酶工程作业题.doc

生物催化在药物合成领域中的应用 作者 王曼竹 单位 武汉工程大学生物工程02摘要：生物催化与生物转化是人类赖以生存的生态系统将太阳辐射的巨大能量加以固化与储存的有效手段，是地球上一切生物质循环转化的本质特征，也是人类从石油文明向“低碳经济”过渡的最佳途径。药用化合物一般是与人体内的酶、蛋白质或其他功能性生物大分子发生特异性相互作用的活性小分子。生物转化在手性药物和天然药物合成中较传统的化学合成和天然提取方法具有的明显优势。关键词:生物催化；生物转化；手性化合物；天然药物 Biotransformation and Its Application in the Pharmaceutical Synthesis WANG Man-Zhu Abstract：Biocatalysis and Biotransformation human survival ecosystem of the tremendous energy of solar radiation to be an effective means of curing and storage, all biomass cycle into the essential characteristics of the earth, is also a human from the oil civilization to the low-carbon economy the best way to transition. The pharmaceutically acceptable compounds are generally with the body of the enzyme, protein or other functional biological macromolecules active small molecule specific interaction occurs. Biotransformation in the synthesis of chiral drugs and natural drugs compared with traditional chemical synthesis and natural extraction method has obvious advantagesKeywords ：Biocatalysis；Biotransformation；Chiral compounds；Natural medicine;生物催化是指利用酶或细胞作为催化剂来完成化学反应的过程，又称为生物转化。从数百年前生用的生物催化剂主要是粗制酶和微生物整体细胞，在实际应用中各有千秋。酶具有反应步骤少、催化效率高、副产物少和产物易分离纯化等优点，而整体细胞具有不需要辅酶的再生和制备简单等特点.生物转化大多是在室温或中性环境中进行,具有无毒、无污染、低能耗、高效率、高选择性等优点。生物转化还可以合成化学上难以合成的物质,特别是复杂的天然活性物质。生物转化还可以合成化学上难以合成的物质,特别是复杂的天然活性物质。同时,采用化学合成生物转化相结合的合成方法。 手性是自然界物质的基本属性，构成生命有机体的分子都是不对称分子，生命中普遍存在的糖为D型、氨基酸为L型、DNA的螺旋构象和蛋白质都是右旋，并且生命体内许多内源性化合物，包括与药物发生药动学和药效学相互作用的天然大分子都具有手性。因此手性药物已成为国际新药研究与开发的新方向之一 Schoemaker H, Mink D, Wubbolts M. Dispelling the myths-biocatalysis in industrial synthesisJ.Science, 2003, 299(5613):1694 。 酶具有反应步骤少、催化效率高、副产物少和产物易分离纯化等优点，可以催化多种化学反应获得光学纯度和收率高的手性化合物，可以用于手性化合物的拆分和合成。酶催化手性化合物合成是将潜手性的化合物和前体通过酶催化反应转化为单一的对映体的光学活性化合物，如氧化还原酶、裂解酶、羟化酶、水解酶、合成酶和环氧化酶等。手性药物是指分子结构中含有手性中心或者不对称中心的药物，它包括单一立体异构体、2个或2个以上立体异构体的混合物。由于药物作用靶点(如受体、酶或离子通道等)结构上的高度立体特异性，手性药物的不同立体异构体与靶点的相互作用不同，从而产生不同的药理学活性，表现出立体选择性 Agrawal Y，Bhatt H, Raval H, et al. Chirality-a new era of thera-peutics J. Mini reviews in medicinal chemistry,2007,7(5) :451。许多药物是以消旋体的形式使用，但是很多手性药物的外消旋体形式都存在或小或大的副作用。因此，世界上诸如美国等许多国家都出台了相应的政策和法规，明确要求一个含手性因素的化学药物，必须说明其两个对映体在体内的不同生理活性、药理作用和药代动力学情况，以考虑单一对映体供药的问题。这很大程度上促进了单一对映体手性药物的研究和生产的高速发展。阿扎那韦( Atazanavir商品召为Reyataz)是首个获得FDA批准用于抗艾滋病联合治疗法的HIV蛋白酶抑制剂(PI)类药物。它是通过阻断病毒gaI)和gap-pol前体多聚蛋白的裂解，从而抑制病毒结构蛋白、逆转录酶、整合酶和蛋白酶的生成，使HIVE病毒释放出非感染性的不成熟的病毒颗粒Robinson B, Riccardi K, Gong Y，et al. BMS-232632, a highly potent human immunodeficiency virus protease inhibitor that can be used in combination with other available antiretroviral agents J .Arrtimicrobial agents and chemotherapy,2000,44(R):2093. 。用酶法制备的化合物2是合成HIV蛋白酶抑制剂的一个关键的手性中间体，这个手性中间体一般是用汉逊酵母菌和红球菌生物催化合成的，其中红球菌的产率90 %r，光学纯度98 %r。通过更进一步的研究发现利用红串红球菌细胞转化生产化合物2的产率可以达到95 %r，手性纯度98.2% patel R, Chu L, Mueller R. Diastereoselective microbial reduction of ( S)一3-chloro-2-oxo-1-(phenylmethyl) propyl carbamic acid,1,1-dimethvlethvl ester Jl. Tetrahedrom :Asyrrametry, 2003，14(20):3105。脂肪酶催化的拆分普瑞巴林(pregabalin)是治疗神经源性疼痛的药物Lyric;ade有效成分，在使用化学拆分的路线中，在拆分步骤前70%以上的物料已转化为废物。2008年关国辉瑞公司利用在水溶体系中利用脂肪酶的生物拆分进行中间体合成，转化率达到48 %，然后进一步反应生成普瑞巴林 Martinez C, Hu S, Dumond Y, et al. Deve-lopment of a che-moenzymatic manufacturing process for pregabalin J.OrganicProcess Research & Development, 2008 ,12 (3) :392。布洛芬是常用的一种非举体类抗炎手性药物，化学结构为2-(-异丁基苯基)丙酸，属于2一号基丙酸类药物，具有解热、镇痛、消炎及抗风湿的生理效用。布洛芬分子在a位有一个手性碳原子，存在一对光学异构体。其中，只有S(+)布洛芬具有生理活性，S布洛芬的生理活性是R布洛芬的160倍，而且R布洛芬的存在会带来副作用 唐良华.脂肪酶的生产及其在布洛芬于性拆分中的应用基础研究所.【D】.2007.。布洛芬类药物历来都是用化学方法合成，一般总得到等量的一对对映体混合物，手性试剂拆分外消旋体过程复杂，产率低而且手性试剂比较昂贵。利用脂肪酶催化进行拆分布洛芬显示出了成本低及对映体选择性较高等优点。在有机相中脂肪酶催化布洛芬选择性酯化 Snell D, Colby ,J. Enantioselective hydrolysis of racemic ibuprofenamide to-(+)-ibuprofen by rhodococcus AJ270J.Enzyme andMicrobial Technology,1999 , 24 (3-4):160，如Keehoon won等人在异辛烷体系中，利用Cuudidu rugo.su脂肪酶催化布洛芬酯化，来拆分其外消旋体Won K, Hong ,J, Kim K, et al. Lipase-catalyzed enantioselectiveesterification of racemic ibuprofen coupled with pervaporationJ.Process Biochemistry, 2006, 41 (2) :264 。卡托普利（巯甲丙脯酸、甲巯丙脯酸、开搏通）Captopril （Capote, Lopirin, Tensiomin）化学名称：1-（3-巯基-2-D-甲基丙酰基）-L-脯氨酸。英文化学名称： (2s)-1-(3-mercapto-2-methylpropionyl)-l-proline; (s,s)-1-(d-3-mercapto-2-methyl-1-oxopropyl)-l-proline; 1-(2-methyl-3-sulfanylpropanoyl)proline; (2S)-1-(2S)-2-methyl-3-sulfanylpropanoylpyrrolidine-2-carboxylate 卡托普利.中国化工制造网能抑制血管紧张素1转化为血管紧张素2，具有降低血压作用，对肾性高血压、原发性高血压及常规药物治疗无效的高血压均有效，是第一个口服血管紧张素转化酶抑制剂类药物。卡托普利分子中含有两个手性中心，活性取决于含巯基烷链的构型，其（S）型对映体是（R）型药物活性的100倍以上，因此，最好的药物分子应为（S,S）构型。传统化学合成方法生成的是非对映体混合物（R,S+S,S），然后用二环己胺成盐后分离得到（S,S）构型，但产率很低 梅乐和.现代酶工程。生物转化在天然药物提取和化学合成：如香草醛(Vanillin)目前主要由化学方法合成制备,根据美国和欧盟的规定,合成香草醛在农产品和食品添加剂中的使用会引起法律方面的争议,再加上消费者的喜好,更促进了生物技术方法生产香草醛的研究李永红,郑志强,孙志浩. TLC方法同时监测生物转化过程中的阿魏酸、香草酸和香草醛 J . 郑州工程学院学报, 2003, 24 (1) : 35 - 37. 。由此促使研究人员去寻找生产天然香草醛的替代方法。利用微生物转化天然前体生产的天然等同( nature - identical,N I)的香草醛,称为“生物香兰素”(bio - vanillin) ,可以代替从香荚兰豆荚中提取的价格昂贵的天然香草醛 郑志强,朱书峰,孙志浩. 微生物转化方法生产香草酸与香草醛的初步研究 J . 工业微生物, 2002, 32(4) : 1 - 6.。目前, 香草醛的生物转化研究成功的例子LESAGE - MEESSEN L, STENTELA IRE C, LOMAS2COLO A, et al. . Fungal transformation of ferulic acidfrom sugar beet pulp to natural vanillin J . J Sci FoodAgric, 1999, 79: 487 - 490. BONN IN E, BRUNEL M, GOUY Y, et al. . Aspergillusniger I - 1472 and Pycnoporus cinnabarinusMUCL39533,selected for the biotransformation of ferulic acid to vanil2lin, are also able to produce cellwall polysaccharide - de2grading enzymes and feruloyl esterases J . Enzyme andMicrobial Technology, 2001, 28 (1) : 70 - 80.王明君. 微生物转化香草酸生产香草醛 J . 食品与发酵工业, 2004, (2) : 43 - 47.张莉力,迟玉杰. 微生物转化阿魏酸生产香兰素的研究 J . 现代食品科技, 2005, 21 (2) : 47 - 49. 主要如下图所示： 作为天然药物发挥药效活性的物质基础，天然活性成分