化学-生物法制备D-精氨酸和L-瓜氨酸
2020-02-19
来源:华拓网
第19卷第4期 2008年12月 化学 研究 VoI_19 No.4 Dee.2008 CHEMICAL RESEARCH 化学一生物法制备D・精氨酸和 -瓜氨酸 刘 毅,尹 翠,缑灵山,朱 炎,孙 强 (徐州医学院药学系,江苏徐州221004) 摘要:在水溶液中以水杨醛为催化剂,,J精氨酸可以快速消旋为DL一精氨酸.后以DL一精氨酸为底物,利用粪链 球菌(Streptococcusfaecalis)精氨酸脱亚胺酶对,J精氨酸的专一脱亚胺作用,同时制备D精氨酸和£_瓜氨酸,分别 以92.3%,94.2%的产率获得光学纯的D一精氨酸和 一瓜氨酸. 关键词:DL一精氨酸;D一精氨酸; 一瓜氨酸;化学消旋;精氨酸脱亚胺酶;酶法转化 中图分类号:0 623.7 文献标识码:A 文章编号:1008—1011(2008 J04—0052—04 Production of D・Arginine and L-Citrulline by Chemical Racemization and Enzymatic Conversion LIU Yi,YIN Cui,GOU Ling—shan,ZHU Yan,SUN Qiang (Department of Pharmacy,Xuzhou Medical College,Xuzhou 221004,Jiangsu,China) Abstract:A practical method for the racemization of -arginine has been developed.The whole process of racemization by this method can be completed within 6 h in the presence of 0.10 molar equivalent of salicylaldehyde.D—arginine and L—citrulline were produced by means of biotransformation of DL—argi- nine in the presence of arginine deiminase which was found in the Streptococcus faecal ̄.The yield of polarimeter analysis of puriied D—arginine and L—citfrulline was 92.3%and 94.2%respectively. Keywords:DL・-arginine;D・-arginine;L-・citrulline;chemical racemization;arginine deiminase;enzy-・ matiC eonversjon D.精氨酸(D—Arg)和L一瓜氨酸(L—cit)是重要的手性试剂和医药中间体¨I2 .D—Arg作为多肽的组成氨 基酸具有重要的生理作用,可抑制癌症扩散,治疗生长激素过多释放造成的紊乱 J,具有抑制DNA合成、前 列腺癌细胞增殖的功能 J.L.Cit是人体尿素循环的一个重要中间代谢物,用于男性性功能障碍、高血压和 冠心病等多种疾病的治疗,有助于提高机体免疫能力,且在脑血流的调节中发挥重要作用 . D—Arg在天然界中只有少量存在,不易通过生物发酵或化学合成方法取得.,J.cit虽有多种制备方法,其 中化学法容易造成产物的旋光不纯;发酵法,J cit产率低,最高仅为1.7 g/L,且从发酵液中提取 .cit的成本 较高 .作者以L—Arg为制备D—Arg和,J—cit的起始原料,通过在水杨醛催化下,L—Arg在自身形成的碱性溶 液中进行的化学消旋,获得DL.Arg,该消旋方法与通用的氨基酸消旋方法 (即采用低级脂肪酸为溶剂,在 醛的催化下共热消旋氨基酸)及其他氨基酸消旋方法 相比,具有不需要使用较为昂贵的有机溶剂,反应条 件简单,成本低廉,对环境友好等优点,符合绿色化学的发展要求.而后用本实验室保藏的复合诱变菌株一粪 链球菌(Streptococcsfaeucalis)NJ402中的精氨酸脱亚胺酶对DL.Arg进行酶法转化,分别获得高收率及高光学 纯的D.Arg和,J—cit.该方法具有条件温和,转化率高,提取工艺简单,光学纯度高等优点. 收稿日期:2008—08~22. 基金项目:国家技术创新基金(02CJ.13-01—16)和徐州医学院院长专项人才基金(07KJZ07)资助项目 作者简介:刘毅(1972一),男,博士,从事手性药物研究. 第4期 刘毅等:化学一生物法制备D一精氨酸和L一瓜氨酸 53 1 实验部分 1.1仪器与试剂 —Arg购于湖北新生源生物工程股份有限公司.水杨醛(salicylaldehyde,SA),十六烷基三甲基溴化铵 (CTAB),聚乙二醇辛基苯基醚(OP),吐温-80(Tween80),二乙酰肟均为分析纯.其它试剂均为化学纯或分 析纯. WZZ-2B数字显示自动旋光仪(管长20 cm),上海光学物理仪器厂.U.3000分光光度计,日本Hitachi公 司.THZ—CK空气恒温振荡器,太仓博莱特实验仪器厂.SCR20BC型冷冻高速离心机,日本Hitachi公司. WRS一1型数字熔点仪,上海物理光学仪器厂.傅里叶变换红外光谱仪(4 000~400 cm一,KBr压片法),美国 NICOLET公司.Bruker—DRX300型核磁共振仪(TMS为内标,D O为溶剂). 1.2 L-Arg的消旋反应 在常压回流500 mL反应器中,加入100 mmol L—Arg,并用不同量的水杨醛为催化剂,在200 mL不同的 无机酸、无机碱溶液下进行反应.各取10 mL反应原液,用6.0 mol/L盐酸稀释至20 mL,并置于冰浴中快速 冷却至20℃,测得旋光值,以作为初始旋光值O/ .并在反应进行过程中,每间隔一定时间用相同的方法,测 得不同时间的旋光值作为Ol .计算表观消旋率(E),公式如下: E: ×100% (1) 0 1.3反应过程中精氨酸总含量的测定方法 在碱性条件下,精氨酸与坂口试剂反应生成一种橙红色的物质.利用这种特殊性质,用分光光度计测出 不同浓度的精氨酸的吸光光度值,从而可得出一定吸光光度值相对应的精氨酸浓度,具体方法见文献[9]. 1.4 DL—Arg的制备 在常压回流500 mL反应器中,加入100 mmol L.Arg,并用10 mmol的水杨醛为催化剂,在200 mL水溶液 中进行反应.得到15.6 g白色粉状结晶DL—Arg,收率90%. 1.5 DL—Arg酶法转化材料与方法 1.5.1 菌种及酶法转化反应原理 粪链球菌(Streptococcusfaecalis)NJ402为本实验室保藏的复合诱变菌株.其产生的精氨酸脱亚胺酶能专 一地催化L—Arg脱亚胺生成 .cit,而D—Arg不被作用.具体反应过程如下: DL—Arginine+H2 O D—Arginine+L—Citrulline+NH3 1.5.2培养基 斜面培养基( L):牛肉膏5,蛋白胨10,氯化钠5,琼脂20,pH 7.2;种子培养基(g/L):葡萄糖3,牛肉膏 5,蛋白胨l0,氯化钠5,磷酸二氢钾3,硫酸镁0.5,pH 7.2;发酵培养基(g/L):葡萄糖3,酵母膏10,牛肉膏5, 蛋白胨10,玉米浆5,氯化钠5,磷酸二氢钾3,硫酸镁0.5,L一精氨酸5,pH 7.2. 1.5.3粪链球菌发酵培养 用接种环挑取两环活化好的斜面菌种,转入装有4 mL种子培养基的试管,37℃,振荡培养24 h.然后将 其全部倒人装有100 mL发酵培养基的250 mL三角瓶中,于37 oC,170 r/min振荡培养20 h.菌体以6 000 r/min离心收集,用蒸馏水洗涤菌体1次,得湿菌,称重. 1.5.4菌体酶活测定 将湿重0.5 g的粪链球菌菌体细胞,转入到20 mL的0.5 mol/L DL.Arg溶液中(pH 6.0),37℃,170 r/min振荡转化1 h.取2 mL转化液,添加2 mL 100 g/L的三氯醋酸溶液,终止酶反应,离心去除沉淀物,上 清液按一定比例加蒸馏水稀释.采用二乙酰肟比色法 测定稀释液中的 —cit含量.比酶活定义为以上述 的条件下,每克湿菌体每小时所生成的£一cit微摩尔数,单位为u(1U=1.0 txmol・g~・h ). 1.5.5 D—Arg和L-Cit的制备 将经消旋反应得到的DL-Arg配制成1000 mL(pH 6.0)浓度为100 g/L的DL—Arg溶液,加CTAB 0.3 g, 加10 g粪链球菌NJ402湿菌体,分装于10只250 mL三角瓶中,放置于37 clC,170 r/min恒温振荡器中转化, 反应至L—Arg转化完全_9 J.转化液离心后取出菌体.上清液用活性炭脱色过滤,滤液通过阳离子交换树脂吸 化学研究 附,分别用0.5%、5%氨水洗脱,分别收集含,J cit和D.Arg的洗脱液,浓缩干燥,得L.cit和D—Arg. D—Arg:46.15 g白色粉状结晶,收率92.3%,ee值为100%,[ ]20 = 27.6。,(c 1.0,5 mol/L盐酸中), mp 238 0(2(分解), H NMR(D2O,300 MHz):1.45(m,2H,CH2),1.46(In,2H,CH ),3.03(d,J=6.1 Hz, 2H,CH2),3.11(d,J=3.3 Hz,1H,CH);IR(KBr):3 369,3 301,3 075,2 946,2 862,1 678,1 622, 1 558,1 476,1 422,1 333 cm一. ,J—Cit:47.56 g白色柱状结晶,收率94.2%,ee值为100%,[OL]20=+22.0。(c 2.0,1 mol/L盐酸中), mp 216 ̄C(分解). H NMR(D2O,300 MHz):1.33~1.56(In,2H,CH ),1.66~1.85(Ill,2H,CH2),3.02 (t,J=6.7 Hz,2H,CH2),3.63(t,_,=6.1 Hz,1 H,CH);IR(KBr):3 361,3 333,3 187,3 047,2 965, 2 888,2 756,2 624,1 676,1 607,1 554,1 501,1 415 cm~. 2结果与讨论 2.1 不同酸碱条件对L-Arg消旋反应速率及精氨酸总量的影响 韩媛媛等¨。 研究了L。Arg在几种常用碱的溶液中的热稳定性,得出L.Arg在这几种碱性溶液中随着温 度的升高精氨酸的胍基容易水解成脲.同时Rivard等… 利用氢氧化钡碱性水溶液制备 一鸟氨酸,说明 . Arg在外加的碱性溶液中并不稳定,因此为了解决L.Arg在消旋过程中不被分解的问题,首先考察了在水杨 醛催化下,几种常用碱溶液、常用酸溶液和无外加酸碱利用L—Arg自身形成的碱性溶液,对L—Arg消旋率和溶 液中精氨酸总含量的影响,结果见表1. 表1 不同酸碱对L-Arg消旋反应消旋率和收率的影响 Table 1 Effect of acidic or basic conditions Oil the racemizatioil of L-Arg 消旋反应条件:L-Arg 100 mmol,水杨醛10 mmol,200 mL反应溶液,回流 从表1可以得出,L—Arg在自身所形成的碱性溶液中进行的消旋反应,消旋效率高且精氨酸 本没被破 坏.在外加碱溶液中进行的L—Arg消旋反应,随着碱用量的增加及碱的强度增加,L—Arg表观消旋率虽有提 高,但溶液中精氨酸总含量下降.同时在外加酸溶液中进行的L-Arg消旋反应,虽然,J—A ’g在溶液中的总含 量基本保持不变,但L—Arg表观消旋率较低.因此外加的常用酸对精氨酸的消旋反应基本没有影响.温度的 升高加速了L—Arg消旋反应,但同时也使精氨酸的分解反应加快,使精氨酸在溶液中的总含量下降.可以得 出,三一Arg消旋反应在无外加酸碱条件下,可以在水杨醛的催化下达到较好的消旋反应目的. 2.2不同水杨醛用量对L—Arg消旋反应的影响 分别在精氨酸水溶液中加入不同量的水杨醛为催化剂,进行反应,根据公式(1)可以得到 1. 如图1所示,随着催化剂使用量的增加,将进一步加速反应,但水杨醛用量超出10 H1HIO]后,反应加速不 明显.氨基酸中的氨基上的氮原子对醛基的亲核加成生成Schif碱¨ ,一般不太稳定,在碱性条件下易重新 水解转化为胺和醛.因此,在催化剂水杨醛含量较低情况下,活性中间体的浓度也较低,此时消旋反应主要 是精氨酸自身碱催化消旋反应 ” .因此选定该消旋反应合适的水杨醛(SA)用量为n(SA):n(L—Arg)=0.1 :1. 2.3生物转化条件的确定 利用粪链球菌NJ402的菌体中精氨酸脱 胺酶对DL.Arg进行生物转化,其中细菌的菌龄、转化温度和 转化液的pH值对酶活和酶的热稳定性影响差别较大.作者参考文献[14]生物转化过程 {lJ精氨酸脱亚胺酶 酶活的最佳条件进行生物转化,控制转化体系的温度为37℃,转化液起始pH 6.0左右.经24 h精氨酸脱亚 胺酶酶法转化获得D—Arg和,J—Cit.从实验结果看,反应在8 h转化速度较高,10 h趋于平稳,可能原因是:精 第4期 刘毅等:化学一生物法制备D一精氨酸和L一瓜氨酸 55 氨酸脱亚胺酶为胞内酶,随着产物 .cit的增多,产生底物抑制作用.为克服该问题在转化液中添加适量的 表面活性剂.如图2所示,转化液中加入吐温一80(浓度为0.5 g/L)具有较好的克服底物抑制的作用.转化液 经提取分离后,可分别以92.3%、94.2%理论收率获得光学纯的D—Arg和 -Cit. \ 删旺I{ 抽 甾 嚼 导 楚 0 f/l0s S 5 10 15 t{h 20 25 n(L—Arg)=100 mmol 图2生物转化时间对精氨酸 和L一瓜氨酸含量的影响 Fig.2 Effect of different biotransformation time on the content of arginine and L—citrulline 图1 不同水杨醛(SA)用量对L-Arg 消旋率的影响 Fig.1 Effect of different dosage of SA on the racemization ratio of£一Arg 结论:该方法既利用了化学反应的效率高、成本低的特点,又利用精氨酸脱亚胺酶对DL—Arg进行生物转 化,充分利用生物酶所具有的催化专一性的优点,使D—Arg制备路线达到高效、立体专一的特点,该方法优于 国内外相应报道,具有工业化优势,可以提高资源的利用率、减少工业废物的产生与排放. 参考文献: [1]Friedman M.Chemistry,nutrition,and microbiology ofD—amino acids[J].JAgric Food Chem,1999,47:3457—3479. 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