核苷酸系列产品的生产与应用研究进展

核苷酸系列产品的生产与应用研究进展

王宏胡晓李鹏飞

杭州美亚药业股份有限公司

摘要：核苷酸系列产品包括核苷、核苷酸、核酸等及其衍生物，是生物体内一种极其重要的化合物，具有十分广泛的用途。已在医药、食品、保健、农业等领域中得到了广泛的应用。本文综述了核苷酸类产品的生物学功能、生产技术及应用方面的研究进展。

关键词：核苷酸；生物学功能；生产技术；应用

核苷酸系列产品具有许多重要生理功能，从编码基因信息到信号传导都扮演重要的角色。近年来动物实验与临床研究证实，核苷酸系列产品是“半必需”或“有条件的必需”营养物质，补充核苷酸类物质对机体产生有益的功效。本文主要对核苷酸产品的生产技术、生物学功能及其在食品、医药、动物饲养、保健品上的应用作一概述。

1核苷酸系列产品的定义及组成[1]

1.1核苷酸系列产品定义

广义的核苷酸是指一类由嘌呤碱基或嘧啶碱基、核糖或脱氧核糖以及磷酸三种物质组成的化合物。一般来说，五碳糖与有机碱合成核苷，核苷与磷酸合成核苷酸，几种核苷酸组成核酸。而核苷酸系列产品是由核苷、核苷酸、核酸及其衍生物组成。

1.2核苷酸系列产品的组成

1.2.1核苷是指含氮碱基与糖组分缩合成的糖苷。包括核糖核苷和脱氧核糖核苷两类。构成RNA的核苷是核糖核苷，主要有腺苷、鸟苷、胞苷和尿苷。构成DNA的核苷是脱氧核糖核苷，主要有脱氧腺苷、脱氧鸟苷、脱氧胞苷和脱氧胸腺苷。

1.2.2狭义的核苷酸是指核苷的磷酸酯，磷酸基与糖上的羟基连接。根据糖的不同，核苷酸有核糖核苷酸及脱氧核苷酸两类。根据碱基的不同，又有腺苷酸、鸟苷酸、胞苷酸、尿苷酸、胸苷酸、肌苷酸等。

1.2.3核苷多磷酸是指含两个以上磷酸基的核苷酸。只带一个磷酸基的核苷酸，叫核苷一磷酸，带两个磷酸基的核苷酸叫核苷二磷酸，依此类推。如腺嘌呤核苷酸有腺苷酸、腺苷二磷酸、腺苷三磷酸和脱氧腺苷酸、脱氧腺苷二磷酸、脱氧腺苷三磷酸。

1.2.4寡核苷酸是指2～20个核苷酸连接而成的化合物叫寡核苷酸。

1.2.5多核苷酸是指20个以上的核苷酸组成的化合物叫多核苷酸。核酸是一种多核苷酸，如RNA、DNA、聚肌胞等。

1.2.6环核苷酸是由单核苷酸中磷酸部分与核糖中第三位和第五位碳原子同时脱水缩合形成一个环状二酯。包括环磷腺苷（cAMP）和环磷鸟苷（cGMP）。

1.2.7核苷酸衍生物，包括：UDP－半乳糖、UDP－葡萄糖、UDP－N－乙酰葡糖胺、CDP-胆碱、CDP-乙醇胺、CDP-二甘油酯、鸟苷-3′-二磷酸-5′-二磷酸（ppGpp）和鸟苷-3′-二磷酸-5′-三磷酸（pppGpp）、NA、NAD、FAD、阿糖腺苷、阿扎胞苷、6-巯基嘌呤（6MP）及5-氟尿嘧啶（5FU）等。

2核苷酸的生物学功能

核苷酸是核糖核酸及脱氧核糖核酸的基本组成单位，是体内合成核酸的前身物。核苷酸随着核酸分布于生物体内各器官、组织、细胞的核及胞质中，并作为核酸的组成成分参与生物的遗传、发育、生长等基本生命活动。细胞中主要以5′-核苷酸形式存在。核苷酸系列化合物具有重要的生物学功能，它们参与了生物体内几乎所有的生物化学反应过程。现概括为以下几个方面：

2.1能量代谢方面

一般认为三磷酸腺苷（ATP）是能量代谢转化的中心。体内的能量释放及吸收主要是以产生及消耗三磷酸腺苷来体现的。ATP在细胞能量代谢上起着极其重要的作用。物质在氧化时产生的能量一部分贮存在ATP分子的高能磷酸键中。ATP分子分解放能的反应可以与各种需要能量做功的生物学反应互相配合，发挥各种生理功能，如物质的合成代谢、肌肉的收缩、吸收及分泌、体温维持以及生物电活动等。另外，ATP还可将高能磷酸键转移给UDP、CDP及GDP生成UTP、CTP及GTP，它们在某些合成代谢中也是能量的直接来源。

2.2信息传递方面

Crick于1958年提出的分子遗传中心法则，揭示了核酸与蛋白质间的内在关系，以及RNA作为遗传信息传递者的生物学功能。并指出了信息在复制、传递及表达过程中的一般规律，即DNA→RNA→蛋白质。而遗传信息以核苷酸顺序的形式贮存在DNA分子中。生物体内的激素通过引起细胞内环磷腺苷（cAMP）的含量发生变化，从而调节糖原、脂肪代谢、蛋白质和核酸的生物合成，是人体内重要的第二信使。另外，鸟苷-3′-二磷酸-5′-二磷酸（ppGpp）和鸟苷-3′-二磷酸-5′-三磷酸（pppGpp）则与基因表达的调控有关。

2.3物质代谢方面

在某些合成反应中，有些核苷酸衍生物还是活化的中间代谢物。例如，与磷脂类代谢有CDP-胆碱、CDP-乙醇胺、CDP-二甘油酯等。在糖代谢中，UDP－半乳糖是乳糖的前体，UDP－葡萄糖是糖原的前体，UDP-N-乙酰葡糖胺与糖蛋白生物合成有关。NAD+及FAD是生物氧化体系的重要组成成分，在传递氢原子或电子中有着重要作用。CoA作为有些酶的辅酶成分，参与糖有氧氧化及脂肪酸氧化作用，具有使活化脂肪酸功能，与脂肪酸、萜类和类固醇生物合成有关。腺苷-3′-磷酸-5′-磷酰硫酸是硫酸根的活化形式，蛋白聚糖的糖组分中硫酸根的来源。甲硫氨酸被腺苷活化得到S-腺苷甲硫氨酸，它在生物体内广泛用作甲基供体。

2.4其他生物学功能

2′，5′-寡聚腺苷酸，是干扰素发挥作用的一个媒介，具有抗病毒、抑制DNA合成和细胞生长、调节免疫反应等生物功能。核苷一磷酸在奶粉作为维持婴儿胃肠道正常功能，减少腹泻和便秘、提高免疫力，少生病的作用。聚肌胞苷酸是一种迄今最有效的、人工合成的高效干扰素诱导剂、广谱抗病毒生化药物，可调整机体的免疫力，具有抗病毒、抗肿瘤、增强淋巴细胞免疫功能抑制核酸代谢等作用。

3.核苷酸系列产品的生产技术[2]

3.1核苷酸系列产品的发展历程

20世纪60年代初，日本科学家发现了利用橘青霉提取的5’一磷酸二酯酶可以降解RNA生成5’-核苷酸。从1961年起，以酵母RNA为原料，利用橘青霉和金色链霉菌生产5’-磷酸二酯酶降解RNA，开始了5'-核苷酸的工业化生产。至此之后，世界各国对核苷的研究和应用都一直处在非常活跃的状态，新的发现一个接着一个的涌现出来，应用于临床的核苷酸系列产品作为生化药物的愈来愈多，并初步形成了核苷酸系列产品生产工业。

之前核苷酸系列产品和技术基本上被日本所垄断，但是随着其在药物、保健品、食品和基因工程等方面的应用，这种垄断已逐渐被打破。1979年我国召开了核酸科研生产会议，有力地推动了核酸的应用与生产的发展。改革开放之后，国家对核苷酸系列产品加大了投入的力度，国家科委自“七五”开始起一直都有重大攻关项目立项，核酸药物也列入“十五”高新产品目录之中。目前我国部分核苷酸系列产品的生产都已形成一定的规模，随着世界发达国家制造业向中国转移的发展趋势，为我国赶上日本，发展核苷酸系列产品创造了契机。随着对核酸秘密的揭示，对生命现象认识的不断深入，利用核酸战胜危害人类健康的各种疾病，将会有新的飞跃。特别是对于制药行业来说，可以利用合成核糖核酸的方法来研究、设计、生产治疗多种严重疾病的新生化药物。

3.2核苷酸系列产品的生产技术

经过数十年的开发研究，已形成生产核苷酸系列产品的多种方法，总体归纳起来主要有以下几种：酶解法、化学合成法、微生物发酵法以及生物催化法。

3.2.1酶解法

酶解法是利用酶水解DNA和RNA分别得到核苷酸和脱氧核苷酸，再脱磷得核苷和脱氧核苷，然后经色谱分离纯化制得各种核苷酸及核苷类产品。目前，在日本有40%的核苷酸是以RNA为底物酶解得到的。总的来说，酶解法生产核苷酸能一次得到4种核苷酸的混合物，且酶反应收率较高，但后提取过程中，分离纯化得到4种高纯度产品的难度大，导致生产周期长，提取工艺烦琐，产品纯度不高。但是由于该生产工艺简单、原料来源丰富、成本低廉，所以长期以来，我国也都以此方法进行核苷酸的工业生产。

3.2.2化学合成法

利用化学合成核苷酸系列产品具有多方面的优点，包括合成步骤减少，可大规模地工业化生产，产量高，反应周期大大缩短，能保证很高的生产效率，可根据需要用化学方面合成各种修饰的核苷酸系列产品。目前大多数临床应用和正处在临床试验阶段的抗肿瘤、抗病毒的核苷类药物是非天然核苷类似物。事实上，科学家已经和正在对核苷分子上几乎所有部位进行了修饰和变换，获得数以万计的核苷类似物，对这些修饰性核苷绝大多数都必须用化学合成方法制得。

3.2.3微生物发酵法

微生物发酵法生产核苷酸，主要是利用微生物菌株的生物合成途径来生产核苷酸，所使用的菌种多为枯草芽抱杆菌和产氨棒杆菌。前者主要用于生产核苷和嘌呤核苷酸，而后者是目前利用微生物工业化合成核苷酸及其衍生物的主要菌种。目前微生物发酵法在肌苷酸和鸟苷酸上实现了工业化生产。

3.2.4生物催化法

微生物催化转化合成核苷酸系列产品，就是利用微生物或直接利用酶制剂作为酶源，催化核苷酸的前体物质转化为核苷酸系列产品。相对于发酵法生产，催化转化法不但缩短了生产周期，也使核苷酸系列产品的产量大大增加；并且反应体系简单，一般只需要底物、表面活性剂、酶辅基及一定量的pH值调节剂。这使得后提取工艺相对于酶解生产法或化学合成法简单容易；更重要的是，可以通过偶联不同的基因工程菌株，生产多种复杂核苷酸、核苷糖乃至寡聚糖。这在核苷酸工业、医药及糖化学、糖生物学合成工业中是极其重要的一个环节，也是其他几种方法不能替代的一个关键环节。

另外，固定化技术是最有发展前途的技术，其关键是要求载体材料易得、无毒、成本低廉，水解效果好。而酶膜生物反应器是采用适当孔径的膜将酶和底物与产物隔开，并使产物不断透过膜排出的一种反应设备，能同时完成反应和分离过程，实现高效、连续化生产。但由于维护费用较高，离工业化生产还有一段距离。

4核苷酸系列产品的应用[3-7]

4.1核苷及其衍生物

WHO专家预测，肿瘤将成为21世纪人类第一杀手，对人类生存构成最严重的威胁。化疗是治疗肿瘤的有效方法之一。2010年在整个抗肿瘤药物医院市场中抗代谢药占据15.75%的市场份额，居第3位。该类药物大多为核苷类似物。核苷产品在分子生物学和基因克隆中、DNA芯片中，核苷都有着重要的应用价值。同时核苷可作为添加剂加入保健品和食品；它也可作为美容和抗紫外辐射化妆品逐渐成为人们生活的必需品；核苷作为药物，已临床应用于中枢神经、泌尿、代谢和心血管等多方而的疾病。而由核苷衍生来的核苷类化合物特别在抗病毒、抗肿瘤方面更是展示了不可取代的独特作用。如：阿糖腺苷是治疗单纯疱疹脑炎最好的抗病毒药物；阿糖尿苷用于各种急性白血病脑膜炎乙型肝炎等的治疗；阿糖胞苷是目前治疗威胁人类生命的病毒病的首创药物，能降低疱疹脑炎患者的死亡率和神经损伤，也用于治疗急性白血病；氟碘阿糖尿苷是一种新合成的核苷酸类抗病毒药物主要对人类免疫缺陷病毒、疱疹病毒巨细胞病毒和HBV等DNA病毒有作用；盐酸环胞苷是抗病毒治疗白血病的首选药物等。美国FDA批准的抗艾滋病药物中大都是核苷类衍生物。据不完全统计，目前核苷类物质可以合成52种抗病毒、抗肿瘤药物。而这些药物有望成为继磺胺类药物、抗生素之后的又一类新型的抗病毒、抗肿瘤药物。

4.2核苷一磷酸及衍生物

4.2.1可作为奶粉添加剂。通常添加核苷一磷酸来强化婴儿配方奶粉，使之接近人母乳的核苷酸含量。据报道，婴儿饮用添加核苷酸奶粉能提高其天然杀伤细胞活性，从而增强对细菌感染抵抗力。目前30多个国家的婴儿奶粉已加入核苷酸。日本1965年允许婴儿奶粉中添加核苷一磷酸。随后西班牙1983年，美国1988年先后允许添加。欧共体对婴幼儿食品中核苷一磷酸的添加水平规定了上限：每420KJ食品中CMP2.5mg，UMP1.75mg，AMP1.5mg，GMP0.5mg，IMP1.0mg。

4.2.2可作为调味品。5’-GMP和5’-IMP因具有特殊的化学结构而呈鲜味，其鲜味分别相当于味精的160倍和40倍，5’-GMP和5’-IMP与味精调合使用具有显著的鲜味相乘效应即协同效应。呈味核苷酸目前有了更为广泛的应用，还可与经过特殊工艺加工的动物蛋白和植物蛋白及多种氨基酸混合，调配各种风味的特鲜味精、特鲜酱油和方便汤料，生产出具有特色复合鲜味剂，以适应当前市场对食品调味剂越来越高的要求。

4.2.3农林畜牧业方面的应用。核苷酸一磷酸作为半必需营养物质，当机体在快速生长期或者一些器官与组织内源性核苷酸不能满足需要时，适当添加核苷酸，对于维持动物免疫系统正常功能，促进胃肠道发育，改善肝功能与脂类代谢等有重要影响。在猪或禽类的饲料中添加核苷酸可达到促进生长，提高饲料利用率，增强抗病能力和改善肉质的目的。此外，核苷酸还可作为农用激素调节植物生长，用于农作物的生产，有明显的增产、增重功效。

4.2.4营养保健上的应用。有研究已证明，核苷酸营养的作用机制是通过改善每一细胞的活力而提高机体各系统的自身功能和自我调节能力，来达到最佳综合状态和生理平衡，因此具有广泛而稳定的营养保健作用。核苷酸添加于保健品中，对促进儿童的生长发育，增强智力，提高成年人的抗病抗衰老能力及手术病人的身体康复均有显著作用，特别对老年人效果更佳。核苷酸保健品具有良好的开发前景。

4.2.5医药方面的应用。如腺苷酸是体内能量传递物质，比腺三磷稳定，具有显著的扩张血管和降压作用，适用于肝病瘙痒静脉曲张性溃疡并发症尿苷酸参与肝解毒物质葡萄糖醛酸酐的生物合成，用于治疗肝炎改善冠心病风湿性关节炎白细胞减少症的自觉症状。

4.3核苷二磷酸及其衍生物

核苷二磷酸是合成核苷酸、核酸及衍生物的一类重要原料和生化试剂，可作为多聚核苷酸、寡核苷酸、U2P4等的重要原料。核苷二磷酸糖，是一种极具发展前途的核苷二磷酸衍生物，它是糖基转移酶的供体底物之一。糖基转移酶正被越来越多的应用于制备寡糖、糖缀合物和含糖基天然产物，因此核苷二磷酸糖的研究逐渐成为热点。另外，尿苷二磷酸葡萄糖（UDP-G）作为一种护肝活性物质，具有增强肝脏解毒功能的作用。它还在因长期服用药物引起的肝脏损害的治疗方面发挥不可替代的作用，临床上用于治疗中毒性及传染性肝炎，能增加癌症病人对5-FU等化疗的耐受力，增进疗效。胞二磷胆碱临床可用于急性颅脑外伤和脑手术后的意识障碍，胰腺炎。还可促进脑卒中偏瘫病人的上肢运动功能的恢复。

4.4核苷三磷酸及其衍生物

核苷三磷酸系列产品具有许多生理功能，在医药方面应用广泛。它可直接作为治疗药如腺苷三磷酸（ATP）和胞苷三磷酸（CTP）用于治疗心脏功能不全，脑动脉化及肌肉萎缩等症，或作为能量合剂补充机体的不足。ATP作为生化药物很早上市，并被广泛使用。鸟苷三磷酸和尿苷三磷酸许多新的药物用途近期被发现，鸟苷三磷酸可以治疗迁移性胃炎慢性肝炎进行性肌肉萎缩，各种眼疾脑震荡等；尿苷三磷酸可用于防治肺炎，治疗窦炎、纤毛运动障碍、中耳炎及支气管炎等疾病。近年来许多科学家对核苷三磷酸在药理、药学和临床应用还在进行深入的研究，发表了大量相关文献报导。

4.5环核苷酸系列及其衍生物

环磷腺苷（cAMP）为蛋白酶致活剂，是一种效果明显、毒副作用较小的非强心苷类药物。临床上主要用于治疗心功能不全、心绞痛和心肌梗死。此外，环磷腺苷在抗癌、抗病毒、治疗心血管疾病、糖尿病、牛皮癣及干扰诱导等方面具有独特的疗效。二丁酰环磷腺苷钙（db-cAMP）是环磷腺苷的衍生物，由于其具有亲脂性，可通过细胞膜在细胞内发挥作用，抗酶解能力强，克服了cAMP使用上的缺陷，同时由于该物质在机体内发挥作用之后，多余的可被磷酸二酯酶分解，不会在体内造成残留，比其他化学合成物质具有更高的安全性。二丁酰环腺苷酸在动物体内可模拟激素的生理效应，提高脂肪酶的活性，调节脂肪、蛋白质的代谢，促进蛋白质合成和脂肪分解，减少脂肪沉积。因而可通过饲料添加使用，是一种有良好应用前景的动物生长调节剂。另外，环磷腺苷也可添加至美容化妆品逐渐成为人们生活的必需品。

4.6多聚核苷酸系列及其衍生物

聚肌胞（PolyI：C）作为先天免疫的刺激剂，激发抗病毒因子作用迅速，且能够避免化学药物和疫苗由于病毒变异而产生的耐药性，对于抗病毒治疗具有一定的优势，目前在临床上可用于慢性乙型肝炎、流行性出血热、流行性乙型脑炎、病毒性角膜炎、带状疱疹、各种疣类和呼吸道感染等。另外，聚肌胞与黄芪多糖、左旋咪唑、利巴韦林配伍，有明显的增效作用；与部分抗生素配伍具有协同或相加作用。在粉、散剂等许多品种中添加聚肌胞，具有明显提高原有产品疗效的作用，同时不干扰原产品的检测，无种属特异性，可广泛在家禽、猪、牛等动物上使用。聚肌胞可作为疫苗佐剂，可以与疫苗同时使用，能起到弥补免疫空白期、缓解疫苗应激反应、增强免疫效果的作用；也可避免或降低药残。PolyI：C12U是一种错配的双链RNA，可以被用来抑制HIV和HBV的增殖，对肝炎病毒有良好的抑制效果，并已获得FDA授予的罕用药资格，在治疗慢性疲劳综合征和艾滋病方面已分别进入III期和II期临床研究。

5展望

核苷酸系列产品在食品、医药、保健品、农业领域应用方面越来越具有重要的地位，对其制备的研究也越来越深入。目前看来，微生物酶（细胞）合成法的前景更为乐观，应用酶催化能使许多复杂和难以进行的有机反应变得简单易行，对环境的污染较小，且能大幅度地降低成本。不过在酶法合成核苷的过程中还得注意保持菌体的高活力和稳定性，可以对细胞进行固定化以提高重复利用率。虽然存在着诸多问题，但是酶催化合成各种核苷酸系列产品有着巨大的发展潜力，如此必将大大促进核苷酸系列产品的开发。因此未来的研究方向包括工业用酶的蛋白质结构、功能、与底物的作用机制等开展更详细深入的研究；通过基因修饰和改造，提高酶的表达量；建立酶反应的动力学模型，以充分发挥酶的催化作用；研究和设计更高效的具有较多控制参数的新型游离酶或固定酶反应器；将现代生化分离工程技术用于获得高纯度的核苷酸系列产品。

由于核苷酸系列产品的开发研究自20世纪60年代至今，有了很大的发展。核苷酸系列产品无论在医药、保健、食品，还是在农业中都有非常广泛的应用前景。得到了欧美许多国家的高度重视。在我国随着经济的发展和人们生活水平的提高，全民健康意识和保健意识的逐步加强，核苷酸系列产品在医药工业等方面必将获得更大的发展。

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