氮雜環(huán)烴的微生物轉(zhuǎn)化及其在藥物合成中的潛在應用

(青島科技大學，山東 青島 266042)

?綜述與述評?

氮雜環(huán)烴的微生物轉(zhuǎn)化及其在藥物合成中的潛在應用

王美玲

(青島科技大學，山東 青島 266042)

吡啶、喹啉、吖啶、吲哚、咔唑及其他含氮雜環(huán)化合物(氮雜環(huán)烴)可以被細菌及真菌的培養(yǎng)物轉(zhuǎn)化，產(chǎn)生具有生物活性的多種代謝衍生產(chǎn)物。在很多情況下，微生物的生物轉(zhuǎn)化過程具有區(qū)域選擇性和立體選擇性，因此轉(zhuǎn)化產(chǎn)物在新候選藥合成方面具有很大潛力。本文綜述了氨雜環(huán)烴的轉(zhuǎn)達化技術(shù)進展。

氮雜環(huán)烴；生物轉(zhuǎn)化；藥物；雜環(huán)化合物；藥理學

有機化合物的微生物轉(zhuǎn)化在合成藥物方面有著重要的實際應用。許多用化學方法難以合成的化合物可通過微生物技術(shù)轉(zhuǎn)化合成[1]，因此在藥物合成過程中經(jīng)常要用到生物轉(zhuǎn)化合成技術(shù)。人們已經(jīng)成功利用許多細菌和真菌的培養(yǎng)物來進行氮雜環(huán)烴的微生物轉(zhuǎn)化[2]。參與氮雜環(huán)烴羥基化反應的酶包括萘1,2-雙加氧酶、喹哪啶4-氧化酶、咔唑1,9 a-雙加氧酶、聯(lián)苯2,3-雙加氧酶和甲苯雙加氧酶。細菌醛氧化酶類和細胞色素P450 可能把氮雜環(huán)烴轉(zhuǎn)化為內(nèi)酰胺。真菌也可能產(chǎn)生細胞色素P450把 氮雜環(huán)烴轉(zhuǎn)化為內(nèi)酰胺，一些真菌如Beauveria bassiana、 Aspergillus spp.、Cunninghamella spp.等，由于它們能合成區(qū)域特異性及立體特異性催化的酶，因此在藥物的生物轉(zhuǎn)化中具有重要應用。本文綜述的目的是概述一些可以利用細菌和真菌進行氮雜環(huán)烴生物轉(zhuǎn)化的主要類型，用作轉(zhuǎn)化其他雜環(huán)化合物以生產(chǎn)藥物中間體的模型。

1 單環(huán)氮雜環(huán)烴的轉(zhuǎn)化

1.1嘧啶和烷基吡啶衍生物

在高活性化合物如異煙肼、乙硫異煙胺、丙硫異煙胺，很多抗菌藥物、抗癌藥物、抗瘧疾藥物，治療骨疾病的二磷酸藥物中均有嘧啶環(huán)。吡啶及其衍生物的轉(zhuǎn)化主要是由土壤細菌來進行的。Rhodococcus opacus可以把嘧啶脫氫生成2-羥基吡啶和2,6-二羥基吡啶；Arthrobacter crystallopoietes可以把嘧啶脫氫生成3-羥基吡啶和2,3-二羥基吡啶；Agrobacterium sp.可以把4-羥基吡啶轉(zhuǎn)化為3,4-二羥基吡啶；3-甲基嘧啶中的甲基可以被Pseudomonas putida氧化為吡啶-3-甲酸 。

一些真菌和細菌不僅可以轉(zhuǎn)化單烷基還可以轉(zhuǎn)化雙烷基嘧啶。比如，B. bassiana培養(yǎng)物可以羥基化2,6-雙甲基嘧啶生成2-羥甲基-6-甲基嘧啶，同時生成微量的2,6-二羥甲基嘧啶。另一種真菌Exophiala dermatitidis可以把2,6-雙甲基嘧啶轉(zhuǎn)化為6-甲基嘧啶-2-羧酸。B. bassiana可以把2,5-雙甲基嘧啶轉(zhuǎn)化為3-羥甲基-6-甲基嘧啶和2-羥甲基-5-甲基嘧啶的混合物。

1.2吡嗪及烷基吡嗪

吡嗪的衍生物烷基吡嗪是治療結(jié)核病的重要前體藥物[3]。吡嗪經(jīng)由細菌Rhodopseudomonas palustris的羧基化作用產(chǎn)生吡嗪酸；2,5-二甲基吡嗪經(jīng)P.putida氧化作用生成5-甲基吡嗪-2-羧酸。2，3，6-三甲基吡嗪也可被P.putida催化氧化。

1.3吡咯和烷基吡咯

吡咯衍生物包括一些抑制淋巴細胞特異性激酶活性的物質(zhì)[4]和其他正在測試的抗結(jié)核藥物[5]。Bacillus megaterium已經(jīng)被用于把吡咯經(jīng)由羧化作用轉(zhuǎn)化為吡咯-2-羧酸 。另外，2,5-二甲基吡咯中的2-甲基可以被P. putida所氧化。吡唑的衍生物克霉唑是一種烷基吡唑，可以作為殺真菌劑，但它也有抗瘧活性；其他唑可能有抗抑郁或單胺氧化酶抑制活性[6]。3,5-二甲基吡唑可以經(jīng)P. putida被氧化為5-甲基吡唑-3 -羧酸。

1.4嘧啶與嘌呤

關(guān)于嘧啶和嘌呤的微生物轉(zhuǎn)化的文獻有很多。在嘧啶降解過程中，胞嘧啶脫氨基變?yōu)槟蜞奏?，然后氧化為巴比妥酸或還原為二氫尿嘧啶；胸腺嘧啶被氧化5-甲基巴比妥酸或還原為二氫胞嘧啶。在嘌呤降解過程中，腺嘌呤脫氨基變?yōu)榇吸S嘌呤，然后經(jīng)6,8-二氫嘌呤或黃嘌呤氧化為尿酸;鳥嘌呤脫氨基變?yōu)辄S嘌呤，然后氧化為尿酸。

2 喹啉、烷基喹啉(含奎寧)和異喹啉的轉(zhuǎn)化

2.1喹啉

許多喹啉衍生物可以作為防治瘧疾[7]、治療肺結(jié)核[8]或止痛[9]的藥物。Moraxella sp.，Nocardia sp.，Pseudomonas diminuta及Bacillus circulans可以把喹啉氧化為2-喹啉酮和6-羥基-2-喹啉酮。Rhodococcus sp.不僅可以把喹啉轉(zhuǎn)化為2-喹啉酮和6-羥基-2-喹啉酮，還可以轉(zhuǎn)化為5-羥基-6-(3-羰基-3-丙烯基)-2-喹啉和吡喃酮-2-one-(3，2b)-6-喹啉。在無氧條件下Desulfobacterium indolicum可以把喹啉羥化生成2-喹啉酮，再生成3,4-二羥基-2喹啉酮。來自Arthrobacter sp.的喹啉4-氧化酶可把喹啉氧化為4-羥基喹啉。真菌Cunninghamella elegans可以把喹啉氧化為N-氧化物。

2.2烷基喹啉(包括奎寧)

來自Arthrobacter sp.的喹啉4-氧化酶可以把2-甲基喹啉氧化為2-甲基-4-喹啉。Cunninghamella elegans可以把6-甲基喹啉轉(zhuǎn)化為6-羥甲基喹啉、喹啉-6-羧酸和6-甲基喹啉-N-氧化物。真菌Xylaria sp.可以分別把奎寧、奎尼丁、金雞納啶和辛克寧轉(zhuǎn)化為相應的1-N-氧化物[10]。

伯氨喹是喹啉的合成衍生物，酵母菌Candida tropicalis在13 d內(nèi)可以把伯氨喹轉(zhuǎn)化為兩個代謝產(chǎn)物，包括伯氨喹N-乙酰-泰特和少量的帶有亞甲基橋的伯氨喹二聚體。細菌Streptomyces rimosus也可以把伯氨喹催化為乙酰化衍生物，但它產(chǎn)生的二聚體缺乏亞甲基橋。

2.3異喹啉

Pseudomonas putida可以把異喹啉轉(zhuǎn)換為1-異喹啉酮cis-5,6 或cis- 7,8-二氫化二醇和4 -、 5 -、8-羥基異喹啉。異喹啉也可以被其他細菌及Arthrobacter sp.的喹哪啶4-氧化酶氧化為1-異喹啉酮。Cunninghamella elegans在7 d內(nèi)可以把異喹啉氧化為異喹啉N-氧化物。

3 苯并二嗪的轉(zhuǎn)化

3.1喹喔啉

喹喔啉可以通過P.putida轉(zhuǎn)換為2-喹喔啉酮、喹喔啉cis-5,6-二氫化二醇和5-羥喹喔啉。Streptomyces badius可以把喹喔啉轉(zhuǎn)化為3,4-二羥基-2-喹喔啉酮和2-喹喔啉酮。S. viridosporus可以把喹喔啉轉(zhuǎn)化為1-甲基-2-喹喔啉酮和2-喹喔啉酮。

3.2喹唑啉

喹唑啉可經(jīng)Pseudomonas putida轉(zhuǎn)化為4-喹唑啉酮、喹唑啉cis- 5,6-二氫化二醇、5,6,7,8-四氫喹唑啉-cis-5，6-二醇。它可以被來自Arthrobacter sp.的喹哪啶4-氧化酶氧化為4-喹唑啉酮，然后進一步被S.viridosporus氧化為2,4-喹唑啉二酮。真菌Aspergillus niger可把喹唑啉氧化為4-喹唑啉酮和2,4-喹唑啉二酮(產(chǎn)率4%)[11]。

3.3噌啉

噌啉可以被來自Arthrobacter sp.的喹哪啶4-氧化酶氧化生成4-噌啉酮。相比之下，Cunninghamella elegans和Aspergillus niger可以把它氧化為兩種可能的N-氧化物，即1-型氧化物和2-型氧化物。

3.4酞嗪

酞嗪可以被來自Arthrobacter sp.的喹哪啶4-氧化酶氧化為1-酞嗪酮，也可以被S.viridosporus全細胞催化。真菌Fusarium verticillioides 和A. niger也可以把酞嗪氧化為1-酞嗪酮，但Cunninghamella elegans可以把它氧化為酞嗪N-氧化物。

4 苯并喹啉的轉(zhuǎn)化過程

4.1吖啶

利用C. elegans轉(zhuǎn)化吖啶可以生成吖啶trans-1,2-二氫化二醇，伴隨有微量的2-羥基吖啶。Sphingomonas sp.經(jīng)過代謝把吖啶轉(zhuǎn)化為吖啶-9-one[12]。Mycobacterium vanbaalenii生長細胞在7 d的周期內(nèi)可以把吖啶轉(zhuǎn)化為四種代謝物:吖啶cis-1,2-二氫化二醇(產(chǎn)率1.1%)，4-羥基吖啶(產(chǎn)率5.4%)，吖啶-9-one(產(chǎn)率1.1%)和9，10-二氫吖啶(產(chǎn)率55.2%)[13]。

4.2菲啶

菲啶經(jīng)Streptomyces viridosporus的作用可轉(zhuǎn)化為菲啶-6-one。真菌Umbelopsis ramanniana可以把菲啶轉(zhuǎn)化為菲啶-N-氧化物和菲啶-6-one[14]。菲啶可以被Mycobacterium gilvum轉(zhuǎn)化為苯并喹啉-2-one而降解[15]。U. ramanniana則可以把菲啶轉(zhuǎn)化為trans-7,8-二氫化二醇N-氧化物 7-羥基菲啶。

5 吩嗪和吩噻嗪的轉(zhuǎn)化過程

5.1吩嗪

吩嗪-1-甲酰胺在Aspergillus sclerotiorum培養(yǎng)物的作用下經(jīng)吩嗪-1-羧酸可以轉(zhuǎn)化為3-羥基吩嗪-1-羧酸。

5.2吩噻嗪

吩噻嗪經(jīng)Cunninghamella elegans培養(yǎng)物的作用可以轉(zhuǎn)化為兩種代謝物：3-羥基吩噻嗪亞砜和吩噻嗪亞砜。C.Verticillata可轉(zhuǎn)化N-乙酰吩噻嗪72 h內(nèi)生成五種代謝物:中間物吩噻嗪，吩噻嗪亞砜(產(chǎn)率5%)，N-乙酰吩噻嗪亞砜(產(chǎn)率17%)，吩噻嗪-3-one(產(chǎn)率4%)及吩噻嗪-N-葡糖苷[16]。

6 吲哚、咔唑和咔啉的轉(zhuǎn)化過程

6.1吲哚

多種細菌可以經(jīng)過不同的途徑轉(zhuǎn)化吲哚。來自Pseudomonas putida的萘-1,2-雙加氧酶可以把吲哚氧化為吲哚cis-2,3-二氫化二醇，之后可以自發(fā)脫水生成3-羥基吲哚，然后在空氣中氧化為靛藍。Aspergillus niger可以把吲哚轉(zhuǎn)化為吲哚酚中間物，然后除去雜環(huán)產(chǎn)生N-Formylanthranilic acid。真菌Pleurotus ostreatus 可以經(jīng)靛紅降解吲哚[17]。麥角真菌Claviceps purpurea可以轉(zhuǎn)化吲哚-3-乙酸，主要產(chǎn)物是5-羥基吲哚-3-乙酸。在利用Beauveria bassiana轉(zhuǎn)化3-吲哚氨基苯乙腈時，主要產(chǎn)物為3-甲基吲哚，在13 d內(nèi)產(chǎn)率為46%[18]。色氨酸經(jīng)A.niger的轉(zhuǎn)化作用后變?yōu)?-羥基吲哚-3-乙酰胺，13 d內(nèi)產(chǎn)率為24%。

6.2咔唑

許多細菌都可代謝咔唑產(chǎn)生cis-二氫化二醇，通常是在一個碳上進行類似萘的氧化作用或角雙氧化作用[19]。第一種方法是咔唑首先經(jīng)Pseudomonas sp.的萘-1,2雙加氧酶和Sphingomonas yanoikuyae B8/36的聯(lián)苯2,3雙加氧酶作用，在兩種細菌中生成cis-二氫化二醇，然后再產(chǎn)生3-羥基咔唑。第二種方法是Pseudomonas resinovorans、Pseudomonas sp.以及Nocardioides aromaticivorans把咔唑經(jīng)角雙氧化作用轉(zhuǎn)化為鄰氨基苯甲酸、2-羥基-2,4-二酸。Pseudomonas sp.和Flavobacterium sp.可通過某種未知途徑把咔唑轉(zhuǎn)化為吲哚-3-乙酸及其他開環(huán)產(chǎn)物。通過其他途徑Ralstonia sp.可把咔唑氧化為1-，3-及9-羥基咔唑及3-羥基-1,2,3,9-四羥基咔唑-4-one[20]。Aspergillus flavus可以把咔唑轉(zhuǎn)化為主產(chǎn)物3-羥基咔唑及少量的1-羥基咔唑和2-羥基咔唑。

6.3咔啉

Streptomyces lavendulae 和S. griseus可以羥基化乙基-β-咔啉-3-羧基(帶有側(cè)鏈R=C2H5或C3H7)的4-乙基和4-n-丙基衍生物。Penicillium simplicissimum可以轉(zhuǎn)化抗組胺劑2,3,4,5-四羥基-2,8-二甲基-5-(2-(6-甲基-3-氮苯基)甲基)-吡啶駢吲哚，生成2,3-脫氫衍生物及4-乙基、5-羧基、2,3-脫氫衍生物。在2,3-脫氫衍生物中，如果經(jīng)過4N-脫甲基或5-位氧化作用，就會生成4-乙酰、5-羧基、2,3-雙脫氫衍生物，然在在γ-咔啉4N位上可以發(fā)生乙?；?。

7結(jié)論

許多包含氮雜環(huán)結(jié)構(gòu)的藥物，尤其是吡啶、喹啉、吖啶、吲哚等已從天然產(chǎn)物中分離出來或已經(jīng)人工合成。在本文中回顧的微生物轉(zhuǎn)化方法中，最吸引人的地方是可以生產(chǎn)出區(qū)域特異性及立體特異性的雜環(huán)氮衍生物，從而開發(fā)候選藥物，同樣羧基化的雜環(huán)氮衍生物也可能實現(xiàn)相同目的。也許在未來可以利用微生物技術(shù)生產(chǎn)新的雜環(huán)衍生物，從而獲得具有新奇和意料之外治療特性的藥物。

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MicrobialTransformationofAzaarenesandItsPotentialApplicationinPharmaceuticalSynthesis

WANGMei-ling

(Qingdao Univeisity of Science and Technology,Qingdao 266042,china)

Pyridine,quinoline,acridine,indole,carbazole,and other heterocyclic nitrogen-containing compounds(azaarenes) can be transformed by cultures of bacteria and fungi to produce a variety of new derivatives,many of which have biological activity.In many cases,the microbial biotransformation processes are region and stereo selective so that the transformation products may be useful for the synthesis of new candidate drugs,the transformation technology progress of azaarenes are summarized.

azaarenes；biotransformation；drugs；heterocyclic compounds；pharmacology

2014-05-24

國家自然科學基金資助項目(21376129)

王美玲(1990-)，女，碩士研究生，研究主向：生物制藥，E-mail：wangmeilingWF@163.com。

TQ464.8

A

1003-3467(2014)08-0017-04