第八章 微生物转化.ppt

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1、第八章 微生物转化,定义,微生物转化是通过微生物细胞将复杂的底物进行结构修饰,也就是利用微生物谢过程中产生的某个或某一系列的酶对底物特定部位(基团)进行的催化反应. 利用微生物细胞或微生物酶取代或配合化学方法进行有机合成。 微生物代谢过程中某一个酶或者一组酶系对底物进行催化反应,第一节 概述,一、微生物转化与药物合成 研究始于1864年巴斯德利用乙酸杆菌将乙醇氧化为乙酸, 工业化的里程碑是50年代美国普强药厂的Murray和Peterson利用微生物黑根霉(Rhizonpus nigricans)的羟化酶将黄体酮转化为11-羟基黄体酮,即对甾体化合物的结构改造. 利用微生物的作用来进行某种化学

2、反应称为微生物转化反应(microbial transformation or microbial bioconversion). 固定化细胞,诱变和基因重组等技术的发展, 使得成倍地提高转化率,并且能将几种不同合成基因构建到同一个工程菌中使得一次培养同时进行几步转化反应,使微生物转化在天然药物修饰中发挥更重要的作用.,二、微生物转化反应的类型和应用实例,（一）氧化反应 1.葡萄糖酸制备 工业大规模生产葡萄糖酸氮杂基团的氧化 氯霉素的微生物转化,（二）还原反应,（三）水解反应,（四）缩合反应,麻黄碱的制备 国内主要采用植物提取法 欧美为化学合成法，需要进一步拆分 利用生物转化法生产麻黄碱有许多

3、优势 酶为丙酮酸脱羧酶，广泛存在于酵母细胞中,采用酵母细胞生物催化法可将丙酮酸与苯甲醛缩舍形成L-苯基乙酰基甲醇 再经甲胺还原胺化即可得L-麻黄碱.其苄位羟基经乙酰化和羟基取代可以产生构型转化得到(1S,2S)-2-甲氨基-1-苯基丙醇,即D-麻黄碱,（五）其他,三、微生物转化反应的特点,跟酶法转化和有机化学转化比较有以下特点 1.蛋白酶为催化剂 2.对立体结构合成上具有高度的专一选择性 3.反应速度高 4.反应条件温和,优点：可在常温常压、接近中性pH的水溶液中进行，减少器材损耗与环境污染。对反应物与产物之立体异构物具有专一性。 缺点：易受有机溶剂或极端酸碱度的破坏。酶活性易受产物抑制。,第

4、二节 甾体微生物转化,甾体合成技术的演进 1950年Kendall, Reichstein与Hench因发现类固醇的消炎作用而获得诺贝尔奖。 1952年以化学方法以牛胆汁中的deoxycholic acid为原料合成cortisone，反应共需31个步骤，产品售价每克$200； 1952年利用Rhizopus产生的hydroxylase将反应过程缩短为3个步骤，产品售价每克$6； 1980年使用突变之Mycobacterium分解植物油中的固醇以作为原料，产品价格每克$0.46。,甾体药物,A，B，C环为椅式构象，D环为信封式构象 六个手性中心,A,B,C,D,1,2,3,4,5,6,7,8,

5、9,10,11,12,13,17,16,15,14,3 primary carbons: 18, 19, 21 18 secondary carbons,Chemical and Microbial Transformation in the Production of Medically Important Steroids,Examples of Steroid Hydroxylation by Fungi,一、微生物对甾体转化反应类型和特点,（一）甾体微生物转化反应类型 微生物几乎对甾体每一个位置都能转化,（二）微生物转化甾体的特点 1.两阶段发酵 2.两相发酵,二、甾体微生物转化反应的

6、主要类型和机制,（一）羟化 在甾体药物的工业生产中，目前国内外采用微生物转化的反应有9羟基化、11,羟基化及16羟基化；A环1，2或4和5位的脱氢；3 ,位羟基的脱氢，以及27位侧链的降解、不对称还原3,17,20位酮基等，它们都已分别在各种皮质激素、性激素、口服避孕药、蛋白同化激素、抗癌剂、利尿剂等药物的合成中成为关键步骤。,1. C9羟化,2.C11羟化,微生物特有反应 黑根霉(Rhizonpus nigricans)的羟化酶能使黄体酮转化为11-羟基黄体酮,3.C11羟化,4.C15羟化,5.C16羟化,6.C17羟化,7.C19羟化,8.双羟基化,9.羟化反应机制,微生物甾体羟化酶属P

7、450超家族的单氧化酶,（二）环氧化反应,（三）脱氢反应,（四）甾体边链降解,第三节 微生物转化在制药工业上的应用,一、微生物转化在甾体药物合成中的应用,（一）糖皮质激素类药物,醋酸氢化可的松,醋酸地塞米松,醋酸泼尼松龙,（二）糖皮质激素类药物的合成,二、微生物转化与中药现代化,（一）微生物转化进行中药研究的意义,（二）微生物转化中药的途径,三、微生物转化在天然药物研发中的应用,（一）抗癌药 1.紫杉醇,10-脱乙酰浆果赤霉素,-氨基-N-苯甲酰基-(2R，3S)-3-苯基异丝氨酸,氮杂环丁酮衍生物,2.喜树碱,（二）青篙素,（三）人参皂苷,四、微生物转化与其他药物制备,（一）微生物转化与手性

8、药物合成 人体内在的手性环境可以识别手性药物对映体，使对映体在活性、代谢过程和毒性等方面存在显著差异。 如用于消除孕妇早期妊娠反应的镇静剂“反应停”(thalidomide，沙利度胺)被应用不久，就被发现可以致使婴儿出现畸形，经研究发现具有镇静作用的是其R一对映体而致畸变是由s一对映体引起的。因此必须对不同对映体看成不同的化合物进行研究。,手性化合物的对映体构型与药效有非常重要的关系,一般手性药只有其中一个对映体具有生理活性。含手性结构药物的两个对映体,其生物活性往往存在很大差异,可以相差数十倍、百倍甚至完全相反的药理作用或毒性。,利用微生物转化对手性化台物的合成与拆分与化学拆分相比，有选择性

9、高、步骤简单、成本低、产物回收率高等优点。典型的例子就是采用生物法半合成头孢菌素，通过利用酶的对映体催化专一性，只需两步就可以替代传统的化学生产法。 我国从1958年就已开展这一研究。30年来已为甾体药物的生产提供了各类生产菌种。并在转化条件、转化机制等方面做了许多工作，推动了甾体药物工业的发展,（二）HMG-CoA还原酶抑制剂,（三）葡萄糖苷酶抑制剂,米格列醇(miglitol)的发现源于对野尻霉素的研究，原来作为抗沙门氏菌的抗生素具有较强的葡萄糖苷酶抑制作用，继而成为第一个具有开发价值的淀粉酶抑制剂。 1脱氧野尻霉素野尻霉素还原而得，也可由多种链霉菌和芽孢杆菌产生，同样具有糖苷酶抑制作用；N取代1脱氧野尻霉素具有更好的降糖效果，米格列醇就是其中之一。 米格列醇的结构与葡萄糖相似，能够可逆地竞争性抑制假单糖葡糖苷酶，减少单糖的代谢，降低在小肠的吸收。 先用微生物发酵制备野尻霉素或1脱氧野尻霉素后再用化学合成的方法来制备米格列醇,