Q10 효소를 어떻게 생성하는가?

살아있는세포의 호흡 사슬에서 중요한 수소 전달체인 코엔자임 Q10은 동물, 식물 및 미생물에서 널리 발견됩니다.코엔자임 Q10은 1957년 미국 위스콘신의 프레드릭 크레인에 의해 소 심장의 미토콘드리아에서 처음 분리되었다;같은 해 영국의 모튼 (Morton)은 비타민 a 결핍 쥐의 간에서 같은 화합물을 얻어 코엔자임 Q10 (코엔 자임 질문 10;그리고 1958년 Merck 사의 karl Folkers 가 그것의 구조를 결정하고 처음으로 화학적으로 합성하였다.

1958년 머크 (Merck) 사의 칼 폴커스 (Karl Folkers) 가 그 구조를 규명하고 코엔자임 Q10을 처음으로 화학적으로 합성하였다.1977년 일본에서 미생물 발효에 의한 코엔자임 Q10의 생산이 산업화되었습니다.1978년 피터 미첼은 화학 삼투 이론을 이용하여 에너지 변환 시스템에서 코엔자임 Q10의 중요한 양성자 전달 역할을 설명한 공로로 노벨상을 수상하였다 [1].

현재,의 주요 생산 방법coenzyme Q10동식물조직추출, 동식물조직배양, 미생물발효와 화학합성이 포함된다.미생물 발효는 다른 방법에 비해 제품 활성이 높고, 원재료 비용이 저렴하며, 제어가 쉽고 대규모 생산 [2]이 특징이다.

코엔자임 Q10의 의학적 가치와 임상적 응용에 대한 광범위한 연구로 심장질환, 당뇨병, 암, 급성 및 만성 간염, 파킨슨& 등의 다양한 질환 치료에 널리 사용되고 있습니다#39; s 질병이다.또한, 단백질의 과산화를 차단하는 능력이 있다.산소의 청소기로서, 코엔자임 Q10은 건강과 미용에도 널리 사용된다.

1 코엔자임 Q10 생합성 경로

1.1 구조 및 전구체

코엔자임 Q10은 퀴논 화합물이다.그 구조를도 1에 나타내었다.구조를 보면 2,3-디메톡시 5-메틸벤조퀴논을 중심으로 폴리 (2-메틸부텐 (2) 기반) 사이드 체인이 붙어 있는 것을 알 수 있다 [5].

퀴논핵의 전구체인 p-하이드록시벤조산은 각각 분지산과 티로신을 전구체로 사용하여 박테리아와 고등진핵생물에서 합성되지만 효모에서는 두 물질을 모두 p-하이드록시벤조산의 합성을 위한 전구체로 사용할 수 있다.효모에서는 두 물질 모두 p-히드록시벤조산의 합성을 위한 전구체로 사용될 수 있다.폴리 (2-메틸 부텐)-부틸렌 (2) 기반 사이드 체인의 합성은 두 가지 이성질 전구체인 디메틸프로필피로인산염 (DMAPP)과 이소펜테닐피로인산염 (IPP) [6]에 기반한다.

도 1은 코엔자임 Q10의 구조를 나타낸 것이다

1.2 방향족 고리 합성 경로

1.2.1 p-Hydroxybenzoic acid (PHB)의 생합성

코엔자임 Q10의 방향족 고리 합성 경로에서 중요한 전구체인 PHB의 합성은 큰 관심을 받아왔다.Meganathan은 E 로부터 PHB의 합성을 조사했다.coli와 S. cerevisa 돌연변이.Meganathan은 E. coli와 S. cerevisa, ubi, coq의 두 돌연변이 균주에서 coenzyme Q10의 합성 경로를 연구했고, 방향족 고리 합성에 대한 그들의 생체 내 경로가 약간 다르다는 것을 발견했다.E.대장균은 ubic 유전자에 의해 암호화된 분지산 분열효소를 사용하여 PHB를 생성하기 위해 mangiferolic acid 경로 (식물과 미생물에서 널리 발견되는, 당이 방향족 아미노산으로 대사하는 경로)를 분할합니다.반면 S. cerevisa는 S. cerevisa 돌연변이에 의해 암호화된 분지산 분열효소를 이용하여 분지산을 쪼개어 PHB를 생성할 수 있다.S. cerevisa는 분지된 산의 분열 외에도 티로신 [7]의 탈아미노화, 아실화, 탈액화의 일련의 과정으로 PHB를 얻을 수도 있다.

1.2.2 방향족 고리 수정 

Meganathan's 연구는 또한 PHB로 시작하는 합성 경로에는 8단계 반응에 총 7개의 효소가 포함된다는 것을 발견했다 (그림 2 참조). ubi a/coq 2에 의해 암호화된 PHB-poly-2-methylbutene(2)-yltransferase는 poly-2-methylbutene(2)-yl side chain을 방향족 고리로 이동시키며, 효소는 강한 기질 특이성을 갖는다.그 후의 대사 경로는 생물체마다 다르다.

S에서 등장.cerevisa, hydroxylation, methylation이 일어난 다음 decarboxylation이 일어나는데, 대장균에서는 decarboxylation, hydroxylation이 먼저 일어나고, 그 다음에 methylation이 일어난다.S. cerevisa 에서는 hydroxylation, methylation을 한 다음 decarboxylation이 일어나지만, E. coli 에서는 decarboxylation, hydroxylation을 한 다음 methylation이 일어난다.합성 경로에서 O-transmethylases는 ubi G/coq 3, C-transmethylases는 ubi E/coq 5, decarboxylases는 ubiD/ubiX, monooxygenases는 ubiB와 ubi E/coq 5로 각각 암호화된다.코엔자임 Q10을 합성하기 위해 사용되는 동식물 유전자에 대한 일부 보고에서는이 모든 유전자가 동식물 유전자에서 상동성으로 발견됩니다.다만 모노옥시게나제를 암호화하기도 하는 ubi F/coq 7 유전자는 아직 식물이나 동물의 유전자에서 발견되지 않았다 [8].

그림 2 E.coli와 S.생체 내 cereuisiae 코엔자임 Q10 방향족 고리 합성 경로 [6]

1.폴리 (2-Methylbutene(2) 기반 사이드 체인에 대한 3가지 생합성 경로

1.3.1Side-Chain 선임자들

3.1 측사슬 전구체 합성 폴리 (2-메틸부텐 (2) 기반) 측사슬의 합성에서 두 가지 이성질체 전구체인 DMAPP과 IPP 가 필요한데, 이들은 효모의 메발로네이트 경로 (MVA)와 박테리아의 2-c-메틸-d-erythritol 4-인산 경로 (MEP)를 통해 얻어진다 [9].박테리아 [9]에서 메틸-d-erythritol 4-인산염 (MEP).

1.3.1.1 MVA 경로 

균류와 효모에서 IPP와 DMAPP의 합성을도 3에 나타내었다.합성 경로에서 출발 전구체는 아세틸 코엔자임 A 이며,이 코엔자임은 먼저 자신의 에틸 그룹과 다른 아세틸 코엔자임 A의 카보 메틸기와 상호 작용하여 bis(아세틸 코엔자임 A)를 형성하고, 차례로 다른 분자와 결합하여 3-히드록시 3-메틸글루타릴 코엔자임 A (HMG-CoA)를 형성합니다.HMG-CoA는 2단계 환원 반응을 거쳐 mevalonate를 형성한다.메발로네이트는 2단계 인산화 과정을 통해 메발로네이트 피로인산염으로 전환된다.메발로네이트 피로인산염의 탈수 및 탈카복실화 후, IPP 가 형성되고, IPP와 DMAPP은 IPP 이성질체 [10]에 의해 교환된다.

1.3.1.MEP 경로 2 

세균에서 IPP와 DMAPP의 합성을 위한 시작 전구물질은 해당과정의 두 가지 중간생성물인 propionic acid와 3-phospho-d-글리세알데히드로부터 유도되며, 그 합성 경로는도 4에 나타나 있다.첫째, 프로피온산의 탈카르복실화의 산물은 d-인산-d-글리세알데히드와 결합하여 isp d-유전자 coded d-실로글루코산 합성 효소의 작용을 통해 5-인산-1-디옥시실레이트실로글루칸 (DXP)을 형성한다.DXP는 isp D 유전자에 의해 코딩된 2-methyl 4-cytidine diphosphate-D-erythritol 합성효소의 작용을 통해 CTP 1분자와 결합하여 2-methyl 4-cytidine diphosphate-D-erythritol을 형성하는 MEP로 더욱 환원된다.이 물질은 더 인산화되어 2-메틸-4-시티딘 디포스페이트-d-에리트리톨을 생성한다.

isp F에 의해 암호화 된 2-methyl-D-erythritol-2,4-cyclic pyrophosphate synthase의 존재에서 2-methyl-2-phosphate-4-cytidine diphosphate-d-erythritol-2,4-cyclic pyrophosphate 분자는 CMP의 한 분자에서 2-methyl-D-erythritol-2,4-cyclic pyrophosphate로 분해됩니다.IPP와 DMAPP 으로의 순환피로인산염의 대사에 관여하는 효소와 유전자는 더 많은 조사가 필요하다.IPP와 DMAPP은 IPP 동위효소 [11]를 암호화하는 idi 유전자의 작용에 의해 변이된다.

그림 3 진균과 효모 endosomal side chain 전구체 합성 경로 [10]

1.3.2 사이드 체인 합성

side-chain 생합성 경로에서 (그림 5 참조), 프라이머 DMAPP은 먼저 GPP synthase에 의해 IPP와 합성되어 C10 glucocorticoid pyrophosphate (GPP)를 합성한다.GPP와 한 분자의 IPP는 FPP synthase에 의해 촉매되어 C15 farnesyl pyrophosphate (FPP)를 합성한다.FPP는 IPP와 결합하여 GGPP 합성효소를 통해 C20 geranylgeranyl pyrophosphate (GGPP)를 형성한다.그 후, 일련의 이소펜테닐피로인산염 합성효소에 의해 코엔자임 Q의 일련의 부직사슬이 합성된다 [12].

코엔자임 Q 시리즈의 옆사슬 길이는 보통 C25보다 크지만, C25보다 작은 것은 자연 코엔자임 Q 시리즈의 옆사슬인 경우가 드물다.kainous는 FPP 합성효소와 GGPP 합성효소는 아스파라트산이 풍부한 두 개의 영역을 가지고 있으며, 첫 번째 영역의 5위치 아스파라트산이 측사슬의 길이에 중요한 역할을 하며, 서로 다른 기원의 전구물질들이 측사슬의 길이에 일정한 영향을 미친다는 것을 발견하였다.다른 출처에서 나온 전구체는 사이드 체인의 길이에 일정한 영향을 미친다.E.대장균은 isp a 및 isp B 유전자에 의해 암호화된 isopentenyl pyrophosphate synthases를 통해 MEP 경로에서 얻어진 전구체들을 Q7에서 Q10 까지의 일련의 부직포로 합성할 수 있다.S.cereui-sa는 MVA 경로의 전구체를 Q5에서 Q10 [13] 까지의 일련의 사이드 체인으로 합성할 수 있다.

그림 5 E.coli와 S.cerevisiae E. (식물)coli와 S.cerevisiae in vivo coenzyme Q10 side chain 합성 경로 [7] Fig 5 pathway f0r에서 bi0synthesis 0f p0lyprenyl diph0sphate를 E.coli와 S.coli와 S.cerevisiae) S. cerevisiae

코엔자임 Q10발효 공정의 최적화 2

2.생산 계통 1 종

현재 보고된 CoQ10 균주의 수는 주로 녹농균, 사카로마이세스, 광합성 세균 및 파라콕시디오이드 등에 집중되어 있다.미생물에서의 CoQ10의 분포는 이질적이다.미생물의 코엔자임 Q10의 분포는 이질적이며, 그람양성균과 같이 산소호흡을 필요로 하지 않는 세포에서는 생성이 낮고, 그람음성세포에서는 상대적으로 생성이 높다.생물체에서의 코엔자임 Q10 합성 경로가 더욱 명확해지고 효소공학 및 유전공학이 응용되면서, 최근 유전자 변형 세균 균주에 의한 코엔자임 Q10 합성도 보고되고 있다.Y0shida [14]는 Rhodococcus globulus의 돌연변이 발생과 합리화 선별을 통해 돌연변이 균주 AU-55를 얻었으며, shake flask 발효 배양에 의해 180 mg/L의 가장 높은 수율을 얻었다.

2.중간 구성의 최적화 2

2.2.탄소원 1 

코엔자임 Q10의 합성을 위해서는 폴리-2-메틸 부텐 (2) 기반 사이드 체인이 필요합니다.다나카 등 [13]은 쉐이크 플라스크를 이용하여 균주 C를 배양하였다.T. Tanaka 등 (13)은 C10~C13 탄화수소를 탄소원으로 하는 C. T. PK-233 균주의 shake flask 배양을 이용하여이 균주를 30 ℃에서 45시간 동안 배양한 결과 배양액 내 coenzyme Q10은 4.66 mg/L 이었다.4.66 mg/L 농도의 배양액으로부터 Coenzyme Q10을 얻었다.

2.2.2 질소원 

우주방 등 15)은 발효연고, 펩톤, 물엿, 염화암모늄, 황산암모늄, 질산암모늄 등 서로 다른 질소원을 이용하여 Rhizobium radiobacter WsH2601을 쉐이크 플라스크에서 발효시켰으며, 그 결과 유기질소가 무기질소보다 효과적이었다.16 g/L 펩톤을 질소원으로 사용하였을 때, 코엔자임 Q10의 합성이 극대화되었다.

2.2.3 금속 이온 

ACI (일본)의 연구에서는 금속 이온, 특히 Mg2+, Fe2+ 및 Mn2+이 R. sphaeroides의 발효에 유익한 영향을 주어 Coenzyme Q10을 생성하는 것으로 나타났다.sphaeroides 발효를 통해 코엔자임 Q10을 생산합니다.12.2 mm0l/L Mgso2 + 및 Mn2 +의 배양액 첨가는 Coenzyme Q10의 발효를 촉진하였다.2 mm0l/L Mgso4, 1.12.2 mm0l/L Mgso4, 1.8 mm0l/L Feso4, 0.9 mm0l/L Mnso4배양액 내 12.2 mm0l/L Mgso4, 1.8 mm0l/L Feso4, 0.9 mm0l/L Mnso4의 첨가는 코엔자임 Q10 생성을 2.0 mg/g에서 8.0 mg/g으로 증가시켰다.0 mg/g 내지 8.9 화~9 화.6 mg/g [2]이다.

2.2.4 선임자들 

특정 조건에서 전구체는 박테리아의 동화 유동을 조절하여 코엔자임 Q10의 수율을 높일 수 있습니다.shimizU 등은 tricarboxylic acid 회기의 propionic acid 가 coenzyme Q10의 side-chain 2-methylbutene(2) 기반 중합체의 전구체이며, 0.5%의 propionic acid를 매질에 첨가한 결과 52 mg/L의 코엔자임 Q10 수율을 얻었다고 보고하였다.Coenzyme Q10 생성은 배양액에 propionic acid 0.5% 첨가시 52 mg/L 이었다.Kawada 등은 P. schuy lkilliensis의 배양액에 side chain 합성을 위한 전구물질로서 이소펜틸 에탄올과 탈로 알코올을 첨가한 결과 세균의 Coenzyme Q10 함량이 약 20~60% 증가하였다고 보고하였다.Tanaka 등은 shake flask를 이용하여 C. schuy lkilliensis를 배양하였다.T.Tanaka 등은 C. T. PK-233 균주를 shake flask에서 배양한 결과 배양액에 p-hydroxybenzoic acid를 첨가하면 coenzyme Q10의 생합성이 촉진되는 것을 발견하였다 [16].

2.2.이펙터 추가하기 5 

장 Yanjing et al [17]의 영향을 조사 했다. 또한의 콩기름, 콩가루, 당근 주스, 토마토 주스, 담배 잎, β-carotene 그리고 오렌지 껍질 주스 코엔 자임의 생산에 관 한 질문 10 효모 발효에 의해, 그리고 그 결과의 추가 상술이 펙 터의 내용을 늘 릴 수 있 코엔 자임 효모에서 질문 10이다.

2.배양조건의 최적화 3

2.3.1Illumination

sasaki 등은 빛이 없는 경우 Pseudomonas aeruginosa를 배양한 결과, 빛이 있는 경우 coenzyme Q10의 양은 1.22 mg/g 이었고, 빛이 있는 경우 coenzyme Q10의 양은 1.5 mg/g 이었다.빛이 없을 경우에는 coenzyme Q10이 1.22 mg/g으로 Pseudomonas aeruginosa 가 배양된 반면, 빛이 있을 경우에는 coenzyme Q10이 1.98 mg/g [16] 이었다.Car와 EXcell은 PsB 내 코엔자임 Q10의 함량이 밝은 곳에서 혐기성 조건에서 더 높았으나 [2] 배양이 어두운 곳으로 전환되자 수율이 급격히 떨어졌다고 보고하였다.

2.3.용존산소 2

코엔자임 Q10의 발효에 미치는 용존산소의 영향은 균의 균주에 따라 크게 달라진다.Y0shida 등 14)은 Rhodococcus globulus KY-4113의 발효에서 산소압을 낮추면 coenzyme Q10의 수율이 증가한다는 것을 발견하였으며, 세포에 대한 전자현미경 사진을 통해 세포의 내막이 낮은 산소가 존재하는 상태에서 다층구조를 보인다는 것을 확인하였다.왕젠화 (Wang Genhua) 등은 쉐이크 플라스크에 녹아 있는 산소의 양이 세포의 성장뿐만 아니라 코엔자임 Q10 생성에도 영향을 미친다는 것을 발견하였다.용존산소가 높을수록 세포의 호흡기관이 발달하고 코엔자임 Q10의 함량이 높다.

2.3.3 접종량 

접종률을 높이면 발효기간을 단축시키고 세균의 생장속도를 가속화하여 발효주기를 단축시킬수 있다.우주팡 등은 Rhizobium radiodurans (WSH2601) [15]를 이용한 쉐이크 플라스크 실험에서 코엔자임 Q10이 4%의 inoculum 수준에서 가장 높은 수율을 얻었다.

2.3.pH 4 

초기 pH 값은 곰팡이에 의한 기질 이용속도와 세포의 구조적 상태에 영향을 미치며, 이는 다시 곰팡이의 성장속도와 대사산물에 영향을 미친다.Wang Genhua 등 [18]은 Rhizobium leguminosarum이 shake flask 실험에서 알칼리성 조건보다 산성 조건에서 코엔자임 Q10을 더 많이 생성하였다.세포내 코엔자임 Q10은 pH 5에서 가장 많은 양이 발견되었다.

3 집-Looking Forward

코엔자임 Q10의 개발 및 활용은 다양한 응용 분야와 높은 시장 수요로 인해 최근 뜨거운 연구 주제가 되고 있다.발효에 의한 코엔자임 Q10 생산은 높은 제품 활성과 무한한 원료원 등 많은 장점을 가지고 있다.그러나 발효 수준이 낮고 대사산물이 복잡해 추출 비용이 많이 든다는 단점이 있다.발효 방법의 산업화 향상을 위해 코엔자임 Q10의 대사 경로를 조절하여 고생산성 균주를 선발할 수 있으며, 발효과정 개선을 통해 발효 수준을 더욱 향상시킬 수 있다.또한, 효율적인 분리 및 추출로의 집합에 대한 연구는 발효과정의 산업화를 향상시키는 효과적인 방법 중의 하나이다.

참조:

[1] 리타루 G p.코엔자임 Q [J]의 생의학적 및 임상적 양상. Clin Investig, 1993, 71(8):587-588.

[2] 원징, 위홍.코엔자임 Q10 생산을 위한 미생물 발효의 진행 [J.아미노산과 생물자원, 2004, 26(1):53-56.

[3] 우쥬팡, 웽페이팡, 천지안.코엔자임 Q10[J]의 기능에 대한 연구 진행.Journal of Ningbo University:Science and Technology, 2001, 14(2):85-88.

[4] 왕겐화, 치안허.코엔자임 Q10과 건강상의 이점 [J.장수식품과 발효, 2002,(2):16-17.

[5] 황 W, 수 JZ.코엔자임 Q10 연구의 새로운 진행 [J.허난 화학 공업, 2003, 223(2):12-15.

[6] 막토토 K.유비퀴논 ae의 생합성, 생생산 및 신역할 (Biosynthesis, bioproduction and novel roles of ubiQuinon ae [J])J Biosci Bioeng, 2002, 94(6):511-517.

[7] Meganathan R. ubiQuinone 생합성 in 미생물 [J.미생물에서의 유비퀴논 생합성 [J.FEMS Lett, 2001, 203(2):131-139.

[8] 푼 W W, 데이비스 D E,하 H T 등. 유비퀴논 생합성에서 첫 번째 monooXygenase 단계에 필요한 유전자인 Escherichia coli ubi B의 확인 [J].J 박테리올, 2000, 182(18):5139-5146.

[9] 뢰머 M. 박테리아, 조류 및 고등식물에서 iso-프레노이드 생합성을 위한 mevalonate 독립 경로 발견 [J]. Nat prod Rep, 1999, 16(5):565-574.

[10] 그룬러 J, 에릭슨 J, 달너 G. 부제:Branch-point reaction in the biosyn-thesis of 콜레스테롤, dolichol, ubiQuinone and prenylated proteins [J].바이오침 Biophys Acta, 1994, 1221(2):259-277.

 [11] 메가나탄 R.menaQuinone과 ubiQuinone의 Biosynthsis:a perspec-tive on enzymatic mechanisms [J].vitam Horm, 2001, 61(2):173-218.

[12] 왕 K, 오오누마 S.iso-prenyl diphosphate synthases의 Chain-length 결정 메커니즘과 분자진화에 대한 시사점 (J).Trends Biochem Sci, 1999, 24(11):445-451.

[13] 카이노우 T, 오카다 K, 스즈키 K 등. ubiQ-uinone [J]의 chainlength 결정을 위해서는 octapreny diphosphate synthase (Isp B)의 Dimer 형성이 필수적이다. J Biol chem, 2001, 276(11):7876-7883.

 [14] 요시다 H, 코타니 Y, 오치아이 K 등.박테리아를 이용한 유비퀴논-10의 생산 [J.J Gen Appl Microbiol, 1998, 44(1):19-26.

[15] 우주팡, 부구청, 천지안.Rhizobium radiodurans WSH2601[J]의 coenzyme Q10 생산을 위한 Shake flask 발효조건.우시경공업대학, 2003, 22(1):65-69.

[16] 구주펜, 천광명, 리수선.미생물의 형질을 이용한 코엔자임 Q10의 합성 [J.약리학 진보, 2001, 25(6):339-343.

[17] 장옌징, 위안치펑, 량하오.Coenzyme q10 생성 효모의 발효조건에 관한 연구 (J.대한미생물학회지, 2003, 30(2):65-69.

[18] 왕겐화, 치안허.발효조건이 Rhizobium 완두콩의 세포성장과 coenzyme Q10 합성에 미치는 영향 (Effect of fermentation conditions on cell growth and coenzyme Q10 synthesis of Rhizobium pea[J])우시경공업대학, 2003, 22(3):101-103.