谷氨酰胺研究進(jìn)展

1、谷氨酰胺研究進(jìn)展L-谷氨酰胺（Gln）是由L-谷氨酸和氨化合而成的,與谷氨酸一樣也是20種氨基酸中的一 種。1883年Schulze從甜菜汁中發(fā)現(xiàn)了 Gln。后來又先后從發(fā)芽種子及蛋白質(zhì)中檢出。1935年,Hans Kerbs首次發(fā)現(xiàn)哺乳動物腎臟合成和分解L-Gln的能力,人們開始逐漸了解它的作用。并在隨后的研究中，Kerbs強(qiáng)調(diào)多數(shù)氨基酸都有多種功能，但L-Gln的功能是最豐富的。1955年,Harry Eagle綜述了哺乳動物細(xì)胞的 G ln營養(yǎng)需要，并強(qiáng)調(diào)了它是一種很重要的營養(yǎng)素。近年 來，隨著人們對L-Gln的生理、生化、臨床等方面研究的深入和發(fā)展,Gln對生命的重要性正日漸突出，被認(rèn)

2、為是目前所知道的最重要的氨基酸之一，并被稱之為條件性必需氨基酸，也是一種極有發(fā)展前途的新藥。L-谷氨酰胺的理化性質(zhì)L-谷氨酰胺（L-glutamine , L-Gln）是L-谷氨酸的丫-竣基酰胺化的一種條件性必需氨基酸 （圖1）,相對分子質(zhì)量146.15,熔點(diǎn)185c （分解），晶體呈白色斜方或粉末狀，結(jié)晶狀態(tài)下 穩(wěn)定，無臭，稍有甜味，溶于水（水溶液呈酸性），等電點(diǎn)5.65,幾乎不溶于乙醇和乙醛。L-Gln 屬中性氨基酸，在偏酸、偏堿及較高溫度下易分解成谷氨酸或環(huán)化為口比咯烷酮二竣酸。0NHJ.IIIH m K 6 C 6 C H 36- C HC H C 0 0圖1 L-谷氨酰胺分子結(jié)構(gòu)L-

3、谷氨酰胺的生理特性L-谷氨酰胺是構(gòu)成人體蛋白質(zhì)所必需的20種氨基酸之一，是機(jī)體含量最豐富的氨基酸，占全部游離氨基酸60%以上，主要儲存在腦、骨骼肌和血液中，具有很廣泛的生理作用：（1）維持機(jī)體免疫功能。現(xiàn)有資料表明谷氨酰胺不僅是淋巴細(xì)胞和巨噬細(xì)胞的重要能量物質(zhì)，甚至可能是各種免疫細(xì)胞的主要能源物質(zhì)。小腸作為人體重要的最大免疫器官，是利用L-谷氨酰胺的主要器官，它的吸收細(xì)胞以很高的速率利用谷氨酰胺，說明谷氨酰胺在機(jī)體免疫中發(fā)揮著十分重要的作用。（2）調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)的合成和分解。谷氨酰胺是蛋白質(zhì)合成的重要調(diào)節(jié)劑，在運(yùn)動中可以調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)合成和降低肌肉蛋白質(zhì)的分解，從而維持機(jī)體的生理功能。（3）谷氨酰胺是

4、機(jī)體內(nèi)氮和碳的重要運(yùn)載工具。（4）維持體內(nèi)酸堿平衡。谷氨酰胺可以作為腎臟生成的氨的載體，直接參與氨的代謝，從而起到維持酸堿平衡的重要作用。（5）調(diào)節(jié)糖代謝。谷氨酰胺可以通過糖異生作用生成葡萄糖，維持血糖濃度平衡。（6）細(xì)胞燃料。谷氨酰胺為快速生 長和分化的細(xì)胞（如血管內(nèi)皮細(xì)胞、淋巴細(xì)胞、腸粘膜上皮細(xì)胞等）提供能量來源。每1 mol L-1 的谷氨酰胺直接經(jīng)三竣酸循環(huán)可以產(chǎn)生30 mol L-1的ATP 。故谷氨酰胺產(chǎn)能對谷氨酰胺依賴性細(xì)胞（特別是小腸粘膜細(xì)胞, 對谷氨酰胺具有很高的攝取率和利用率）具有更加重要的意義。此外, 谷氨酰胺還有作為氨流動的重要載體, 大分子的合成前體, 胃腸管腔細(xì)胞的

5、基本營養(yǎng)來源, 在血液中暫時解除氨毒的作用等。L-谷氨酰胺用途L-谷氨酰胺在食品上的用途：L-谷氨酰胺是一種特殊的氨基酸，為快速繁殖細(xì)胞優(yōu)先選擇的呼吸燃料,大量的證據(jù)表明谷氨酰胺是一種條件性必需氨基酸,在應(yīng)激情況下,機(jī)體對谷氨酰胺的需要超過其合成能力。因此,可以通過腸外營養(yǎng)或飼料中添加谷氨酰胺以營養(yǎng)調(diào)控的方式加速動物體的康復(fù)。L- 谷氨酰胺在藥物方面的用途：谷氨酰胺作為一種極有發(fā)展前途的新藥, 正成為營養(yǎng)學(xué)、生理學(xué)、免疫學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。L-谷氨酰胺的缺乏會引發(fā)多種疾病，及時補(bǔ)充對機(jī)體各種機(jī)能有著廣泛而重要的影響。1979 年日本首先將其作為抗?jié)兯幬锿斗攀袌? 如日本壽制藥株式會社生產(chǎn)

6、的“麥滋林”, 為 L- 谷氨酰胺/萸磺酸鈉顆粒劑, 能治療胃炎、胃潰瘍和十二指腸潰瘍,療效和經(jīng)濟(jì)效益十分顯著, 該胃藥制劑現(xiàn)已進(jìn)入我國市場。近年來國外臨床研究證明谷氨酰胺可以治療腹部潰瘍、節(jié)段性回腸炎、過敏性腸炎和潰瘍, 醫(yī)學(xué)研究表明 , L- 谷氨酰胺還可用于治療運(yùn)動員的運(yùn)動綜合癥、恢復(fù)高強(qiáng)度勞動或運(yùn)動后的疲勞, 并有重建免疫系統(tǒng)、輔助治療肝病等功能, 它還有減少癌癥治療中放療和化療的副作用。此外還有用作改善腦功能、增進(jìn)腦神經(jīng)機(jī)能和用于治療酒精中毒等, 在發(fā)達(dá)國家, 谷氨酰胺被認(rèn)為是運(yùn)動員提高成績之營養(yǎng)配方中的基本的成分。目前，L-谷氨酰胺已大量用于治療運(yùn)動員的運(yùn)動綜合癥或運(yùn)動后的恢復(fù)。因

7、此谷氨酰胺的開發(fā)對我國的氨基酸事業(yè)及醫(yī)療保健事業(yè)將是一個很大的貢獻(xiàn), 其社會效益明顯。L-谷氨酰胺在飼料中的運(yùn)用：含谷氨酰胺的飼料可以增加腸道對谷氨酰胺的攝取，激活谷氨酰胺轉(zhuǎn)運(yùn)載體, 刺激腸粘膜細(xì)胞谷氨酰胺酶的活力。飼料中補(bǔ)充谷氨酰胺可以明顯改善由于斷奶應(yīng)激所造成的損害, 防止腸絨毛的萎縮, 維持腸道正常的形態(tài)和結(jié)構(gòu), 改善幼仔的生產(chǎn)性能。經(jīng)研究確認(rèn), 在飼料中添加1. 0% 的谷氨酰胺, 在幼仔斷奶后第一周可防止空腸絨毛萎縮, 第二周可提高飼料利用率。L- 谷氨酰胺在運(yùn)動保健品中的應(yīng)用：在體育界, 血漿 L - 谷氨酰胺水平作為評價過度訓(xùn)練的一個指標(biāo)備受關(guān)注。測定血液中的L-谷氨酰胺可作為過

8、度訓(xùn)練的檢測、評價指標(biāo)。健美愛好者及競技運(yùn)動員在進(jìn)行高強(qiáng)度的力量訓(xùn)練時, 體內(nèi) L- 谷氨酰胺的水平可下降50% ,此時及時補(bǔ)充L- 谷氨酰胺能有效地防止肌肉蛋白的分解?？诜﨤- 谷氨酰胺能使生長激素4 倍 , 并使胰島素分泌增加, 促進(jìn)肌肉的生長和身體的增高、增強(qiáng)。 L- 谷氨酰胺正成為運(yùn)動員、健美人士不可缺少的重要營養(yǎng)補(bǔ)充劑。國內(nèi)康比特的國L-谷氨酰胺膠囊和顆粒以及力邦的力康舒都以谷氨酰胺為原料，有著較好的市場；歐普特蒙、寶萊、肌崩科技、韋德營養(yǎng)等歐美谷氨酰胺產(chǎn)品在全球都取得了非同尋常的業(yè)績。L-谷氨酰胺的生產(chǎn)方法谷氨酰胺的生產(chǎn)方法主要有化學(xué)合成法、發(fā)酵法和酶法?；瘜W(xué)合成法：CHQHc S

9、-MH aH=SO4MH,HOAc6工一 '' ' CiHLcNiOitL-Gln)(Glu)一二 一 CsHnNOiCtHmNiOjSjCHOHNHsNH：Rajjep 黑CiHsNO* (Glu) - - - -一 CM44 .三-H ；S 0 4CHI 僧合01Q圖2化學(xué)法合成L-Gln流程圖主要有如圖2所示兩種化學(xué)合成法生產(chǎn)L-Gln :由化學(xué)合成法流程圖可見，兩種方法均采用濃硫酸作為必需的催化劑，反應(yīng)條件苛刻、反應(yīng)步驟多、收率低。第二種方法雖有所改進(jìn)，但仍很復(fù)雜，且要求使用催化劑Raney饃，對工藝條件提出了新的要求?；瘜W(xué)合成法使用的化學(xué)試劑在產(chǎn)品中會有不同程

10、度的殘留,L-Gln作為一種藥或功能食品，對純度有較高的要求，而且大量化學(xué)試劑的使用會造成環(huán)境污染，從而限制了產(chǎn)品質(zhì)量及使用范圍。酶法合成Gln 酶法生產(chǎn)的主要反應(yīng)為,谷班酰枝合成曲L-GW ATP+ NH3>L- G h 寸 A DP + Pi用NH3及谷氨酸作為原料經(jīng)合成酶催化生成Gln時，腺三磷(ATP)是必需的，然而因?yàn)锳TP價格昂貴，難以在工業(yè)上應(yīng)用；同時，酶反應(yīng)底物NH4+、副產(chǎn)物二磷酸腺甘(ADP) 都明顯抑制G ln的生成，反應(yīng)終了時僅有少量的生成。因此此法不具工業(yè)意義。發(fā)酵法谷氨酰胺的生產(chǎn)菌株：1961年，木下一干等首先發(fā)現(xiàn)谷氨酸發(fā)酵液中除谷氨酸外還有谷 氨酰胺存在。1

11、963年，木下祝郎在谷氨酸微球菌 (M icrococcus glutamine)發(fā)酵液中也發(fā)現(xiàn)有 谷氨酰胺存在。目前，生產(chǎn)谷氨酰胺的菌種主要包括谷氨酸棒桿菌(Corynebacterium glutamicum )、北京棒桿菌(C.pekinense)、乳糖發(fā)酵短桿菌 (Brevibacterium lactofermentum )、 黃色短桿菌(B. flavun )、里建思黃桿菌(Flavobacterium rigebnse)和鈍齒棒桿菌(C. crenatum ) 等。這些菌種又可分為 2種：一種原為谷氨酸生產(chǎn)菌種，通過改變條件，由生產(chǎn)谷氨酸轉(zhuǎn)向生產(chǎn)谷氨酰胺；另一種為谷氨酸產(chǎn)生菌的變

12、異株。其中,谷氨酸產(chǎn)生菌變異株生產(chǎn)谷氨酰胺的方法較普遍，且誘變劑較易得到，目前常用此方法獲得高產(chǎn)菌株。目前，Gln生產(chǎn)菌種主要采用傳統(tǒng)的隨機(jī)誘變結(jié)合定向篩選的方法選育，隨機(jī)誘變包括化學(xué)誘變、物理誘變和物理化學(xué)復(fù)合誘變等，常用的誘變劑和誘變因素有硫酸二乙酯、亞硝基月瓜、丫-射線、紫外線等；定向篩選包括對氨基苯甲酸結(jié)構(gòu)類似物磺胺月瓜的抗性突變篩選、 Gln結(jié)構(gòu)類似物抗性突變篩選、高NH4+濃度抗性突變篩選等。通過改變發(fā)酵條件使谷氨酸發(fā)酵向谷氨酰胺發(fā)酵轉(zhuǎn)化的機(jī)理是：發(fā)酵條件的變更創(chuàng)造了有利于合成谷氨酰胺的環(huán)境，谷氨酸產(chǎn)生菌中的谷氨酰胺合成酶活力增加，而谷氨酰胺合 成酶活力受到抑制，谷氨酰胺大量積累生

13、成，而谷氨酸的生成量減少；另一方面，由于細(xì)胞環(huán)境的影響，谷氨酰胺易從細(xì)胞中分泌出來積累在發(fā)酵液中，而谷氨酸滲透性減?。粼诩?xì)胞內(nèi)），從而使發(fā)酵轉(zhuǎn)化得以實(shí)現(xiàn)。其轉(zhuǎn)化機(jī)理如圖3所示?；虍a(chǎn)卵增補(bǔ)小，影哨抑制L-卷氨酸流出剌激L-卷氨戢及+乙酰冬熱推的就瞌此抑制酰胺的分解剎:做L-谷泉微牌 合成洌嶺優(yōu)先反應(yīng)L冬知也推圖3 L-谷氨酸發(fā)酵向L-谷氨酰胺發(fā)酵轉(zhuǎn)換的機(jī)制谷氨酰胺發(fā)酵的工藝控制：閨值HA&D Glutamine auheme 嫡值G IucumAL，（I l .L- GlnGlulafline syntheigse 皿核 B.0 曳附圖4谷氨酰胺合成的發(fā)酵控制如圖4所示，葡萄糖合成谷

14、氨酸和谷氨酰胺分解為谷氨酸的反應(yīng)均是在偏堿性條件下進(jìn)行的，由谷氨酸合成谷氨酰胺的反應(yīng)亦是在偏堿性條件下進(jìn)行的。而谷氨酸生產(chǎn)菌生長的適宜pH值一般在6. 2-8. 0。所以發(fā)酵前期應(yīng)控制 pH值在偏堿性環(huán)境，以促進(jìn)菌體生長,并激活谷氨酸合成酶的活性，保證谷氨酰胺合成前體谷氨酸的合成；而發(fā)酵后期應(yīng)控制 pH值在偏酸性環(huán)境，以增加谷氨酰胺合成酶的活性，同時抑制谷氨酰胺酶的活性，使谷氨酰胺大量 積累生成，而減少谷氨酸的生成量。除上述因素外,影響谷氨酰胺高產(chǎn)的因素還有以下幾個方面：(1)NH 4+和Cl-濃度。(2)金屬離子 Mg2+ 、 Zn2+ 、 Fe2+。 ( 3)玉米漿、尿素。( 4)氧的供應(yīng)。市場分析微生物發(fā)酵法是L-Gln 的主要生產(chǎn)方法，生產(chǎn)國主要是日本，韓國也有少量生產(chǎn)。日本的發(fā)酵水平為60g/L, 韓國為50g/L。 1977 年日本用發(fā)酵法生產(chǎn)L-Gln 的年產(chǎn)量達(dá)100t，1979年上升到500t, 1990年則上升到1200t,并有逐年遞增的趨勢。全世界 L-Gln生產(chǎn)量 逐年遞增，在1986年為900t, 1990年為1800t,目前年產(chǎn)量約為10000t。我國目前只有極 少數(shù)廠家以發(fā)酵法生產(chǎn), 藥品級 L-Gln 主要