1、第八章第八章 微微生物生物转转化化定义定义微生物转化是通过微生物细胞将复杂的底物进行结构修饰,也就是利用微生物谢过程中产生的某个或某一系列的酶对底物特定部位(基团)进行的催化反应.利用微生物细胞或微生物酶取代或配合化学方法进行有机合成。微生物代谢过程中某一个酶或者一组酶系对底物进行催化反应 第一节第一节 概述概述 一、微生物转化与药物合成一、微生物转化与药物合成研究始于研究始于18641864年巴斯德利用乙酸杆菌将乙醇氧化为乙酸年巴斯德利用乙酸杆菌将乙醇氧化为乙酸, ,工业化的里程碑是工业化的里程碑是5050年代美国普强药厂的年代美国普强药厂的MurrayMurray和和PetersonPet
2、erson利用微生物黑根霉利用微生物黑根霉( (Rhizonpus nigricansRhizonpus nigricans) )的羟化酶将黄体酮的羟化酶将黄体酮转化为转化为11-11-羟基黄体酮羟基黄体酮, ,即对甾体化合物的结构改造即对甾体化合物的结构改造. .利用微生物的作用来进行某种化学反应称为利用微生物的作用来进行某种化学反应称为微生物转化反应微生物转化反应(microbial transformation or microbial bioconversion).(microbial transformation or microbial bioconversion).固定化细胞固定
3、化细胞, ,诱变和基因重组等技术的发展诱变和基因重组等技术的发展, , 使得成倍地提高使得成倍地提高转化率转化率, ,并且能将几种不同合成基因构建到同一个工程菌中使并且能将几种不同合成基因构建到同一个工程菌中使得一次培养同时进行几步转化反应得一次培养同时进行几步转化反应, ,使微生物转化在天然药物使微生物转化在天然药物修饰中发挥更重要的作用修饰中发挥更重要的作用. .二、微生物转化反应的类型和应用实例二、微生物转化反应的类型和应用实例（一）氧化反应（一）氧化反应1.葡萄糖酸制备葡萄糖酸制备工业大规模生产葡萄糖酸工业大规模生产葡萄糖酸氮杂基团的氧化氮杂基团的氧化氯霉素的微生物转化氯霉素的微生物转
4、化 （二）还原反应（二）还原反应 （三）水解反应（三）水解反应 （四）缩合反应（四）缩合反应 麻黄碱的制备国内主要采用植物提取法欧美为化学合成法，需要进一步拆分利用生物转化法生产麻黄碱有许多优势酶为丙酮酸脱羧酶，广泛存在于酵母细胞中采用酵母细胞生物催化法可将丙酮酸与苯甲醛缩舍形成L-苯基乙酰基甲醇再经甲胺还原胺化即可得L-麻黄碱.其苄位羟基经乙酰化和羟基取代可以产生构型转化得到(1S,2S)-2-甲氨基-1-苯基丙醇,即D-麻黄碱（五）其他（五）其他 三、微生物转化反应的特点三、微生物转化反应的特点跟酶法转化和有机化学转化比较有以下特点跟酶法转化和有机化学转化比较有以下特点 1.1.蛋白酶为催
5、化剂蛋白酶为催化剂2.2.对立体结构合成上具有高度的专一选择性对立体结构合成上具有高度的专一选择性3.3.反应速度高反应速度高4.4.反应条件温和反应条件温和优点：可在常温常压、接近中性优点：可在常温常压、接近中性pHpH的水溶液中进的水溶液中进行，减少器材损耗与环境污染。对反应物与产物行，减少器材损耗与环境污染。对反应物与产物之立体异构物具有专一性。之立体异构物具有专一性。缺点：易受有机溶剂或极端酸碱度的破坏。酶活缺点：易受有机溶剂或极端酸碱度的破坏。酶活性易受产物抑制。性易受产物抑制。第二节第二节 甾体微生物转化甾体微生物转化甾体合成技术的演进甾体合成技术的演进19501950年年Kend
6、all, ReichsteinKendall, Reichstein与与HenchHench因发现类固因发现类固醇的消炎作用而获得诺贝尔奖。醇的消炎作用而获得诺贝尔奖。19521952年以化学方法以牛胆汁中的年以化学方法以牛胆汁中的deoxycholicdeoxycholic acidacid为原料合成为原料合成cortisonecortisone，反应共需，反应共需3131个步骤，个步骤，产品售价每克产品售价每克$200$200；19521952年利用年利用RhizopusRhizopus产生的产生的hydroxylasehydroxylase将反应将反应过程缩短为过程缩短为3 3个步骤，产
7、品售价每克个步骤，产品售价每克$6$6；19801980年使用突变之年使用突变之MycobacteriumMycobacterium分解植物油中的分解植物油中的固醇以作为原料，产品价格每克固醇以作为原料，产品价格每克$0.46$0.46。甾体药物A，B，C环为椅式构象，环为椅式构象，D环为信封式构象环为信封式构象六个手性中心六个手性中心ABCD1234567891011121317161514 3 primary carbons: 18, 19, 2118 secondary carbonsChemical and Microbial Transformation in the Product
8、ion of Medically Important SteroidsExamples of Steroid Hydroxylation by Fungi一、微生物对甾体转化反应类型和特点一、微生物对甾体转化反应类型和特点（一）甾体微生物转化反应类型l微生物几乎对甾体每一个位置都能转化l（二）微生物转化甾体的特点l1.两阶段发酵l2.两相发酵二、甾体微生物转化反应的主要类型和机制二、甾体微生物转化反应的主要类型和机制（一）羟化在甾体药物的工业生产中，目前国内外采用微生物转化的反应有9羟基化、11,羟基化及16羟基化；A环1，2或4和5位的脱氢；3 ,位羟基的脱氢，以及27位侧链的降解、不对称还
9、原3,17,20位酮基等，它们都已分别在各种皮质激素、性激素、口服避孕药、蛋白同化激素、抗癌剂、利尿剂等药物的合成中成为关键步骤。1. C91. C9羟化羟化2.C112.C11羟化羟化微生物特有反应微生物特有反应黑根霉黑根霉( (Rhizonpus nigricansRhizonpus nigricans) )的的羟化酶羟化酶能能使黄体酮转化为使黄体酮转化为1111- -羟基黄体酮羟基黄体酮3.C113.C11羟化羟化4.C154.C15羟化羟化5.C165.C16羟化羟化6.C176.C17羟化羟化7.C197.C19羟化羟化8.8.双羟基化双羟基化9.9.羟化反应机制羟化反应机制l微生物
10、甾体微生物甾体羟化酶属P450超家族的单氧化酶（二）环氧化反应（二）环氧化反应（三）脱氢反应（三）脱氢反应（四）甾体边链降解（四）甾体边链降解第三节第三节 微生物转化在制药工业上的应用微生物转化在制药工业上的应用一、微生物转化在甾体药物合成中的应用一、微生物转化在甾体药物合成中的应用l（一）糖皮质激素类药物（一）糖皮质激素类药物C H3OHC H3C H2O HOO HOC H3HOC H2O HOC H3CH3OHCH3CH2OCOCH3OOHHOCH3OHCH3CH2OCOCH3OOHHOFCH3醋酸氢化可的松醋酸氢化可的松醋酸地塞米松醋酸地塞米松CH3OHCH3CH2OCOCH3OOHH
11、O醋酸泼尼松龙醋酸泼尼松龙（二）糖皮质激素类药物的合成（二）糖皮质激素类药物的合成二、微生物转化与中药现代化二、微生物转化与中药现代化l（一）微生物转化进行中药研究的意义l（二）微生物转化中药的途径三、微生物转化在天然药物研发中的应用三、微生物转化在天然药物研发中的应用l（一）抗癌药l1.紫杉醇HNOOOHNOOONOOOOEtOOOHHHOOHHOOOAcOOOOHHAcOOSiEt3HOOONOOOOEtOOOHHAcOOSiEt3HOOO+OOOHAcOOHHOOOHONHOO脂肪酶PS-30290C,pH7.01. KOH,THF/H2O2. Ethyl Vinyl ether3. M
12、eLi4. Benzoyl choride1. Et3SiCl/pyridine2. CH3COCl/pyridine1. DMAP/pyridine2. HCl,EtOH/H2OOAcOAcOAc(1)(2)(3)(4)(5)(3)(5)(6)紫杉醇的化学-酶合成法10-10-脱乙酰浆果赤霉素脱乙酰浆果赤霉素-氨基-N-苯甲酰基-(2R，3S)-3-苯基异丝氨酸氮杂环丁酮衍生物l2.喜树碱（二）青篙素（二）青篙素（三）人参皂苷（三）人参皂苷四、微生物转化与其他药物制备四、微生物转化与其他药物制备（一）微生物转化与手性药物合成人体内在的手性环境可以识别手性药物对映体，使对映体在活性、代谢过程和
13、毒性等方面存在显著差异。如用于消除孕妇早期妊娠反应的镇静剂“反应反应停停”(thalidomide，沙利度胺)被应用不久，就被发现可以致使婴儿出现畸形，经研究发现具有镇静作用的是其R一对映体而致畸变是由s一对映体引起的。因此必须对不同对映体看成不同的化合物进行研究。手性化合物的对映体构型与药效有非常重要的关系,一般手性药只有其中一个对映体具有生理活性。含手性结构药物的两个对映体,其生物活性往往存在很大差异,可以相差数十倍、百倍甚至完全相反的药理作用或毒性。利用微生物转化对手性化台物的合成与拆分与化学拆分相比，有选择性高、步骤简单、成本低、产物回收率高等优点。典型的例子就是采用生物法半合成头孢菌
14、素，通过利用酶的对映体催化专一性，只需两步就可以替代传统的化学生产法。我国从1958年就已开展这一研究。30年来已为甾体药物的生产提供了各类生产菌种。并在转化条件、转化机制等方面做了许多工作，推动了甾体药物工业的发展（二）（二）HMG-CoAHMG-CoA还原酶抑制剂还原酶抑制剂（三）（三）葡萄糖苷葡萄糖苷酶抑制剂酶抑制剂米格列醇(miglitol)的发现源于对野尻霉素的研究，原来作为抗沙门氏菌的抗生素具有较强的葡萄糖苷酶抑制作用，继而成为第一个具有开发价值的淀粉酶抑制剂。1脱氧野尻霉素野尻霉素还原而得，也可由多种链霉菌和芽孢杆菌产生，同样具有糖苷酶抑制作用；N取代1脱氧野尻霉素具有更好的降糖效果，米格列醇就是其中之一。米格列醇的结构与葡萄糖相似，能够可逆地竞争性抑制假单糖葡糖苷酶，减少单糖的代谢，降低在小肠的吸收。先用微生物发酵制备野尻霉素或1脱氧野尻霉素后再用化学合成的方法来制备米格列醇
