微生物轉化課件

第八章微生物轉化第八章微生物轉化1定義微生物轉化是通過微生物細胞將復雜的底物進行結構修飾,也就是利用微生物謝過程中產生的某個或某一系列的酶對底物特定部位(基團)進行的催化反應.利用微生物細胞或微生物酶取代或配合化學方法進行有機合成。微生物代謝過程中某一個酶或者一組酶系對底物進行催化反應定義微生物轉化是通過微生物細胞將復雜的底物進行結構修飾,也就2第一節(jié)概述

一、微生物轉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年代美國普強藥廠的Murray和Peterson利用微生物黑根霉(Rhizonpusnigricans)的羥化酶將黃體酮轉化為11α-羥基黃體酮,即對甾體化合物的結構改造.利用微生物的作用來進行某種化學反應稱為微生物轉化反應(microbialtransformationormicrobialbioconversion).固定化細胞,誘變和基因重組等技術的發(fā)展,使得成倍地提高轉化率,并且能將幾種不同合成基因構建到同一個工程菌中使得一次培養(yǎng)同時進行幾步轉化反應,使微生物轉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、微生物轉化與藥物合成3二、微生物轉化反應的類型和應用實例

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

二、微生物轉化反應的類型和應用實例

（一）氧化反應4（二）還原反應

（二）還原反應5（三）水解反應

（三）水解反應6（四）縮合反應

麻黃堿的制備國內主要采用植物提取法歐美為化學合成法，需要進一步拆分利用生物轉化法生產麻黃堿有許多優(yōu)勢酶為丙酮酸脫羧酶，廣泛存在于酵母細胞中（四）縮合反應麻黃堿的制備7采用酵母細胞生物催化法可將丙酮酸與苯甲醛縮舍形成L-苯基乙?；状荚俳浖装愤€原胺化即可得L-麻黃堿.其芐位羥基經乙?；土u基取代可以產生構型轉化得到(1S,2S)-2-甲氨基-1-苯基丙醇,即D-麻黃堿采用酵母細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、微生物轉化反應的特點跟酶法轉化和有機化學轉化比較有以下特點1.蛋白酶為催化劑2.對立體結構合成上具有高度的專一選擇性3.反應速度高4.反應條件溫和三、微生物轉化反應的特點跟酶法轉化和有機化學轉化比較有以下特10優(yōu)點：可在常溫常壓、接近中性pH的水溶液中進行，減少器材損耗與環(huán)境污染。對反應物與產物之立體異構物具有專一性。缺點：易受有機溶劑或極端酸堿度的破壞。酶活性易受產物抑制。優(yōu)點：可在常溫常壓、接近中性pH的水溶液中進行，減少器材損耗11第二節(jié)甾體微生物轉化甾體合成技術的演進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。1952年以化學方法以牛膽汁中的deoxycholicacid為原料合成cortisone，反應共需31個步驟，產品售價每克$200；1952年利用Rhizopus產生的hydroxylase將反應過程縮短為3個步驟，產品售價每克$6；1980年使用突變之Mycobacterium分解植物油中的固醇以作為原料，產品價格每克$0.46。第二節(jié)甾體微生物轉化甾體合成技術的演進12甾體藥物A，B，C環(huán)為椅式構象，D環(huán)為信封式構象六個手性中心ABCD1234567891011121317161514甾體藥物A，B，C環(huán)為椅式構象，D環(huán)為信封式構象ABCD1213

3primarycarbons:18,19,2118secondarycarbons3primarycarbons:18,19,2114ChemicalandMicrobialTransformationintheProductionofMedicallyImportantSteroidsChemicalandMicrobialTransfo15ExamplesofSteroidHydroxylationbyFungiExamplesofSteroidHydroxylat16一、微生物對甾體轉化反應類型和特點（一）甾體微生物轉化反應類型微生物幾乎對甾體每一個位置都能轉化一、微生物對甾體轉化反應類型和特點（一）甾體微生物轉化反應類17（二）微生物轉化甾體的特點1.兩階段發(fā)酵2.兩相發(fā)酵（二）微生物轉化甾體的特點18二、甾體微生物轉化反應的主要類型和機制（一）羥化在甾體藥物的工業(yè)生產中，目前國內外采用微生物轉化的反應有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鍵步驟。二、甾體微生物轉化反應的主要類型和機制（一）羥化191.C9α羥化1.C9α羥化202.C11α羥化微生物特有反應黑根霉(Rhizonpusnigricans)的羥化酶能使黃體酮轉化為11α-羥基黃體酮2.C11α羥化微生物特有反應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.羥化反應機制微生物甾體羥化酶屬P450超家族的單氧化酶9.羥化反應機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（二）環(huán)氧化反應29（三）脫氫反應（三）脫氫反應30（四）甾體邊鏈降解（四）甾體邊鏈降解31第三節(jié)微生物轉化在制藥工業(yè)上的應用第三節(jié)微生物轉化在制藥工業(yè)上的應用32一、微生物轉化在甾體藥物合成中的應用（一）糖皮質激素類藥物一、微生物轉化在甾體藥物合成中的應用（一）糖皮質激素類藥物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）糖皮質激素類藥物的合成（二）糖皮質激素類藥物的合成36二、微生物轉化與中藥現(xiàn)代化（一）微生物轉化進行中藥研究的意義二、微生物轉化與中藥現(xiàn)代化（一）微生物轉化進行中藥研究的意義37（二）微生物轉化中藥的途徑（二）微生物轉化中藥的途徑38三、微生物轉化在天然藥物研發(fā)中的應用（一）抗癌藥1.紫杉醇三、微生物轉化在天然藥物研發(fā)中的應用（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、微生物轉化與其他藥物制備（一）微生物轉化與手性藥物合成人體內在的手性環(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的鎮(zhèn)靜劑“反應?！?thalidomide，沙利度胺)被應用不久，就被發(fā)現(xiàn)可以致使嬰兒出現(xiàn)畸形，經研究發(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行研究。四、微生物轉化與其他藥物制備（一）微生物轉化與手性藥物合成44手性化合物的對映體構型與藥效有非常重要的關系,一般手性藥只有其中一個對映體具有生理活性。含手性結構藥物的兩個對映體,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型與藥效有非常重要的關系,一般手性藥只有45利用微生物轉化對手性化臺物的合成與拆分與化學拆分相比，有選擇性高、步驟簡單、成本低、產物回收率高等優(yōu)點。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)的化學生產法。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提供了各類生產菌種。并在轉化條件、轉化機制等方面做了許多工作，推動了甾體藥物工業(yè)的發(fā)展利用微生物轉化對手性化臺物的合成與拆分與化學拆分相比，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的α葡萄糖苷酶抑制作用，繼而成為第一個具有開發(fā)價值的淀粉酶抑制劑。1脫氧