生物转化-绪论课件

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生物转化Biotransformation徐威

1生物转化物对甾体化合物的结构改造

2专题内容生物转化的含义、实质、特点、发展概况及应用（特别是在药物合成种的应用研究)。蛋白质定向进化技术的应用影响生物转化的重要因素。以甾体化合物为例，介绍生物转化的常见反应类型。生物转化常见实例列举研究生物转化的几种常用方法固定化细胞和国定化酶与生物转化哺乳动物体内的生物转化作用及其意义生物转化在药物合成中的应用

3第一章生物转化－绪论1.掌握生物转化的意义2.掌握生物转化的实质3.介绍生物转化的发展概况4.生物转化的优缺点5.生物转化在药物合成中的应用

4生物转化的意义生物转化是微生物将一种化合物转化为结构上相关产物的过程。1864年，Pasteur发现醋酸杆菌（Acetobacter）可氧化乙醇成为醋酸，首次以微生物转化进行有机反应例如:

5

6生物转化的实质生物转化往往指利用微生物活体细胞直接对基质发挥作用。由于固定化细胞和固定化酶的发展，生物转化也有可能在离体条件下进行。

7生物转化的发展概况转化实例转化工艺

8转化实例最早的生物转化实例：利用醋酸细菌由乙醇制造醋，反应发生迅速且定量发生。假单孢菌属的醋菌属（Acetobacter)的细菌常常具有此种功能。醋菌属介导的生物转化类型很多棒状杆菌将脱氢表雄甾酮转化为雄烯二酮

9醋酸菌介导的生物转化乙醇乙酸丙醇丙酸异丙醇丙酮甘油二羟丙酮甘露醇果糖山梨醇山梨糖葡萄糖葡萄糖酸

10棒状杆菌的生物转化作用棒状杆菌将脱氢表雄甾酮转化为雄烯二酮，再在酵母菌的作用下转变为睾酮。甾类化合物广泛存在于动植物界的天然产物用脂肪溶剂提取动植物组织中的脂类，其中不能被碱所皂化的物质。常常以环戊烷多氢菲为基本结构。当时，由于人们对甾类化合物的重要性还缺乏足够的认识，因此这类微生物转化作用并未得到应有的重视。

11生物转化工艺微生物转化在工艺上的应用开始于50年代，由于甾体化合物类药物应用于临床。1949年，人们发现可的松（肾上腺皮质激素）在治疗风湿性关节炎方面有显著的疗效，而这种肾上腺皮脂激素的本质是甾醇，这便促使科学家去探索甾体化合物的合成。最初，化学家寄希望于化学合成来生产可的松，花费两年的时间，经过30多步化学反应，最后由1270磅（1磅＝453.5g）的7-脱氧胆酸合成得到938mg的醋酸可的松。在此过程中，仅将O从第12位转移到11位C碳上就需要10步反应。（11位的氧对于抗炎是必需的）结果，经济上不合适。

12生物转化工艺1952年，美国人成功地利用一株黑根霉使孕酮的11位C羟基化为11羟基孕酮。人们认识到在化学上极其难发生的11位羟基化，微生物却能轻而易举地完成。开创了微生物转化甾体化合物的先例。再经4步反应，就能形成可的松。反之，如不借助微生物进行羟基化，而由孕酮合成可的松，则需要30多步的化学反应。此后人们发现，微生物对甾体化合物结构的转化具有惊人的能力，许多经化学方法难以进行的反应，如果让微生物完成却易如反掌。甾体化合物生物转化的进展开拓了在其他领域中微生物转化的应用。

13生物转化的意义这些酶促特异性转化反应为甾体药物的合成奠定了基础，此后一些重要生物技术的发展导致了一些传统的有机化学反应工艺被由生物催化剂催化的生物转化反应所替代，生物转化在有机合成中已起到越来约重要的作用

14在其他领域中微生物转化的应用。生产维生素C的前体物质－2酮基古龙酸目前应用微生物转化法，从山梨醇到山梨糖，并进而转化为酮基古龙酸。二羟丙酮某些氨基酸半合成青霉素有毒农药的降解石油中的芳香烃等的降解

15第二章生物转化的特点目前我们已经知道几千种的生物转化实例，通过具体的转化实例介绍微生物转化的优缺点。

16生物转化的优点：1)反应条件比较温和；2)强专一性3)具有极高的催化效率和反应速度；4)副反应少，产率高；5)具有很高的对映体选择性（Enantioselectivity）,区域选择性（Regioselectivity）和化学选择性（Chemoselectivity），并且能完成一些化学合成难以进行的反应

17生物转化的其他特点具有多反应类型减少合成步骤、简化生产设备，缩短生产周期污染少

18反应专一性（一）酶反应的立体专一性强，可以提供某些中间体，而这些中间体常常可以提供给化学转化形成改良的甾体化合物药物。以甾体化合物为例：其变构类型一般包括：羟基化（单羟基化、二羟基化作用。环氧化，脱氢作用，氢化作用。不同的反应一般发生在甾类化合物的不同位置上：16－羟基化，11－羟基化等

19续19－羟基－雄甾－4－烯－3,17－二酮微生物法一步反应雌酮19－羟基－雄甾－4－烯－3,17－二酮化学法三步反应雌酮转化率：80%转化率：15-20%

20C-1,2位脱H反应

21手性合成原－用于合成前列腺素含单加氧酶的不动杆菌催化二环经不对称反应得到区域异构的手性内酯

22维生素C的生产

23反应专一性（二）利用微生物细胞拆分消旋混合物

24拆分DL氨基酸已有报道用生物转化催化拆分来制备多种D-型和L-型氨基酸。例如，DSM公司已经利用L-氨肽酶拆分DL-氨基酸酰胺获得了D-苯甘氨酸和D-对羟基苯甘氨酸。

25实例：拆分DL－氨基酸某些细胞富含L－酰化氨基酸水解酶。使L－氨基酸脱去酰基游离的L－氨基酸与N－酰基化的D－氨基酸进行分离将D－氨基酸经化学方法转化为DL－混旋氨基酸，再次提供微生物转化体系。

26拆分DL氨基酸实例

27反应专一性（三）获取立体异构体化合物化学法合成磷霉素：顺式丙烯基磷酸经环氧化作用形成（±－顺－1,2－环氧丙烯基磷酸。只有顺－1,2－环氧丙烯基磷酸具有抗菌性能，因此需要进行化学拆分。青霉菌属的小棘青霉菌(Penicilliumspinulosum)便可以完成此种转化作用，其转化率达90%。

28化学法合成磷霉素化学法合成磷霉素：顺式丙烯基磷酸经环氧化作用形成（±－顺－1,2－环氧丙烯基磷酸。只有顺－1,2－环氧丙烯基磷酸具有抗菌性能，因此需要进行化学拆分。青霉菌属的小棘青霉菌(Penicilliumspinulosum)便可以完成此种转化作用，其转化率达90%。

29在外消旋体的拆分目前在外消旋体的生物转化催化拆分中，应用最多的酶是脂肪酶（Lipase）。它能特异地催化酯类化合物的水解和形成，具有高度的区域和立体选择性，已应用于多种手性药物，如：非甾体抗炎剂类，β－阻断剂类，5-羟色胺拮抗物和摄取抑制剂类的拆分。

30消旋体的拆分实例萘普生（naproxen）：Battistel等用固定于载体AmberliteXAD-7上的脂肪酶（CCL）对萘普生的乙氧基乙酯进行酶法水解拆分布洛芬（buprofen）：Ahmar等对布洛芬乙酯用廉价的马肝酯酶进行选择性水解普萘洛尔（propranolol）：利用脂肪酶PS对外消旋的萘氧氯丙醇酯拆分，ee值大于95％

31底物酶来源产物得率(%)ee值(%)参考文献Serratiamarcescen45984Pseudomanassp.92975Pseudomanassp.41956Candidaantarctica48997Pseudomanassp47978Candidaantarctica38959表1脂肪酶拆分而来的化合物

32其他酶的拆分除脂肪酶外，其它的一些水解酶类如蛋白酶、酯酶、酰化酶、氨肽酶、乙内酰脲酶等也广泛应用于手性化合物的拆分。外消旋的环戊烷基乳酸苯甲酯经蛋白酶L660催化拆分获得(R)-对映体，得率和ee值分别达44％和98％

33酶法拆分（KineticResolution）的局限性：目标对映体的最大理论产量只能达到50％。酶法动态拆分（DynamicKineticResolution）：通过物理的，化学的或酶转化的办法，把未被酶转化的光学对映体重新消旋化为两种对映体的混合物，再通过酶拆分使其转化得更彻底，ee值和理论产率都可达100％。酶法拆分的局限性

34通过立体化学选择性反应将手性前体特异地转化为所要的手性化合物，产物的光学活性纯度高，转化率可接近100％，因此该法简单，具有很高的工业化价值。常用的酶有氧化还原酶，裂合酶，转氨酶等。不对称合成：

35氧化还原酶：一般需要辅助因子（如：NADPH，NADH等）的参与，需要在反应体系中加入辅助因子或使辅助因子再生反应系统与之偶联。完整细胞的氧化还原酶系

36反应类型生物转化迄今已应用于50余种反应。包括：羟基化水解甲基化脱甲基化氧化酯化缩合水化脱羧磷酸化消旋氨基化酰胺化异构化环氧化还原转糖苷脱氨C-C键裂解脱水酰化卤化

37ExampleofBiotransformation--oxidation脱烃作用侧链羟基化氧化脱氨基作用脱硫作用

38Reduction偶氮

39Hydrolysis

40Conjugation葡萄糖醛酸甙

41Methylation

42底物氧还酶和辅助因子再生体系产物参考文献表2.通过氧化还原酶进行的不对称合成

43合成结构复杂的物质的收率高、副反应少。生物转化的转化率高，我们可以通过下表的数据加以说明：作用基质产物微生物产率（％）葡萄糖葡萄糖酸Aspergillusniger100山梨醇山梨糖Gluconobactersuboxydans98甘油二羟丙酮above90甘露醇果糖Gluconobactersuboxydans95黄体酮11－羟基黄体酮Rhizopusnigricans90

44减少合成步骤，简化生产设备，缩短生产周期例如：原来采用化学法生产可的松，孕酮－可的松需要30多步反应。现在微生物法生产可的松，孕酮－可的松需要4步反应。

45反应条件温和，污染少在整个过程中，微生物的生长和微生物对底物的转化一般完全可以分开进行。一般首先进行菌体的培养，然后再进行生物转化。在转化时，甚至可以将菌体至于无营养成分的水中进行转化。生物转化中避免使用强酸，强碱和一些有毒的原料，因而也同时改善了操作条件。

46生物转化的欠缺之处体积/时间效力较低产物的纯化比较麻烦必须消毒操作不同批号产率波动较大培养液废水处理量较大

47微生物转化在药物合成中的应用前景微生物转化是利用微生物作用进行某种化学反应。确切地说是利用微生物代谢过程中产生的酶对底物进行有机反应，故又称为微生物酶法转化。微生物转化可用完整的微生物细胞，也可从微生物细胞中提取的酶作为生物催化剂。其区域和立体选择型强、反应条件温和、操作简便、成本较低、公害少、且能完成一些化学合成难以进行的反应。随着当代生物技术的发展，将固相酶（固定化细胞）、酶膜反应器、溶剂工程、原生质体及其融合、诱变和基因重组等技术引入酶催化反应体系。使微生物的转化效率成倍的增长，并使整个生产过程了连续化、自动化。为微生物转化应用于有机合成展现了广阔的前景。

48总结已广泛应用于各类重要药物如：抗生素、维生素、甾体激素、氨基酸和前列腺素等的合成。利用微生物转化进行手性药物的不对成合成和对映体拆分，又成为新的研究热点。随着生物学科的进一步发展，特别是固定化细胞和诱变技术和基因重组技术的发展，使生物转化能成倍地提高转化率和反复长期地使用，给微生物转化在药物合成方面带来更加美好的前景。