甾体化合物的生物转化

CH3 CH3 COOH 荧光假单孢菌 CH2OH CH2OH COOH O-羟甲基苯酸
（2）
H2 C O C HO 少根根霉 OH C H O C
O
H
O
H
11-羟基，5-孕甾-3，20双酮
甾体母核上诸亚甲基中选择性引入11-，11b-和16-等位羟 基呈现强力生理活性；在甾体激素药物合成上非常重要。
通过缩合反应可形成新的碳-碳 的结合。 由于生物转化反应的高度立体选 择性，它所催化新的碳-碳键在有机 不对称合成中极为重要，为手性药 物中不可缺少的一项合成技术。
2.4.1. 氰醇缩合
H ON OH (S)醇氰（醛化）酶 O R R R' (R)醇氰（醛化）酶 OH H R' CN
上述反应在水中进行，光学活性氰醇收率 较低；但可在低pH(3~4)条件下进行，虽然低 pH不是该醇的最适反应条件，然而所获得光 学活性的氰醇收率增高。该反应也可在有机溶 媒中进行，能获得较高的光学活性收率达 10%-25%。
（3）
CH H H C C C OH HO OH C C
OH N HO N
棒状杆菌 分子杆菌 HO
OH N N OH
巴比妥酸
2.1.3 环氧化
(1)
C C H H O
H2C C H
CH2 O
食油假单孢菌
H H2C C O
CH2 O
S-3-苯氧基-1，2-环丙烷
该反应产率很高，且光学纯度为100%，产物是生产铁电液晶 的重要中间体
OH
（2）
OH OCH3 OCH3 OCOC6H5
链霉菌属
C2H5 HO N OAc OH OH OCH3 OCH3 H3CO OH OCOC6H5
乌头碱
C2H5 HO N OAc OH
OCH3 H3CO
脱甲基乌头碱
2.3.3. 醚的水解开裂
（1）
H3CO H3CO H3CO O S CH3 O H N C CH3 C S CH3
OH
HO 雌（甾）二醇（estradial） 1,3,6(10)-脱氢雌甾-3，17b-双酮
在甾体激素合成中常应用微生物转化 反应选择性还原如睾丸素的合成
O 酵母 O 4AD OH
17
O 睾丸素（testosteron）
（4）氮杂基团还原
(1)
NO2 NO2 酵母 NH2 NH2
(2)
NHOH NHOH 酵母
里程碑式事件
霉菌（Rhizopus arrhius）转化孕酮（progesterone） 生成11-羟基孕酮(11-hydroxyprogesterone)
O HO O
根霉菌
O O
孕酮
O HO OH
11-羟基孕酮
O O OH OH
O
O
皮质醇
皮质酮
1952年，Perterson等报道了根霉菌（Rhizopus arrhius） 能 够 将 孕 酮 (progesterone) 转 化 为 11- 羟 基 孕 酮 (11hydroxyprogesterone) 。 11- 羟 基 孕 酮 是 皮 质 酮 (cortisone) 合成的一种中间体（上图）。这种微生物羟 基化作用简化并极大地改进了多步化学合成皮质甾类激 素及其衍生物的效率。尽管德国人Merck提出的由脱氧 胆酸进行化学合成的方法也是可行的，但是这种方法既 复杂又不经济，必须经过 31步才能从 615 公斤脱氧胆酸 中获取 1 克乙酸皮质酮。孕酮的 11- 羟基化作用使皮质 酮的价格从200美元/克很快降到6美元/克。由于工艺的 进一步发展，它目前的价格已经低于1美元/克。这一范 例有力地揭示了天然产物的生物转化在药物研究与开发 中所发挥的巨大作用。
2.1. 氧化反应
微生物能转化许多类型的化学反应，氧化反应是其中最常见 反应之一
2.1.1 单一氧化反应 CHO CH OH （ 1）
2
CH2OH
1. 产黄青霉Q176 2. 假单孢菌PL
CHO
（2）
CH2OH COOH
CH2OH N
牛结核分枝杆菌 N
COOH
烟酸
（3）
CHO COOH
乙酸杆菌属 O CHO O COOH
甾体化合物的生物酶法结构改造
O HO
O
O HO OH O
O
根霉菌
O O
OH OH
孕酮
11-羟基孕酮
O
O
皮质醇
皮质酮
内容
1、概述 2、酶催化和微生物催化的反应类型 3、甾体生物转化的主要反应 4、代表性实例 5、结束语
1、 概述
生物转化（Biotransformation）是指利用生物体系以及它们所 产 生 的 酶 对 外 源 化 合 物 （ exogenous substrate, foreign substrate, xenobiotics compound）进行结构修饰而获得有价值 产物的生理生化反应，其本质是利用生物体系本身所产生的酶对 外源化合物进行酶促催化反应。生物转化具有反应选择性强（位 臵 选 择 性 regio-selectivity 和 立 体 选 择 性 stereoselectivity）、高效率、反应条件温和、副产物少、不造成环境 污染、后处理简单等优点 。迄今，在生物转化研究领域已取得了 很大的进展。生物转化不仅应用于有机合成的研究中，而且还应 用于植物次生代谢产物的结构修饰、活性先导化合物的寻找及药 物 构 效 关 系 的 探 索 等 研 究 中 ， 被 称 为 “ 绿 色 化 学 ， green chemistry” ，用于药物开发、环境净化等科学领域，有着重要的 理论意义及实际应用价值。
NH2 NH2
(3)
NO2
N N
(4)
N N
O
N 枯草杆菌
NO2 酵母 N
N O N N 吩嗪
2.3. 水解反应
微生物转化广泛应用于酯、内酯、 苷、酰胺和内酰胺等化合物的水解。 由于它的水解具有对映体的选择性， 因此微生物转化水解反应也被广泛 地用于光学活性化合物的拆分。
2.3.1. 酯和内酯的水解反应
分节孢子杆菌属 N
N CH3
'-脱氢尼可汀
2.2. 还原反应
多种醛类化合物，不论是脂肪族或芳香族， 饱和或不饱和的羟基取代或卤素取代的都能被 微生物还原成相应的醇。各种酮的化合物不论 是单酮、双酮、三酮，或者另含有羟基、卤素 取代的都能被微生物还原。应用微生物转化进 行还原时有个非常重要的优点，得到的仲醇都 是光学活性；引入一个手性中心，在手性药物 合成中对光学不对称合成是非常重要的。
O H N C CH3
灰色链丝菌
H3CO H3CO H3CO
O SH
（2）
CH S CH3 CH OH
CH3 N C3H7
CH3 CH OH H C N CH OH O O OH SCH3 H H
链霉菌属
CH3 N C3H7
CH3 CH OH H C N CH O OH O OH OH H H
2.3.4. 苷的水解 （1）
1，2-二羟基烟曲霉醌
2.3.8. 水解脱胺
CH NH2 CH OH
H H2C C COOH 杆菌属 N NH2 N H
H H2C C COOH N OH
N H 2-羟基-,b-(4-咪唑)丙酸
2.3.9. 水解胺烷基中烷基
N R NH 土壤细菌 H3C N N CH3
H3C N
NH
2.4. 缩合反应
O CH C NH
O CH C OH + NH2
H2 C
O H C N N O 青霉素G
S
CH3 CH3 COOH
大肠杆菌
H2N N O
S
CH3 CH3 COOH
+
H2 C
O C OH
无侧链青霉素 H2 C O C OH
H2 C
O H C N N O
S CH3 COOH
大肠杆菌 H2N N O
S + CH3 COOH
O H C C O CH3 NH2 大肠杆菌
O H C C OH NH2 -氨基苯乙酸
棒状杆菌属 HOOC O O H H2 HOOC C C OH H2 C
COOH
(S)-1-羟基戊二酸
2.3.2. 醚的水解开裂 （1）
C O Cl H2 C R H2 O C C OH
COOH
Cl 4-氯苯酚
-呋喃甲酸
(4)
OH C H 乙酸杆菌属 O C
OH
O 环戊酮
(5)
CH3 CHO
CH3 假单孢菌
CHO
OH
OH 4-羟基苯甲醛
(6)
CH3 COOH
CH3 珊瑚红诺卡氏菌 N. corallina Cl
COOH
Cl 对氯苯甲酸
(7)
CH3 O C
O 棒状杆菌属
香芹酮
2.1.2 羟基化
（1）
2.4.2. 醛醇(aldol)缩合
(三种主要类型) 1）、丙酮酸缩合
O R H + O COOH R
OH O COOH
2）、丙酮酸磷酸酯缩合
在上述反应中用丙酮酸磷酸酯代替 丙酮酸作为辅助底物（co-substrate） 时，使缩合反应不可逆。
O R H + OPO3H2 COOH R OH O COOH
2.4.2. 偶姻(acyloin)缩合
偶姻缩合指两个分子的醛间缩合形成 不对称的醇酮化合物。
O + R H
H O
R R
O * OH R
（1）麻黄碱人工合成中的不对称性 生物合成
CHO + OH O COOH 酿酒酵母 葡萄糖 OH