生物工程制藥之生物轉(zhuǎn)化9課件

生物制藥工藝（生物轉(zhuǎn)化）

酶作為一種生物催化劑是神奇的，它的參與使無法完成的有機(jī)合成反應(yīng)成為可能。立體和選擇性催化是其精華所在。生物轉(zhuǎn)化生物轉(zhuǎn)化

生物轉(zhuǎn)化(biotransformation)是利用微生物及其細(xì)胞器、植物離體細(xì)胞或器官、動(dòng)物細(xì)胞以及游離酶對外源性化合物(exogenoussubstrate)進(jìn)行結(jié)構(gòu)修飾的生化反應(yīng)。微生物轉(zhuǎn)化可用完整的微生物細(xì)胞或從微生物中提取的酶作為生物催化劑。

FDA將這類產(chǎn)品列入天然產(chǎn)品,這為生物轉(zhuǎn)化及天然發(fā)酵產(chǎn)物的市場化提供了一個(gè)很好的軟環(huán)境。生物轉(zhuǎn)化

對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的天然活性成分來說,利用化學(xué)合成來進(jìn)行結(jié)構(gòu)修飾存在著得率低,反應(yīng)專一性差、副產(chǎn)品多等缺點(diǎn),生物轉(zhuǎn)化技術(shù)卻可彌補(bǔ)化學(xué)合成的不足。

至今生物轉(zhuǎn)化已涉及羥基化、環(huán)氧化、脫氫、氫化等氧化還原反應(yīng)、水解、水合、酯化、酯轉(zhuǎn)移、?；?、脫羧、脫水、異構(gòu)化等各類化學(xué)反應(yīng)。生物轉(zhuǎn)化技術(shù)最關(guān)鍵最困難之處在于獲得轉(zhuǎn)化反應(yīng)所需的菌株或酶。一旦獲得了適當(dāng)?shù)纳锎呋瘎?生物轉(zhuǎn)化將不成問題。生物轉(zhuǎn)化5.1生物轉(zhuǎn)化在制備D-氨基酸在自然界中D-氨基酸相對稀少,被冠以“非天然”氨基酸之稱,但D-氨基酸在醫(yī)藥、農(nóng)藥和食品等的組成中起著重要的作用,特別是它們已被用于合成β-內(nèi)酰胺類抗生素和生理活性肽。生物轉(zhuǎn)化5.1生物轉(zhuǎn)化在制備D-氨基酸眾所周知自然界中存在20種基本氨基酸,除甘氨酸外都有2種互成鏡像的對映體D型和L型,歷來認(rèn)為生命物質(zhì)只存在L型氨基酸,并曾將L型冠以“天然”,而D型就成了“非天然”。與L-氨基酸相比,D-氨基酸種類少,只占自然界已發(fā)現(xiàn)的300多種氨基酸的10%左右,但其價(jià)格十分昂貴。生物轉(zhuǎn)化5.1生物轉(zhuǎn)化在制備D-氨基酸

隨著分析方法的發(fā)展,人們相繼在海洋動(dòng)物、陸生動(dòng)物、脊椎和無脊椎動(dòng)物、種子植物和人體中發(fā)現(xiàn)了各種D-氨基酸之后,D-氨基酸才引起人們的高度重視,并意識到它們在醫(yī)藥、農(nóng)藥和食品等的重要組成中起著重要作用。生物轉(zhuǎn)化5.1生物轉(zhuǎn)化在制備D-氨基酸5.1.1生物轉(zhuǎn)化法制備D-氨基酸一般來講D-氨基酸要靠合成制得,但各種合成法均有缺陷，有的合成步驟較長,有的手性助劑價(jià)格昂貴,有的光學(xué)純度達(dá)不到要求等。

生物轉(zhuǎn)化5.1.1.2惡臭假單孢菌產(chǎn)生的二氫嘧啶酶原理:二氫嘧啶酶（D-海因酶）,只催化D-型海因、嘧啶水解,生成N-氨甲酰-D-氨基酸,對L型海因、嘧啶不被水解。工藝:用醛為原料,經(jīng)Bucher反應(yīng)合成DL-5-取代乙內(nèi)酰脲,然后用惡臭假單孢菌的二氫嘧啶酶催化選擇性水解為N-氨甲酰-D-氨基酸,再經(jīng)化學(xué)或酶法脫氨甲?；肈-氨基酸。結(jié)果:由DL-5-取代乙內(nèi)酰脲生產(chǎn)D-對羥基苯甘氨酸,收率達(dá)92%。生物轉(zhuǎn)化5.1.2酶法拆分原理:外消旋氨基酸先生成其衍生物如外消旋酯、酰胺,然后被酶或微生物選擇性水解成旋光純氨基酸,再通過常規(guī)化學(xué)物理方法從反應(yīng)混合物中分離。酶法拆分常用的酶有脂肪酶、酯酶和蛋白酶等水解酶。缺點(diǎn):1)反應(yīng)過程中產(chǎn)生的L-氨基酸積累到一定程度會抑制進(jìn)一步拆分,因而降低了摩爾分率;2)底物在發(fā)酵液中溶解度低,限制了生產(chǎn)能力;3)酶的穩(wěn)定性差;4)有些酶要求反應(yīng)底物濃度極稀,反應(yīng)時(shí)間長,不利于大規(guī)模生產(chǎn)生物轉(zhuǎn)化5.1.2酶法拆分優(yōu)化:固定化生物催化劑因其能反復(fù)利用,使用壽命較游離酶有明顯提高,可極大地降低成本,在氨基酸拆分中得到了成功的應(yīng)用。生物轉(zhuǎn)化5.1.2酶法拆分手性流動(dòng)相拆分

普通色譜固定相也用于DL-氨基酸的色譜拆分,但需要在流動(dòng)相中加入手性絡(luò)合物修飾劑。手性流動(dòng)相拆分法中手性絡(luò)合物的配體多為L-氨基酸及其衍生物,手性絡(luò)合物的金屬離子多為Cu2+或Ni2+。流動(dòng)相中手性絡(luò)合物的濃度一般以1～10mmol/L為宜,流動(dòng)相pH為5左右。生物轉(zhuǎn)化5.2生物轉(zhuǎn)化合成抗生素5.2.1氨芐青霉素的生產(chǎn)酶法轉(zhuǎn)化氨芐青霉素由三步反應(yīng)組成1）酶轉(zhuǎn)化青霉素為6-氨基青霉烷酸（6-APA）2）酶轉(zhuǎn)化氨芐青霉素的側(cè)鏈（如D-苯甘氨酸、D-對羥基苯甘氨酸）3）酶法連接側(cè)鏈到青霉素母核6-APA生物轉(zhuǎn)化5.2.1氨芐青霉素的生產(chǎn)生物轉(zhuǎn)化5.2.1氨芐青霉素的生產(chǎn)第二步側(cè)鏈的制備1）合成DL-苯基甘氨酰胺2）采用微生物胺肽酶選擇性催化DL-苯基甘氨酰胺鍵斷裂，拆分產(chǎn)生L-苯甘氨酸和D-苯基甘氨酰胺。3）用苯甲醛形成不溶性西夫堿將D-苯基甘氨酰胺從反應(yīng)混合物中分離4）用酸水解后獲得沒有外消旋的D-苯甘氨酸生物轉(zhuǎn)化5.2.1氨芐青霉素的生產(chǎn)第三步青霉素G?；笇?cè)鏈連接到母核生物轉(zhuǎn)化5.3生物轉(zhuǎn)化技術(shù)在天然藥物研究開發(fā)中的應(yīng)用

5.3.1青蒿素的微生物轉(zhuǎn)化修飾生物轉(zhuǎn)化青蒿素是1971年從藥用植物黃花蒿(ArtermisiaannuaL.)中分到的一個(gè)具有過氧橋的倍半萜類化合物,具有快速、高效、低毒的抗瘧活性,目前,全球共有25億人口處于瘧疾的威脅之中。青蒿素及其衍生物蒿甲醚、雙氫青蒿素及青蒿酯鈉在我國已廣泛應(yīng)用于臨床。同時(shí),世界衛(wèi)生組織正在開發(fā)研究蒿乙醚。生物轉(zhuǎn)化

從發(fā)酵產(chǎn)物中分離得到了16個(gè)轉(zhuǎn)化產(chǎn)物并鑒定了其中14個(gè)結(jié)構(gòu),其中10個(gè)為新化合物。這14個(gè)轉(zhuǎn)化產(chǎn)物中除一個(gè)為羰基化產(chǎn)物外,其余13個(gè)都是羥基化產(chǎn)物,極性都大于底物。這些化合物都是用化學(xué)方法無法制備的。

生物轉(zhuǎn)化5.3生物轉(zhuǎn)化技術(shù)在天然藥物研究開發(fā)中的應(yīng)用其中9個(gè)新化合物為:9α-羥基青蒿素,9β-羥基青蒿素,青蒿酮-9,9α-羥基雙氫青蒿素,9α-羥基-α-雙羥基青蒿素,2α-羥基雙氫青蒿素,2α-羥基-α-雙氫青蒿素,9α、9β-二羥基去氧蒿甲醚,2α、9β-二羥基蒿甲醚,2α、9α-二羥基蒿甲醚。生物轉(zhuǎn)化5.3.2稀有人參皂甙的微生物轉(zhuǎn)化以人參皂甙為原料,從野山參生長的土壤中分離篩選菌種,利用這些菌種對總皂甙進(jìn)行了發(fā)酵,制備了具有抗腫瘤、抗血栓等強(qiáng)生物活性的稀有人參皂甙。生物轉(zhuǎn)化5.3.2稀有人參皂甙的微生物轉(zhuǎn)化GinsenosideRg3生物轉(zhuǎn)化5.3.3微生物轉(zhuǎn)化喜樹堿衍生物同喜樹堿相比,10-羥基喜樹堿以療效好,毒性低較為常用,但含量僅為萬分之幾。在喜樹的總生物堿中喜樹堿為主要成分,10-羥基喜樹堿僅占十萬分之二,依靠從天然資源中提取則費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、浪費(fèi)資源。研究發(fā)現(xiàn)利用曲霉等多種微生物能將喜樹堿定向轉(zhuǎn)化成10-羥基喜樹堿,為解決資源問題闖出了新路。生物轉(zhuǎn)化5.3.3微生物轉(zhuǎn)化喜樹堿衍生物10

-hydroxycamptothecineR=OH生物轉(zhuǎn)化5.3.4生物轉(zhuǎn)化技術(shù)在甾體藥物研究開發(fā)中的應(yīng)用微生物對類固醇和固醇底物的氧化還原反應(yīng)，使我們對生物轉(zhuǎn)化的區(qū)域選擇性和立體選擇性留下了特別深刻的印象，并證明酶具有促進(jìn)碳?xì)浠衔镂椿罨行膮^(qū)域反應(yīng)的能力。生物轉(zhuǎn)化5.3.4.1類固醇母核碳架結(jié)構(gòu)生物轉(zhuǎn)化5.4生物轉(zhuǎn)化技術(shù)在甾體藥物研究開發(fā)中的應(yīng)用5.4.1類固醇母核碳架結(jié)構(gòu)由A、B、C、D四個(gè)環(huán)組成，并不在一個(gè)平面上，其生物活性決定于附著在系統(tǒng)上的基團(tuán)定位。

C6基團(tuán)凸出類固醇平面之上的構(gòu)型命名為β構(gòu)型，它們和環(huán)系統(tǒng)的聯(lián)系用實(shí)線表示；那些投影在平面之下的構(gòu)型稱為α構(gòu)型，它們和環(huán)的連接用點(diǎn)線表示。生物轉(zhuǎn)化5.3.4.2甾醇類或類固醇化合物的生物轉(zhuǎn)化發(fā)展甾醇類或類固醇化合物（steroids）是廣泛分布于自然界的物質(zhì)，作為激素可以調(diào)節(jié)動(dòng)植物的生命代謝，同時(shí)也有助于脂類的消化和吸收以及抗炎、抗毒素等作用。它們以環(huán)戊烷多氫菲（cyclopentanoperhydrophenanthrene）為基本結(jié)構(gòu)，其中一大類稱為甾醇類（sterols，或固醇類）化合物，如豆甾醇（stigmasterol，見圖1）和麥甾醇（sitosterol），上述這些甾醇是目前微生物轉(zhuǎn)化的重要前體物質(zhì)。

生物轉(zhuǎn)化5.3.4.2甾醇類或類固醇化合物的生物轉(zhuǎn)化發(fā)展圖1.豆甾醇（Stigmasterol）

生物轉(zhuǎn)化5.3.4.2甾醇類或類固醇化合物的生物轉(zhuǎn)化發(fā)展關(guān)于微生物轉(zhuǎn)化甾體類物質(zhì)的研究最早可以追溯到20世紀(jì)30年代，Mamoli和Vercellone在研究酵母菌發(fā)酵時(shí)發(fā)現(xiàn)，該菌可以將17-ketosteroids還原為17β-hydroxystreroids，這種方法在生產(chǎn)雄性荷爾蒙、睪丸激素和雌性激素（如雌二醇）等方面具有重要的過渡意義，但之后迅速被高效、廉價(jià)的非酶合成方法取代。

生物轉(zhuǎn)化5.3.4.2甾醇類或類固醇化合物的生物轉(zhuǎn)化發(fā)展雖然開始時(shí)微生物轉(zhuǎn)化的甾體類物質(zhì)沒有能夠成功的工業(yè)化，但Mamoli等對甾體類物質(zhì)的生物轉(zhuǎn)化基礎(chǔ)和發(fā)現(xiàn)性研究具有劃時(shí)代的意義，之后的1940-1949年，成立的Mamoli學(xué)院繼續(xù)在該領(lǐng)域的研究。5.3.4.2甾醇類或類固醇化合物的生物轉(zhuǎn)化發(fā)展

1952年在美國厄普強(qiáng)藥廠（Upjohn）成功地利用無根根霉實(shí)現(xiàn)了由黃體酮到11α-羥基黃體酮的工業(yè)化過程，從此，微生物轉(zhuǎn)化甾體類藥物得到了人們廣泛的重視。

生物轉(zhuǎn)化生物轉(zhuǎn)化5.3.4.2甾醇類或類固醇化合物的生物轉(zhuǎn)化發(fā)展一個(gè)有重要意義的藥物——可的松，也是在20世紀(jì)30年代，馬約基金會的EdwardC.Kendall和巴塞爾大學(xué)的TadeusReichstein分離到了由腎上腺分泌的可的松（共同獲得1950年的諾貝爾獎(jiǎng)）。1949年，馬約基金會的研究者們發(fā)現(xiàn)服用可的松可以減緩急性風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎的癥狀，對可的松的大規(guī)模需求，極大地刺激了化學(xué)合成激素技術(shù)的發(fā)展。

生物轉(zhuǎn)化5.3.4.2甾醇類或類固醇化合物的生物轉(zhuǎn)化發(fā)展最初化學(xué)合成可的松是一個(gè)需要31步反應(yīng)的復(fù)雜過程，而且收率很低，615kg的脫氧膽酸只能得到1kg的可的松醋酸酯，其市場價(jià)格在當(dāng)時(shí)是200美元/g。該合成工藝的主要難點(diǎn)在于將脫氧膽酸C12β羥基轉(zhuǎn)化至C11上，需要9步化學(xué)合成反應(yīng)。生物轉(zhuǎn)化5.3.4.2甾醇類或類固醇化合物的生物轉(zhuǎn)化發(fā)展

Murray和Peterson等成功地采用微生物轉(zhuǎn)化的方法一步完成了上述轉(zhuǎn)化過程，幾乎在同時(shí)施貴寶（Squibb）研究所的科學(xué)家也發(fā)現(xiàn)一種黑曲霉也能完成同樣的轉(zhuǎn)化，采用微生物羥化C11技術(shù)后，工業(yè)合成可的松的反應(yīng)步驟由31步縮短到11步，使可的松的市場價(jià)格降至6美元/g。生物轉(zhuǎn)化5.3.4.2甾醇類或類固醇化合物的生物轉(zhuǎn)化發(fā)展合成可的松的最初底物是由牛膽汁中純化得到的，因此價(jià)格很昂貴，可的松工業(yè)化過程的又一次質(zhì)變則根源于此，即由廉價(jià)的甾醇代替脫氧膽酸，其依托的技術(shù)仍然是微生物轉(zhuǎn)化。生物轉(zhuǎn)化5.3.4.2甾醇類或類固醇化合物的生物轉(zhuǎn)化發(fā)展甾醇類物質(zhì)，如前面提到的豆甾醇（圖1）和谷甾醇，是大豆油生產(chǎn)中的副產(chǎn)物，可以大量獲得，市場價(jià)格在20美元/kg左右。另外還有的植物甾醇是由多花薯蕷根得到的薯蕷皂苷等，從這些植物甾醇生產(chǎn)類固醇必需除去C21位上連接的側(cè)鏈，生成雄甾烯酮類物質(zhì)，如雄烯二酮（4-AD，圖2）。盡管采用化學(xué)降解等方式可以完成上述反應(yīng)，但采用微生物轉(zhuǎn)化技術(shù)更加具有優(yōu)勢。至20世紀(jì)80年代，可的松的價(jià)格已經(jīng)達(dá)到0.46美元/g。生物轉(zhuǎn)化5.3.4.2甾醇類或類固醇化合物的生物轉(zhuǎn)化發(fā)展圖2.雄烯二酮（4-AD）生物轉(zhuǎn)化5.3.4.2甾醇類或類固醇化合物的生物轉(zhuǎn)化發(fā)展通過甾體藥物分析，眾多的甾體藥物結(jié)構(gòu)被闡明，在這些甾體類有機(jī)化合物中存在著旋光、手性、分子不對稱性、消旋異構(gòu)和立體異構(gòu)等現(xiàn)象，單純采用有機(jī)合成方法完成這些立體專一性或?qū)τ尺x擇性反應(yīng)是非常困難，甚至是不可能的。生物轉(zhuǎn)化過程中酶反應(yīng)具有的高度專一性和高效性保證了酶促反應(yīng)產(chǎn)物立體異構(gòu)的唯一性，同時(shí)常溫、常壓的生物轉(zhuǎn)化過程比高溫、高壓和非水溶劑的合成體系費(fèi)用更低和易操作。生物轉(zhuǎn)化5.3.4.3一些的甾體藥物合成的相互關(guān)系生物轉(zhuǎn)化5.4生物轉(zhuǎn)化技術(shù)在甾體藥物研究關(guān)鍵酶5.4.1關(guān)于細(xì)胞色素P450

細(xì)胞色素P450是一類以還原態(tài)與CO結(jié)合后在波長450nm處有吸收峰的含血紅素的單鏈蛋白質(zhì)。它于1958年被發(fā)現(xiàn),引起了人們的廣泛重視。近年來每年發(fā)表的有關(guān)細(xì)胞色素P450的研究論文已超過2000篇。細(xì)胞色素P450之所以引起人們極大興趣是因?yàn)樗谏矬w中具有重要的功能——對許多內(nèi)源性和外來物質(zhì)都存在代謝作用。它的廣泛分布、多樣的結(jié)構(gòu)、復(fù)雜的功能及其基因的多層次調(diào)控可以說是其重要性的一些體現(xiàn)。

生物轉(zhuǎn)化5.4.1關(guān)于細(xì)胞色素P450

膜結(jié)合細(xì)胞色素P450可分為微粒體和線粒體細(xì)胞色素P450兩種類型。線粒體細(xì)胞色素P450具有嚴(yán)格的底物專一性,它代謝內(nèi)源性甾醇類物質(zhì),對外來物質(zhì)無代謝作用。而其它細(xì)胞色素P450特別是肝微粒體中的細(xì)胞色素P450則具有非常寬而重疊的底物專一性。生物轉(zhuǎn)化5.4.1關(guān)于細(xì)胞色素P450細(xì)胞色素P450是分子量為40～

60kD、結(jié)構(gòu)類似的一族蛋白質(zhì)。近年來,不斷有新的成員歸入細(xì)胞色素P450這一古老的基因超家族,至今已鑒定出400多種來自植物、動(dòng)物、細(xì)菌和酵母的細(xì)胞色素P450。Coon等指出細(xì)胞色素P450這一習(xí)慣沿用的名稱已不能很好地表示這一類物質(zhì)，而提出用多樣酶類(diversozymes)來命名這一血紅蛋白家族。生物轉(zhuǎn)化5.4.1關(guān)于細(xì)胞色素P450人類制造的環(huán)境化合物,估計(jì)已超過200000種,其中大多數(shù)是細(xì)胞色P450的可能底物,還有許多可能作為細(xì)胞色素P450不同同工酶的誘導(dǎo)劑或抑制劑。有些參與甾醇轉(zhuǎn)化的細(xì)胞色素P450對底物有高度選擇性,而其它細(xì)胞色素P450特別是肝微粒體的細(xì)胞色素P450具有重疊的底物專一性。

生物轉(zhuǎn)化5.4.2細(xì)胞色素P450催化機(jī)制總體看,細(xì)胞色素P450可以催化成千上萬的反應(yīng),甚至對具有相似化學(xué)結(jié)構(gòu)的底物也表現(xiàn)出多種反應(yīng)類型。細(xì)胞色素P450催化反應(yīng)過程涉及多個(gè)步驟,其作用機(jī)制有多種。典型的反應(yīng)是通過電子傳遞系統(tǒng)將分子氧還原,并將其中一個(gè)氧原子加到底物(RH)中,反應(yīng)需NADPH。RH+O2+NADPH+H+→ROH+H2O+NADP+生物轉(zhuǎn)化5.4.2細(xì)胞色素P450催化機(jī)制細(xì)胞色素P450其它的催化機(jī)制,如:1)在無氧情況下,還存在過氧化物支路,通過過氧化物提供氧原子使底物羥基化(無需NADPH);2)通過氧還原機(jī)制,但氧不加入底