微生物轉(zhuǎn)化課件

第八章微生物轉(zhuǎn)化第八章微生物轉(zhuǎn)化1定義微生物轉(zhuǎn)化是通過微生物細(xì)胞將復(fù)雜的底物進(jìn)行結(jié)構(gòu)修飾,也就是利用微生物謝過程中產(chǎn)生的某個(gè)或某一系列的酶對底物特定部位(基團(tuán))進(jìn)行的催化反應(yīng).利用微生物細(xì)胞或微生物酶取代或配合化學(xué)方法進(jìn)行有機(jī)合成。微生物代謝過程中某一個(gè)酶或者一組酶系對底物進(jìn)行催化反應(yīng)定義微生物轉(zhuǎn)化是通過微生物細(xì)胞將復(fù)雜的底物進(jìn)行結(jié)構(gòu)修飾,也就2第一節(jié)概述

一、微生物轉(zhuǎn)化與藥物合成研究始于1864年巴斯德利用乙酸桿菌將乙醇氧化為乙酸,工業(yè)化的里程碑是50年代美國普強(qiáng)藥廠的Murray和Peterson利用微生物黑根霉(Rhizonpusnigricans)的羥化酶將黃體酮轉(zhuǎn)化為11α-羥基黃體酮,即對甾體化合物的結(jié)構(gòu)改造.利用微生物的作用來進(jìn)行某種化學(xué)反應(yīng)稱為微生物轉(zhuǎn)化反應(yīng)(microbialtransformationormicrobialbioconversion).固定化細(xì)胞,誘變和基因重組等技術(shù)的發(fā)展,使得成倍地提高轉(zhuǎn)化率,并且能將幾種不同合成基因構(gòu)建到同一個(gè)工程菌中使得一次培養(yǎng)同時(shí)進(jìn)行幾步轉(zhuǎn)化反應(yīng),使微生物轉(zhuǎn)化在天然藥物修飾中發(fā)揮更重要的作用.第一節(jié)概述一、微生物轉(zhuǎn)化與藥物合成3二、微生物轉(zhuǎn)化反應(yīng)的類型和應(yīng)用實(shí)例

（一）氧化反應(yīng)1.葡萄糖酸制備工業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)葡萄糖酸氮雜基團(tuán)的氧化氯霉素的微生物轉(zhuǎn)化

二、微生物轉(zhuǎn)化反應(yīng)的類型和應(yīng)用實(shí)例

（一）氧化反應(yīng)4（二）還原反應(yīng)

（二）還原反應(yīng)5（三）水解反應(yīng)

（三）水解反應(yīng)6（四）縮合反應(yīng)

麻黃堿的制備國內(nèi)主要采用植物提取法歐美為化學(xué)合成法，需要進(jìn)一步拆分利用生物轉(zhuǎn)化法生產(chǎn)麻黃堿有許多優(yōu)勢酶為丙酮酸脫羧酶，廣泛存在于酵母細(xì)胞中（四）縮合反應(yīng)麻黃堿的制備7采用酵母細(xì)胞生物催化法可將丙酮酸與苯甲醛縮舍形成L-苯基乙酰基甲醇再經(jīng)甲胺還原胺化即可得L-麻黃堿.其芐位羥基經(jīng)乙?；土u基取代可以產(chǎn)生構(gòu)型轉(zhuǎn)化得到(1S,2S)-2-甲氨基-1-苯基丙醇,即D-麻黃堿采用酵母細(xì)胞生物催化法可將丙酮酸與苯甲醛縮舍形成L-苯基乙酰8（五）其他

（五）其他9三、微生物轉(zhuǎn)化反應(yīng)的特點(diǎn)跟酶法轉(zhuǎn)化和有機(jī)化學(xué)轉(zhuǎn)化比較有以下特點(diǎn)1.蛋白酶為催化劑2.對立體結(jié)構(gòu)合成上具有高度的專一選擇性3.反應(yīng)速度高4.反應(yīng)條件溫和三、微生物轉(zhuǎn)化反應(yīng)的特點(diǎn)跟酶法轉(zhuǎn)化和有機(jī)化學(xué)轉(zhuǎn)化比較有以下特10優(yōu)點(diǎn)：可在常溫常壓、接近中性pH的水溶液中進(jìn)行，減少器材損耗與環(huán)境污染。對反應(yīng)物與產(chǎn)物之立體異構(gòu)物具有專一性。缺點(diǎn)：易受有機(jī)溶劑或極端酸堿度的破壞。酶活性易受產(chǎn)物抑制。優(yōu)點(diǎn)：可在常溫常壓、接近中性pH的水溶液中進(jìn)行，減少器材損耗11第二節(jié)甾體微生物轉(zhuǎn)化甾體合成技術(shù)的演進(jìn)1950年Kendall,Reichstein與Hench因發(fā)現(xiàn)類固醇的消炎作用而獲得諾貝爾獎(jiǎng)。1952年以化學(xué)方法以牛膽汁中的deoxycholicacid為原料合成cortisone，反應(yīng)共需31個(gè)步驟，產(chǎn)品售價(jià)每克$200；1952年利用Rhizopus產(chǎn)生的hydroxylase將反應(yīng)過程縮短為3個(gè)步驟，產(chǎn)品售價(jià)每克$6；1980年使用突變之Mycobacterium分解植物油中的固醇以作為原料，產(chǎn)品價(jià)格每克$0.46。第二節(jié)甾體微生物轉(zhuǎn)化甾體合成技術(shù)的演進(jìn)12甾體藥物A，B，C環(huán)為椅式構(gòu)象，D環(huán)為信封式構(gòu)象六個(gè)手性中心ABCD1234567891011121317161514甾體藥物A，B，C環(huán)為椅式構(gòu)象，D環(huán)為信封式構(gòu)象ABCD1213

3primarycarbons:18,19,2118secondarycarbons3primarycarbons:18,19,2114ChemicalandMicrobialTransformationintheProductionofMedicallyImportantSteroidsChemicalandMicrobialTransfo15ExamplesofSteroidHydroxylationbyFungiExamplesofSteroidHydroxylat16一、微生物對甾體轉(zhuǎn)化反應(yīng)類型和特點(diǎn)（一）甾體微生物轉(zhuǎn)化反應(yīng)類型微生物幾乎對甾體每一個(gè)位置都能轉(zhuǎn)化一、微生物對甾體轉(zhuǎn)化反應(yīng)類型和特點(diǎn)（一）甾體微生物轉(zhuǎn)化反應(yīng)類17（二）微生物轉(zhuǎn)化甾體的特點(diǎn)1.兩階段發(fā)酵2.兩相發(fā)酵（二）微生物轉(zhuǎn)化甾體的特點(diǎn)18二、甾體微生物轉(zhuǎn)化反應(yīng)的主要類型和機(jī)制（一）羥化在甾體藥物的工業(yè)生產(chǎn)中，目前國內(nèi)外采用微生物轉(zhuǎn)化的反應(yīng)有9α羥基化、11α,β羥基化及16α羥基化；A環(huán)1，2或4和5位的脫氫；3α,β位羥基的脫氫，以及27位側(cè)鏈的降解、不對稱還原3,17,20位酮基等，它們都已分別在各種皮質(zhì)激素、性激素、口服避孕藥、蛋白同化激素、抗癌劑、利尿劑等藥物的合成中成為關(guān)鍵步驟。二、甾體微生物轉(zhuǎn)化反應(yīng)的主要類型和機(jī)制（一）羥化191.C9α羥化1.C9α羥化202.C11α羥化微生物特有反應(yīng)黑根霉(Rhizonpusnigricans)的羥化酶能使黃體酮轉(zhuǎn)化為11α-羥基黃體酮2.C11α羥化微生物特有反應(yīng)213.C11β羥化3.C11β羥化224.C15α羥化4.C15α羥化235.C16α羥化5.C16α羥化246.C17α羥化6.C17α羥化257.C19α羥化7.C19α羥化268.雙羥基化8.雙羥基化279.羥化反應(yīng)機(jī)制微生物甾體羥化酶屬P450超家族的單氧化酶9.羥化反應(yīng)機(jī)制微生物甾體羥化酶屬P450超家族的單氧化酶28（二）環(huán)氧化反應(yīng)（二）環(huán)氧化反應(yīng)29（三）脫氫反應(yīng)（三）脫氫反應(yīng)30（四）甾體邊鏈降解（四）甾體邊鏈降解31第三節(jié)微生物轉(zhuǎn)化在制藥工業(yè)上的應(yīng)用第三節(jié)微生物轉(zhuǎn)化在制藥工業(yè)上的應(yīng)用32一、微生物轉(zhuǎn)化在甾體藥物合成中的應(yīng)用（一）糖皮質(zhì)激素類藥物一、微生物轉(zhuǎn)化在甾體藥物合成中的應(yīng)用（一）糖皮質(zhì)激素類藥物33醋酸氫化可的松醋酸地塞米松醋酸氫化可的松醋酸地塞米松34醋酸潑尼松龍醋酸潑尼松龍35（二）糖皮質(zhì)激素類藥物的合成（二）糖皮質(zhì)激素類藥物的合成36二、微生物轉(zhuǎn)化與中藥現(xiàn)代化（一）微生物轉(zhuǎn)化進(jìn)行中藥研究的意義二、微生物轉(zhuǎn)化與中藥現(xiàn)代化（一）微生物轉(zhuǎn)化進(jìn)行中藥研究的意義37（二）微生物轉(zhuǎn)化中藥的途徑（二）微生物轉(zhuǎn)化中藥的途徑38三、微生物轉(zhuǎn)化在天然藥物研發(fā)中的應(yīng)用（一）抗癌藥1.紫杉醇三、微生物轉(zhuǎn)化在天然藥物研發(fā)中的應(yīng)用（一）抗癌藥3910-脫乙酰漿果赤霉素Ⅲβ-氨基-N-苯甲?；?(2R，3S)-3-苯基異絲氨酸氮雜環(huán)丁酮衍生物10-脫乙酰漿果赤霉素Ⅲβ-氨基-N-苯甲酰基-(2R，3S402.喜樹堿2.喜樹堿41（二）青篙素（二）青篙素42（三）人參皂苷（三）人參皂苷43四、微生物轉(zhuǎn)化與其他藥物制備（一）微生物轉(zhuǎn)化與手性藥物合成人體內(nèi)在的手性環(huán)境可以識別手性藥物對映體，使對映體在活性、代謝過程和毒性等方面存在顯著差異。如用于消除孕婦早期妊娠反應(yīng)的鎮(zhèn)靜劑“反應(yīng)停”(thalidomide，沙利度胺)被應(yīng)用不久，就被發(fā)現(xiàn)可以致使嬰兒出現(xiàn)畸形，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)具有鎮(zhèn)靜作用的是其R一對映體．而致畸變是由s一對映體引起的。因此必須對不同對映體看成不同的化合物進(jìn)行研究。四、微生物轉(zhuǎn)化與其他藥物制備（一）微生物轉(zhuǎn)化與手性藥物合成44手性化合物的對映體構(gòu)型與藥效有非常重要的關(guān)系,一般手性藥只有其中一個(gè)對映體具有生理活性。含手性結(jié)構(gòu)藥物的兩個(gè)對映體,其生物活性往往存在很大差異,可以相差數(shù)十倍、百倍甚至完全相反的藥理作用或毒性。手性化合物的對映體構(gòu)型與藥效有非常重要的關(guān)系,一般手性藥只有45利用微生物轉(zhuǎn)化對手性化臺物的合成與拆分與化學(xué)拆分相比，有選擇性高、步驟簡單、成本低、產(chǎn)物回收率高等優(yōu)點(diǎn)。典型的例子就是采用生物法半合成頭孢菌素，通過利用酶的對映體催化專一性，只需兩步就可以替代傳統(tǒng)的化學(xué)生產(chǎn)法。我國從1958年就已開展這一研究。30年來已為甾體藥物的生產(chǎn)提供了各類生產(chǎn)菌種。并在轉(zhuǎn)化條件、轉(zhuǎn)化機(jī)制等方面做了許多工作，推動(dòng)了甾體藥物工業(yè)的發(fā)展利用微生物轉(zhuǎn)化對手性化臺物的合成與拆分與化學(xué)拆分相比，有選擇46（二）HMG-CoA還原酶抑制劑（二）HMG-CoA還原酶抑制劑47（三）α－葡萄糖苷酶抑制劑米格列醇(miglitol)的發(fā)現(xiàn)源于對野尻霉素的研究，原來作為抗沙門氏菌的抗生素具有較強(qiáng)的α葡萄糖苷酶抑制作用，繼而成為第一個(gè)具有開發(fā)價(jià)值的淀粉酶抑制劑。1脫氧