生物轉(zhuǎn)化-緒論課件

生物轉(zhuǎn)化Biotransformation徐威生物轉(zhuǎn)化物對甾體化合物的結(jié)構(gòu)改造專題內(nèi)容生物轉(zhuǎn)化的含義、實質(zhì)、特點、發(fā)展概況及應用（特別是在藥物合成種的應用研究)。蛋白質(zhì)定向進化技術的應用影響生物轉(zhuǎn)化的重要因素。以甾體化合物為例，介紹生物轉(zhuǎn)化的常見反應類型。生物轉(zhuǎn)化常見實例列舉研究生物轉(zhuǎn)化的幾種常用方法固定化細胞和國定化酶與生物轉(zhuǎn)化哺乳動物體內(nèi)的生物轉(zhuǎn)化作用及其意義生物轉(zhuǎn)化在藥物合成中的應用生物轉(zhuǎn)化的意義生物轉(zhuǎn)化是微生物將一種化合物轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)上相關產(chǎn)物的過程。1864年，Pasteur發(fā)現(xiàn)醋酸桿菌（Acetobacter）可氧化乙醇成為醋酸，首次以微生物轉(zhuǎn)化進行有機反應

例如:生物轉(zhuǎn)化與發(fā)酵的區(qū)別發(fā)酵的含義原指微生物在厭氧條件下分解碳水化合物的過程?，F(xiàn)在指利用微生物的生命活動于生產(chǎn)中，以制備各種產(chǎn)物的過程區(qū)別發(fā)酵過程常常是有多步反應過程構(gòu)成。發(fā)酵過程的終產(chǎn)物常常是由營養(yǎng)物質(zhì)經(jīng)微生物細胞的一系列代謝過程后產(chǎn)生的。生物轉(zhuǎn)化僅僅由一個或少數(shù)幾個酶促反應組成。生物轉(zhuǎn)化的產(chǎn)物是微生物細胞對底物的特定部位的化學反應。生物轉(zhuǎn)化的實質(zhì)生物轉(zhuǎn)化往往指利用微生物活體細胞直接對基質(zhì)發(fā)揮作用。由于固定化細胞和固定化酶的發(fā)展，生物轉(zhuǎn)化也有可能在離體條件下進行。生物轉(zhuǎn)化的發(fā)展概況轉(zhuǎn)化實例轉(zhuǎn)化工藝醋酸菌介導的生物轉(zhuǎn)化乙醇乙酸丙醇丙酸異丙醇丙酮甘油二羥丙酮甘露醇果糖山梨醇山梨糖葡萄糖葡萄糖酸生物轉(zhuǎn)化工藝微生物轉(zhuǎn)化在工藝上的應用開始于50年代，由于甾體化合物類藥物應用于臨床。1949年，人們發(fā)現(xiàn)可的松（腎上腺皮質(zhì)激素）在治療風濕性關節(jié)炎方面有顯著的療效，而這種腎上腺皮脂激素的本質(zhì)是甾醇，這便促使科學家去探索甾體化合物的合成。最初，化學家寄希望于化學合成來生產(chǎn)可的松，花費兩年的時間，經(jīng)過30多步化學反應，最后由1270磅（1磅＝453.5g）的7-脫氧膽酸合成得到938mg的醋酸可的松。在此過程中，僅將O從第12位轉(zhuǎn)移到11位C碳上就需要10步反應。（11位的氧對于抗炎是必需的）結(jié)果，經(jīng)濟上不合適。生物轉(zhuǎn)化的意義

這些酶促特異性轉(zhuǎn)化反應為甾體藥物的合成奠定了基礎，此后一些重要生物技術的發(fā)展導致了一些傳統(tǒng)的有機化學反應工藝被由生物催化劑催化的生物轉(zhuǎn)化反應所替代，生物轉(zhuǎn)化在有機合成中已起到越來約重要的作用在其他領域中微生物轉(zhuǎn)化的應用。

生產(chǎn)維生素C的前體物質(zhì)－2酮基古龍酸目前應用微生物轉(zhuǎn)化法，從山梨醇到山梨糖，并進而轉(zhuǎn)化為酮基古龍酸。二羥丙酮某些氨基酸半合成青霉素有毒農(nóng)藥的降解石油中的芳香烴等的降解第二章生物轉(zhuǎn)化的特點目前我們已經(jīng)知道幾千種的生物轉(zhuǎn)化實例，通過具體的轉(zhuǎn)化實例介紹微生物轉(zhuǎn)化的優(yōu)缺點。生物轉(zhuǎn)化的優(yōu)點：

1)反應條件比較溫和；2)強專一性3)具有極高的催化效率和反應速度；4)副反應少，產(chǎn)率高；5)具有很高的對映體選擇性（Enantioselectivity）,區(qū)域選擇性（Regioselectivity）和化學選擇性（Chemoselectivity），并且能完成一些化學合成難以進行的反應生物轉(zhuǎn)化的其他特點具有多反應類型減少合成步驟、簡化生產(chǎn)設備，縮短生產(chǎn)周期污染少續(xù)19－羥基－雄甾－4－烯－3,17－二酮微生物法一步反應雌酮19－羥基－雄甾－4－烯－3,17－二酮

化學法三步反應雌酮轉(zhuǎn)化率：80%轉(zhuǎn)化率：15-20%C-1,2位脫H反應維生素C的生產(chǎn)反應專一性（二）利用微生物細胞拆分消旋混合物實例：拆分DL－氨基酸某些細胞富含L－?；被崴饷浮Ｊ筁－氨基酸脫去?；坞x的L－氨基酸與N－?；腄－氨基酸進行分離將D－氨基酸經(jīng)化學方法轉(zhuǎn)化為DL－混旋氨基酸，再次提供微生物轉(zhuǎn)化體系。拆分DL氨基酸實例反應專一性（三）獲取立體異構(gòu)體化合物化學法合成磷霉素：順式丙烯基磷酸經(jīng)環(huán)氧化作用形成（±－順－1,2－環(huán)氧丙烯基磷酸。只有-順－1,2－環(huán)氧丙烯基磷酸具有抗菌性能，因此需要進行化學拆分。青霉菌屬的小棘青霉菌(Penicilliumspinulosum)便可以完成此種轉(zhuǎn)化作用，其轉(zhuǎn)化率達90%。在外消旋體的拆分

目前在外消旋體的生物轉(zhuǎn)化催化拆分中，應用最多的酶是脂肪酶（Lipase）。它能特異地催化酯類化合物的水解和形成，具有高度的區(qū)域和立體選擇性，已應用于多種手性藥物，如：非甾體抗炎劑類，β－阻斷劑類，5-羥色胺拮抗物和攝取抑制劑類的拆分。消旋體的拆分實例萘普生（naproxen）：Battistel等用固定于載體AmberliteXAD-7上的脂肪酶（CCL）對萘普生的乙氧基乙酯進行酶法水解拆分布洛芬（buprofen）：Ahmar等對布洛芬乙酯用廉價的馬肝酯酶進行選擇性水解普萘洛爾（propranolol）：利用脂肪酶PS對外消旋的萘氧氯丙醇酯拆分，ee值大于95％底物酶來源產(chǎn)物得率(%)ee值(%)參考文獻Serratiamarcescen

45984Pseudomanassp.92975Pseudomanassp.

41956Candidaantarctica48997Pseudomanassp

47978Candidaantarctica

38959表1脂肪酶拆分而來的化合物其他酶的拆分除脂肪酶外，其它的一些水解酶類如蛋白酶、酯酶、酰化酶、氨肽酶、乙內(nèi)酰脲酶等也廣泛應用于手性化合物的拆分。外消旋的環(huán)戊烷基乳酸苯甲酯經(jīng)蛋白酶L660催化拆分獲得(R)-對映體，得率和ee值分別達44％和98％酶法拆分（KineticResolution）的局限性：目標對映體的最大理論產(chǎn)量只能達到50％。酶法動態(tài)拆分（DynamicKineticResolution）：通過物理的，化學的或酶轉(zhuǎn)化的辦法，把未被酶轉(zhuǎn)化的光學對映體重新消旋化為兩種對映體的混合物，再通過酶拆分使其轉(zhuǎn)化得更徹底，ee值和理論產(chǎn)率都可達100％。酶法拆分的局限性

通過立體化學選擇性反應將手性前體特異地轉(zhuǎn)化為所要的手性化合物，產(chǎn)物的光學活性純度高，轉(zhuǎn)化率可接近100％，因此該法簡單，具有很高的工業(yè)化價值。常用的酶有氧化還原酶，裂合酶，轉(zhuǎn)氨酶等。

不對稱合成：氧化還原酶：一般需要輔助因子（如：NADPH，NADH等）的參與，需要在反應體系中加入輔助因子或使輔助因子再生反應系統(tǒng)與之偶聯(lián)。完整細胞的氧化還原酶系反應類型生物轉(zhuǎn)化迄今已應用于50余種反應。包括：羥基化水解甲基化脫甲基化氧化酯化縮合水化脫羧磷酸化消旋氨基化酰胺化異構(gòu)化環(huán)氧化還原轉(zhuǎn)糖苷脫氨C-C鍵裂解脫水?；u化ExampleofBiotransformation--oxidation脫烴作用側(cè)鏈羥基化氧化脫氨基作用脫硫作用Reduction偶氮HydrolysisConjugation葡萄糖醛酸甙Methylation底物氧還酶和輔助因子再生體系產(chǎn)物參考文獻

表2.通過氧化還原酶進行的不對稱合成

合成結(jié)構(gòu)復雜的物質(zhì)的收率高、副反應少。

生物轉(zhuǎn)化的轉(zhuǎn)化率高，我們可以通過下表的數(shù)據(jù)加以說明：作用基質(zhì)產(chǎn)物微生物產(chǎn)率（％）葡萄糖葡萄糖酸Aspergillusniger100山梨醇山梨糖Gluconobactersuboxydans98甘油二羥丙酮above90甘露醇果糖Gluconobactersuboxydans95黃體酮11－羥基黃體酮Rhizopusnigricans90減少合成步驟，簡化生產(chǎn)設備，縮短生產(chǎn)周期例如：原來采用化學法生產(chǎn)可的松，孕酮－可的松需要30多步反應?，F(xiàn)在微生物法生產(chǎn)可的松，孕酮－可的松需要4步反應。反應條件溫和，污染少在整個過程中，微生物的生長和微生物對底物的轉(zhuǎn)化一般完全可以分開進行。一般首先進行菌體的培養(yǎng)，然后再進行生物轉(zhuǎn)化。在轉(zhuǎn)化時，甚至可以將菌體至于無營養(yǎng)成分的水中進行轉(zhuǎn)化。生物轉(zhuǎn)化中避免使用強酸，強堿和一些有毒的原料，因而也同時改善了操作條件。生物轉(zhuǎn)化的欠缺之處體積/時間效力較低產(chǎn)物的純化比較麻煩必須消毒操作不同批號產(chǎn)率波動較大培養(yǎng)液廢水處理量較大微生物轉(zhuǎn)化在藥物合成中的應用前景微生物轉(zhuǎn)化是利用微生物作用進行某種化學反應。確切地說是利用微生物代謝過程中產(chǎn)生的酶對底物進行有機反應，故又稱為微生物酶法轉(zhuǎn)化。微生物轉(zhuǎn)化可用完整的微生物細胞，也可從微生物細胞中提取的酶作為生物催化劑。其區(qū)域和立體選擇型強、反應條件溫和、操作簡便、成本較低、公害少、且能完成一些化學合成難以進行的反應。隨著當代生物技術的發(fā)展，將固相酶（固定化細胞）、酶膜反應器、溶劑工程、原生質(zhì)體及其融合、誘變和基因重組等技術引入酶催化反應體系。使微生物的轉(zhuǎn)化效率成倍