH2601 en frasagit, y los resultados mostraron que el nitrógeno orgánico era más eficaz que el nitrógeno inorgánico. Cuando se utiliza peptona de 16 g/L como fuente de nitrógeno, la síntesis de la coenzima Q10 se maximi.

2.2. 3 iones metálicos 

Un estudio realizado por ACI (Japón) mostró que los iones metálicos, especialmente Mg2+, Fe2+ y Mn2+, tienen un efecto beneficioso en la fermentación de R. sphaeroides para producir la coenzima Q10. Sphaeroides fermentación para producir coenzima Q10. La adición de 12,2 mm0l/L Mgso2 + y Mn2 + al medio de cultivo promovió la fermentación de la coenzima Q10. 2 mm0l/L Mgso4, 1. 12,2 mm0l/L Mgso4, 1,8 mm0l/L Feso4, 0,9 mm0l/L Mnso4 la adición de 12,2 mm0l/L Mgso4, 1,8 mm0l/L Feso4, y 0,9 mm0l/L Mnso4 en el medio de cultivo aumentó la producción de coenzima Q10 de 2,0 mg/g a 8,0 mg/g. 0 mg/g a 8. 9 ~ 9. 6 mg/g [2].

2. 2. 4 precursores 

Bajo ciertas condiciones, el precursor puede controlar el flujo anabólico de la bacteria, aumentando así el rendimiento de la coenzima Q10. ShimizU et al. informaron que el ácido propiónico en el ciclo del ácido tricarboxílico es el precursor de la cadena lateral 2-metilbuten(2) a base de polímero en la coenzima Q10, y que el 0,5 % de ácido propiónico se añadió al medio, lo que resultó en un rendimiento de 52 mg/L de coenzima Q10. La producción de coenzima Q10 fue de 52 mg/L con adición de ácido propiónico al 0,5 % al medio de cultivo. Kawada et al. informaron que la adición de etanol isopentilo y alcohol de sebo como precursores para la síntesis de cadenas laterales en el medio de cultivo de P. schuy lkilliensis aumentó el contenido de coenzima Q10 de la bacteria en un 20-60 %. Tanaka et al. usaron frasagitpara el cultivo de C. schuy lkilliensis. T. Tanaka et al. cultivaron la cepa C. T. PK-233 en frasagity encontraron que la adición de ácido p-hidroxibenzoico al medio de cultivo promovió la biosíntesis de la coenzima Q10 [16].

2. 2. 5 con efecto añadido 

Zhang Yanjing et al. [17] investigaron los efectos de la adición de aceite de soja, harina de soja, jugo de zanahoria, jugo de tomate, hoja de tabaco, beta-caroteny jugo de cáscara de naranja sobre la producción de coenzima Q10 por fermentación de levadura, y los resultados mostraron que la adición de los efecmencionados anteriormente podría aumentar el contenido de coenzima Q10 en la levadura.

2. 3 optimización de las condiciones de cultivo

2. 3. 1iluminación

Sasaki et al. cultivaron Pseudomonas aeruginosa en ausencia de luz, y la cantidad de coenzima Q10 fue de 1,22 mg/g, mientras que en presencia de luz, la cantidad de coenzima Q10 fue de 1,5 mg/g. En ausencia de luz, Pseudomonas aeruginosa se cultivó con 1,22 mg/g de coenzima Q10, mientras que en presencia de luz, el nivel de coenzima Q10 fue de 1,98 mg/g [16]. Car y EXcell reportaron que el contenido de coenzima Q10 en PsB era más alto bajo condiciones anaeróbicas en la luz, pero el rendimiento cayó bruscamente una vez que el cultivo fue cambiado a la oscuridad [2].

2. 3. 2 oxígeno disuelto

El efecto del oxígeno disuelto en la fermentación de la coenzima Q10 varía mucho según la cepa de la bacteria. Y0shida et al. [14] encontraron que la disminución de la presión de oxígeno aumentó el rendimiento de la coenzima Q10 en la fermentación de Rhodococcus globulus KY-4113, y fotografías microelectrónicas de las células mostraron que la membrana interna de las células mostró una estructura de múltiples capas en presencia de bajo oxígeno. Wang Genhua et al. [18] encontraron que la cantidad de oxígeno disuelto en los frasagitno solo afectó el crecimiento de las células, sino también la producción de la coenzima Q10. Cuanto mayor es el oxígeno disuelto, más desarrollado está el sistema respiratorio de las células y mayor es el contenido de coenzima Q10.

2. 3. 3 volúmenes de inoculación 

El aumento de la tasa de inóculo puede acortar el período de fermentación y acelerar la tasa de crecimiento de las bacterias, acortando así el ciclo de fermentación. Wu Zufang et al. [15] mostraron que el mayor rendimiento de la coenzima Q10 se obtuvo a un nivel de inóculo de 4% en un experimento de matraz agitcon Rhizobium radiodurans (WSH2601) [15].

2. 3. 4 pH 

El valor inicial del pH afecta la tasa de utilización del sustrpor el hongo y el estado estructural de la célula, que a su vez afecta la tasa de crecimiento del hongo y los productos metabólicos. Wang Genhua et al. [18] mostraron que Rhizobium leguminosarum produjo más coenzima Q10 bajo condiciones ácidas que alcalinas en un experimento con matraz agit. La mayor cantidad de coenzima intracq10 se encontró en pH 5.

3 mirando hacia adelante

El desarrollo y uso de la coenzima Q10 se ha convertido en un tema de investigación en los últimos años debido a su amplia gama de aplicaciones y la alta demanda del mercado. elProducción de coenzima Q10Por fermentación tiene muchas ventajas, tales como alta actividad del producto y fuentes ilimitde materia prima. Sin embargo, el bajo nivel de fermentación y la complejidad de los metabolihan resultado en altos costos de extracción. Con el fin de mejorar la industrialización del método de fermentación, se pueden seleccionar cepas de alto rendimiento mediante la regulación de la ruta metabólica de la coenzima Q10, y el nivel de fermentación se puede mejorar aún más a través de la mejora del proceso de fermentación. Además, el estudio de un conjunto de rutas eficientes de separación y extracción es una de las vías efectivas para mejorar la industrialización del proceso de fermentación.

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