生物转化在天然产物中的应用

1、生物转化在天然产物中的应用021955 摘要：天然药物中的成分多而复杂，虽然具有广泛的药理活性，但因溶解度差，生物利用度低等原因，难以将其中有效成分高效的提取出来。随着生物科学的不断发展，生物转化逐渐应用于天然产物化学的研究，提高活性成分的溶解度或生物利用度。本文主要阐述了生物转化在天然产物中的应用。关键词：生物转化、天然产物Abstract: Natural drug ingredients are many and complex, although they have wide range of pharmacological activity, because of poor solu

2、bility, low degree of biological utilization, which is difficult to be highly effective component extract. With the continuous development of biological science, studying the biotransformation is used in natural product chemistry, improving the solubility of active ingredients or bioavailability. Th

3、is paper mainly describes the biological transformation in the application of natural products.Keywords: biotransformation, natural products大部分药材的有效成分含量较低，通过提取方法从原植物中分离提取产物，资源浪费严重，提取成本较高。与传统的提取、化学合成方法相比，利用生物转化的手段转化生产活性物质无疑是一种高效简便的方法。生物转化是利用微生物、动植物的培养体系或其产生的酶制剂对外源性化合物进行结构修饰而获得有价值的生物化学反应过程，其实质是利用生物体系本

4、身所产生的酶对外源性化合物进行酶催化反应1。反应类型有水解、羟基化、糖基化、酰基化等2。具有转化率高、无污染、耗能低、产物单纯、易分离纯化的优点。生物转化的发展经历了野生型全细胞催化，基因工程微生物全细胞反应，利用系统分析和代谢工程进行全局性调控等阶段3。 1 生物转化1.1植物细胞系统的生物转化基于植物组织细胞培养的生物转化，与微生物及其产生的酶相比，其独特之处在于植物中具有许多微生物中不存在的独特的酶，它们可以催化一定的反应，生成许多复杂的化合物，甚至是新化合物。因此，利用植物细胞进行药物生产或新药研制开发具有极大潜力。采用（1）植物悬浮细胞培养是利用悬浮植物细胞将前体化合物转化为目的化合

5、物的1种方法，即：取游离愈伤组织细胞，将其悬浮在液体培养基中，使其繁殖生长，同时加入前体化合物，利用悬浮细胞代谢对化合物结构进行改造，细胞收获后需用超声破碎、有机溶剂提取等方法，提取代谢产物；（2）用固定化植物细胞作为反应体系是在液体悬浮细胞的基础上发展而来，主要利用离子交换、聚合、微囊化等作用，将植物细胞包埋在硅藻酸盐和琼脂等多聚物的网孔内，再用交联剂对细胞进行渗透交联处理，提高其通透性。将其生物转化后利用一些不影响细胞活性，同时可提高膜通透性的溶剂，如二甲基亚砜、细胞色素 C、溶血卵磷脂和十六烷基三甲基溴化铵等将胞内产物释放出来，该方法具有条件温和，细胞可重复使用，而且成本较低的特点。作为

6、生物催化剂，植物细胞培养具有下列优点：（1）可在实验室中生长，重现性好；（2）细胞可无限制的生长，培养物可大量累积，从而源源不断地提供生物材料；（3）生长循环周期短，有利于实验的进行。植物悬浮细胞的培养、固定化细胞培养及毛状根培养都可参与生物转化，产生有用化合物4。Casas等利用白花曼陀罗毛状根生物转化生产熊果苷,发现对苯二酚浓度为20-40mg/L时,细胞伤害最小,转化率最高。且30-120g/L的糖浓度能够增加生物转化,其中,蔗糖效果最好。严春艳等在何首乌(Polygonum multiflorum)毛状根生物转化对苯二酚为熊果苷的研究中,测量了共培养时间、底物浓度和培养容器的体积对熊果

7、苷生物转化的影响,发现所有处理的培养物和培养基中都能检测到熊果苷,底物浓度为1,100 mg/L时,共培养72 h,熊果苷的产量和转化率达到最大,分别为2122 g/L和81.45%,并且3L规模的扩大生产也取得了成功5。1.2 微生物细胞系统的生物转化微生物转化是指利用细菌、霉菌等微生物体系对外源性底物进行结构修饰所发生的化学反应。微生物种类多，分布广，繁殖快，对自然环境的变化有极强的适应能力，含酶丰富，同时也具有产生一些新型酶和特异性酶的潜力，该方法具有生物量倍增时间短，微生物的基因操作方法已广泛建立等优点，作为生物转化体系具有独特的优势。微生物转化法是目前对中药进行生物转化最主要的方法。

8、1.2.1好氧菌的生物转化王园园等研究Streptomyces griseus ATCC13273对柚皮苷、橙皮苷、黄芩苷及木犀草素的生物转化,得到柚皮素-7-O-葡萄糖苷、柚皮素、橙皮素、黄芩素、黄芩素 -6-甲氧醚和柯伊利素,另用灰色链霉菌对芦丁进行转化,得到6个代谢产物；Xu等利用黑曲霉将槐米中的芦丁转化为槲皮素,从而提高了槐米中槲皮素的含量。Rao等以蜡状芽孢杆菌对槲皮素进行糖基化反应,得到槲皮素-3-O-葡萄糖苷,转化率为20%。Kim 等以康宁木霉对水飞蓟素 A和水飞蓟素B进行糖基化反应, 分别得到水飞蓟素A-7-O-D-葡萄糖苷、水飞蓟素A-3-O-D-葡萄糖苷、水飞蓟素B-7-

9、O-D-葡萄糖苷和水飞蓟素B-3-O-D-葡萄糖苷。Jiang等以氧化微杆菌静息细胞生物转化葛根素，得到7-O-葡萄糖苷葛根素和7-O-异麦芽糖苷葛根素。Sato等以野油菜黄单胞菌对儿茶素进行生物转化,得到(+)-儿茶素3'- O-D-葡萄糖苷。Ibrahim 等以雅致小克银汉霉对5,3'-二羟基- 6,7,2',4',5'-五甲氧基黄酮及 5,3'-二羟基-7,2',4',5'-四甲氧基黄酮进行糖基化反应，得到两个糖基化产物。涂绍勇等通过黑曲霉A166转化沙棘黄酮苷生成苷元, 使得异鼠李素和槲皮素的含量明显提高。郑庆红等

10、研究发现经过球形红细菌转化可以增加槲寄生提取液中总黄酮类化合物的含量6。1.2.2 厌氧菌的生物转化肠内菌转化与一般微生物转化有相同之处，也各有特点和用途，主要表现在两者都是以微生物菌株为基础的转化体系，但是反应体系中菌株的宿主不同，肠内菌生物转化是以动物体肠内菌群为对象的研究体系，适合模拟药物在人肠内的代谢及其吸收机制的阐释，在此基础上，研究药物的肠内菌生物转化，将更具有价值和意义。AkaoT等研究18-GL、18-GA和18-GAMG在肠内菌代谢的差异时发现18-GL能被肠内菌单独代谢，但当18-GL与代谢物一同存在时，则不易被代谢，这可能与代谢为18-GA能影响甘草酸-D-葡糖醛酸酶等肠

11、内菌代谢酶的活性有关1。Van der Werf等 报 道 细 菌 Rhodococcus erythropolis DCL14能以D-柠檬烯作为唯一的碳源和能源，该菌对紫苏醇没有进一步的氧化作用，它降解柠檬烯的途径非常独特。首先对1,2位的C C双键进行环氧化得到柠檬烯-1,2-环氧化物,接着水解得到相应的二醇,再接着氧化得到 1-羟基-2-酮-柠檬烯,在 Baeyer-Villiger 氧化酶的作用下，发生开环反应7。研究发现将氧化苦参碱于人粪肠内菌厌氧培养后，通过薄层色谱和高效液相色谱仪定性检测氧化苦参碱及其代谢产物，将代谢物按恰当方法用氯仿提取后做 TLC 检查。结果表明，经过肠内菌的

12、代谢转化后，大部分氧化苦参碱都转化成苦参碱，进而产生相应的药理效应8。1.3酶转化酶解法应用全细胞系统进行的生物转化拥有传统化学合成不可比拟的巨大优势，但仍然存在一些没有逾越的障碍，如较低的产率、过长的培养时间以及一些植物细胞的培养需要持续光照等。为了克服全细胞生物转化的这些不利因素，使用经过分离纯化的酶成为可选择的方法之一。酶解转化法的转化效率高，工序短，产物易分离。我国通过酶促反应转化的中药有多种， 如常见的中药红花经过夏枯草芽孢杆菌S2-13的全成分生物转化后，其氧化的功效提高了1.5倍左右；通过高纤溶酶活性的地衣芽孢杆菌 C2-13全成分转化后，红花的溶血栓药效增强了，其对治疗脑血管与

13、心血管等疾病均起到了更好的疗效9。由假单胞菌脂肪酶、南极假丝酵母菌脂肪酶和米黑毛霉脂肪酶分别催化的酰化艾里莫芬烷倍半萜水解反应得到了同一产物2，4-二甲基辛烯酸。相比其他经化学方法修饰所得的产物 2，4-二甲基辛烯酸，保留了大部分酰化艾里莫芬烷倍半萜的HIV-1 整合酶抑制活性，此类研究为酰化艾里莫芬烷倍半萜的构效关系提供了重要的依据6。Ko等以蜡状芽孢杆菌的糖基转移酶对木犀草素、芹菜素、山柰黄素、槲皮素、柚皮素和染料木素进行糖基化反应,得到相应产物。Huang等以原玻璃蝇节杆菌的内乙酰氨基葡糖苷酶对木犀草素- 3',7- 二- O-葡糖苷、大豆苷、葛根素、黄豆黄苷进行糖基化反应,得到

14、其糖基化产物。Lim等以拟南芥的7种尿苷二磷酸葡萄糖糖基转移酶对槲皮素进行糖基化反应,得到6种不同的糖基化产物。Hye 等以蔗糖合成酶与糖基转移酶的融合蛋白对槲皮素进行糖基化反应,得到槲皮素葡萄糖苷10。最新的研究采用了重组酶的方法，得到高表达、易于纯化并且底物多样性的糖苷水解酶，取得了很好的效果11。Noh12等人从Sulfolobussolfataricus中找到了表达-糖苷酶的基因并顺利克隆进了大肠杆菌中，重组的热稳定蛋白能将10%（w/v）人参根提取物转化为C-K，转化率为80.5%。Yoo13等人从火球菌属的菌种Pyrococusfuriosus中找到了表达-糖苷酶的基因并顺利克隆进

15、了大肠杆菌中，这种-糖苷酶是热稳定蛋白，在90。C都不会失活。大肠杆菌经过12h的培养就可收获，经过简单的热处理就可以除杂得到高纯度的蛋白；在适宜条件下，3.9mmol/l的人参根提取物在1.2h内转化成了C-K，转化率为79.5%，在6h内又100%转化成了苷元PPD，苷元的产量达1.8g/l，这个研究在已报道的研究中，C-K和苷元的浓度及产率是最高的，极具有工业生产的价值。2 生物转化的应用价值2.1 提高有效成分的活性通过对有效成分的修饰,可以获得疗效更佳的成分。如甘草酸的生物转化产物-甘草次酸和单葡萄糖醛酸基甘草次酸,比甘草酸有更强的抗血小板聚集的能力。甘草次酸有非常强的抗肿瘤作用,对

16、轮状病毒感染有很强的抑制作用,同时也能抑制幽门螺旋杆菌的生长14。2.2降低毒副作用生物转化体系的分解作用可将药物中有毒物质进行分解,或对有毒活性成分进行结构修饰,从而降低药物的毒副作用。中药材喜树中的活性成分喜树碱具有较强的抗肿瘤活性,但其严重的毒副作用,如胃肠毒性、骨髓抑制和出血性膀胱炎等,制约了临床上的应用。采用无毒黄曲霉菌T-419,可将喜树碱转化为毒副作用很低、对多种癌症具有显著的疗效的10-羟基喜树碱,转化率达50%以上15。2.3产生新活性生物转化体系以有效成分为前体,经生物转化体系合成代谢作用形成新化合物；或生物转化体系在中药特殊环境中改变自身的代谢途径生成新的活性成分,从而产

17、生新的活性。董玫等研究发现,六味地黄丸全成分生物转化液对小鼠肝癌H22的生长抑制率达到33%,而等量的六味地黄丸煎剂则无明显抑瘤作用16。2.4节省药材资源采用传统的提取分离方法,将会消耗大量的药材资源。利用生物转化技术将大大减少药材的使用。提高有效成分的产率，对药材的可持续发展起到积极作用。3 结语生物转化是创制新药新分子的重要手段，也是新药研究中的一个有用工具。因此，用生物转化技术生产药物组份称为当今生物技术研究的热点课题。大量的实验研究表明，生物转化技术在活性成分研究中起着举足轻重的作用。生物转化的方法较多，各具特点，优势和不足并存，在实际应用中，要根据化合物特性、反应类型、实验条件和经

18、济条件等因素，综合考虑，选择合适的方法。相信生物转化研究将在活性成分的药物合成和结构修饰中继续发挥重要作用。参考文献：1 卢定强，孙磊，凌岫泉，等.生物转化在天然甘草药物活性成分中的研究进展J.时珍国医国药，2012,23（2）：4542 Archana Giri,Vikas Dhingra,Giri CC,et al.Biotransformations using plant cells，organ cultures and enzyme systems: current trends and future prospectsJ. Biotechnology Advances,2001,1

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