吡咯喹啉醌的研究进展

1、分子植物病理课程作业题目名称： 吡咯喹啉醌的研究进展 学生姓名： 师笑枫 学 号： 2012102031 专 业： 植物病理学 2012年5月15日吡咯喹啉醌的研究进展摘要: 吡咯喹啉醌(PQQ)是继烟酰胺和黄素核苷酸之后发现的氧化还原酶的第3种辅酶。PQQ 含有能直接参与氧化还原反应的邻醌类结构，以上酶蛋白可以催化非磷酸化的底物发生氧化反应，如醇类，醛类和醛糖类。PQQ具有多种生理功能,在食品、医药及农业等行业有广泛的应用前景。我们从主要从生物学功能和生物合成两个方面对其做了简要综述,介绍了PQQ生物合成调控方面的研究进展。关键词:吡咯喹啉醌 生物功能 生物合成吡咯喹啉醌（PQQ）是参与氧化

2、还原反应的辅因子，作为许多酶的辅酶，如脱氢酶，氧化酶，水合酶与脱羧酶。PQQ 含有能直接参与氧化还原反应的邻醌类结构，以上酶蛋白可以催化非磷酸化的底物发生氧化反应，如醇类，醛类和醛糖类。此外，PQQ 还被认为是继吡啶和核黄素之后的第三类参与氧化还原反应的辅因子1。20世纪60年代,人们发现了一类新的能氧化多种一级醇,并以甲基吩嗪硫酸甲酯为最初受氢体的脱氢酶,它们不依赖于已知脱氢酶辅酶或辅基。直到 1979年Durine才分离得到这个辅酶,随后Salisbury通过X线衍射技术阐明了这种辅酶的结构并命名为吡咯喹啉醌。 PQQ 广泛存在于原核细胞与真核组织中，例如肺炎克雷伯氏菌（Klebsiell

3、a pneumoniae ），扭脱甲基杆菌（ Methylobacterium extorquens ），绿脓杆菌（Pseudomonas aeruginosa），变色多孔菌（Polyporus versicolor）和漆树（Rhus vernicifera）等。有趣的是，一些肠道微生物，例如大肠杆菌，不能合成 PQQ，却能生产以 PQQ 为辅因子的酶蛋白。这种辅酶的与假扭脱甲基杆菌（Methylobacterium extorquens）、变色多孔菌（Polyporus versicolor）、绿脓杆菌（Pseudomonas aeruginosa）与不动杆菌属（Acinetobacter）

4、葡萄糖脱氢酶辅酶相同。1. PQQ的生物学功能吡咯喹啉醌化学名是4,5-二氢-4,5-二氧化-1-氢吡咯（2,3f）醌-2,7,9-三羧酸，常温下为晶体，但其光谱学特性比较特殊，PQQ在紫外249nm波长下的吸收系数是18400mol-1cm-1。主要作为电子受体或供体参与酶催化的氧化还原过程,其化学结构中的邻位醌3个羧基是其重要的功能基团(图1-1)。1.1 PQQ 参于呼吸链电子传递20世纪60年代,人们在荧光极毛杆菌细胞膜上得到的D-葡萄糖脱氢酶的辅酶就是PQQ。随后的研究发现醌酶分布广泛,如 氧 化 葡 糖 杆 菌(Gluconobacter oxydans)的 山 梨 糖 脱 氢 酶

5、(SDH)睾丸酮丛毛单胞菌(Comamonas testosterone) 的醌血红素蛋白醇脱氢酶(QH-ADH)等。PQQ作为各种醌酶的辅酶参与电子在醌酶内的传递,协助醌酶完成其特定的生物学功能2。PQQ为辅酶的醌酶存在于许多革兰氏阴性菌中，如甲醇脱氢酶（ADH）和甘等3。这些脱氢酶参与特定小分子如甲醇和葡萄糖的氧化途径，生成ATP等能量物质4。PQQ在醌酶参与传递电子的机制上都很类似。以葡萄糖脱氢酶（GDH）为例， PQQ的 C5位置是接受自由电子的重要部位，当C5接受电子时变为PQQH2，之后第二个电子受体为细胞色素c，最终电子被转移到储能质当中5。1.2 PQQ是刺激机体的生长因子 P

6、QQ是细菌生长中的必需因子并且可以缩短细菌的延滞期，因此对生长有刺激作用，能加快微生物生长。低浓度PQQ可以促进植物花粉萌发和花粉管的形成，因此会促进植物的授粉效率，Choi用黄瓜作为实验对象添加微量PQQ后成熟期缩短，从而证明了这一结论6。另外PQQ也是植物中抗氧化剂的一种。另外特定产PQQ微生物还可通过共生的方式为植物提供微量元素。当喂食小鼠适量PQQ时，小鼠细胞中线粒体活动加强，从而活动能力大大增加7；当小鼠体内缺乏PQQ时，小鼠肝细胞中线粒体数量明显减少，而且心率活动不正常，同时血糖含量也超过正常范围8。PQQ还有消除细胞内黑色素的功能，还可以清除细胞内氧自由基，因此PQQ被归类为新型

7、B族维生素。1.3 修复受损神经细胞自由基的数量在生物机体中有十分重要的作用，要维持机体正常功能，自由基水平必须控制在一定范围之内。自由基数量对于生物体至关重要，当体内自由基过量时细胞会有加剧衰老，诱发特定疾病等严重后果。当体内氧自由基过高时，会引发神经损伤，当突触蛋白被氧化时会形成淀粉突触蛋白并容易诱发帕金森氏症，而PQQ能有效低阻止淀粉突触蛋白的形成9。PQQ通过还原自由基的作用保护这些身体组织。同时发现PQQ还可以高效地消除离体心脏充氧后生成的乳酸脱氢酶，能有效保护身体组织。通过对小鼠的实验发现PQQ能有效提高受损神经处的神经元密度，同时还能防止一氧化氮带来的二次损伤。2. PQQ的生物

8、合成2.1 PQQ生产菌PQQ广泛存在于革兰阴性菌中!但合成量却有所不同!有些菌只产生痕量PQQ, 供正常的生理代谢需求, 如恶臭假单胞菌; 还有些菌却能产生过量的PQQ, 并分泌到胞外。迄今发现的能产生过量PQQ的野生菌包括无色杆菌属(Achromobacter)、交替单胞菌属(Alteromonas)、 弯杆菌属(Ancylobacter)等。其中以甲基营养型细菌的PQQ生物合成水平最高10。2.2 PQQ的合成基因 大多数可以合成吡咯喹啉醌的微生物中，一般有4个到7个基因与PQQ合成直接相关，并且一般以基因簇的形式存在。不同生产菌的pqq基因却都具有一定同源性，并且排列顺序也十分相似。已

9、经确定多种微生物中参与PQQ合成的基因。如肺炎克雷伯氏菌中，PQQ生物合成的所有基因即pqqABCDEF六个阅读框呈一个基因簇排列。扭脱甲基杆菌中，PQQ合成基因分为两个基因簇，一个为pqqABC/DE，其中C和D基因融合为一个基因，另一个为pqqFG与其它三个基因构成的基因簇。在铜绿假单胞菌中，pqqABCDE阅读框与pqqF阅读框分离。除了肺炎克雷伯氏菌的pqqF阅读框，其它PQQ合成基因都有较高的同源度11。2.3 PQQ的其他调控因素Pqq基因自身就对PQQ生物合成进行调控，一方面所有基因共用一个启动子，表示PQQ合成的所有基因表达的比例必须适当，另外，pqqA基因末端有抑制转录的发卡

10、结构，调节之后的基因合成。此外，pqq基因之间也存在相互的促进或抑制作用，对pqq表达也有重要的调控作用。对于基因工程法合成PQQ来说，现阶段发现。基因的拷贝数对PQQ合成量影响很大，利用高拷贝质粒表达PQQ基因时几乎没有PQQ的生成，但利用低拷贝质粒时却有大量PQQ被分泌至培养基。还有大量实验证明，PQQ的酶蛋白表达也对PQQ合成起关键影响，当酶蛋白没有合成时，PQQ也无法合成，但酶蛋白与PQQ并不是正相关的关系，当提高酶蛋白的合成量时，PQQ合成量并没有明显的增加。另外一些金属离子对PQQ的合成也有很大影响，目前发现亚铁离子与镁离子对PQQ合成量影响最大12。3. 展望 PQQ作为一种具有

11、多种生理功能的生物活性物质,在炎症、溶血性贫血、传输神经兴奋失调、肝病和骨质疏松症等疾病的治疗方面具有很大的潜力,同时在食品、农业方面亦具有广泛的应用前景,值得高度关注。目前PQQ的生产成本仍居高不下，PQQ生物合成工艺水平的提高将为PQQ应用的推广创造条件。虽然对PQQ生物合成途径的已经有了一定的认识，但PQQ生物合成途径及某些PQQ合成基因的功能尚不清楚，如PqqB、PqqE的确切功能需要加以研究,PQQ合成的调控机制尚有待阐明,PQQ合成基因之间的协调作用、PQQ合成与醌酶表达的关系、外部因素影响PQQ生物合成的机制等问题需要深入探讨。此外，PQQ的电子传递机制亦未彻底阐明，仍有待深入研

12、究。参考文献1 Ameyama, M. Nonobe, M. Shinagawa, E. Matsushita, K.and Adachi,（1985） Method of enzymatic determination of pyrroloquinoline quinine. Anal.Biochem.151,2633 267.2 Magnusson O T,RoseFigura J M,Toyama H,et al.Pyrroloquinoline quinone biogenesis:characterization of PqqC and its H84N and H84A activ

13、e site variants J. Biochemistry,2007,46(24):7174-7186.3 王歆,张惟材.吡咯喹啉醌产生菌筛选方法建立及菌种筛选J微生物学报,2007,47(6):982-986.4 Matsushita, K.,Toyama, H.,Ameyama, M.,Adachi,O., Dewanti, A. and Duine,J.A.（1995）Soluble and membrane-bound quinoprotein D-ghCOSe dehydrogenases of the Acinetobacter calcoaceticus: the bindi

14、ng process of PQQ to the apoenzymes. Biosci. Biotechnol. Biochem. 59, 154881555.5 Morris, C.J., Biville, F.,Turlin, E.,Lee, E.,Ellermann, K., Fan, W.,Ramamoorthi,R.,Springer,A.L.and Lindstrom, M.E.（1994）Isolation,phenotypic characterization,and complementation analysis of mutants of Methylobacterium

15、 extorquens AM 1 unable to synthesize pyrro- loquinoline quinone and sequence of pqqD,pqqG,and pqqC. J.Bacte-riol.176,174661755.6 Masaki K, Jihoon K, Natsuki K, et al. Pyrroloquinoline quinine（PQQ）prevents fibril formation of -synucleinJ.Biochemical and Biophysical Research CommunicationsH, 2006,349

16、（3）:1139-11447 Sode,K.and Sano,H.（1994）Glu742 substitution to Lysenhances the EDTA tolerance of Escherichia coli PQQ glucose dehydrogenase.Biotechnol.Lett.16,455-460.8 Joelle M,Elias A,Ian J,et al.Effects of pyrroloquinoline quinone on glutamate-induced production of reactive oxygen species in neuro

17、nsJ. European Journal of Pharmacology, 1997, 326（1）: 67-749 Kai H, Hitoshi N, Teiji U, et al. Antioxidant and pro-oxidant properties of pyrroloquinoline quinone （PQQ）: implications for its function in biological systemsJ. Biochemical Pharmacology, 2003, 65（1）: 67-74.10 Niigata T U. Process for the preparation of pyrrolo-quinoline qui