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S-腺苷甲硫氨酸的作用

发布日期:2019/4/29 10:21:17

背景及概述[1-2]

S-腺苷甲硫氨酸(S-Adenosylmethionine,SAM)是广泛存在于生物体内的一种重要代谢中间体,1952年首先由Cantoni发现,相对分子质量399。SAM是双手性物质,具有2种异构体:(R,S)-SAM和(S,S)-SAM,只有(S,S)-SAM具有生物活性。由于SAM含有一个能激活相邻碳原子的亲核攻击反应的高能锍原子,因而具有转甲基、转硫基、转氨丙基等作用。SAM参与了体内40多种生化反应,与蛋白质、核酸、神经递质、磷脂质和维生素的合成密切相关,并连接多胺和谷胱甘肽的转化。

在欧洲,SAM已作为处方药广泛用于肝病、抑郁症、关节炎等疾病的治疗;在美国,已经成为一种畅销的保健品;在我国,SAM制备方法的研究尽管进行了20年,但因技术水平较低、成本过高仍未能产业化。目前国内使用的SAM主要是德国基诺(Knoll)和意大利RADIUMFARMAS.R.L.(IT)两个外资公司的产品,其价格昂贵,远远不能普及使用。我国有众多的肝炎、关节炎以及抑郁症患者,SAM的需求量也将不断增长,产品的市场开发前景广阔。

随着SAM需求量的日益增大,建立廉价有效的SAM生产工艺是其大规模推广应用的关键,因此有关SAM的制备方法成为研究热点。SAM的制备始于20世纪50年代,目前主要有化学合成法、微生物发酵法、体外酶促合成法以及全细胞催化法。

功能[1-2]

SAM几乎在所有细胞的体内代谢中发挥核心作用,如图所示:

它主要作为三种代谢途径的前体:转甲基作用和转硫基作用、转氨丙基作用。

1)转甲基作用

在细胞内大多数甲基化反应中,SAM作为惟一的甲基供体发挥着重要的生理作用。许多细胞含有大量的专一性SAM转甲基酶,可将SAM上的甲基转移到硫、氮、碳、氧原子上,参与体内物质的合成与代谢。例如:转甲基酶将SAM的甲基转移给氨基乙酸,则形成肌氨酸;甲基转移给磷脂酰乙醇胺形成卵磷脂;甲基转移给去甲肾上腺素形成肾上腺素。SAM脱去甲基后生成S-腺苷高半胱氨酸(SAH),SAH是转甲基化反应的竞争性抑制剂,其只能在甲基循环中生成,不能通过任何食物来源获得,是SAM代谢的重要分支点。

2)转硫基作用

SAM通过转甲基作用形成的S-腺苷高半胱氨酸,在体内迅速被代谢为高半胱氨酸。胱硫醚合成酶催化高半胱氨酸和丝氨酸作用生成胱硫醚,胱硫醚通过一系列代谢,生成谷胱甘肽(GSH),GSH是细胞主要的抗氧化剂,可有效防止肝损伤。

3)转氨丙基作用

SAM在聚胺合成中起重要作用,SAM脱羧后生成5′-腺苷甲基硫丙胺,将此物质中的氨丙基转移给腐胺,从而生成亚精胺和精胺,它们是真核生物中重要的多胺。5′-腺苷甲基硫丙胺脱去氨丙基后生成5′-甲硫腺苷,其在体内被迅速转化为甲硫氨酸。

药理作用[1-2]

慢性肝病的发病机制与肝细胞线粒体产生过量活性氧族有关。在药物(如酒精、CCl4、对苯乙酰胺、D-半乳糖胺等)刺激或病理条件下,肝脏线粒体产生过量的活性氧族(包括超氧化物阴离子、组织过氧化物和自由基等)。活性氧族一方面氧化胞内含巯基的酶和蛋白,导致其次级结构的改变,使其丧失催化功能及生物活性;另一方面促进肿瘤坏死因子-α介导的细胞毒作用并促进细胞程序性死亡成分的激活,从而导致细胞死亡。

病理条件下,人体内的非酶系抗过氧化物(主要是GSH)大量耗竭,通过补给外源性SAMe,肝内谷胱甘肽(GS)、还原型谷胱甘肽(GSH)/氧化型谷胱甘肽(GSSG)上升,解除肝内氧化物应激状态,达到治疗肝病的目的。胆汁的形成、运输、清除需要大量窦状、管状肝细胞参与,这些肝细胞膜内嵌有负责胆汁转运、合成以及形成通道或受体的蛋白。肝细胞受损导致胆汁淤积。

试验证明,使用了CyA后,肝细胞膜流动性、膜磷脂含量、磷脂酰胆碱/磷脂酰乙醇胺、Na+/K+ATPase活性降低。而将CyA和SAMe合并给药时,SAMe能消除上述CyA产生的影响,改善胆汁淤积的各项生化指标。这是因为SAMe水平升高,能促进细胞膜磷脂酰乙醇胺甲基化生成磷脂酰胆碱(卵磷脂),使细胞膜流动性增加,从而提高Na+/K+ATPase活性,促进肝细胞内胆汁的主动转运。

SAMe治疗抑郁症的确切机制还不清楚,但有大量的事实表明,叶酸、维生素B12不足将使中枢神经系统内SAMe含量降低,诱发神经性及精神性疾病。研究者发现,色氨酸羟化酶是儿茶酚胺合成中的限速酶。在体外试验中,色氨酸羟化酶能被SAMe激活,被SAH抑制。对中枢神经系统的研究还表明,SAMe具有β受体阻断剂样作用。

给大鼠使用SAMe一个星期后,脑细胞膜上β受体数量增加,α受体与去甲肾上腺素亲和力降低。与青年鼠相比,老龄鼠脑细胞膜与β受体激动剂结合的位点数量减少,长期给服SAMe能增加结合位点。多巴胺受体激动剂与膜的结合不受外源性SAMe影响,但多巴胺敏感性腺苷环化酶活性(在老龄鼠脑内降低)恢复正常。这可能与膜甲基化作用有关:膜流动性增加,使得β受体-腺苷环化酶偶联更加有效。

近来研究表明,SAMe对肿瘤坏死因子-α(TNF-α)的表达与分泌也有抑制作用。TNF-α是一种多向炎性细胞因子,在肝脏受损的过程中起重要的介导作用。在脂多糖诱导TNF-α过量表达的大鼠模型中,SAMe能明显降低血清TNF-α的含量。进一步研究表明,SAMe能降低TNF-α的释放以及稳定态TNF-αmRNA的含量。研究还发现,血浆中同型半胱氨酸的升高是血管疾病的危险信号,且冠状动脉疾病患者血浆SAMe含量低于正常水平。给健康志愿者口服SAMe肠溶片以后,受试者血浆5-甲基四氢叶酸(5-MTHF)水平升高,5-MTHF能使同型半胱氨酸重新甲基化生成甲硫氨酸,增强同型半胱氨酸的代谢,可用于预防血管疾病.

临床应用[1-2]

1)SAM在治疗肝病中的应用

肝脏是SAM合成和甲基化的主要场所,如果肝脏受到损伤,肝病患者的SAM合成被阻断,蛋白质和核酸的合成、聚胺和半胱氨酸的供给都会受到限制。半胱氨酸是一种重要的肝脏保护剂谷胱甘肽的合成前体。临床研究证明,注射和口服SAM可以有效提高血液和肝组织中谷胱甘肽的含量,从而提高肝脏的解毒作用,可以减轻甚至消除肝脏损伤,SAM对胆汁淤积、酒精造成的肝损伤包括肝硬化及其它一些肝功能紊乱都有疗效,尤其对肝硬化有较好的临床效果,可以显著降低其死亡率。

2)SAM在治疗抑郁症中的应用

早在1973年,就有研究表明SAM具有治疗抑郁症的作用,20世纪80年代,SAM在欧洲被用于治疗抑郁症。SAM是脑内主要的甲基供体,参与多种神经递质的合成。由于它的转甲基功能,可以促进脑内多巴胺、血液中复合胺的代谢,磷脂的甲基化有助于增强受体功能、增加受体的密度和改善受体耦合作用。

临床研究证明,每天注射或口服200~1600mgSAM可以有效的缓解抑郁症,其疗效比安慰剂要好,与标准三环类抗抑郁剂相当。SAM对各种抑郁症,尤其是产后抑郁症有特殊疗效,而且较其它同类药物有见效快、无成瘾性、几无不良反应以及耐受性好等优点,通常在一周内症状就会明显改善,可用于治疗对其它抗抑郁药物耐受性差的患者、老年患者、患有严重肝脏疾病者的抑郁症患者等。

3)SAM在治疗骨关节炎中的应用

SAM具有消炎、减轻疼痛及组织修复功能。研究表明,SAM与目前治疗关节炎的首选药布洛芬和萘普生疗效相当,具有明显促进软骨生成和减轻关节疼痛、僵硬和肿胀的功效,副作用少、见效快。早在20世纪70年代,欧洲就已经将SAM作为治疗关节炎的处方药使用。

制备[3]

1. 化学合成法

目前,化学合成法制备SAM主要有3条途径:①利用5′-甲硫腺苷和DL-2-氨基-4-溴丁基酸化学合成消旋的SAM,合成的SAM有50%具有生物活性;②通过S-腺苷同型半胱氨酸(S-Adenosylhomocysteine,SAH)和甲基供体CH3I或(CH3)3S催化合成,反应底物SAH价格昂贵,而且产物中含有20%~30%没有生物活性的(R,S)-SAM异构体;③以价格低廉的腺苷(Adenosine)为底物和亚硫酰氯进行反应制备5-(氯甲基)腺苷盐酸(5′-Chloromethyladenosinehydrochloride);以L-甲硫氨酸为底物在-30~-40℃的条件下生成L-同型半胱氨酸(L-Homocysteine);以5-(氯甲基)腺苷盐酸盐和L-同型半胱氨酸为底物在70~80℃的条件下进行缩合反应得到S-腺苷同型半胱氨酸(SAH);以三甲基氧鎓四氟硼酸盐为甲基供体对SAH进行甲基化得到终产物SAM。

尽管该方法原料价格低廉,但是反应过程复杂、反应温度极端、反应周期长,并且反应产物仅有60%~65%具有生物活性。由于化学法合成SAM存在产率低、反应条件苛刻、反应产物异构体多、分离纯化困难以及环境污染等不足,现已很少使用。

2. 微生物发酵法

微生物发酵法是20世纪60年代至今工业化生产SAM的主要途径。一些微生物尤其是酵母属(Saccharomyces)的菌株,在含有L-甲硫氨酸的培养基中生长时,可以在细胞内积累较高浓度的SAM。通过这些微生物的大规模发酵及提取精制,可获得有生物活性的SAM。

1)天然菌株发酵生产SAM

考察了培养基组成和培养条件对酿酒酵母SAM-04-1发酵生产SAM的影响。结果表明,在5L发酵罐中间歇培养24h后,一次性补加24g·L-1葡萄糖和1.0g·L-1L-甲硫氨酸,继续培养24h后SAM产量可达2.66g·L-1

2)重组菌发酵生产SAM

为了解决野生菌发酵生产SAM产量较低的问题,通过基因工程技术以及代谢调控来有效提高SAM的产量得到了广泛应用。对于生产SAM菌株的遗传改造主要有以下4种途径:

A:通过高效表达酿酒酵母腺苷甲硫氨酸合成酶SAM2来提高细胞内SAM合成酶的活性,从而提高SAM的产量。来源于酿酒酵母的SAM合成酶基因SAM2置于醇氧化酶1启动子(AOX1)的调控下,构建重组质粒并转化毕赤酵母(Pichiapastoris)GS115,在摇瓶中考察了甲醇添加量对SAM产量的影响。结果表明,添加2%甲醇时,SAM最高产量为1.29g·L-1;添加0.6%甲醇时,在3.7L发酵罐中培养约96h后,SAM产量达到8.66g·L-1。

B:敲除胱硫醚β-合酶(CBS)基因,阻断SAM和甲硫氨酸转化为半胱氨酸的途径,增加细胞内SAM的积累。在毕赤酵母GS115中表达了腺苷甲硫氨酸合成酶SAM2,同时敲除毕赤酵母中SAM分解代谢途径的CBS基因,使重组菌SAM产量比原始菌株提高了56倍,在5L发酵罐中培养约100h后SAM产量达到13.5g·L-1。

C:解除SAM对甲叉四氢叶酸还原酶(MTHER)的反馈抑制,提高SAM的细胞内积累量。酿酒酵母MTHER有2个同功酶Met12p和Met13p,研究表明在酵母细胞MTHER中Met13p同功酶是其活性的主要来源,催化5,10-甲叉四氢叶(CH2-THF)生成5-甲基四氢叶酸(CH3-THF)。CH3-THF是甲硫氨酸合成的甲基供体,而甲氨酸是SAM合成的前体,同时SAM对MTHER具有反馈抑制效应。因此,如果能解除SAM对MTHER的反馈抑制,酵母细胞中SAM以及甲硫氨酸的含量将大幅提高。

D:构建能将SAM分泌至培养液中的重组大肠杆菌。大肠杆菌发酵生产SAM与酵母菌发酵生产SAM相比具有显著的优点。首先,大肠杆菌发酵生产SAM的周期短(24h),而酵母菌发酵生产SAM的周期一般超过100h;其次,大肠杆菌发酵生产的SAM可以分泌到培养基中,从而简化了SAM纯化方法,提高了SAM产率。

3.酶促合成法

酶促合成法是利用SAM合成酶催化底物L-甲硫氨酸和ATP生成SAM,且SAM合成酶有三磷酸酶活性,将三磷酸分解为焦磷酸和磷酸,酶促反应如下:

主要参考资料

[1] S-腺苷甲硫氨酸的临床及药理研究进展

[2] S-腺苷甲硫氨酸的研究进展

[3] S-腺苷甲硫氨酸制备方法的研究进展