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生物催化在药物合成中应用
生物催化在手性药物合成中的应用 摘 要 近年来生物催化在药物合成中的应用越来越广泛，这取决于科学工作者在实验室的潜心研究。本文综述了生物催化在药物合成中的应用，生物催化剂的优化以及生物催化的发展前景与展望。 关键词 生物催化 手性药物 生物催化剂 发展方向 生物催化(biocatalysis)也称生物转化(biotransformation，bioconversion)，指以外源性的天然或合成的有机化合物为底物，添加至处于活性状态的生物体系或酶系中，在适宜的条件下进行培养，使得底物与体系中的酶发生相互作用，从而产生结构改变，其实质是酶催化反应。生物催化反应具条件温和、高效及高选性（化学、区域及立体选择性）等特点，被认为是一种资源节约型、环境友好型技术。 在过去的几十年中，生物催化技术已经发展成为工业合成大宗化学品、医药中间体、活性药物等物质的重要工具，并有望在医药、精细化工等领域取代传统化学合成途径而成为主要的合成手段。 1 生物催化在药物合成中的应用 1.1利用生物催化对外消旋化合物进行拆分 采用生物催化方法对手性化合物的拆分主要是利用酶或微生物对外消旋化合物中的一种对映体进行选择性催化以达到拆分的目的。徐毅等利用筛选的具有环氧水解酶活力的酵母菌冻干细胞催化拆分消旋的缩水甘油萘基醚合成S-普萘洛尔，筛选到的沙雷氏杆菌在水一有机溶剂两相系统中直接催化转化高浓度的手性环氧酯底物经简单处理即可获得光学纯度99％的地尔硫卓手性前体；Sugai等用酯酶对合成昆虫信息素、α-维生素E、D3及前列腺素似物的重要中间体叔-α -苯氧酸酯进行促酯化反应，得到了2种不同的异构体；Solodenko等以青霉素酰化酶将与天然氨基酸极相似的具磷一碳键的胺基-烷基-磷酸盐的苯醋的衍生物进行拆分，得到 了2个同时具有酶抑制剂及植物生长调节剂功能的异构体。 1.2 不对称合成反应 不对称合成反应是将化学合成的前体转化为结构复杂的手性醇、酮、醛、胺、酯、酰胺等衍生物，也可将含硫、磷、氮、卤素及金属的前体转化为手性化合物。在不对称合成中引入生物催化技术愈来愈受到重视，涉及氧化还原酶、合成酶、裂解酶、水解酶、羟化酶、环氧化酶、醛缩酶等，取得了许多成就，也展示了手性化合物制备的良好前景。如以固定化大肠杆菌细胞转化延胡索酸生产￡一天冬氨酸已经是成熟技术，甾体类化合物的不对称合成也是较早的研究对象。如稳居2010年全球最畅销品牌药首位的立普妥，其化学制备方法要从手性池开始，制备出手性中间产物，再在严格条件下经过侧链添加、羟基保护和脱氢等多个步骤制得。而采用生物催化方法，用脱氧核糖-5-磷酸醛缩酶来催化连续的醇醛缩合反应，利用氨基醛和乙醛反应形成氨基内酯，随后通过常规氧化、保护和酯化形成他汀侧链。这一生物催化反应可具有较高的产量(200 g／L·d)及较高收率(90％一95％)，最重要的是具有极好的立体控制效果，ee值和de值可分别达到98％和97％。 最近有人用不同来源的乙醇脱氢酶分别对对乙烯苯乙酮进行不对称还原，同时使用NADPH辅酶循环系统，分别得到了(S)一和(尺)一对乙烯苯乙醇，这2种不同构型的异构体在苯乙烯存在下发生聚合，得到平均相对分子质量为5000～6000的多聚物，这种多聚物又可以在脂肪酶催化下和醋酸乙烯发生转移反应，在此过程中，多聚物中仅(R)一部位可以发生转移反应(如图1)，产生的新的多聚物是性能参数优良的新型材料。 ADH=乙醇脱氢酶；CALB=南极假丝酵母酯酶B 图1 芳香酮的不对称还原反应及制备酶 反应材料的光学活性单体 2 生物催化剂的优化 2.1定点突变 定点突变指通过分析研究蛋白质的三维空间结构，弄清结构与功能之间的关系后，改变蛋白质分子中个别氨基酸残基，产生具有新性状的蛋白质。由于生物催化剂的本质是酶，因此通过定点突变可以改变它的作用机制、底物特异性、辅酶特异性、立体专一性以及稳定性。已经成功地利用定点突变提高酶的热稳定性的例子有很多。Declerck等通过定点突变将淀粉酶肽链上的天(门)冬酰胺残基敲除，结果改造过的淀粉酶热稳定性大大提高。Pichia stipitis中的木糖醇脱氢酶(PsxDH)是木糖醇发酵生成乙醇的关键酶。Annalum等在PsxDH中引入一个锌结合环，然后再对锌结合环进行定点突变。结果发现，突变体比野生型的热变性温度高10．8℃，半衰期温度高20．8℃。关于酶或蛋白质的热稳定性机制还没有完全清楚。但最近一些研究表明，蛋白质对热的耐受性强可能与结构中脯氨酸、精氨酸、酪氨酸含量高，谷氨酸、半胱氨酸、丝氨酸含量低有关，此外还可能与非刚性残基、盐键和氢的存在状态有关。与热稳定性相比，通过定点突变来改变酶立体选择性的成功例子相对较少，因为突变酶的立体选择性很难预测，
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