天然產(chǎn)物生物轉(zhuǎn)化

關(guān)于天然產(chǎn)物生物轉(zhuǎn)化第1頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月一、引言

生物轉(zhuǎn)化是一種以生物工程方法，以微生物或酶進行的有機化學反應(yīng)。例如，在非活性碳原子上引入羥基：醋酸化合物氫化可的松前體第2頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月再例：喜樹堿10-羥基喜樹堿在溫和及中性條件下進行水解：青霉素青霉胺

青霉胺的左旋體具有治療風濕的功能，而其右旋體有致特變的作用。第3頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月又如：第4頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月再如生物轉(zhuǎn)化在脫氫方面的應(yīng)用，抗炎藥物乙酸強的松可由乙酸可的松C-1,2位去氫制得，它的抗炎作用比乙酸可的松強3~4倍，副作用也小。以前用二氧化硒法脫氫，收率低，而采用簡單節(jié)桿菌脫氫，收率高達85%左右。

應(yīng)用酶法，反應(yīng)可以在溫和條件下進行，且收率高。由于生物轉(zhuǎn)化在溫和條件下進行，選擇性高，立體專一性強，方法簡便，故越來越受到有機化學家、微生物學家和藥物化學家的重視。

下面結(jié)合天然產(chǎn)物研究的一些實例作些闡述。

第5頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月二、生物轉(zhuǎn)化應(yīng)用于甾體藥物合成

1.甾體藥物與甾醇生物轉(zhuǎn)化(1)甾體藥物甾體藥物是制藥工業(yè)中極為重要的產(chǎn)品，它包括性激素、避孕藥、腎上腺皮質(zhì)激素、同化激素等。例雄激素睪丸酮，雌激素炔雌醇甲醚，孕激素雙酯炔諾酮，避孕藥甲基炔諾酮，皮質(zhì)激素氟烴氫化潑尼松，同化激素去氫甲睪酮等。

第6頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月1968年，全世界約70%的甾體藥物是從墨西哥產(chǎn)的薯蕷皂素作起始原料進行生產(chǎn)。下圖表示由薯蕷皂素及中間體ADD出發(fā)生產(chǎn)的甾體激素。

第7頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月第8頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月第9頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月近年來隨著新甾體藥物的發(fā)現(xiàn)，生產(chǎn)的發(fā)展，生產(chǎn)規(guī)模的擴大，原料需要量也逐年增加；另一方面由于不合理的采掘，造成資源逐年短缺，植物中皂苷含量下降，使在國際市場上供需間出現(xiàn)矛盾，薯蕷皂素的成本飛漲。日本及美國的一些學者著手進行擴大資源的研究。

(2)甾醇生物轉(zhuǎn)化自然界存在著極為豐富的甾族化合物，如膽固醇、β-谷甾醇等，其結(jié)構(gòu)與甾體藥物相近，利用這些甾體資源的關(guān)鍵是使C-17位側(cè)鏈降解，并進行羥化、脫氫、芳構(gòu)化等一些反應(yīng)。大家都知道，以CrO3氧化，使側(cè)鏈降解獲得17-酮基化合物的方法，收率<9%，無實用價值。國外一些學者用生物轉(zhuǎn)化的方法，達到了C-17位側(cè)鏈降解這一目的，并可在甾核結(jié)構(gòu)上一些非活性部位發(fā)生羥化、脫氫、環(huán)氧化等反應(yīng)，從而獲得所需的甾體藥物。第10頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月例一些常見甾體資源：一般認為膽固醇經(jīng)過體內(nèi)生物轉(zhuǎn)化，即在酶的作用下，使其側(cè)鏈降解，并經(jīng)過其它的一些轉(zhuǎn)化而產(chǎn)生各種化合物，具體過程見下圖所示。因此，人們預(yù)料也許微生物也具有各種酶能使側(cè)鏈切斷。第11頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月第12頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月ADD的進一步分解：

第13頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月2.甾體側(cè)鏈的選擇性降解甾醇代謝過程中，希望某中間體累積，一般可采用誘變，使微生物失去進一步分解該中間體的能力；或加入酶抑制劑，使參與該反應(yīng)的酶失活。(1)通過誘變技術(shù)選擇性降解甾體側(cè)鏈通過誘變技術(shù)得到選擇性降解甾體側(cè)鏈而不導致甾體母核破壞的生化阻斷突變株。誘變一般是采用物理方法如紫外線照射，化學誘變劑如N-甲基-N’-亞硝基胍等。由誘變產(chǎn)生生化阻斷的突變株中，由于酶的缺損，導致甾體降解不完全，使發(fā)酵液中能產(chǎn)生大量積累所需產(chǎn)物的中間體，如4AD、ADD等。第14頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)酶抑制劑存在下甾體側(cè)鏈的選擇性降解甾體化合物如膽固醇等的微生物降解歷程是側(cè)鏈端甲基的羥基化，羥基被氧化形成羧基，羧酸的β-氧化而導致碳鏈的縮短。當側(cè)鏈斷裂以后，發(fā)生9位羥基化，接著B環(huán)的開裂，再進一步分解而產(chǎn)生二氧化碳和水。所以9位羥基化是甾體母核分解的開始，若能抑制9位羥化酶，有可能使ADD積累，供進一步合成其它藥物用。

已知9位羥化酶是單一氧化酶，具有幾個蛋白質(zhì)并形成一個電子轉(zhuǎn)移鏈，其中有的蛋白質(zhì)是以Fe2+作為必需金屬離子的蛋白質(zhì)，除去或取代了這一金屬離子就使酶完全喪失活力。因此常用金屬螯合劑來除去Fe2+，或用性質(zhì)相似而無活性的離子來取代Fe2+。

第15頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月金屬螯合劑中必須具備Fe2+螯合能力及親脂性，例如，α,α’-聯(lián)吡啶、鄰二氮雜菲及8-羥基喹啉的效果較好。乙二胺四乙酸(EDTA)螯合能力很強，但是在脂肪族分子中又帶有負電荷，親脂性差，不能抑制9-羥基化酶，使ADD積累。但是使用時同時加入表面活性劑，如月桂基硫酸鈉或十六烷基三甲基銨溴化物，同樣也能使ADD積累。另發(fā)現(xiàn)Ni2+、Co2+等能抑制9位羥基化，F(xiàn)e2+、Ni2+及Co2+離子半徑分別為0.83A、0.78A、0.82A，十分接近，所以Ni2+、Co2+在9-羥基化反應(yīng)中，與Fe2+交換而抑制9-羥化酶的活力而導致ADD的積累。

第16頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月(3)側(cè)鏈降解實例周維善等曾從膽固醇乙酸酯和β-谷甾醇乙酸酯經(jīng)三步化學反應(yīng)制得19-羥基膽固醇乙酸酯和19-羥基-β-谷甾醇乙酸酯，將這兩個化合物分別用分支桿菌-209-20轉(zhuǎn)化，結(jié)果19-羥基膽固醇乙酸酯和19-羥基-β-谷甾醇乙酸酯的側(cè)鏈被降解，得到產(chǎn)物19-羥基-4-雄甾烯-3,17-二酮，產(chǎn)率分別為67%和57%。19-羥基-4-雄甾烯-3,17-二酮可以作為合成19-去甲甾體藥物的原料，而且這一步微生物轉(zhuǎn)化可以在較高的底物濃度下進行。第17頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月第18頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月3.甾體生物轉(zhuǎn)化的反應(yīng)類型除了上述甾體側(cè)鏈的降外，甾體生物轉(zhuǎn)化的反應(yīng)類型主要還有以下三類。(1)羥化反應(yīng)羥化反應(yīng)是最重要的微生物轉(zhuǎn)化，專一性較強，其中以C-9α、C-11α、C-11β、C-16α、C-16β、C-17α、C-19角甲基和側(cè)鏈C-27位上的羥基較為重要。

羥基形成的機理可能為：轉(zhuǎn)化到甾體上的羥基是直接取代甾體碳架上的氫的位置，且取代過程中沒有產(chǎn)生立體構(gòu)型的變化，也不是通過形成烯的中間體來完成的，即羥基取代的立體構(gòu)型(α或β型)是由氫原子原來所占的空間位置決定的。

第19頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月

C-11α、C-11β羥化的生物轉(zhuǎn)化在抗炎藥物的制備中經(jīng)常用到，例由薯蕷皂素經(jīng)開環(huán)、氧化、環(huán)氧化等生成中間產(chǎn)物16,17α-環(huán)氧黃體酮，用黑根霉在C-11α位上引入羥基，再經(jīng)溴化氫開環(huán)脫溴，進行C-21碘置換，得抗炎藥物乙酸可的松，見下圖。此法工藝簡便，總收率約34%左右。

第20頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)脫氫反應(yīng)

微生物對甾體脫氫經(jīng)常發(fā)生在A環(huán)的C-1,2和C-3,4位之間?？寡诅摅w藥物的母核在C-1,2位導入雙鍵后，能成倍增加抗炎作用。例如乙酸可的松C-1,2位導入雙鍵生成1,2-脫氫乙酸可的松后，抗炎作用增加3~4倍?；瘜W方法脫氫一般用二氧化硒法，收率較低，且產(chǎn)品中硒不易除盡，所以生物轉(zhuǎn)化脫氫較化學方法好。脫氫反應(yīng)機理如下圖所示，甾體C-1,2-脫氫是在酶與輔酶催化下先進行了酮的烯醇化，然后形成的烯醇化氫與酶結(jié)合而直接脫去氫。

第21頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月第22頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月下圖為氫化可的松在簡單節(jié)桿菌作用下，C-1,2位脫氫得氫化潑尼松（氫化強的松）的例子。氫化可的松濃度低時轉(zhuǎn)化率可達95%，得到的氫化潑尼松再經(jīng)乙?；靡宜釟浠瘽娔崴桑目寡鬃饔眯矢?、副作用小。

第23頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月(3)芳構(gòu)化反應(yīng)

生物轉(zhuǎn)化甾體時，芳構(gòu)化主要發(fā)生在A環(huán)上，芳構(gòu)化反應(yīng)是合成雌激素的一類重要反應(yīng)。芳構(gòu)化酶是屬于細胞色素P450的一種復合酶，可氧化脫去C19類固醇的19-甲基，使A環(huán)芳構(gòu)化，從而轉(zhuǎn)變成C18雌激素如雌酮、雌二醇等，過程如下所示。

第24頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月另外由于A環(huán)芳構(gòu)化以后，甾核對微生物較穩(wěn)定，設(shè)想可進行甾醇側(cè)鏈的降解直接合成雌激素等藥物。有人利用Nocardiasp.(ATCC19170)，成功地直接從19-羥基-4-膽甾烯-3-酮及19-羥基-4-谷甾烯-3-酮來制備雌甾酮：

第25頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月60年代有人利用14C標記的三種甾體化合物4-14C-4-雄甾烯-3,17-二酮、雌甾酮及雌二醇與微生物一起培養(yǎng)(見下圖)，發(fā)現(xiàn)雌甾酮及雌二醇沒有被分解，A環(huán)的芳香化使甾體環(huán)系穩(wěn)定。

第26頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月4.實例膽固醇用Arthroboctersimplex的發(fā)酵過程大致可分三步進行：

(1)細胞生長；(2)加入膽固醇誘發(fā)分解膽固醇的酶；(3)加入螯合劑抑制9-羥基酶，使ADD積累。由于膽固醇、植物甾醇不溶于水，實際工作中，常將甾體化合物磨成細粉，并加入適量植物油及種子蛋白，使ADD的轉(zhuǎn)化率大大提高。第27頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月可由ADD以各種化學方法生產(chǎn)以下產(chǎn)品：雌激素：炔雌醇甲醚，雌二醇，雌三醇等。

第28頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月雄激素：睪丸酮等

利尿劑：螺甾內(nèi)酯等皮質(zhì)激素：氟烴氫化潑尼松等

抗腫瘤藥：1-dehydro-testololacton等

第29頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月孕激素：炔諾酮，異炔諾酮，雙酯炔諾酮等.

炔諾酮

異炔諾酮雙酯炔諾酮

第30頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月三、生物催化不對稱合成

天然產(chǎn)物大都有一個或數(shù)個手性中心，它們的合成，常常用不對稱合成法引入手性中心；或者用化學拆分法將光學異構(gòu)體分開而得到天然產(chǎn)品。如果先合成帶雙官能團的手性合成源，具有需要的手性中心，用適當?shù)姆椒ㄟB接，有可能較容易地達到目的。

這些帶雙官能團手性合成源可以借生物轉(zhuǎn)化獲得，主要的雙官能團手性合成源有：

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