全 文 ：·综述与专论·
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2011 年第 3 期
肌苷酸及其相关酶的研究进展
徐善金 虞德兵 杜文兴
(南京农业大学动物科技学院，南京 210095)
摘 要: 肌苷酸(IMP)是一种重要的核酸代谢中间产物，同时也是重要的风味物质。从以下几个方面进行综述:
(1)IMP结构与特性;(2)IMP的代谢，包含“从头合成”，“补救途径”以及分解 IMP的酶;(3)IMP代谢相关酶的结构、功能以及
酶的基因研究;(4)IMP检测技术以及该技术在各个研究领域的应用情况;(5)IMP 含量的调控，主要论述各种外源性调控手
段以及对每种调控方法的评价;(6)IMP研究展望。从而使人们能够更加深入地了解、研究和利用 IMP，用于指导人们的生产
和生活。
关键词: 肌苷酸 酶 结构 测定 调控
Current Research Advances in IMP and Related Enzymes
Xu Shanjin Yu Debing Du Wenxing
(College of Animal Science and Technology，Nanjing Agricultural University，Nanjing 210095 )
Abstract: IMP is not only important intermediate product of nucleic acid metabolism，but also a vital flavor compounds． The pres-
ent study from the following several aspects were reviewed in this paper:(1)structure and properties of IMP;(2)IMP metabolism，inclu-
ding de novo synthessis，salvage and enzymes for catabolism ;(3)structure，function，and gene of the research about IMP metabolism en-
zyme;(4)the technique of IMP determination and application of it in various research areas;(5)regulation of IMP content，ways of vari-
ous exogenous control were reported and evaluated; (6)IMP research prospects． Thus，people will be more in-depth understand，
reasearch and use of IMP for our production and living．
Key words: IMP Enzyme Structure Determination Regulation
收稿日期:2010-09-06
基金项目:教育部高校博士点新教师基金项目(B200928) ，校青年科技创新基金项目(KJ09013)
作者简介:徐善金，男，硕士研究生，研究方向:动物分子遗传与育种;E-mail:xsj840619@ 163． com
通讯作者:杜文兴，博士，副教授，研究方向:动物分子遗传与育种;E-mail:duwx@ njau． edu． cn
肌苷酸(inosinc acid，inosinc mophosphate，IMP)
又名次黄嘌呤核苷酸，是转变为其他嘌呤核苷酸的
底物，也是一种重要的风味物质。研究表明，IMP是
畜禽肉中重要的鲜味物质，其增加鲜味的能力比谷
氨酸钠(MSG)强几十倍。目前国际上把肌苷酸含
量作为衡量肉质鲜味的一项重要指标。
1 IMP结构与特性
1. 1 IMP分子结构
IMP属于芳香杂环化合物，是由 6-羟基嘌呤核
的杂环结构，一个核糖基团和一分子磷酸基组成
(图 1)。
1. 2 IMP特性
IMP分子式为:C10H13N4O8P，相对分子质量为
348. 206。由于该结构在常温下不稳定，因此一般
在 － 20℃条件下保存。但肌苷酸二钠(C10 H11 N4 O8
PNa2)相对稳定，为无色或白色细结晶性粉末，无
臭，含约 7. 5 分子结晶水，不易吸湿，易溶于水，40℃
开始失去结晶水，120℃以上成无水物。结晶状态的
IMP稳定性较好，在水溶液和碱溶液中稳定，但在酸
图 1 IMP结构式
2011 年第 3 期 徐善金等:肌苷酸及其相关酶的研究进展
性(pH ＜4)溶液中稳定性较差，加热易发生降解，味
鲜，微溶于乙醇，几乎不溶于乙醚。
2 IMP的代谢
2. 1 IMP的合成
IMP的合成有“从头合成”和“补救”两条途
径。从头合成过程共 10 步反应，可分为两个阶
段。第一阶段:由 5-磷酸核糖焦磷酸与谷氨酰胺
反应生成5-磷酸核糖胺，再与甘氨酸结合，经甲酰
化和转移谷氨酰胺的氮原子，然后闭环生成 5-氨
基咪唑核苷酸，至此形成了嘌呤的咪唑环。第二
阶段:由 5-氨基咪唑核苷酸羧化，进一步获得天冬
氨酸的氨基，再甲酰化，最后脱水闭环生成次黄嘌
呤核苷酸。补救途径是次黄嘌呤和 5-磷酸核糖焦
磷酸在次黄嘌呤磷酸核糖转移酶的作用下形成次
黄嘌呤核苷酸。
2. 2 IMP代谢过程中的酶
在 IMP从头合成过程中，共有 10 种酶参与，它
们分别是:磷酸核糖焦磷酸转酰胺酶、甘氨酰胺核苷
酸合成酶、甘氨酰胺核苷酸转甲酰基酶、甲酰甘氨脒
核苷酸合成酶、氨基咪唑核苷酸合成酶、氨基咪唑核
苷酸羧化酶、氨基咪唑琥珀基氨甲酰核苷酸合成酶、
腺苷酸琥珀酸裂解酶、氨基咪唑氨甲酰核苷酸转
甲酰基酶和次黄嘌呤核苷酸合酶。在补救途径
中，次黄嘌呤磷酸核糖转移酶参与了反应。腺嘌
呤核苷酸在腺嘌呤核苷酸脱氨酶的作用下生成
IMP 和氨气。
ATP酶是催化 ATP 分解 ADP 和磷酸根离子的
酶，间接的影响了 IMP 的生成，它的活性是 ATP 分
解速度的决定因素。IMP 的降解反应主要由 5-核
苷酸酶、碱性磷酸酶和酸性磷酸酶催化。
3 IMP代谢相关的酶以及酶的基因研究
3. 1 谷氨酸胺磷酸核糖焦磷酸转酰胺酶(GAPTase)
该酶简称 PRPP转酰胺酶，它是 purF 基因的产
物，该酶既属于谷氨酞胺转酰胺酶类，又属于磷酸核
糖转移酶类，可将谷氨酰胺的氨基氮转移至不同底
物上的一类酶，谷氨酰胺结合位点与依赖于氨的合
成位点处在不同的结构域，它们分别被称为“谷氨
酰胺域”和“转移酶域”。purF 催化 IMP 头从合成
(de novo Pathway)的第一步反应，而且是该途径的
关键酶之一。该酶是一种复合酶，催化以下的两个
反应，N端谷氨酰胺酶结构域催化:Gln + H2O-Glu +
NH3，C 端的 PRTase 催化:NH3 + PRPP-PRA + PPi，
总反应是:Gln + PRPP + H2 O-PRA + PPi + Glu。在
枯草芽孢杆菌、鸟类和人类细胞中，purF 均含有一
个 4Fe-4S簇，在 Cys1残基前还有一个前导肽系列和
与 4Fe-4S簇配位的 4 个保守的半胱氨酸残基，而在
大肠杆菌中 purF不含这些基团。该 4Fe-4S 簇具有
结构功能和调节功能而不具有催化功能。purF 具
有一种轮胎形的结构，由相同的四聚体亚基组成，每
个亚基相对分子质量为 50 437，具有大致相同的尺
寸但折叠有区别，等电点为 6. 14，pH 值为 7. 0 时带
电荷 － 6. 91，每个亚基包含 465 个氨基酸残基。
purF的 N端结构域折叠成 4 层，两个反平行的 β 折
叠片状结构被夹在两个 α 螺旋中间。前后折叠片
分别由七股和六股肽链聚集而成。枯草芽孢杆菌中
谷氨酰胺共价结合在 N 端的半胱氨酸残基上，反应
的位置位于该残基的巯基上［1］。purF 的羧基结构
域具有更小的二级结构核心和更长的柔性环。该结
构域的核心结构由 5 股肽链聚集成的平行 β-折叠
片夹于 α-螺旋中形成的。该柔性环在第 2 片 β-折
叠之后中断了该结构域，而且该环还负责与-NH2结
构域的所有的连接。purF 有催化活性的构象被磷
酸核糖转移酶域的柔性环 PRPP环绕，并与之结合，
保护 PRPP以免被水解掉［2］。
最近发现，编码 PRPP合成酶(PrsA)的基因发
生突变后会降低该酶的活性，从而会减少 PRPP 的
生成。但与此同时，嘌呤合成过程中的磷酸核糖
焦磷酸激酶活性会提高，这样生成的 PRPP 就会相
对增加以保持平衡，以此满足 purF底物的需要，保
证 IMP的合成［3］。利用同位素标记技术，发现枯
草芽孢杆菌处在饥饿状态下，其菌体内的 purF 产
物会提高，这一发现有利于该菌对营养饥饿的适
应［4］。在 IMP的生产过程中，由于大肠杆菌内的
ADP的反馈抑制从而导致 PRPP 合成酶的活性降
低，这样就会使最终的 IMP 生成减少，但是通过改
良菌株，导入同时含有 PrsA 和 purF 基因的质粒
后，最终提高了 IMP 的产量［5］。双歧杆菌是人类
和动物的消化道中的细菌数量最多的群体之一，与人
类也密切相关，它们常被作为食品和医药的功能成
分，但是对其在进化过程中的定位还不明确，人们选
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取了几个保守基因来研究该基因的进化，其中 purF
基因就是被选取的保守基因之一［6］;该基因也被用于
分析芽孢杆菌之间的亲缘关系［7］。
3. 2 甘氨酰胺核苷酸合成酶 －氨基咪唑核苷酸合
成酶 － 甘氨酰胺核苷酸转甲酰基酶(GARS-
AIRS-GART)
GARS是嘌呤合成过程中催化第 2 步反应的
酶，它是由 purD 基因编码。人类的 GARS 的结构
属于 ATP的把握蛋白超家族成员［8］，处于 N-末端
的 GARS 有一个 α /β 折叠形成的 4 个次级结构
域。GARS 与 ATP 结合形成结晶体，ATP 位于 A
与 B 两个结构之间，从理论上，甘氨酸也应在结晶
体中，但是在结构中没有发现，原因可能是该结晶
体处于 pH 较低的环境下。所有 GARS 的结构反
应了 β 结构域的作用可能与核心酶有关，原因是
它与晶体的形成效应有关，疏水性侧链对齐腺苷
结合位点，而腺苷又通过氢键与 190 位谷氨酸、
193 位的亮氨酸和 191 位谷氨酸的羰基紧密结合，
197 位的谷氨酸通过氢键与核糖的羟基结合，ATP
的磷酸基和 220 位的精氨酸以及 229 位的天冬酰
胺相互作用［9］。
在胰凝乳蛋白酶的存在下，3 种酶复合体形成
结晶。在该结晶体中，N-末端和 C-末端结构域被分
开，仅有 AIRS结构域形成结晶，AIRS被分为 A和 B
两个结构域。每个 A 结构域的 4 股 β 片段形成二
聚体的接头，通过分析发现，人和大肠杆菌的 AIRS
一致性为 47%［1］。在 AIRS 中，相似的二聚体是通
过 β折叠形成的。在大肠杆菌 AIRS 中，有一段富
含甘氨酸的结构，这段特殊的结构参与了与 ATP 的
结合;还有一段在该酶深处富含甘氨酸的结构，参与
了与甲酰甘氨酰胺核苷酸(FGAM)的结合［10］。该
酶结构属于 purM 超级家族，另外已经分析了甘氨
酰胺核苷酸转甲酰基酶(FGARAT)的结构，在 FG-
ARTR中，两个保守的组氨酸对催化起到了重要的
作用，AIRS和 FGARAT的 520 － 795 两段氨基酸残
基的一致性为 22%［1］。尽管这两种酶催化不同的
反应，但是通过对它们的结构进行比较，为人们对
ATP以及 FGAM 结合到 AIRS 上提供了有利的线
索。3 个硫酸根离子结合到 AIRS 的两个不对称的
单体上，更有利于和 FGAM结合［11］。
GART是嘌呤合成过程中催化第 3 步反应的
酶，它是由 purN 基因编码的酶，但在大肠杆菌中是
由 purT 基因编码的［12］。人类的 GART 分子量 108
kD，含有 1 010 个氨基酸分子，由 3 个酶单位构成，
分别为:GARS、GARTfase 和 AIRS。因此，人类的
GART催化嘌呤合成过程中第 2、3、5 步反应。
GARTfase的 C-末端催化了第 3 步反应，作为核苷酸
代谢过程中的一个酶，未来将会作为抗增殖药物用
于医疗，GARTfase的 C-末端区域使用叶酸作为辅助
因子，而以叶酸为辅助的酶已被证实具有抗肿瘤的
功能［13］。人类的 GART基因已被定位于 21 号染色
体，唐氏综合症就是由于多了一条 21 号染色体所
致。已有研究表明，唐氏综合症患者的体内由于该
基因的过量表达，从而导致了患者血浆中的嘌呤含
量过高［14］。
最新发现的弱毒株沙门式杆菌新种能够生产新
型癌症疫苗，这种突变后的杆菌和 purD基因有紧密
的关系［15］。基于对尿路病原体 purD基因单核苷酸
多态性(SNPs)和肾盂肾炎关系的研究，推断 purD
基因是有毒力的基因［16］。在水稻白叶枯病菌基因
转座子中插入 purD 基因后，会明显降低该菌的毒
性，从而降低了水稻染病的几率，但是在外在的条件
下需补充一定量的嘌呤和硫胺［17］。人类的 GARS-
AIRS-GART基因编码具有 3 种酶功能的蛋白质，对
其进行同源性分析发现，该蛋白与鼠、牛、黑猩猩的
同源性最高，在启动子区，它们具有相似的 GC 含
量。在脊柱动物中，该基因内含子 11 － 15 是保守区
域，通过分析发现，内含子的大小和内含子的多少成
反比例关系［18］。在 B 细胞慢性淋巴细胞白血病患
者中，GARS-AIRS-GART 基因过量表达，显著高于
正常人［19］。有研究发现在唐氏综合症患者中，CP2 /
LBP-1c /LSF转录因子能够增强 GARS-AIRS-GART
基因的转录［20］。有研究者运用 PCR-SSCP 技术对
鸡 GARS-AIRS-GART 基因和肌肉 IMP 含量之间的
关系进行研究，发现某些位点的突变对肌肉 IMP 的
含量有一定的影响［21］。
3. 3 甲酰甘氨脒核苷酸合成酶(purL或 purLQS)
该酶是催化嘌呤合成第 4 步反应的酶，它是由
purL基因编码，GAR 被 ATP 的 γ 磷酸键激活后形
成一种中间产物，该中间产物又被来自谷氨酰胺的
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亲核氨所攻击则形成了 FGAM、谷氨酸和 ADP［1］。
purL按分子量分为大和小两种类型，大的存在于真
核生物以及革兰氏阴性菌中，由一条肽链构成的多
区域蛋白，它有 3 个主要区域:谷氨酰胺酶、FGAM
合成酶以及 N-末端结构域。谷氨酰胺酶负责提供
氨给 FGAM合成酶结构域，N-末端结构域形成氨通
道用于连接前两个催化结构域。小的存在革兰氏
阳性菌中，除了 purL 外，还需要 purQ 和 purS 两个
额外的基因产物［22］，purQ 是谷氨酰胺酶，purS 二
聚体和大的 purL 中的 N-末端结构域结构同源，功
能相同［23，24］。小的 purL(FGAM合成酶)是 3 个结
构域中最大的一个并由含有 α /β 结构的 4 个亚基
构成。最近研究发现，根瘤菌中 purL 基因的表达水
平能够影响根结瘤的能力，如果菌中没有该基因的表
达，即使在嘌呤底物充足的情况下，也不能引导其长
出根瘤［25］。有报道称，purL 基因作为一种外源性
DNA参与了杆菌生物膜的形成［26］。
3. 4 氨基咪唑核苷酸羧化酶(purEⅡ或 purK 和
purEI)
该酶是催化嘌呤合成第 6 步反应的酶，在细菌
和高等生物中，生成其产物 5-氨基咪唑-4-羧酸核
苷酸(CAIR)的方式不同。在细菌中，先在 purK的
作用下，生成中间产物 NCAIR，然后在 purEⅠ的作
用下生成 CAIR;而在脊椎动物中，AIR 是直接在
purEⅡ催化下被 CO2羧化生成 CAIR。purEI 和
purEⅡ结构上同源，序列大部分一致，主要的区别
仅是它们的活化位点区域不同。在高等生物中，
purE和 purC(氨基咪唑琥珀基氨甲酰核苷酸合成
酶)会结合到一起形成双功能酶，而在细菌中，
purE 是一个独立基因的产物，有时会和 purK 结
合［1］。细菌的 purK 属于 ATP 的把握蛋白超家族
一员，是一个同型二聚体，同其他的把握蛋白超家
族成员一样，也被分为 A、B 和 C 3 个结构域，A 和
C 结构域形成了一个密实的核心，B 结构域延伸出
来形成一个能移动的活化位点。A 结构域含有 75
个氨基酸残基，比 purD 和 purT 中的 A 区域要小，
A区域是由 3 个平行的 β 折叠片段和 2 个 α 螺旋
构成的;B 区域含有 65 个氨基酸残基，面对活性位
点的一侧由 4 个 β 折叠和另一侧的 3 个 α 螺旋构
成;C 区域可分为两个次级结构域，其中一个包含
了 5 个 β 折叠片段和 3 个 α 螺旋结构，另一个包
含了 3 个 β 折叠片段和 2 个 α 螺旋构成，活化位
点包括了 ATP、AIR 和羧化 3 个位点。purEⅠ和
purEⅡ核心结构相同，3 个单体形成了 8 个活化位
点，虽然 purEⅠ和 purEⅡ结构相似，但研究证明
purEⅡ不能以中间产物 NCAIR为底物生成 CAIR，
它们催化着不同的底物［1］。
3. 5 氨基咪唑琥珀基氨甲酰核苷酸(SAICAR)合
成酶(purC)
该酶是催化嘌呤合成第 7 步反应的酶，purC 能
够把 CAIR上的羧酸根与天冬氨酸上的氨基连接起
来。purC单体结构和 ATP 的把握蛋白超家族成员
相似，在拓扑学上，该酶的主要核心区域类似于
PurD、PurT 和 PurK 的 C 结构域，purC 包含一个
ATP结合结构域;在功能上类似于把握蛋白超家
族成员的 B 结构域，然而它们具有完全不同的拓
扑学结构，该酶含有 5 个反向平行的 β 折叠片段，
purC 缺少一个与把握蛋白超家族成员的 A 结构域
相类似的结构域。最近报道了很多物种的 purC 复
合体，并且标示了它们的关键活化位点［27，28］。人
类的 purCE 复合体是一个含有 422 个对称点的 8
聚体，purE 形成的核心和细菌的 purE 八聚体结构
上同源，purC 二聚体和 purE 核心紧密结合，然而
purC 二聚体不相互接触。酵母的 purC 结构是第
一个被确定的结构，随后很多其他物种的 purC 结
构被报道。
3. 6 腺苷酸琥珀酸裂解酶(purB或 ADSL)
该酶是催化嘌呤合成第 8 步反应的酶，purB
具有双重功能，能够用相同的活化位点催化两个
非连续的反应。这两个反应分别为: (1)第 8 步由
SAICAR生成 5-氨基咪唑-4-氨甲酰核苷酸(AIC-
AR) ;(2)在 IMP 转化生成 AMP 的过程。很多生
物的 purB 结构已被报道。该酶属于天冬氨酸酶 /
延胡索酸酶超家族成员，purB 可分为区域 1、2 和
3。1 和 3 紧密结合，由 N-末端的约 95 个氨基酸残
基和 C-末端的 80 个氨基酸残基构成，区域 2 是该
结构的核心区域，由约 250 个氨基酸残基构成的
狭子形的 5 个螺旋束，活化位点是由 3 个区域共同
构成。以前研究认为，大肠杆菌 purB 的 91 和 171
位的组氨酸分别负责酸催化和质子供体，但最近
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发现的突变体表明，295 位的丝氨酸参与了该反
应，91 位的组氨酸没有参与该反应［1］。当前国内
外对影响 IMP 生成的关键限速酶 ADSL 的研究还
主要集中在病理、生理、免疫等领域。ADSL 基因
已在人类、小鼠、鸡及一些细菌中有了较为深入的
研究，通过比较分析发现，包括人在内的不同物种
ADSL基因的 cDNA序列在编码区 N-末端、C-末端
和典型的延胡索酸家族保守区序列 G-S-(x)2-M-
(x)2-K-x-N 的 3 个区段都表现出高度的保守
性［29］。ADSL 基因的分子生物学研究是从 Van
(1987)研究开始的，他利用体细胞杂交方法将人
类 ADSL基因定位于 22 号染色体。Wong 等［30］完
成了对小鼠 ADSL基因的克隆和测序，通过对人和
小鼠 ADSL基因序列进行比较发现，两基因都长约
20 kb，有相同的内含子与外显子连接区，并且它们
的外显子和内含子结构也基本相似;转录起始位
点相同，比较两基因 5端调控区域，发现它们有典
型的管家基因特征:在起始密码子(ATG)前具有
非常高的 GC 含量，高频率的 CpG 双核苷酸，并且
没有明显的 TATA 盒和 CAAT 盒出现;人与小鼠
ADSL基因编码区核苷酸序列约 94%相同;具有典
型的延胡索酸家族保守区序列;内含子与外显子
连接区符合 GT-AG 机制。ADSL 基因在嘌呤核苷
酸循环过程中具有重要作用，在脑和肌肉组织中
表达活性较强，嘌呤核苷酸循环通过控制三羧酸
循环的中间产物和游离 AMP的含量来调节细胞代
谢，因此 ADSL基因在维持正常细胞分裂和代谢起
到必不可少的作用［29］。ADSL 基因具有典型的管
家基因特征，在嘌呤核苷酸的从头合成生物途径
中具有重要功能，Wong［30］与 Lowenstein［31］认为其
在肌肉中维持 ATP /AMP的比例也是至关重要的。
有学者利用 PCR-SSCP 技术寻找 ADSL 基因位点
的突变，并且分析了该突变与 IMP 含量的关
系［32］。
3. 7 氨基咪唑氨甲酰核苷酸转甲酰基酶(purHJ)
该酶是催化嘌呤从头合成第 9、10 步的酶。产
物是 5-甲酰氨基咪唑-4-氨甲酰核苷酸(FAICAR)。
purHJ 在细菌和真核生物中是一样的，它是一种双
功能酶，能催化 9、10 两步反应。但在古细菌中，
purHJ被 PurP和 PurO取代分别用来催化 9、10 两步
反应。purHJ中的 purH 和 purJ 是两个独立的功能
区域，分别负责转甲酰基和环化。由于这两步反应
都是可逆反应，而在第 9 步的正向反应和第 10 步的
逆向反应中，purH 和 purJ 必须同时存在才能催
化［1］。purHJ已经作为发展抗癌疗法的一个目标，
研究人员一直致力于寻找特异性的反叶酸制剂和非
叶酸阻抑物。
purHJ是依靠叶酸的酶。人和鸡的 purHJ 结
构已公布，它是一种同型二聚体，两个单体缠绕在
一起形成一个大的界面。purH 结构域由肽链 C-
末端约 400 个氨基酸残基构成，可以进一步分为 3
个次级结构域，purH 的催化位点位于两个二聚体
连接面的缝隙中。purP 是一个具有 32 个对称点
的六聚体，是 ATP把握蛋白超家族成员之一，每个
单体含有 A、B 和 C 3 个结构域，A、B 和 C 3 个结
构域分别由 137、67 和 157 个氨基酸残基构成。
purP活化位点位于每个单体的 3 个结构域和相邻
两个单体的 C 结构域形成的界面缝隙中。purO 仅
在 11 种古细菌生物中发现，只有其中 5 种存在
purP基因。PurJ 结构类似于 Rossmann 折叠，它中
心的结构为:5 个平行 β 折叠片段，其两侧分别为
3 个和 7 个 α 螺旋组成。purO和 purHJ的序列、结
构以及活化位点都不相似，具有不同的 IMP 环化
机制。purO是一个四聚体，purO 的活化位点位于
每个单体两个 β 折叠之间的袋装结构中［1］。近
来，有人研究 purH基因突变和 IMP 含量之间的相
关性［33］．
目前，参与 IMP 生物合成(图 2)以及代谢的
15 种酶的 X射线晶体结构(图 3)已经公布。在不
同生物体的 IMP 合成途径中，PurF、PurD、PurL、
PurM、PurC 和 PurB 在其对应的催化反应中是唯一
的，PurN 和 PurT，PurK /PurE-I 和 PurE-II，PurH 和
PurP，PurJ和 PurO在其对应催化反应中是可以不
同的［1］。
3. 8 腺嘌呤核苷酸脱氨酶(AMPD)
AMPD是催化 AMP生成 IMP和 NH3的酶，该反
应不可逆，在嘌呤代谢中起到了重要的作用。
AMPD有 3 个编码基因，分别编码 M、L 和 E(H)3
种同工酶。有报道，在病人骨骼肌细胞和红细胞中
分别缺少 AMPD1 和 AMPD3，AMPD1 缺少会导致代
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2011 年第 3 期 徐善金等:肌苷酸及其相关酶的研究进展
谢性肌肉病，因为 AMPD 体内调节 ATP、ADP、AMP
和 IMP等重要核苷酸含量。AMPD缺少还能改变重
要的激活分子腺苷的含量，而 AMP 蛋白激酶
(AMPK)的活性受细胞内 AMP 水平的控制。因此，
AMPD 能够通过控制细胞内 AMP 的水平调节
AMPK 的活性来控制全身代谢状态［34］。AMPD 活
性中心有组氨酸残基和色氨酸残基。ATP、ADP 和
AMP是其激活剂，磷酸和 GTP 是其抑制剂，N-四溟
酚酞磺酸钠可导致其色氨酸残基和-SH 氧化，酶不
可逆失活，该酶最适 pH 为 5. 9，pH 在 5. 7 － 6. 3 范
围内活性稳定，在 15 － 37℃范围内，酶随温度升高
其活性增强，温度大于 40℃，易变性失活，55℃活性
下降 75%，最适温度为 37℃。在肺损伤的患者体
内，AMPD3 活性减弱导致 IMP 含量显著减少，这个
发现可能形成一种新的治疗方法［35］。AMPD 和
IMP含量关系的研究报道较多，但 AMPD 基因和
IMP含量关系的相关研究报道较少。
4 IMP检测技术
目前，IMP检测技术有薄层层析法、高效液相色
谱法、高压纸电泳 + 紫外分光光度法和高效毛细
管电泳法 4 种。20 世纪 60 年代，Davidek 等［36］用
薄层层析法检测了鸡的肌肉中 IMP 的含量;80 年
代，刘望夷与苏淑贞等曾用薄层层析法测定了猪、
鸡和其他动物肌肉中 IMP 的含量，但此种方法精
确度不高;90 年代，很多研究人员利用高效液相色
谱法来检测各种动物组织、食品、药物中 IMP 的含
量。其中，以磷酸———乙胺缓冲溶液为流动相的
反相液相色谱法已成为当前动物组织中 IMP 含量
测定的常用方法;宋焕禄等于 2002 年用反相高效
液相色谱法测定了固始鸡、AA 鸡和中华宫廷黄鸡
肌肉中 IMP 的含量。虽然此测定方法精确，但成
本高，需要的时间较长;在 21 世纪初，尚四华等用
高压纸电泳法 +紫外吸光光度法联合的方法测定
了肌苷口服液中 IMP 的含量，此法操作方便、简
单、成本低，但所测定 IMP样本浓度要在适当的范
围内。近年来，有学者用高效毛细管电泳法测定
动物组织、食品中的 IMP，此法简单，精确度高且需
要的时间短。
图 2 IMP的生物合成路径
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生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2011 年第 3 期05
2011 年第 3 期 徐善金等:肌苷酸及其相关酶的研究进展
图 3 15 种 IMP生物合成酶的 X射线晶体结构
5 IMP含量的调控
目前，对 IMP 调控的研究还比较少，主要是增
加生物体 IMP生成的量，减少 IMP被分解的量。在
利用微生物生产 IMP 等鲜味物质时，有报道在生产
体系中，最大限度减少外源性降解 IMP 的酶类含
量，就能提高 IMP 的产量;有国外学者发现了突变
的、能够高产 IMP 的菌体，经分析表明，该菌体合成
IMP关键酶的活性大大提高了，可能原因为编码该
酶的基因发生了突变或者是调节该酶的基因发生了
变化。
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生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2011 年第 3 期
对于现有的畜禽，要提高动物肌肉中 IMP 的含
量，主要是阻止一些分解 IMP 的路径。理论上，可
以适当增加肌肉中磷酸肌酸等高能物质的含量，这
样有利于动物被宰后肌肉细胞供能，延长细胞稳定
性与活性;降低 5-核苷酸酶、碱性磷酸酶和酸性磷
酸酶等分解 IMP 的酶类;适当增加抗氧化类物质，
以维持细胞膜、细胞器质膜的稳定性。过新胜等在
AA肉鸡饲养后期，直接于日粮中添加 I + G(肌苷酸
二钠，鸟苷酸二钠的 1∶ 1 混合物)0. 3%，可以显著提
高胸肌与腿肌中的 IMP 含量 25% － 37%。王友明
等在 AA鸡日粮中添 0. 05% －0. 2%的酵母核酸(核
酸纯度 95%，种类未标注) ，发现试验鸡的 IMP含量
提高 20%以上，AMP 提高 50%以上，核苷酸浓度与
添加量呈正向相关。由于 I + G 目前主要是食品调
味剂，而作为添加剂来提高动物肌肉中 IMP 含量的
国内外报道还较少，如若小剂量的核酸类添加剂就
能提高肌肉中 IMP 含量，那么它将是提高动物组织
中 IMP含量的最直接有效的方法。有学者研究［37］，
在日粮中添加甜菜碱，可以提高胴体中 IMP 的含量
以及其他风味物质的含量。詹勇等发现在三黄鸡日
粮中添加一定量的三萜皂苷，可以提高肌肉中 IMP
含量 10%以上，作用的机理可能是皂苷抑制磷酸二
酯酶活性，提高了细胞内环腺苷酸浓度而引起。范
京辉等在优质黄鸡日粮中添加植物皂苷提取物，能
够显著提高肌肉中 IMP 含量，对蛋白质、脂肪沉积
影响不明显，作用机理是该物质能有效降低机体碱
性磷酸酶活性。但此类研究还存在争议，需要进一
步去证实。
6 IMP研究展望
随着生成 IMP 的各种酶类的结构与功能被进
一步深入的研究，人们将会从分子遗传和食品加工
方面对 IMP进行进一步的研究，由于和 IMP 生成与
降解相关的酶类有很多，但对于其中有些酶的研究
才刚刚起步，特别是对酶的基因研究甚少，应该运用
各种分子生物学手段来寻找相关酶的基因与 IMP
含量之间的关系。例如，酶基因的突变、表达量与
IMP含量之间的关系;也可利用现有的 IMP 含量高
的品种来改良 IMP 含量低的品种。因有研究报道，
IMP的遗传力为 0. 23，为中等遗传力［38］。在食品加
工方面，应尽可能延长肉品的保鲜期，减少肉品中
IMP的损失，这就需要在畜禽产品上市前，进行适当
合理的营养调控;这样就需对外源性调节机体 IMP
含量的物质进行大量的试验，寻找没有其他副作用
且能提高 IMP含量的外源性物质。因此，对 IMP 调
控的研究将是今后研究的重要内容。
参 考 文 献
［1］Zhang Y，Morar M，Ealick SE． Structural biology of the purine bio-
synthetic pathway． Cell Mol Life Sci，2008，65(23) :3699-3724．
［2］徐咏全，张蓓，张克旭．谷氨酰胺磷酸核糖焦磷酸转酰胺酶研究
进展．生物技术通讯，2003，14(6) :535-538．
［3］Koenigsknecht MJ，Fenlon LA，Downs DM． Phosphoribosylpyrophos-
phate synthetase(PrsA)variants alter cellular pools of ribose 5-phos-
phate and influence thiamine synthesis in Salmonella enterica． Micro-
biology，2010，156(Pt3) :950-959．
［4］Gerth U，Kock H，Kusters I，et al． Clp-dependent proteolysis down-
regulates central metabolic pathways in glucose-starved Bacillus sub-
tilis． J Bacteriol，2008，190(1) :321-331．
［5］Shimaoka M，Takenaka Y，Kurahashi O，et al． Effect of amplification
of desensitized purF and prs on inosine accumulation in Escherichia
coli． J Biosci Bioeng，2007，103(3) :255-61．
［6］Ventura M，Canchaya C，Del Casale A，et al． Analysis of bifidobacte-
rial evolution using a multilocus approach． Int J Syst Evol Microbiol，
2006，56(Pt12) :2783-2792．
［7］ Sorokin A，Candelon B，Guilloux K，et al． Multiple-locus sequence
typing analysis of Bacillus cereus and Bacillus thuringiensis reveals
separate clustering and a distinct population structure of psychrotro-
phic strains． Appl Environ Microbiol，2006，72(2) :1569-78．
［8］ Galperin MY，Koonin EV． A diverse superfamily of enzymes with
ATP-dependent carboxylate-amine / thiol ligase activity． Protein Sci，
1997，6:2639-2643．
［9］Welin M，Grossmann JG，Flodin S et al． Structural studies of tri-func-
tional human GART． Nucleic Acids Research，2010，38 (20) :
7308-19．
［10］Li CL，Kappock TJ，Stubbe J，et al． X-ray crystal structure of amino-
imidazole ribonucleotide synthetase(PurM) ，from the Escherichia
coli purine biosynthetic pathway at 2． 5A resolution． Structure，
1999，7:1155-1166．
［11］ Morar M，Anand R，Hoskins AA，et al． Complexed structures of
formylglycinamide ribonucleotide amidotransferase from Thermoto-
ga maritima describe a novel ATP binding protein superfamily． Bi-
ochemistry，2006，45(50) :14880-14895．
［12］Thoden JB，Firestine S，Nixon A，et al． Molecular structure of Esche-
richia coli PurT-encoded glycinamide ribonucleotide transformy-
lase． Biochemistry，2000，39:8791-8802．
［13］Costi MP，Ferrari S． Update on antifolate drugs targets． Curr Drug
25
2011 年第 3 期 徐善金等:肌苷酸及其相关酶的研究进展
Targets，2001，2:135-166．
［14］Brodsky G，Barnes T，Bleskan J，et al． The human GARS-AIRS-
GART gene encodes two proteins which are differentially expressed
during human brain development and temporally overexpressed in
cerebellum of individuals with Down syndrome． Hum Mol Genet，
1997，6(12) :2043-2050．
［15］Xiong G，Husseiny MI，Song L，et al． Novel cancer vaccine based on
genes of Salmonella pathogenicity island 2． Int J Cancer，2010，126
(11) :2622-2634．
［16］Tartof SY，Solberg OD，Riley LW． Genotypic analyses of uropatho-
genic Escherichia coli based on fimH single nucleotide polymor-
phisms(SNPs)． J Med Microbiol，2007，56(Pt 10) :1363-1369．
［17］Park YJ，Song ES，Kim YT，et al． Analysis of virulence and growth
of a purine auxotrophic mutant of Xanthomonas oryzae pathovar
oryzae． FEMS Microbiol Lett，2007，276(1) :55-59．
［18］Banerjee D，Nandagopal K． Phylogenetic analysis and in silico char-
acterization of the GARS-AIRS-GART gene which codes for a tri-
functional enzyme protein involved in de novo purine biosynthesis．
Mol Biotechnol，2009，42(3) :306-319．
［19］Carlucci F，Marinello E，Tommassini V，et al． A 57-gene expression
signature in B-cell chronic lymphocytic leukemia． Biomed Pharma-
cother，2009，63(9) :663-671．
［20］Banerjee D，Nandagopal K． Potential interaction between the GARS-
AIRS-GART Gene and CP2 /LBP-1c /LSF transcription factor in
Down syndrome-related Alzheimer disease． Cell Mol Neurobiol，
2007，27(8) :1117-1126．
［21］Shu JT，Bao WB，Zhang XY，et al． Combined effect of mutations in
ADSL and GARS-AIRS-GART genes on IMP content in chickens．
Br Poult Sci，2009，50(6) :680-686．
［22］Hoskins AA，Anand R，Ealick SE，et al． The formylglycinamide ribonu-
cleotide amidoransferase complex from Bacillus subtilis:metabolite-me-
diated complex formation． Biochemistry，2004，43:10314-10327．
［23］Anand R，Hoskins AA，Bennett EM，et al． A model for the Bacillus
subtilis formylglycinamide ribonucleotide amidotransferase multipro-
tein complex． Biochemistry，2004，43(32) :10343-10352．
［24］ Batra R，Christendat D，Edwards A，et al． Crystal structure of
MTH169，a crucial component of phosphoribosylformylglycinami-
dine synthetase． Proteins，2002，49(2) :285-288．
［25］Xie B，Chen D，Cheng G，et al． Effects of the purL gene expression
level on the competitive nodulation ability of Sinorhizobium fredii．
Curr Microbiol，2009，59(2) :193-198．
［26］Vilain S，Pretorius JM，Theron J，et al． DNA as an adhesin:Bacillus
cereus requires extracellular DNA to form biofilms． Appl Environ
Microbiol，2009，75(9) :2861-2868．
［27］Ginder ND，Binkowski DJ，Fromm HJ，et al． Nucleotide complexes
of Escherichia coli phosphoribosylaminoimidazole succinocarboxam-
ide synthetase． J Biol Chem，2006，281:20680-20688．
［28］Antopyuk SV，Grebenko AI，Levdikov VM，et al． X-ray study of SA-
ICAR synthase complexes with adenosi-netriphosphate． Kristal-
lografiya，2001，46(4) :687-691．
［29］Tabucchi A，Carlucci F，Rosi F，et al． Determination activity and bi-
ological role of adenylosuccinate lyase in blood cells． Biomed Phar-
macothe，2001，55(5) :277-283．
［30］Wong LJ，O＇Brien WE． Characterization of the cDNA and the gene
encoding murine adeny-losuccinate lyase． Genomics，1995，28(2) :
341-343．
［31］ Lowenstein JM． The purine nucleotide cycle revised． Int J Sports
Med，1990，11:37-46．
［32］Shu JT，Bao WB，Zhang HX，et al． Correlation between adenylosuc-
cinate lyase(ADSL)gene polymorphism and inosine monophosphate
acid(IMP)content in domestic fowl and genetic relationship be-
tween red jungle fowl and domestic fowl． Yi Chuan，2007，29(3) :
343-348．
［33］Shu JT，Bao WB，Zhang XY，et al． Association and haplotype analy-
sis of purH gene with inosine monophosphate content in chickens．
Anim Biotechnol，2008，19:310-314．
［34］Morisaki H，Morisaki T． AMPD genes and urate metabolism． Nippon
Rinsho，2008，66(4) :771-7．
［35］Li P，Ogino K，Hoshikawa Y，et al． Remote reperfusion lung injury
is associated with AMP deaminase 3 activation and attenuated by
inosine monophosphate． Circ J，2007，71(4) :591-6．
［36］Davidek J，Khan AW． Estimation of inosinic acid in chicken muscle
and its formation and degradation during post-mortem aging． Journal
of Food Science，1967，32(2) :155-157．
［37］王述柏．鸡肉肌苷酸沉积规律及营养调控研究［D］．北京:中国
农业科学院，2004:1-17．
［38］Chen JL，Zhao GP，Zheng MQ，et al． Estimation of genetic parame-
ters for contents of intramuscular fat and inosine-5-monophosp-hate
and carcass traits in Chinese Beijing-You chickens． Poult Sci，
2008，87:1098-104．
(责任编辑 狄艳红)
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