65-46-3 / 胞嘧啶核糖核苷的主要應(yīng)用

背景及概述^[1]

核苷是一類糖苷的總稱。核苷是核酸和核苷酸的組成成分。核苷都是由D-核糖或D-Z-脫氧核糖與嘧啶堿或嘌呤堿縮合而成。核苷一般為無(wú)色結(jié)晶，不溶于普通有機(jī)溶劑，易溶于熱水，熔點(diǎn)為160～240℃。由D-核糖生成的核苷稱核糖核苷，參與RNA組成，由D-α-脫氧核糖生成的核苷稱脫氧核糖核苷，參與DNA組成。D-核糖與腺嘌呤、鳥(niǎo)嘌呤、胞嘧啶、胸腺嘧啶或尿嘧啶縮合生成相應(yīng)的腺嘌呤核糖核苷、鳥(niǎo)嘌呤核糖核苷、胞嘧啶核糖核苷、胸腺嘧啶核糖核苷和尿嘧啶核糖核苷，它們分別簡(jiǎn)稱為腺苷(A)、鳥(niǎo)苷(G)、胞苷(C)、胸苷(T)和尿苷(U)。同樣，D-2-脫氧核糖與腺嘌呤、鳥(niǎo)嘌呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶分別縮合可生成脫氧腺苷(aA)、脫氧鳥(niǎo)苷(aG)脫氧胞嘧啶核糖核苷(aC)、和脫氧胸苷。上述所有核苷都屬于N-糖苷，其中的D-核糖和D-2-脫氧核糖都以β-呋喃糖形式存在，故它們對(duì)堿都很穩(wěn)定；嘌呤類核苷易被酸水解，而嘧啶類核苷則不易，僅在濃酸長(zhǎng)時(shí)間加熱處理才水解。此外還有一些稀有核苷，如2′-O-甲基核糖核苷(Nm)，包括2′-O-甲基核糖腺苷(Am)、2′-O-甲基核糖鳥(niǎo)苷(Gm)2′-O-甲基核糖胞嘧啶核糖核苷(Cm)、2′-O-甲基核糖尿苷(Um)和2′-O-甲基核糖假尿苷等，是多種tRNA和真細(xì)胞mRNA的組成成分。

應(yīng)用^[2]

胞嘧啶核糖核苷（Cytidine），全稱胞嘧啶核苷（CytosineRi鄄boside），是由胞嘧啶的N-1和D-核糖的C-1位置通過(guò)β糖苷鍵連接而成的化合物是生命體內(nèi)核糖核酸的重要組成部分，在細(xì)胞內(nèi)部，胞嘧啶核糖核苷主要是以胞嘧啶核糖核苷酸的形式存在，諸如胞嘧啶核糖核苷一磷酸（CMP）、胞嘧啶核糖核苷二磷酸（CDP）和胞嘧啶核糖核苷三磷酸（CTP）的形式在細(xì)胞內(nèi)發(fā)揮生理作用。而胞嘧啶核糖核苷三磷酸是合成核糖核酸的前提物質(zhì)之一；胞嘧啶核糖核苷二磷酸可以經(jīng)過(guò)酶的多步催化反應(yīng)形成d-胞嘧啶核糖核苷三磷酸和d-胸苷三磷酸，成為合成脫氧核糖核酸的前體物。胞嘧啶核糖核苷三磷酸是一種高能化合物，在生化反應(yīng)中主要起到了供能與能量傳遞的作用。胞嘧啶核糖核苷參與了許多生命體內(nèi)的反應(yīng)，更是合成核糖核酸與脫氧核糖核酸的重要前體物質(zhì)，同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)可以利用其干擾核糖核酸的合成的性質(zhì)，通過(guò)特定的反應(yīng)轉(zhuǎn)化后，開(kāi)發(fā)抗病毒與抗腫瘤等方面的藥物，比如以胞嘧啶核糖核苷為主要中間體而研制出的扎西他濱（2′，3′-雙脫氧胞嘧啶核苷），卡培他濱（5′-脫氧-5-氟-N-［（戊氧基）羰基］胞嘧啶核糖核苷），環(huán)胞嘧啶核糖核苷、阿糖胞嘧啶核糖核苷、阿扎胞嘧啶核糖核苷、鹽酸阿糖胞嘧啶核糖核苷等均為治療惡性腫瘤與急性粒細(xì)胞白血病等惡性疾病的常用藥物，它們均為胞嘧啶核糖核苷類似物，均是由胞嘧啶核糖核苷作為中間體合成而來(lái)。所以，胞嘧啶核糖核苷是當(dāng)代醫(yī)學(xué)上很重要的藥物合成中間體。

制備^[2-3]

自從胞嘧啶核糖核苷被廣泛作為藥物中間體以來(lái)，對(duì)于胞嘧啶核糖核苷合成的研究從未間斷。而從合成方法上主要分為兩類，即化學(xué)合成法與生物合成法，生物合成法又主要分為核糖核酸水解法和發(fā)酵法，發(fā)酵法又分為添加前體物發(fā)酵法和直接發(fā)酵法。

1. 化學(xué)合成法

化學(xué)合成法是以尿苷或胞嘧啶和核糖為主要原料進(jìn)行一系列的催化反應(yīng)，進(jìn)而得到胞嘧啶核糖核苷。經(jīng)過(guò)幾十年的研究，改進(jìn)了十幾種合成路線，已經(jīng)將原來(lái)胞嘧啶核糖核苷數(shù)萬(wàn)元一公斤售價(jià)降低至了幾百元一公斤，可謂是將“天價(jià)”落到了地上。但化學(xué)合成法研究至今依然沒(méi)有突破合成中催化劑使用成本高、反應(yīng)步驟多、反應(yīng)條件苛刻以及環(huán)境污染等問(wèn)題，所以化學(xué)合成法正在逐漸被反應(yīng)條件相對(duì)溫和的生物合成法所取代。

2. 核糖核酸水解法

核糖核酸水解法就是將核糖核酸通過(guò)酶的作用水解，然后分離提純得到胞嘧啶核糖核苷。這種方法雖然反應(yīng)條件較溫和，但需要大量質(zhì)量較好的核糖核酸為原料，成本較高，同時(shí)核糖核酸的水解產(chǎn)物并非只有胞嘧啶核糖核苷一種，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生胸苷、腺苷、尿苷等等副產(chǎn)物，其分離提純胞嘧啶核糖核苷的過(guò)程復(fù)雜，進(jìn)一步提升了合成成本。

3. 添加前體物發(fā)酵法

添加前體物發(fā)酵法是利用胞嘧啶核糖核苷生物合成的補(bǔ)救途徑在菌種生長(zhǎng)過(guò)程中促進(jìn)胞嘧啶核糖核苷的生成，設(shè)計(jì)思路為在胞嘧啶核糖核苷生產(chǎn)菌的培養(yǎng)基中添加前體物尿嘧啶，使嘧啶堿基通過(guò)補(bǔ)救途徑直接合成胞嘧啶核糖核苷，具體為尿嘧啶與微生物體內(nèi)的5-磷酸核糖焦磷酸在尿嘧啶核糖磷酸轉(zhuǎn)移酶的催化作用下生成尿苷一磷酸，從而增加尿苷的生成量進(jìn)而經(jīng)過(guò)尿苷二磷酸、尿苷三磷酸和胞嘧啶核糖核苷三磷酸最終形成胞嘧啶核糖核苷。但此法仍需添加尿嘧啶作為前體物，其成本較高、生產(chǎn)效率較低。

4. 直接發(fā)酵法

直接發(fā)酵法的條件簡(jiǎn)單、周期短、易控制、產(chǎn)率高、產(chǎn)量大，適合工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)，且可以進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本。但是經(jīng)過(guò)多年的菌種選育與研究，發(fā)現(xiàn)常規(guī)菌種在胞嘧啶核糖核苷的產(chǎn)量上難以突破，而早期的誘變育種又有著遺傳突變等問(wèn)題影響其穩(wěn)定傳代。而今分子生物技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，例如蛋白質(zhì)酶分子定向進(jìn)化育種技術(shù)，基因敲除育種技術(shù)，全局轉(zhuǎn)錄機(jī)器工程技術(shù)以及多種基因工程新技術(shù)應(yīng)用于胞嘧啶核糖核苷發(fā)酵菌種的培育上，使得胞嘧啶核糖核苷的產(chǎn)量明顯提高。

5. 生物發(fā)酵法

解淀粉芽以新型的解淀粉芽孢桿菌為例綜述下胞嘧啶核糖核苷的生物發(fā)酵過(guò)程。解淀粉芽孢桿菌的細(xì)胞膜是一層柔軟而富有彈性的半透性薄膜，由內(nèi)外兩層磷脂分子和蛋白質(zhì)及少量多糖組成，磷脂受磷脂酰甘油磷酸合成酶、和乙醇胺激酶催化合成和被磷脂酶分解。解淀粉芽孢桿菌的細(xì)胞膜含有豐富的酶系和多種膜蛋白，胞嘧啶核糖核苷的轉(zhuǎn)運(yùn)可能是通過(guò)細(xì)胞膜上以膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白為基礎(chǔ)的運(yùn)輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。細(xì)胞膜上控制代謝產(chǎn)物進(jìn)出的是滲透蛋白（滲透酶），并維持著細(xì)胞內(nèi)正常的滲透壓。由此推測(cè)，解淀粉芽孢桿菌可能是通過(guò)多種轉(zhuǎn)運(yùn)方式完成物質(zhì)的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)。解淀粉芽

孢桿菌中有2個(gè)已報(bào)道的可能參與胞嘧啶核糖核苷向細(xì)胞外轉(zhuǎn)運(yùn)的蛋白質(zhì)，它們是由pyrP基因編碼的尿嘧啶通透酶（Uracilpermease）和nupC基因編碼的核苷轉(zhuǎn)運(yùn)蛋（NupC），它們都與核苷轉(zhuǎn)運(yùn)有關(guān)，尿嘧啶通透酶還參與細(xì)胞中嘧啶的轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程，這兩個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白可能在菌體生長(zhǎng)與胞嘧啶核糖核苷分泌過(guò)程中發(fā)揮著重要的作用。孢桿菌嘧啶核苷酸合成途徑如圖1所示，在解淀粉芽孢桿菌合成尿苷-磷酸的過(guò)程中受到6種酶的催化作用，分別為氨甲酰磷酸合成酶、天冬氨酸氨甲酰轉(zhuǎn)移酶、二氫乳清酸酶、二氫乳清酸脫氫酶、乳清酸磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶、乳清酸脫羧酶，這幾種酶的合成均受到尿苷酸的調(diào)控，其中天冬氨酸氨甲酰轉(zhuǎn)移酶和氨甲酰磷酸合成酶是合成尿苷一磷酸反應(yīng)的限速酶。因此，想要獲得高產(chǎn)的胞嘧啶核糖核苷菌株就必須在其繁殖育種過(guò)程中消除或者降低尿苷酸等外來(lái)因素的調(diào)控作用。

主要參考資料

[1] 衛(wèi)生學(xué)大辭典

[2] 生物法合成胞嘧啶核糖核苷的研究進(jìn)展

[3] 朱暉.枯草芽孢桿菌胞嘧啶核糖核苷生產(chǎn)菌株的構(gòu)建［D］.天津大學(xué)，2013.