医学生物转化与甾体药物课件

生物转化与甾体药物陈代杰上海来益生物药物研究开发中心ShanghaiHealth-CreationCentreforBiopharmaceuticalsR&D生物转化与甾体药物陈代杰1生物转化与甾体类药物制备

----目前主要研究内容

1）应用基因工程技术来构建具有高度专一性和高转化率的基因工程菌；2）增加底物在水相中的溶解性；3）改良固定化酶或固定化细胞的技术；4）开发连续转化和产物回收的技术；5）在培养基中应用像环糊精类物质来提高底物转化率。生物转化与甾体类药物制备

----目前主要研究内容2甾体类药物生物转化的种类

----边链的裂解反应

尽管有不少用于不饱和甾体边链氧化的有效的化学方法，但对饱和的脂肪族C-17边链的氧化反应的收率非常低，而用微生物转化技术除去植物甾醇的边链是一种非常有效的方法。甾体类药物生物转化的种类

----边链的裂解反应3甾体类药物生物转化的种类

----羟化反应

尽管在甾体的分子结构中有许多可以被微生物进行羟基化的基团，但目前在工业规模大量用微生物转化技术进行的羟基化反应主要是11-、11-和16-位点的羟基化反应。其它一些可以在工业规模用微生物转化技术进行羟基化反应的位点包括有7-、9-和14-。

甾体类药物生物转化的种类

----羟化反应4作为甾体药物合成常用起始原料

的天然甾醇的分子结构

I：脱氧胆酸；II：海柯皂配基；III：薯蓣皂苷配基；IV：茄解定；

V：麦角甾醇;VI：豆油甾醇；VII：谷甾醇；VIII：胆甾醇；

作为甾体药物合成常用起始原料

的天然甾醇的分子结构5甾醇结构及碳原子编号顺序甾醇结构及碳原子编号顺序6对甾类化合物的微生物转化反应类型氧化反应（１）羟基化①所有甾体母核和角甲基位置均几被羟化②能在边链上若干位置上羟基化（２）醇基氧化①氧化饱和链上醇基至酮基②氧化丙烯基或高丙烯基至α、β-不饱和酮（３）环氧化作用（Epoxidation）（４）碳－碳键的裂开①氧的插入（Insertion）形成酯、醇、酮、内酯和酸②逆醛醇缩合反应（Retroaldolreactions）③碳键裂开产生非官能团化的产物（Unfunctionalizedproducts）对甾类化合物的微生物转化反应类型氧化反应7（５）双键的导入反应①饱和3－酮和Δ4-3－酮甾体的1位脱氢②饱和3－酮和Δ’-3－酮甾体的4位脱氢③伴着Ａ环芳香化的１位脱氢④Δ1（10）5－3β－甾醇的芳香化⑤羟基、酯或过氧化合的消除（６）过氧化反应①5，7-双烯间形成5α、8α-表二氢化合物②氢过氧化（Hydroperoxidation）７）杂原子氧化①立体专一性氧化硫醚到亚砜②胺被氧化到酮（５）双键的导入反应8还原反应（１）还原酮到醇（２）还原醛到醇（３）还原某氢过氧化物到醇（４）还原烯醇到伯醇（５）双键饱和①还原Δ1，4-3-酮到Δ4-3-酮②还原Δ4-3-酮到饱和３-酮③还原Δ4，6-3-酮到Δ4-3-酮④还原Δ1，6-20-酮到饱和20-酮⑤厌氧性脱羟基还原反应9异构化

（ｌ）Δ6-3-酮异构化成Δ4-3-酮（２）Ｄ-高环化（D-Homoannulation）（３）反频哪酮重排（Retropinacolicrearrangement）（４）醇差向（立体）异构（５）５α-８α-表二氢化合物重排到桥氧醇结合（1）羟基乙酰化（２）糖苷化（３）酚醚形成（４）胺的乙酰化（５）甾体生物碱与碳酸相结合异构化10水解（1）酯化①碳酸酯②内酯③硫酸酯（２）醚开裂①烯醇醚开裂为酮②酚醚开裂为酚③苷开裂为醇引入杂原子：（1）氮：由21位醇基甾体形成21-乙酰胺甾体（２）卤素：卤过氢化酶催化导入医学生物转化与甾体药物课件11微生物裂解胆甾醇边链的反应XV：甾醇C24-羧酸；XVI：甾醇C22-羧酸；XVII：雄甾-4-烯-3,17-二酮(AD)；XVIII：C19-甾醇；XXIII：雄甾-1,4-双烯-3,17-二酮(ADD)；其余参见文章内微生物裂解胆甾醇边链的反应XV：甾醇C24-羧酸；XVI：12微生物裂解谷甾醇和菜油甾醇边链的反应微生物裂解谷甾醇和菜油甾醇边链的反应13医学生物转化与甾体药物课件14

甾醇边链的选择性裂解1)添加有关的酶抑制剂2)利用被修饰的底物进行生物转化3)利用阻断突变株用于定向生物转化甾醇边链的选择性裂解15同时利用突变株、酶抑制剂和被修饰的底物进行生物降解边链所得到的产物医学生物转化与甾体药物课件16部分边链降解的甾醇产物部分边链降解的甾醇产物17医学生物转化与甾体药物课件18一些可能从ADD和AD获得的甾体药物的结构一些可能从ADD和AD获得的甾体药物的结构19利用经过修饰的底物进行边链的选择性裂解底物产物微生物19-羟基甾醇雌酮restrictus诺卡氏菌ATCC1488719-norsterols雌酮诺卡氏菌ATCC191703-羟基-19-1，3，5–甾醇

雌酮草分支杆菌分支杆菌simplex节杆菌IAM166019-羟基-4-胆甾烷-3-酮雌酮草分支杆菌19-羟基-胆甾醇-3-β-乙酸盐雌酮草分支杆菌19-羟基-4，7–甾醇3-羟基-19-nor-1，3，5（10）–甾醇3-羟基-19-nor-1，3，5（10），7（8）–甾醇马烯雌酮马萘雌酮雌酮分支杆菌6-β-19-oxidosten-eones3-β-乙酸基-5-α-氯（氟）-6-β-19-氧化-甾醇6-β-19-氧化-AD诺卡氏菌ATCC19170分支杆菌

利用经过修饰的底物进行边链的选择性裂解底物产物微生物19-羟20一些用于抑制环裂解的最为有效的抑制剂抑制剂名称抑制机理2,2’-联吡啶1,10-菲咯啉8-羟基-喹啉5-硝基-1,10-菲咯啉铜铁灵双硫腙二苯基二硫缩二氨基脲二乙基二硫氨基甲酸酯异烟酸酰肼黄原酸邻苯二氨4-异戊酸环庚三烯酚酮硫化四乙基秋兰姆作为Fe2+的抑制剂Ni2+,Co2+,Pb2+,SeO32-,AsO2-用于取代铁离子或阻断SH-功能亚甲蓝刃天青正丙醇氧化还原反应一些用于抑制环裂解的最为有效的抑制剂抑制剂名称抑制机理2,221在有酶抑制剂存在的条件下进行甾醇边链的选择性裂解

抑制剂产物微生物螯合剂2,2’-联吡啶1,10-菲咯啉8-羟基-喹啉ADADD其它雄甾烷衍生物Arthrobactersimplex

分支杆菌红球菌草分支杆菌诺卡氏菌Arthrobacterglobiformis

螯合剂和活性炭ADD分支杆菌NRRLB-3683螯合剂和苯乙烯-二乙烯苯共聚物AD、ADD23,24-二去甲胆甾酸分支杆菌NRRLB-3683螯合剂和脂肪、油、甘油酯ADD1-脱氢睾酮Arthrobactersimplex

Brevibacteriumlipolyticum草分支杆菌无机离子AD、ADD其它雄甾烷衍生物分支杆菌sp.KNGSF70Arthrobactersimplex氧化还原颜料ADDArthrobactersimplex丙醇AD、ADD和其它衍生物假单胞菌sp.NCIB在有抑制剂产物微生物螯合剂ADArthrobactersi22生物羟基化反应与甾体药物制备

---C-9α羟化生物羟基化反应与甾体药物制备

---C-9α羟化23生物羟基化反应与甾体药物制备

---C-11α羟化生物羟基化反应与甾体药物制备

---C-11α羟化24生物羟基化反应与甾体药物制备

---C-11羟化

生物羟基化反应与甾体药物制备

---C-11羟化

25生物羟基化反应与甾体药物制备

---C-16α羟化

生物羟基化反应与甾体药物制备

---C-16α羟化

26生物羟基化反应与甾体药物制备

---C-17α羟化生物羟基化反应与甾体药物制备

---C-17α羟化27生物羟基化反应与甾体药物制备

---C-19α羟化生物羟基化反应与甾体药物制备

---C-19α羟化28微生物对甾体羟化的位置微生物对甾体羟化的位置29生物脱氢反应与甾体药物制备生物脱氢反应与甾体药物制备30其它有关的生物转化反应与甾体药物制备

---环氧化反应其它有关的生物转化反应与甾体药物制备

---环氧化反应31其它有关的生物转化反应与甾体药物制备

---酯化反应其它有关的生物转化反应与甾体药物制备

---酯化反应32其它有关的生物转化反应与甾体药物制备

---芳构化和炔化反应

其它有关的生物转化反应与甾体药物制备

---芳构化和炔化反33从薯蓣皂素开始，经开环、氧化、环氧化等化学反应后，制得不同中间体后，再进行微生物转化得到醋酸可的松醋酸可的松从薯蓣皂素开始，经开环、氧化、环氧化等化学反应后，醋酸可的松34从薯蓣皂素开始，经开环、氧化、环氧化等化学反应后，制得不同中间体后，再进行微生物转化，得到氢化可的松从薯蓣皂素开始，经开环、氧化、环氧化等化学反应后，35醋酸强的松醋酸强的松36醋酸氢化泼尼松醋酸氢化泼尼松37炔雌醇

炔雌醇

38醋酸地塞米松

醋酸地塞米松

39医学生物转化与甾体药物课件40生物转化与甾体药物陈代杰上海来益生物药物研究开发中心ShanghaiHealth-CreationCentreforBiopharmaceuticalsR&D生物转化与甾体药物陈代杰41生物转化与甾体类药物制备

----目前主要研究内容

1）应用基因工程技术来构建具有高度专一性和高转化率的基因工程菌；2）增加底物在水相中的溶解性；3）改良固定化酶或固定化细胞的技术；4）开发连续转化和产物回收的技术；5）在培养基中应用像环糊精类物质来提高底物转化率。生物转化与甾体类药物制备

----目前主要研究内容42甾体类药物生物转化的种类

----边链的裂解反应

尽管有不少用于不饱和甾体边链氧化的有效的化学方法，但对饱和的脂肪族C-17边链的氧化反应的收率非常低，而用微生物转化技术除去植物甾醇的边链是一种非常有效的方法。甾体类药物生物转化的种类

----边链的裂解反应43甾体类药物生物转化的种类

----羟化反应

尽管在甾体的分子结构中有许多可以被微生物进行羟基化的基团，但目前在工业规模大量用微生物转化技术进行的羟基化反应主要是11-、11-和16-位点的羟基化反应。其它一些可以在工业规模用微生物转化技术进行羟基化反应的位点包括有7-、9-和14-。

甾体类药物生物转化的种类

----羟化反应44作为甾体药物合成常用起始原料

的天然甾醇的分子结构

I：脱氧胆酸；II：海柯皂配基；III：薯蓣皂苷配基；IV：茄解定；

V：麦角甾醇;VI：豆油甾醇；VII：谷甾醇；VIII：胆甾醇；

作为甾体药物合成常用起始原料

的天然甾醇的分子结构45甾醇结构及碳原子编号顺序甾醇结构及碳原子编号顺序46对甾类化合物的微生物转化反应类型氧化反应（１）羟基化①所有甾体母核和角甲基位置均几被羟化②能在边链上若干位置上羟基化（２）醇基氧化①氧化饱和链上醇基至酮基②氧化丙烯基或高丙烯基至α、β-不饱和酮（３）环氧化作用（Epoxidation）（４）碳－碳键的裂开①氧的插入（Insertion）形成酯、醇、酮、内酯和酸②逆醛醇缩合反应（Retroaldolreactions）③碳键裂开产生非官能团化的产物（Unfunctionalizedproducts）对甾类化合物的微生物转化反应类型氧化反应47（５）双键的导入反应①饱和3－酮和Δ4-3－酮甾体的1位脱氢②饱和3－酮和Δ’-3－酮甾体的4位脱氢③伴着Ａ环芳香化的１位脱氢④Δ1（10）5－3β－甾醇的芳香化⑤羟基、酯或过氧化合的消除（６）过氧化反应①5，7-双烯间形成5α、8α-表二氢化合物②氢过氧化（Hydroperoxidation）７）杂原子氧化①立体专一性氧化硫醚到亚砜②胺被氧化到酮（５）双键的导入反应48还原反应（１）还原酮到醇（２）还原醛到醇（３）还原某氢过氧化物到醇（４）还原烯醇到伯醇（５）双键饱和①还原Δ1，4-3-酮到Δ4-3-酮②还原Δ4-3-酮到饱和３-酮③还原Δ4，6-3-酮到Δ4-3-酮④还原Δ1，6-20-酮到饱和20-酮⑤厌氧性脱羟基还原反应49异构化

（ｌ）Δ6-3-酮异构化成Δ4-3-酮（２）Ｄ-高环化（D-Homoannulation）（３）反频哪酮重排（Retropinacolicrearrangement）（４）醇差向（立体）异构（５）５α-８α-表二氢化合物重排到桥氧醇结合（1）羟基乙酰化（２）糖苷化（３）酚醚形成（４）胺的乙酰化（５）甾体生物碱与碳酸相结合异构化50水解（1）酯化①碳酸酯②内酯③硫酸酯（２）醚开裂①烯醇醚开裂为酮②酚醚开裂为酚③苷开裂为醇引入杂原子：（1）氮：由21位醇基甾体形成21-乙酰胺甾体（２）卤素：卤过氢化酶催化导入医学生物转化与甾体药物课件51微生物裂解胆甾醇边链的反应XV：甾醇C24-羧酸；XVI：甾醇C22-羧酸；XVII：雄甾-4-烯-3,17-二酮(AD)；XVIII：C19-甾醇；XXIII：雄甾-1,4-双烯-3,17-二酮(ADD)；其余参见文章内微生物裂解胆甾醇边链的反应XV：甾醇C24-羧酸；XVI：52微生物裂解谷甾醇和菜油甾醇边链的反应微生物裂解谷甾醇和菜油甾醇边链的反应53医学生物转化与甾体药物课件54

甾醇边链的选择性裂解1)添加有关的酶抑制剂2)利用被修饰的底物进行生物转化3)利用阻断突变株用于定向生物转化甾醇边链的选择性裂解55同时利用突变株、酶抑制剂和被修饰的底物进行生物降解边链所得到的产物医学生物转化与甾体药物课件56部分边链降解的甾醇产物部分边链降解的甾醇产物57医学生物转化与甾体药物课件58一些可能从ADD和AD获得的甾体药物的结构一些可能从ADD和AD获得的甾体药物的结构59利用经过修饰的底物进行边链的选择性裂解底物产物微生物19-羟基甾醇雌酮restrictus诺卡氏菌ATCC1488719-norsterols雌酮诺卡氏菌ATCC191703-羟基-19-1，3，5–甾醇

雌酮草分支杆菌分支杆菌simplex节杆菌IAM166019-羟基-4-胆甾烷-3-酮雌酮草分支杆菌19-羟基-胆甾醇-3-β-乙酸盐雌酮草分支杆菌19-羟基-4，7–甾醇3-羟基-19-nor-1，3，5（10）–甾醇3-羟基-19-nor-1，3，5（10），7（8）–甾醇马烯雌酮马萘雌酮雌酮分支杆菌6-β-19-oxidosten-eones3-β-乙酸基-5-α-氯（氟）-6-β-19-氧化-甾醇6-β-19-氧化-AD诺卡氏菌ATCC19170分支杆菌

利用经过修饰的底物进行边链的选择性裂解底物产物微生物19-羟60一些用于抑制环裂解的最为有效的抑制剂抑制剂名称抑制机理2,2’-联吡啶1,10-菲咯啉8-羟基-喹啉5-硝基-1,10-菲咯啉铜铁灵双硫腙二苯基二硫缩二氨基脲二乙基二硫氨基甲酸酯异烟酸酰肼黄原酸邻苯二氨4-异戊酸环庚三烯酚酮硫化四乙基秋兰姆作为Fe2+的抑制剂Ni2+,Co2+,Pb2+,SeO32-,AsO2-用于取代铁离子或阻断SH-功能亚甲蓝刃天青正丙醇氧化还原反应一些用于抑制环裂解的最为有效的抑制剂抑制剂名称抑制机理2,261在有酶抑制剂存在的条件下进行甾醇边链的选择性裂解

抑制剂产物微生物螯合剂2,2’-联吡啶1,10-菲咯啉8-羟基-喹啉ADADD其它雄甾烷衍生物Arthrobactersimplex

分支杆菌红球菌草分支杆菌诺卡氏菌Arthrobacterglobiformis

螯合剂和活性炭ADD分支杆菌NRRLB-3683螯合剂和苯乙烯-二乙烯苯共聚物AD、ADD23,24-二去甲胆甾酸分支杆菌NRRLB-3683螯合剂和脂肪、油、甘油酯ADD1-脱氢睾酮Arthrobactersimplex

Brevibacteriumlipolyticum草分支杆菌无机离子AD、ADD其它雄甾烷衍生物分支杆菌sp.KNGSF70Arthrobactersimplex氧化还原颜料ADDArthrobactersimplex丙醇AD、ADD