生物轉(zhuǎn)化在天然產(chǎn)物化學(xué)中的研究進(jìn)展

生物轉(zhuǎn)化是利用生物體系或其產(chǎn)生的酶制劑對(duì)外源性化合物進(jìn)行結(jié)構(gòu)修飾的生物化學(xué)過(guò)程。就其本質(zhì)而言，生物轉(zhuǎn)化是生物體系對(duì)外源性底物的酶催化反應(yīng)[1～3]。生物轉(zhuǎn)化反應(yīng)具有高效、高選擇性、反應(yīng)清潔、產(chǎn)物單純、易分離純化、能耗低等優(yōu)點(diǎn)，符合綠色化學(xué)的要求。著名化學(xué)家Wong ChiHuey教授指出，生物轉(zhuǎn)化在天然產(chǎn)物化學(xué)中的應(yīng)用具有巨大的潛力，設(shè)計(jì)與發(fā)展適于生物轉(zhuǎn)化(酶促)反應(yīng)的新的底物和利用遺傳工程改變酶的催化性質(zhì)等都將大大利于其在制藥工業(yè)中的應(yīng)用[4]。因此，生物轉(zhuǎn)化方法已經(jīng)受到研究者的廣泛重視，并正迅速發(fā)展。

1 生物轉(zhuǎn)化中的主要反應(yīng)類型

生物轉(zhuǎn)化的反應(yīng)類型多種多樣，常見(jiàn)的反應(yīng)主要有羥基化、糖苷化、氧化還原、異構(gòu)化、甲基化、酯化、水解、環(huán)氧化以及重排等。

1.1 羥基化反應(yīng)

羥基化反應(yīng)是生物轉(zhuǎn)化中最常見(jiàn)也是最重要的一種反應(yīng)，羥基化反應(yīng)可以發(fā)生在多個(gè)位置，生成多種有意義的衍生物。自1952年微生物法合成糖皮質(zhì)激素進(jìn)入商品化生產(chǎn)以來(lái)，羥基化的生物轉(zhuǎn)化技術(shù)成為甾體藥物或其中間體合成路線中不可缺少的關(guān)鍵技術(shù)。目前腎上腺皮質(zhì)激素及其衍生物的工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)就是利用微生物及其酶系統(tǒng)對(duì)甾體化合物11α-、11β-、15α-和16α-位進(jìn)行羥基化。對(duì)于甾體化合物的生物轉(zhuǎn)化進(jìn)展，F(xiàn)ernandes等已進(jìn)行了詳細(xì)的綜述[5]。

(-)-象牙洪達(dá)木酮寧，一種吲哚型生物堿，在臨床上可用于改善大腦循環(huán)和新陳代謝，經(jīng)過(guò)生物轉(zhuǎn)化后可得到3種羥基化代謝產(chǎn)物，對(duì)這3種產(chǎn)物進(jìn)行生物學(xué)活性檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)其在氰化物中毒時(shí)均表現(xiàn)出大腦保護(hù)作用[6]。

脫氫樅酸也可以通過(guò)生物轉(zhuǎn)化的途徑制得一些有活性的物質(zhì)。1997年Tapia等[7]將脫氫樅酸在Fusariumspecies作用下，于26～28℃下培養(yǎng)7 d得到1β-羥基脫氫樅酸，將1β-羥基脫氫樅酸作用于Serratiasp.和Bacillussubtilis時(shí)，顯示良好的活性。

1.2 糖苷化反應(yīng)

糖苷化反應(yīng)常見(jiàn)于植物懸浮培養(yǎng)體系介導(dǎo)的生物轉(zhuǎn)化反應(yīng)，而在微生物體系中應(yīng)用較少。 糖苷化反應(yīng)主要有兩種：一種是羧酸和糖片段之間發(fā)生酯化反應(yīng)，另一種是羥基和糖片段之間發(fā)生糖基化反應(yīng)。糖苷化反應(yīng)可使許多外源化合物的理化性質(zhì)和生物活性發(fā)生較大的變化，例如，糖苷化反應(yīng)可將不溶性化合物轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄曰衔?，這一點(diǎn)是微生物培養(yǎng)和化學(xué)合成很難做到的。

香豆素是一類很重要的植物次級(jí)代謝產(chǎn)物，但大部分香豆素缺乏天然糖苷，水溶性差。在人參根培養(yǎng)液中，7-羥基香豆素在糖基轉(zhuǎn)移酶的作用下可轉(zhuǎn)化成糖苷[8]。

丁酸具有體外抑制腫瘤生長(zhǎng)和誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞分化的作用，但是其在哺乳動(dòng)物體系中半衰期很短，人們通過(guò)懸浮培養(yǎng)的灰葉煙草(NicotianaplumbaginifoliaViv.)細(xì)胞糖苷化得到其糖苷，半衰期大大延長(zhǎng)，有望開(kāi)發(fā)為抗癌新藥[9,10]。

1.3 醇酮的氧化還原反應(yīng)

通過(guò)植物細(xì)胞培養(yǎng)可將醇轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的酮，對(duì)于一些手性化合物的生產(chǎn)來(lái)說(shuō)，對(duì)映選擇性氧化反應(yīng)是非常有用的。如斧柏烯在木槿屬植物(Hibiscuscannabinus)培養(yǎng)細(xì)胞催化下，先脫水成烯，再氧化成酮，此反應(yīng)與Collins氧化反應(yīng)比較更符合綠色化學(xué)的要求[11]。

醛酮中的羰基也可在生物催化劑的作用下還原成相應(yīng)的醇。在煙草屬植物(Nicotianatabacum)和長(zhǎng)春花屬植物(Catharanthusroseus)細(xì)胞懸浮培養(yǎng)液作用下，樟腦醌中的羰基立體選擇性地生成相應(yīng)的α-酮醇[12]。

1.4 C=C雙鍵的還原反應(yīng)

C=C雙鍵可加氫還原成飽和的C-C鍵。長(zhǎng)變胞藻(AstasialongaPringsheim)的細(xì)胞培養(yǎng)物能夠產(chǎn)生2種烯酮還原酶，可以還原芹酮的C=C雙鍵。人們利用此反應(yīng)來(lái)研究Carvene的立體化學(xué)及作用機(jī)制[13]。

1.5 硝基還原反應(yīng)

北洋金花(DaturainnoxiaMill.)、長(zhǎng)春花(Catharanthusroseus)及Myriophyllum屬植物細(xì)胞培養(yǎng)物都能夠?qū)NT(2,4,6-Trinitrotoluene)經(jīng)過(guò)硝基還原反應(yīng)生成ADNT(2,4,6-Aminodinitrotoluene)[14，15]。

1.6 環(huán)氧化反應(yīng)

環(huán)氧化反應(yīng)可以用于具有細(xì)胞毒性的倍半萜烯的結(jié)構(gòu)修飾。莪術(shù)(Curcumazedoaria)細(xì)胞懸浮培養(yǎng)物中大根香葉酮(Germacrone)的環(huán)氧化反應(yīng)就是成功的實(shí)例之一[16]。

還有文獻(xiàn)報(bào)道，將Thujopsene加入紅麻、煙草、長(zhǎng)春花的植物細(xì)胞懸浮培養(yǎng)體系中，一部分底物發(fā)生環(huán)氧化反應(yīng)，其轉(zhuǎn)化產(chǎn)物為3-Epoxythujopsan-5-ol[17]。

1.7 酯化反應(yīng)和水解反應(yīng)

Dai等[18]應(yīng)用長(zhǎng)春花、桔梗(Platycodongrandiflorum)懸浮細(xì)胞培養(yǎng)體系對(duì)天麻素進(jìn)行生物轉(zhuǎn)化反應(yīng)研究。經(jīng)8 d培養(yǎng)生成天麻素水解后苷元——對(duì)羥基苯甲醇[19]。而與水解反應(yīng)相對(duì)，研究發(fā)現(xiàn)乙酸酯化反應(yīng)也比較容易出現(xiàn)在代謝產(chǎn)物中。在酯化反應(yīng)中，密葉辛木素(Confertifolin)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)化生成2種代謝產(chǎn)物，其中主產(chǎn)物是3β-羥基化密葉辛木素，而另一種代謝產(chǎn)物則是3β-乙酸酯化密葉辛木素。這2種產(chǎn)物很有可能是由一條代謝途徑來(lái)完成的，這一推測(cè)可能為合成有用的酯類化合物提供捷徑[20]。

1.8 成環(huán)反應(yīng)

AspergillusalliaceusUI 315是功能強(qiáng)大的微生物，它可使芳烴和烷烴羥基化以及使芳烴化合物脫烷基化。最近發(fā)現(xiàn)它還具有環(huán)化作用，能模仿植物生物合成途徑,使查耳酮分子成環(huán)生成黃酮。隨后的研究證實(shí)是一種細(xì)胞色素P450酶在行使環(huán)化功能[21]。

2 生物轉(zhuǎn)化在天然產(chǎn)物化學(xué)中的應(yīng)用

2.1 有機(jī)合成及天然產(chǎn)物結(jié)構(gòu)修飾

天然活性藥物常常因?yàn)楹康?、資源有限、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不能采用化學(xué)方法合成等缺點(diǎn)而難以開(kāi)發(fā)成新藥。生物轉(zhuǎn)化是由酶催化的化學(xué)反應(yīng)，具有位置選擇性和立體選擇性好、催化效率高、反應(yīng)條件溫和、反應(yīng)類型多、不污染環(huán)境等特點(diǎn)，因此往往應(yīng)用生物轉(zhuǎn)化方法合成有活性的天然產(chǎn)物或?qū)ふ矣谢钚缘奶烊划a(chǎn)物衍生物，易于得到結(jié)構(gòu)新穎的化合物，且避免了有機(jī)合成反應(yīng)中對(duì)其它基團(tuán)的保護(hù)與去保護(hù)，簡(jiǎn)化了合成步驟，提高了產(chǎn)物的收率，現(xiàn)已成為開(kāi)發(fā)新藥的有效途徑。

利用結(jié)構(gòu)類似物進(jìn)行生物轉(zhuǎn)化對(duì)于開(kāi)發(fā)天然活性藥物具有重要意義。1952年，Murray和Peterson首先成功用黑根霉(Rbizopusnigricans)使孕酮(黃體酮)實(shí)現(xiàn)C11羥基化，成為C11α-羥基孕酮(圖1)，成功地解決了皮質(zhì)激素類藥物合成過(guò)程中的難題，也使人們意識(shí)到用化學(xué)方法極難發(fā)生的C11羥基化，通過(guò)微生物轉(zhuǎn)化能輕而易舉地完成，從而開(kāi)創(chuàng)了微生物轉(zhuǎn)化甾體化合物的先例[22]。

圖1 C11α-羥基孕酮的合成

10-羥基喜樹(shù)堿(HCPT)，作為抗癌藥，其療效好而且毒性低。近期發(fā)現(xiàn)多種微生物能定向?qū)⒑枯^高的喜樹(shù)堿(CPT，圖2)轉(zhuǎn)化為10-羥基喜樹(shù)堿[23]。

圖2 喜樹(shù)堿的結(jié)構(gòu)式

2.2 手性藥物合成和拆分

手性藥物目前已成為國(guó)際上新藥研究的熱點(diǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在研發(fā)的1200種新藥中，有820種有手性，占世界新藥開(kāi)發(fā)的68%以上[24]。當(dāng)手性藥物進(jìn)入生命體時(shí)，對(duì)映異構(gòu)體因?yàn)楣鈱W(xué)活性不同，而具有不同的生物學(xué)活性。如鎮(zhèn)靜藥沙利度胺(又名反應(yīng)停，Thalidomide，圖3)，其(R)-對(duì)映體具有緩解妊娠的作用，(S)-對(duì)映體是一種強(qiáng)力致畸劑[25]。

圖3 沙利度胺的結(jié)構(gòu)式

生物體系中的酶具有化學(xué)選擇性、區(qū)域選擇性和對(duì)映體選擇性，因此生物轉(zhuǎn)化在不對(duì)稱合成手性藥物以及對(duì)映異構(gòu)體的拆分方面顯示出巨大的應(yīng)用潛力[26]。

2.2.1 酶法拆分手性藥物

酶法拆分是一種比較成熟的生物合成單一對(duì)映體的方法。酶的活性中心是一個(gè)不對(duì)稱環(huán)境，有利于識(shí)別消旋體，在一定條件下酶只能催化消旋體中的一個(gè)對(duì)映體發(fā)生反應(yīng)而生成不同的化合物,從而使兩個(gè)對(duì)映體分開(kāi)[27]。

熒光假單胞菌作用于外消旋體內(nèi)酰胺后，由于該菌只選擇性地水解右旋體，從而使其與左旋內(nèi)酰胺分開(kāi)，后者是抗艾滋病藥物Carbovir的中間體[28]。

2-羥基-4-苯基丁酸乙酯(R-HPBE)是合成多種ACE(血管緊張素Ⅱ轉(zhuǎn)化酶)抑制劑的重要中間體，例如合成抗高血壓藥西拉普利(Cilazapril)。用脂肪酶催化水解外消旋的HPBE，可以得到光學(xué)純的R-HPBE和S-HPBE(圖4)[29]。

圖4 酶法拆分HPBE

2.2.2 酶催化合成手性藥物

最近發(fā)展的主要是微生物或酶直接轉(zhuǎn)化,或利用氧化還原酶、合成酶、裂解酶、水解酶、羥化酶、環(huán)氧化酶等直接從前體化合物不對(duì)稱合成各種復(fù)雜的手性化合物。該法不需制備前體衍生物，可將前體 100%地轉(zhuǎn)化為手性目標(biāo)產(chǎn)物，因此具有更大的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值[27]。

普萘洛爾(心得安，圖5)是非選擇性的β-受體阻滯劑，對(duì)β1-受體和β2-受體均有阻滯作用，不僅能降低血壓，也能降低心肌收縮力和心排出量。

圖5 普萘洛爾的結(jié)構(gòu)式

研究發(fā)現(xiàn)，普萘洛爾活性主要取決于S構(gòu)型(其活性是R構(gòu)型的130倍)，將普萘洛爾進(jìn)行拆分得(S)-(-)-普萘洛爾，可降低劑量和副反應(yīng)。合成普萘洛爾的方法報(bào)道較多，利用酶催化來(lái)合成其手性前體是一種非常有效的方法[30]。Bevina等利用脂肪酶PS對(duì)外消旋的萘氧氯丙醇酯進(jìn)行水解得到(S)-(-)-1-氯-3-(1-萘氧基)-2-丙醇，最后與異丙胺縮合得(S)-(-)-普萘洛爾[31]。

卡托普利(圖6)是Bristol-Myers Squibb公司開(kāi)發(fā)的血管緊張素轉(zhuǎn)化酶抑制劑類抗高血壓藥物，臨床應(yīng)用廣泛。銅綠假單胞菌可立體選擇性氧化異丁酸得到其重要中間體(R)-2-甲基-3-羥基丙酸[32]。

圖6 卡托普利的結(jié)構(gòu)式

2.3 作為藥物代謝機(jī)制的研究模型

近年來(lái)，有人發(fā)現(xiàn)藥物的體內(nèi)代謝產(chǎn)物往往與其微生物轉(zhuǎn)化產(chǎn)物具有一定的相似性，遂提出將微生物轉(zhuǎn)化作為藥物體內(nèi)代謝的模型，從而將生物轉(zhuǎn)化技術(shù)引入到一個(gè)新的應(yīng)用領(lǐng)域。文獻(xiàn)報(bào)道華蟾毒精和蟾毒靈在大鼠肝臟的主要代謝途徑為3-OH脫氫及16-位脫乙?；磻?yīng)，與微生物轉(zhuǎn)化具有一定的相似性，例證了微生物轉(zhuǎn)化可用于制備并輔助鑒定藥物的體內(nèi)代謝產(chǎn)物。

Hufford研究組對(duì)蒿乙醚進(jìn)行微生物轉(zhuǎn)化，得到的轉(zhuǎn)化產(chǎn)物中9β-羥基蒿乙醚、9α-羥基蒿乙醚、2α-羥基蒿乙醚、14-羥基蒿乙醚也是蒿乙醚在小鼠肝細(xì)胞中的代謝產(chǎn)物。藥物的體內(nèi)代謝產(chǎn)物在生物制品中大多含量很低，且雜質(zhì)干擾嚴(yán)重，產(chǎn)物的分離純化與結(jié)構(gòu)鑒定均較困難；而微生物轉(zhuǎn)化產(chǎn)物的分離過(guò)程則相對(duì)簡(jiǎn)單，且可實(shí)現(xiàn)較大量的產(chǎn)物制備，因此可用于輔助鑒定藥物代謝的微量乃至痕量產(chǎn)物，并可大量制備以作深入的研究[33]。

2.4 闡明抑真菌藥物的耐藥機(jī)制

最近發(fā)現(xiàn)生物轉(zhuǎn)化是微生物耐受抑真菌藥物的重要脫毒機(jī)制。Aleu等發(fā)現(xiàn)Botrytiscinerea可使具有抑真菌活性的天然化合物Ginsenol和Isoprobotryan-9α-ol的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，生成羥基化產(chǎn)物，從而失去抗真菌作用。該研究成果為抑真菌藥物的研制及耐藥機(jī)制的闡明提供了新的思路。Pedras等還發(fā)現(xiàn)植物對(duì)病原性真菌的耐受亦存在著類似于生物轉(zhuǎn)化的機(jī)制。植物可使真菌產(chǎn)生的有害物質(zhì)通過(guò)糖苷化、羥基化等反應(yīng)，失去毒害作用[34]。

3 展望

生物轉(zhuǎn)化在天然產(chǎn)物化學(xué)中的應(yīng)用已取得不凡的成就，而且其工業(yè)發(fā)展?jié)摿Ψ浅＞薮蟆５悄壳吧镛D(zhuǎn)化研究的主流仍然停留在整體細(xì)胞催化水平，對(duì)轉(zhuǎn)化規(guī)律的總結(jié)、生物催化機(jī)制的闡明以及從分子水平對(duì)催化酶展開(kāi)的研究則相對(duì)薄弱得多?？上驳氖?，隨著現(xiàn)代分析技術(shù)、現(xiàn)代生物技術(shù)(尤其是分子生物學(xué)與結(jié)構(gòu)生物學(xué))的飛速發(fā)展，這些新興技術(shù)已經(jīng)開(kāi)始滲透到傳統(tǒng)的生物轉(zhuǎn)化研究中來(lái)[35]。可以預(yù)見(jiàn)，催化酶的研究將是今后生物轉(zhuǎn)化的研究熱點(diǎn)與發(fā)展趨勢(shì)；生物轉(zhuǎn)化也將與化學(xué)方法更緊密地結(jié)合。隨著技術(shù)的進(jìn)步，生物轉(zhuǎn)化將在天然藥物研究與開(kāi)發(fā)中發(fā)揮更為重要的作用。

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