吡咯喹啉醌的研究进展

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(Ｋleｂsielｌa pneumonｉae )，扭脱甲基杆菌（ Metｈylｏbacｔeriｕm extorquens ),绿脓杆菌（Pseudoｍonas aeruｇinｏｓ
ａ）,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)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-１·ｃm-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(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
PQQ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α—突触蛋白被氧化时会形成淀粉α—突触蛋白并容易诱发帕金森氏症,而PＱQ 能有效低阻止淀粉α—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的生物合成
2.1ＰＱＱ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PQ Ｑ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，P ＱQ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pqqAB
Ｃ/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pq ｑF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]。

2.3PQQ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P ＱQ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,仍有待深入研究。

参考文献
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