生物转化在天然产物合成中的应用

生物转化在天然产物合成中的应用

摘要：天然产物是指动物、植物、昆虫、海洋生物和微生物体内的组成成分或其代谢产物以及人和动物体内许许多多内源性的化学成分。其中主要包括蛋白质、核酸、糖类、维生素、脂肪、油脂、蜡、生物碱、挥发油、黄酮、糖苷类、萜类、苯丙素类、有机酸、酚类、醌类、内酯、甾体化合物、抗生素类等天然存在的化学成分[1]。如今科学技术的发达使得这些物质可以通过人工合成得到，进而应用于医学，食品等诸多领域。而生物转化又以它高度的选择性、专一性、高效性等优势成为天然产物的合成中重要的方法。 关键词：天然产物；合成；生物转化；应用

1.生物转化的含义

生物转化是指利用生物体系以及它们所产生的酶对外源化合物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（位置选择性和立体选择性）、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 。近年来随着基因工程、细胞工程和酶工程技术的不断发展和完善，使得生物转化技术被广泛的应用于天然产物的合成和结构修饰、有机化合物的不对称合成、药物代谢研究、光学化合物的拆分、药物前体化合物的转化等诸多领域。下面结合天然产物的研究介绍生物转化在合成天然产物的研究中的一些应用。

2.生物转化的应用

2.1生物转化在食品研究方面的应用

近年来国际上采用性激素样物质替代疗法，特别是采用天然来源的异黄酮化合物治疗更年期综合征，取得了较大成就。因此，不少学者对其进行了广泛而深入的研究。

异黄酮类物质在自然界中分布在不同植物中，主要存在于豆科植物中，例如大豆，红三叶草和葛根中。目前研究较多的是大豆异黄酮。Hor-Gil Hur[2]等人首次从人体肠道内分离出一种严格厌氧菌—粘液真杆菌E.limosum，用以代谢天然异黄酮— 大豆苷和染料木苷。这是以红三叶草异黄酮为底物，应用E.limosum 生长过程中产生的去甲基化酶来制备植物雌素。这些代谢物通过高效液相色谱、质谱等技术得到了鉴定，证明了E.limosum将鸡豆黄素( Biochanina ) ，芒柄花黄素(Formononetin)，大豆黄素(Glycitein)分别成功的转化成了染料木黄铜(Genistein)，黄豆苷元(daidzein)，和6,7,4-三羟基异黄酮。这是首次用微生物转化法实现了红叶草异黄酮向大豆异黄酮的转化。

E.limosum作用下的去甲基化反应示意图

2.2生物转化在手性药物合成方面的应用

目前手性药物的发展非常迅速,利用微生物及其酶系作为生物催化剂,进行外消旋底物的拆分或前手性底物的不对称化,以合成手性药物的生物转化方法并生物转化在合成手性药物这一领域的应用现状已成为今后的发展趋势。

手性(Chirality)是自然界的本质属性之一。手性药物(Chiral drug)[3]是指有药理活性作用的对映纯化合物。生命体内许多内源性化合物,包括可与药物发生药动学和药效学相互作用的天然大分子都具有手性,不同手性的药物作用于生物体

时,它们所起的作用是不同的,在活性、代谢过程及毒性等方面往往存在显著差异。在化学工业中,生物转化主要用于生产光活性或手性的小分子,它们或是药物产品,或是药物中间体。合成手性药物的生物转化反应大致可分为两类:一类是把外消旋体拆分为两个光活性的对映体;另一类是从外消旋或前手性的前体出发,通过催 化反应得到不对称的光活性产物。

近年来随着酶技术的发展,利用酶的高度立体选择性进行外消旋体的拆分从而得光活性纯的化合物是得到手性药物的重要途径。二十世纪50年代中期,臭名昭著的“反应停”(Thalidomide,沙利度胺) [4]作为镇静剂用于消除孕妇早期妊娠反应,但不久就发现服用此药的孕妇生出的婴儿出现畸形,经研究发现具有镇静作用的(R)-对映体,而致畸作用是由(S)-对映体引起的。因此必须把具有手性的药物的另一异构体看作是不同的化合物,进行分别检测。近年来现代分离分析技术不断完善，再加上酶促反应的高度选择性使得具有镇静作用的R-对映体和致畸作用的S-对映体可以完全分离。

2.3生物转化在硫醇类香料合成中的应用

硫醇类化合物天然存在于各种肉类加工食品、咖啡、水果和葡萄酒等食品中,由于其独特的香味特征和低的香气阈值[6],是一类应用非常广泛的重要食用香料化合物。但很多天然存在的硫醇类香料化合物含有手性中心,不同立体异构体可能具有完全不同的香味特征[4]。而通过传统合成方法只能得到消旋体混合物。酶催化特有的立体选择性,无疑使其成为获得光学活性产物的最有效途径。另外,酶催化的方法减少了有机溶剂的使用,减轻了对环境的污染。用酶催化法来

制备香料化合物,在一定程度上满足了人们追求天然产品的心理需求。基于以上原因,酶催化法已成为获得硫醇类化合物非常具挑战性、具有很好应用前景的方法。通过β-裂合酶催化半胱氨酸加合物的裂解是目前主要的方法之一[7]。

β-裂合酶又称C-S裂合酶,或半胱氨酸加合物β-裂合酶。许多肠内细菌含有β-裂合酶,其也存在于一些植物细胞和动物细胞中。细菌中的β-裂合酶具有较大的活性范围,尤其对于S-烷基半胱氨酸加合物和S-芳基半胱氨酸加合物具有很高的活性,而植物细胞或动物细胞中的β-裂合酶活性范围则非常有限。通过β-裂合酶催化制备硫醇,一般分为两步:(1)通过非酶催化方法,将半胱氨酸与α,β-不饱和酮类化合物进行Michael加成反应,得半胱氨酸加合物。(2)用β-裂合酶催化裂解所得半胱氨酸加合物。

2.3.1 3-巯基己醛的制备

首先以E-2-己烯醛为原料,与N-乙酰基-L-半胱氨酸(20 mmol)反应,制得3-S- (N-乙酰基-L-半胱氨酸基)己醛。然后在β-裂合酶催化下进行裂解反应。研究表明:为了使裂解反应顺利进行,在反应体系中还必须同时加入酰基转移酶,以除去保护氨基的乙酰基。因为β-裂合酶催化的C-S键的裂解反应,半胱氨酸基部分游离氨基对催化反应的有效进行非常关键[7]。采用色氨酸酶或E.limosum细胞萃取物,反应产率都很低(见下表),S-构型产物占有优势,但对映选择性很低。随着底物量增多,产率下降,表明底物对酶有一定的抑制效应。

酶催化3-S-(N-乙酰基-L-半胱氨酸基)己醛裂解

酶 底物量/nmol 25 230 2500 R型产物/nmol 0.6 3.7 1.9 0.1 0.2 0.1

S型产物/nmol 1.0 10.6 12.2 0.2 0.5 0.6 产率/% 6 6 1 1 0.2 0.03 优势构型 S S S S S S 色氨酸酶 E.limosum 25 250 2500

2.3.2 3-巯基己醇的制备

以Boc保护的L-半胱氨酸为原料,与E-2-己烯醛反应,所得加合物经还原、脱保护基团得3-S-L-半胱氨酸基己醇。然后采用色氨酸酶或E.limosum细胞萃取物催化裂解。此时色氨酸酶和E.limosum细胞萃取物表现出相反的对映选择性。用色氨酸酶催化S-构型异构体占优势;而E.limosum萃取物则R-构型异构体占优势,如下表所示：

酶催化的3-S-L-半胱氨酸基己醇的裂解

酶 底物量/nmol 25 色氨酸酶 250 2500 25 E.limosum 250 2500 R型产物/nmol S型产物/nmol 7.6 14.4 7.1 5.4 18.8 29.6 6.5 27.3 16.3 1.8 5.7 8.5 产率/% 57 17 1 21 10 2 优势构型 S S S R R R 3.结束语

21 世纪，化石资源与能源的短缺和对环境的关注促进了生物催化和转化的飞速发展。同时，微生物多样性的研究，基因组学、基因工程、代谢工程的快速发展，以及现代过程工程原理和手段对生物催化和转化领域的渗透，为人类利用生物酶和合成途径来生产化学品创造了前所未有的机会。生物技术在20 世纪80 年代与90 年代分别为生物医药与农业带来了革命性的飞跃。由于巨大的社会需要和科学技术的进步，以生物催化与生物转化为主要内容的工业生物技术，将必然得到更好的发展[10]。

4. 参考文献

[1]http://baike.http://www.njliaohua.com//view/2094266.html [2] http://baike.http://www.njliaohua.com//view/108615.htm

[3]赵丙勇,杨永红,王东,等.生物转化及其在药物合成上的应用[J].云南农业大学学报,2006,21(6):765-769.

[4]Hor-GilHur, FatemehRafii. Biotransformation of the is of lavender biochemical, formononetin, and glycitein by Eupatorium limo sum[J].FEMS Microbiology Letters,2000,192:21-25.

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[10]欧阳平凯,林章凛.工业生物转化过程[M].北京:化学工业出版社,2005.

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