甾体化合物的微生物转化分析解析
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甾体化合物的生物转化
甾体化合物的生物酶法结构改造
O
O
孕酮
根霉菌
O HO
O
11-羟基孕酮
O
HO
OH
O
皮质醇
O OH
O
OH
O
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（位置 选择性 regio-selectivity 和立体选择性 stereo-selectivity）、 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。
COOH O -呋喃甲酸
(4)
OH
O
C
C
H
乙酸杆菌属
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
O
O
孕酮
根霉菌
O HO
O
11-羟基孕酮
O
HO
OH
O
皮质醇
O OH
O
OH
O
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（位置 选择性 regio-selectivity 和立体选择性 stereo-selectivity）、 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。
COOH O -呋喃甲酸
(4)
OH
O
C
C
H
乙酸杆菌属
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
基于甾醇为底物微生物法合成甾体类化合物的研究
3 基于甾醇原料的甾醇酯3.1 甾醇酯功效缩减胆固醇价值是甾醇酯的根源,然后察觉甾醇酯可以缓解心血管发病情况、抵抗炎症、抗癌等作用,所以尽全力研发此类能源。
甾醇酯的应用比甾体类药物晚,在食品和保健品界使用最为频繁。
甾醇酯是利用蒸馏技术和结晶技术从油脂加工副产物中提炼出来,就好比可以从谷物油脂的皂脚、脱臭馏出物中提炼谷甾醇阿魏酸酯和环木菠萝醇阿魏酸酯等物质,谷维素是环木菠萝醇阿魏酸酯的重要成为。
提炼出天然甾醇酯能源还不能满足市场要求,所以我国应加大甾醇酯合成技术的研发力度。
3.2 典型合成研究由于一般情况下微生物法的反应底物是一种混合的由加工油脂的副产物中获得的植物甾醇,因此众多学者把酶完善和挑选脂肪酸作为探索的核心,但是在混合植物甾醇中每个个体所具备的反应条件都有自己独特的风格,因此就对合成甾醇酯的效率起到较大的阻碍作用,因此许多学者都在大力的推崇这种制备过程中单纯的以甾醇为原材料的合成的技术。
近几年,我国科学技术的不断发展与创新,进一步提升了单独的甾醇相分离的技术,如β-谷甾醇的相关的工业化生产的目标已经达到,因此该技术在相关领域内得到了广泛的应用。
另外,应该从酶的使用方面入手对合成甾醇酯微生物的重要环节进行分析,而且在其合成方面还和酶的反应体系及存在形式之间的关系非常重要,所以应该以固定化酶作为重点研究的内容。
4 结语总之,当前在食品、药品、保健品等领域都对甾体类化合物进行了大量的应用,按照其所发挥的功用又包括甾体类药物和功效食品,该类药物的功用只比抗生素类的药物低,而这类的功效食品主要包含甾醇酯,因此也人们普遍欢迎。
以往想要合成该类的化合物会涉及到许多流程,并且反应的条件要求也非常严格,同时还会加重其污染的几率,因此微生物法以更加优良的性能取而代之,促使其稀缺的植物皂素资源的合成材料转变为油脂加工的丰富的甾醇副产物。
参考文献：[1]刘夺,张莹,周晓.合成生物技术生产甾体激素中间体的研究展望[J].生命科学,2013,(10):958-961.[2]韦萍,于敏,任立伟.植物甾醇酯制备方法的研究[J].食品与药品,2015,(1):1-5.[3]么婷婷,辛嘉英,王艳.植物甾醇酯的酶法合成[J].化学工程师,2016,(9):4-9.作者简介：李超（1981-），男，满族，河北承德市人，丰宁满族自治县大阁镇学士工程师，研究方向：制药工程。
甾类激素药物的生产
黑根霉
CH3 C O HO
Rhizopus Nigricans ATCC 62276
O
O
新月弯孢霉（Curvularoa lunata）能将 Reichstein S化合物（简称化合物S， Compound S）一步转化成氢化可的松
CH2OH C O
CH2OH HO
新月弯孢霉
C O OH
O
化合物S
工业上通过生物技术来控制微生物选择性地 降解甾体边链以获得甾类药物的前体物。
生物技术控制途径
① 通过底物-甾体结构的修饰； ② 在微生物降解过程中加酶抑制剂； ③ 通过诱变技术获得生化阻断突变菌株。
甾体激素 的生产工艺过程
甾体的微生物转化和一般的氨基酸、抗生 素的生产不同 发酵的产物不是目的产物，而只是利用微 生物的酶对甾体底物的某一部位进行特定 的化学反应来获得一定的产物。
发酵：将玉米浆、酵母膏、硫酸铵、葡萄 糖及水投入发酵罐中搅拌，用氢氧化钠溶 液调整物料pH值到5.7～6.3，加入0.03%豆 油，灭菌温度120℃，通入无菌空气，降温 至27～28℃，接入犁头霉孢子悬浮液，维 持罐压0.6kg/cm2，控制排气量，通气搅拌 发酵28～32小时。用氢氧化钠溶液调pH值 到5.5～6.0
甾体上羟化对化学合成而言是非常困难的， 除了C17位上通过化学方法能导入羟基外， 其它位置很难导入。
通过微生物羟化酶能非常专一地选择某个 碳位置上将某空间位置上的氢取代氧化成 原来空间构型的羟基。
如孕酮的转化中，利用黑根霉在温度不超 过320C时成功地实现了C11α羟基化反应。
CH3 C O
适宜的发酵条件主要包括
（1）搅拌 搅拌可增加传质和传热，可以增加培 养基的氧气供给，使氧气均匀分散而提高转化率。 （2）通气 可直接增加氧气的供给。有研究表明， 溶解氧量对诱导酶产生非常重要。 （3）前体半连续的加入 可以降低由于一次大量 加入所引起的毒性，也可减少由于发泡所引起前 体的损失。
CH3 C O HO
Rhizopus Nigricans ATCC 62276
O
O
新月弯孢霉（Curvularoa lunata）能将 Reichstein S化合物（简称化合物S， Compound S）一步转化成氢化可的松
CH2OH C O
CH2OH HO
新月弯孢霉
C O OH
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化合物S
工业上通过生物技术来控制微生物选择性地 降解甾体边链以获得甾类药物的前体物。
生物技术控制途径
① 通过底物-甾体结构的修饰； ② 在微生物降解过程中加酶抑制剂； ③ 通过诱变技术获得生化阻断突变菌株。
甾体激素 的生产工艺过程
甾体的微生物转化和一般的氨基酸、抗生 素的生产不同 发酵的产物不是目的产物，而只是利用微 生物的酶对甾体底物的某一部位进行特定 的化学反应来获得一定的产物。
发酵：将玉米浆、酵母膏、硫酸铵、葡萄 糖及水投入发酵罐中搅拌，用氢氧化钠溶 液调整物料pH值到5.7～6.3，加入0.03%豆 油，灭菌温度120℃，通入无菌空气，降温 至27～28℃，接入犁头霉孢子悬浮液，维 持罐压0.6kg/cm2，控制排气量，通气搅拌 发酵28～32小时。用氢氧化钠溶液调pH值 到5.5～6.0
甾体上羟化对化学合成而言是非常困难的， 除了C17位上通过化学方法能导入羟基外， 其它位置很难导入。
通过微生物羟化酶能非常专一地选择某个 碳位置上将某空间位置上的氢取代氧化成 原来空间构型的羟基。
如孕酮的转化中，利用黑根霉在温度不超 过320C时成功地实现了C11α羟基化反应。
CH3 C O
适宜的发酵条件主要包括
（1）搅拌 搅拌可增加传质和传热，可以增加培 养基的氧气供给，使氧气均匀分散而提高转化率。 （2）通气 可直接增加氧气的供给。有研究表明， 溶解氧量对诱导酶产生非常重要。 （3）前体半连续的加入 可以降低由于一次大量 加入所引起的毒性，也可减少由于发泡所引起前 体的损失。
甾体微生物转化C_11_羟基化的研究进展
物, 且 C11 羟基化产物占优势, 目标产物 C11 羟基
化物的含量较低。在这一过程中, 最有效的甾体 C11 羟基化菌是新月弯孢霉( Curvularia lunata) VKM F
644 和 VNICFI 两株菌, 它们对 RS 和 RSA 呈现了最 高的 C11 羟基化活性, 积累的转化产物量达到 50% ( RS 为底物) ; HC 与副产物 14 羟基 RS 的数量比在 2!1~ 2 5!1 的范围内; 对 RSA 的转化过程, 这两株 菌均 能 生 成 C11 羟 基 化 产 物 HC, 数 量 分 数 为
37 5% , 副产物 14 羟基 RS 为 25% , 主副产物之比 为 1 5!1; 尚存留 20% ~ 25% 的底物 RSA。可见, 以 RSA 作为转化产物, 都要经菌丝培养物的脱乙酰化 ( 水解) 生成 RS, RS 再被液体菌丝培养物的 C11 羟化
酶系催化生成相应的甾体羟化产物, 即目标产物 HC 和副产物 14 羟基 RS。
进行了研究, 也表明新月弯孢霉 C11 羟基化的转化 能力[ 14] 。曾本秀等对新月弯孢霉对甾体 C11 羟基 化的研究也作了部分研究工作, 对菌丝体的培养、底 物的添加浓度及时间、转化条件等进行了一些试验 研究[ 15] 。本实验室通过对新月弯孢霉 AS3 4381 菌 株的选择, 发酵工艺的改进, 提高了投料浓度及总甾 体量的回收率, HC 产率较现有的蓝色犁头霉显著提 高, 有望投入工业化开发[ 6 7] 。
羟基化的研究进展及应用作一评述。
1 甾体 C11 羟基化生物化学反应的机理
甾体的羟化酶都是细胞色素 P450 依赖型单加氧 酶, 是 P450 末端氧化酶, 其利用分子氧而且需要一个 NADPH 提供 电子 转移 系统。RH + O2 + NADPH + H+ ROH+ H2O + NADP+ 。
化物的含量较低。在这一过程中, 最有效的甾体 C11 羟基化菌是新月弯孢霉( Curvularia lunata) VKM F
644 和 VNICFI 两株菌, 它们对 RS 和 RSA 呈现了最 高的 C11 羟基化活性, 积累的转化产物量达到 50% ( RS 为底物) ; HC 与副产物 14 羟基 RS 的数量比在 2!1~ 2 5!1 的范围内; 对 RSA 的转化过程, 这两株 菌均 能 生 成 C11 羟 基 化 产 物 HC, 数 量 分 数 为
37 5% , 副产物 14 羟基 RS 为 25% , 主副产物之比 为 1 5!1; 尚存留 20% ~ 25% 的底物 RSA。可见, 以 RSA 作为转化产物, 都要经菌丝培养物的脱乙酰化 ( 水解) 生成 RS, RS 再被液体菌丝培养物的 C11 羟化
酶系催化生成相应的甾体羟化产物, 即目标产物 HC 和副产物 14 羟基 RS。
进行了研究, 也表明新月弯孢霉 C11 羟基化的转化 能力[ 14] 。曾本秀等对新月弯孢霉对甾体 C11 羟基 化的研究也作了部分研究工作, 对菌丝体的培养、底 物的添加浓度及时间、转化条件等进行了一些试验 研究[ 15] 。本实验室通过对新月弯孢霉 AS3 4381 菌 株的选择, 发酵工艺的改进, 提高了投料浓度及总甾 体量的回收率, HC 产率较现有的蓝色犁头霉显著提 高, 有望投入工业化开发[ 6 7] 。
羟基化的研究进展及应用作一评述。
1 甾体 C11 羟基化生物化学反应的机理
甾体的羟化酶都是细胞色素 P450 依赖型单加氧 酶, 是 P450 末端氧化酶, 其利用分子氧而且需要一个 NADPH 提供 电子 转移 系统。RH + O2 + NADPH + H+ ROH+ H2O + NADP+ 。
甾体类化合物生物转化的研究进展
ｓ ｕ ｍｍ ａ ｒ ｉ ｚ ｅ ｄ ｔ ｏ ５ ｔ ｙｐ ｅ ｓ ，ｈｙ ｄ ｒ ｏｘ ｙｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ， ｃ ａ ｒ ｂｏ ｎｙ ｌ ａ ｔ ｉ ｏｎ， ｈｙ ｄｒ ｏ ｇ ｅ ｎａ ｔ ｉ ｏ ｎ， ｄ ｅ ｈｙ ｄ ｒ ｏｇ ｅ ｎ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ，Ｂａ ｅ ｙ ｅ ｒ — Ｖｉ ｌ ｌ ｉ ｇ ｅ ｒ ｏ ｘｉ ｄ ａ ｔ ｉ ｏｎ ａ ｎｄ ｂｒ ｏ ｍｉ ｎａ ｔ ｉ ｏ ｎ．Ｒｅ ｌ ｅ ｖ ａ ｎ ｔ ｅ ｘ ａ ｍｐｌ ｅ ｓ ａ ｎ ｄ ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ｐ ｒ ｏｇ ｒ ｅ ｓ ｓ ｏｆ ｈｉ ｏ ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｆ ｏｒ ｍａ ｔ ｉ ｏｎ ａ ｒ ｅ ｅ ｌ ａ ｂ ｏｒ ａ ｔ ｅ ｄ，ｗｈｉ ｃ ｈ ｐ ｌ ａ ｙ ｓ ａ ｎ ｉ ｍｐ ｏｒ ｔ ａ ｎｔ ｒ ｏ ｌ ｅ ｉ ｎ ｓ ｔ ｒ ｕｃ ｔ ｕｒ ａ ｌ ｍｏｄ ｉ ｆ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｓ ｔ ｅ ｒ ｏｉ ｄｓ ａ ｎｄ ｐ ｒ ｏ ｖｉ ｄ ｓ
Ｔｈｉ ｓ ｒ ｅ ｖ ｉ ｅ ｗ ｍａ ｉ ｎｌ ｙ ｆ ｏ ｃ ｕｓ ｅ ｓ ｏ ｎ ｂｉ ｏ ｔ ｒ ａ ｎｓ ｆ ｏ ｒ ｍａ ｔ ｉ ｏｎ ｏ ｆ ｓ ｔ ｅ ｒ ｏｉ ｄ ｓ ｉ ｎ ｔ ｈｅ ｐａ ｓ ｔ ５ ｙ ｅ ａ ｒ ｓ ． Ｏｎ ｔ ｈｅ ｂａ ｓ ｉ ｓ ｏｆ
第４ ３卷 第 ５期 ２ ０ １ ５年 １ Ｏ月
浙 江 工 业 大 学 学 报
ｊ ｏＵＲＮＡＬ ＯＦ Ｚ ＨＥ Ｊ Ｉ ＡＮＧ ＵＮＩ ＶＥ ＲＳ Ｉ ＴＹ ＯＦ ＴＥ ＣＨＮＯＬＯＧＹ
Ｖｏ １ ． ４３ Ｎｏ ．５
０ｃ ｔ ．２ Ｏ１ ５
甾体类 化合 物生 物 转 化 的研 究 进 展
ｅ ｎｚ ｙ ｍｅ ｓ ｓ ｙｓ ｔ ｅ ｍｓ ｉ ｎ ｏ ｒ ｇ ａ ｎ ｉ ｓ ｍ ａ ｎ ｄ ａ ｃ ｃ ｏ ｍ ｐｌ ｉ ｓ ｈ ｓ ｏｍ ｅ ｒ ｅ ａ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎｓ ｔ ｈａ ｔ ｏ ｒ ｇ ａ ｎ ｉ ｃ ｓ ｙ ｎｔ ｈ ｅ ｓ ｉ ｓ ｃ ａ ｎ ｎｏ ｔ
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第４ ３卷 第 ５期 ２ ０ １ ５年 １ Ｏ月
浙 江 工 业 大 学 学 报
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Ｖｏ １ ． ４３ Ｎｏ ．５
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甾体类 化合 物生 物 转 化 的研 究 进 展
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甾体类化合物及药物的酶催化合成
工酶的问题
微生物酶促转化制备甾体药物
微生物酶促转化植物甾醇 制造的甾体类药物的重要中间体 AD， ADD，9a-OHAD，HBC
甾体药物微生物酶促转化的主要反应
立体选择性羟基化
酮基不对称还原
区域选择性脱氢
微生物酶促转化的立体选择性羟化
11β、11α、9α、7β ，19, 25位 进行羟基化后产物价值大幅度提升
初创阶段 1940之前
动物组织中分离
起步阶段 1940-1960
化学合成及薯蓣皂素-双烯”半合成体系
成熟阶段 1960-1980
薯蓣皂素产量提升，半合成工业体系随之成熟
转型升级阶段 1980-now
微生物转化植物甾醇取代薯蓣皂素，
微生物细胞转化植物甾醇的代谢途径
植物甾醇的微生物天然代谢途径最终生成 丙酰CoA和丙酸盐 改造微生物代谢途径后可以制备 甾体重要中间体 AD， ADD，9a-OHAD，HBC
甾体从头合成细胞工厂的创建与优化
酶系
3-酮基 甾体-Δ1-脱氢酶（ Rieske 型7（8）位脱氢酶
微生物酶促转化区域选择性脱氢 目前的问题及对策
1. 脱氢后的化合物极易被宿主细胞中的酶进一步代谢消耗 对策：敲除宿主后续代谢相关酶系，积累产物
2. 异源表达难度较大 对策：MBP融合表达，调整表达宿主（昆虫系统表达）
3. 羟化酶系选择性和活性较低 对策： 蛋白质工程改造提高区位选择性及活力
4.羟化酶还原酶未知或电子传递效率较低 对策： 在原菌株中进行高效表达
微生物酶促转化的酮基还原
区域选择性脱氢概述
脱氢位置 3 17 3,7,12
产物 黄体酮， 雌二醇 胆酸类
酶系 3-HSD 17-HSD SDR
微生物酶促转化制备甾体药物
微生物酶促转化植物甾醇 制造的甾体类药物的重要中间体 AD， ADD，9a-OHAD，HBC
甾体药物微生物酶促转化的主要反应
立体选择性羟基化
酮基不对称还原
区域选择性脱氢
微生物酶促转化的立体选择性羟化
11β、11α、9α、7β ，19, 25位 进行羟基化后产物价值大幅度提升
初创阶段 1940之前
动物组织中分离
起步阶段 1940-1960
化学合成及薯蓣皂素-双烯”半合成体系
成熟阶段 1960-1980
薯蓣皂素产量提升，半合成工业体系随之成熟
转型升级阶段 1980-now
微生物转化植物甾醇取代薯蓣皂素，
微生物细胞转化植物甾醇的代谢途径
植物甾醇的微生物天然代谢途径最终生成 丙酰CoA和丙酸盐 改造微生物代谢途径后可以制备 甾体重要中间体 AD， ADD，9a-OHAD，HBC
甾体从头合成细胞工厂的创建与优化
酶系
3-酮基 甾体-Δ1-脱氢酶（ Rieske 型7（8）位脱氢酶
微生物酶促转化区域选择性脱氢 目前的问题及对策
1. 脱氢后的化合物极易被宿主细胞中的酶进一步代谢消耗 对策：敲除宿主后续代谢相关酶系，积累产物
2. 异源表达难度较大 对策：MBP融合表达，调整表达宿主（昆虫系统表达）
3. 羟化酶系选择性和活性较低 对策： 蛋白质工程改造提高区位选择性及活力
4.羟化酶还原酶未知或电子传递效率较低 对策： 在原菌株中进行高效表达
微生物酶促转化的酮基还原
区域选择性脱氢概述
脱氢位置 3 17 3,7,12
产物 黄体酮， 雌二醇 胆酸类
酶系 3-HSD 17-HSD SDR
甾体的微生物转化
甾体的微生物转化
微生物选择性地修饰或改造甾体化合物分子结构的作用
目录
01 研发史
03 提高应用效率
02 反应部位 04 其他信息
基本信息
甾体的微生物转化(microbial transformation of steroids)微生物选择性地修饰或改造甾体化合物分子 结构的作用。它是通过微生物产生的酶催化进行的。
反应部位
反应部位
一种微生物可在同一甾体的不同部位产生不同类型的反应，也可在不同结构的甾体化合物上发生同一类型的 反应。各种不同的微生物又能在同一种甾体上产生相同的转化反应，也可产生不同的反应。
在甾体药物的工业生产中，国内外采用微生物转化的反应有-羟基化、11β-羟基化及16 -羟基化A环-或-和 -位的脱氢,-位羟基的脱氢，-或-位酯的水解以及-位侧链的降解、不对称还原-位酮基等，它们都分别在各种 皮质激素、性激素、口服避孕药、蛋白同化激素、抗癌剂、利尿剂等药物的合成中成为关键步骤。
研发史
研发史
1937年L.马莫利和A.韦瑟洛纳曾发现 1株酵母能还原甾体17碳位上的酮基为17β-羟基。1943年,G.E.屠飞 特发现诺卡氏菌能彻底降解胆甾醇。但微生物转化甾体化合物的能力，直到在可的松合成中被采用后才引起人们 的重视。可的松是一种皮质激素药物，具较强的抗炎活性。1952年，美国普强药厂的生物化学家D.H.彼得森和微 生物学家H.C.默里发现少根根霉能使孕酮的11碳位羟基化，生成11-羟基孕酮，而后又用黑根霉转化，获高达95% 的得率，大大降低了可的松的成本。不久，科学家们又相继发现细菌、真菌、放线菌中的某些种，可以使一定结 构的甾体化合物在一定的部位上发生分子结构的改变。这种酶促反应具有严格的底物特异性，一般能使底物分子 上1个或2个基团起反应，而并不需要对其他基团进行保护，有的还能把手征性的中心引入光学上无活性的分子中。 至今已发现微生物转化甾体化合物的反应类型，几乎包括任何已知的微生物酶促反应和已经发现的化学反应，如 氧化、还原、水解、缩合、异构化、新的碳碳键的形成以及杂基团的导入等。通常，一个酶促反应可以代替几个 化学反应步骤，这就使甾体药物的合成工艺变得更有效并更经济。
微生物选择性地修饰或改造甾体化合物分子结构的作用
目录
01 研发史
03 提高应用效率
02 反应部位 04 其他信息
基本信息
甾体的微生物转化(microbial transformation of steroids)微生物选择性地修饰或改造甾体化合物分子 结构的作用。它是通过微生物产生的酶催化进行的。
反应部位
反应部位
一种微生物可在同一甾体的不同部位产生不同类型的反应，也可在不同结构的甾体化合物上发生同一类型的 反应。各种不同的微生物又能在同一种甾体上产生相同的转化反应，也可产生不同的反应。
在甾体药物的工业生产中，国内外采用微生物转化的反应有-羟基化、11β-羟基化及16 -羟基化A环-或-和 -位的脱氢,-位羟基的脱氢，-或-位酯的水解以及-位侧链的降解、不对称还原-位酮基等，它们都分别在各种 皮质激素、性激素、口服避孕药、蛋白同化激素、抗癌剂、利尿剂等药物的合成中成为关键步骤。
研发史
研发史
1937年L.马莫利和A.韦瑟洛纳曾发现 1株酵母能还原甾体17碳位上的酮基为17β-羟基。1943年,G.E.屠飞 特发现诺卡氏菌能彻底降解胆甾醇。但微生物转化甾体化合物的能力，直到在可的松合成中被采用后才引起人们 的重视。可的松是一种皮质激素药物，具较强的抗炎活性。1952年，美国普强药厂的生物化学家D.H.彼得森和微 生物学家H.C.默里发现少根根霉能使孕酮的11碳位羟基化，生成11-羟基孕酮，而后又用黑根霉转化，获高达95% 的得率，大大降低了可的松的成本。不久，科学家们又相继发现细菌、真菌、放线菌中的某些种，可以使一定结 构的甾体化合物在一定的部位上发生分子结构的改变。这种酶促反应具有严格的底物特异性，一般能使底物分子 上1个或2个基团起反应，而并不需要对其他基团进行保护，有的还能把手征性的中心引入光学上无活性的分子中。 至今已发现微生物转化甾体化合物的反应类型，几乎包括任何已知的微生物酶促反应和已经发现的化学反应，如 氧化、还原、水解、缩合、异构化、新的碳碳键的形成以及杂基团的导入等。通常，一个酶促反应可以代替几个 化学反应步骤，这就使甾体药物的合成工艺变得更有效并更经济。
甾体微生物转化在制药工业中的应用
结论
甾体微生物转化是制药工业中的重要技术，具有广泛的应用前景和潜力。本 次演示介绍了甾体微生物转化的概念、应用举例、关键技术和发展前景。通过研 究高效转化技术、基因工程技术的应用、绿色环保技术的推广以及生物传感器的 应用拓展等方面，可以进一步提高甾体微生物转化的产率和产品质量，降低生产 成本和环保负担，为制药工业的发展和人类健康做出更大的贡献。
1、高效转化技术的研发
研究高效转化技术是提高甾体微生物转化产率和降低成本的关键。未来，将 进一步探索和优化微生物培养条件和转化反应器性能，提高转化效率和产品质量。
2、基因工程技术的应用
基因工程技术可以用于改造微生物的酶系，提高其转化能力和产率。未来， 将进一步探索和开发基因工程技术，以实现高效、环保的甾体微生物转化过程。 3.绿色环保技术的推广
2、疫苗制备
在疫苗制备中，甾体微生物转化技术可以用于制备疫苗佐剂。佐剂可以提高 疫苗的免疫原性，增强机体免疫力。例如，氢氧化铝佐剂可以与流感病毒结合， 提高流感疫苗的保护效果。
3、生物传感器制备
甾体微生物转化技术还可以用于生物传感器制备。生物传感器是一种用于检 测和分析生物样本的装置，具有高灵敏度、高特异性和低成本等优点。例如，基 于甾体微生物转化技术的葡萄糖生物传感器可以用于糖尿病患者的血糖监测。
研究背景
甾体微生物转化是指利用微生物酶系将甾体化合物转化为更有价值的产品。 在制药工业中，甾体药物具有广泛的应用，如抗生素、激素、免疫抑制剂等。因 此，甾体微生物转化技术在药物研发和生产中具有重要意义。此外，甾体微生物 转化还可以用于环境治理、农业生产等领域。
应用举例
1、药物代谢
甾体微生物转化技术在药物代谢研究中的应用较为广泛。通过将药物进行微 生物转化，可以发现新的药物候选物，或者提高药物的疗效和降低副作用。例如， 利用甾体微生物转化技术可以将紫杉醇类药物进行生物转化，提高其抗癌活性。
甾体的生物转化
甾体的生物转化
甾体是一类含有四个环的有机化合物，包含胆固醇、类固醇等，广泛存在于生物体内。
甾体的生物转化是生物化学领域中非常重要的一个主题。
它能够帮助我们深入了解生物体内多种生理过程。
甾体主要的生物转化有以下几个步骤：
1. 羟化反应
甾体在生物体内最初的代谢反应是羟化反应。
该反应是由内质网中的酶催化完成的。
具体来说，细胞通过合成一定数量的酶，将甾体中的一部分甙类化合物（如甾醇）转化为对应的羟化物（如羟胆固醇）。
羟化反应是甾体合成的重要反应，在细胞内广泛应用。
2. 氧化反应
在羟化反应完成后，甾体进一步参与氧化反应。
氧化反应由内质网中的酶催化完成。
通过一系列复杂的反应步骤，甾体中的碳、氢等原子重新排列，形成新的分子结构。
这些新分子结构可以帮助细胞进行生理过程。
3. 质子化反应
质子化反应是甾体生物转化的最后一步。
在质子化反应中，甾体分子的化学结构发生变化，多个质子被甾体分子吸收，原子间化学键发生变化。
这些变化使得甾体分子具有更加复杂的分子结构和生理功能。
甾体的生物转化对生物体的生长和发育中起着重要作用。
通过对甾体的生物转化过程的研究，人们可以更好地理解某些生物体内生理现象的发生机制，更好地把握生物发育规律，推动生物医学等领域的发展。
甾体化合物的微生物转化解析
优点一
减少合成步骤，缩短生产周期
优点二
提高收率，减少副反应
优点三
立体选择性和区域选择性
优点四
改善操作条件
优点五
非常专一、迅速地完成比较复 杂和难以进行的有机化学反应
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4. 发展与展望
将微生物基因工程 的新概念应用于甾 体微生物转化
Case 1
将环糊精等应用于 培养基以提高产量H2C Leabharlann H C=O HO新月弯孢霉
H2C OH C=O
Reichstein S
O
氢化可的松
其它羟化反应：16α，17α，19α羟化也是甾体药物合成的重 要反应。
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2.2 氧 化
氧化反应主要是利用氧化酶催化羟基转化成酮基。
氧化酶
A
A
HO
O
微生物来源的氧化酶主要是胆固醇氧化酶。
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[9] 张丽青. 微生物转化在箔体药物合成中的应用. 医药工业1985,16(1): 37-41.
[10] Vezina，C．，Sehgal，S．N．，Singh，K．Transformation of steroids by spores of microorganisms．I．Hydroxylation of progesterone by conidia of Aspergillus ochraceus．Appl Microbiol, 1963,11, 50-57．
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2.4 脱氢反应
微生物对甾体脱氢经常发生在A环的C-1，2和C-4，5位之间 醋酸可的松在1,2位上脱氢形成醋酸脱氢可的松
有研究表明醋酸可的松的l，2位上引入双键形成 醋酸脱氢可的松，抗炎作用增加了4倍左右
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2.3 环氧化反应
? 环氧化经常发生在C-9，11、C-14，15与C-16，17位上。 ? 在甾体母核上引入环氧基团与甾体的羟基化有关。 ? 能进行11β-羟基化的新月弯孢霉或布氏小克银汉霉均可将
17α，21-二羟基-4，9(11)-孕甾二烯-3，20-酮转化成9β， 11β-环氧化合物。 ? 诺卡氏菌则可以在C-6，9位上引入环氧基团。
? 虽然每种化合物都表现 出不同的生物活性，但 分子结构中均含有环戊 烷骈多氢菲的甾体母核
R1812 Nhomakorabea17
11
16
19
13
1
2
9
14
15
10
8
3 4
7 5
6
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HO
谷甾醇
HO
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胆固醇
O
O
AD
O
O
ADD
甾体化合物大部分是在医药上占有重要地位的激素类药物。 如皮质酮、氢化可的松、睾酮、孕酮、雌二酮等。
? 绿色木霉Trichoderma virida的酯酶（Maeda 2008）
? 粘稠色杆菌Chromobacterium16viscosum的酯酶
(Knothkanen 2004)
OCOC 3H7
OH
A
A
HO
HO
OH
CI 3COOC 3H7 丙酮
Tri.Virid Cahro.Viscosum
A
C3H7OCO
H2C
OH
C=O
HO
新月弯孢霉
H2C
OH
C=O
Reichstein S
O
氢化可的松
其它羟化反应：16α，17α，19α羟化也是甾体药物合成的重 要反应。
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2.2 氧 化
? 氧化反应主要是利用氧化酶催化羟基转化成酮基。
A
HO
氧化酶 A
O
微生物来源的氧化酶主要是胆固醇氧化酶。
Bordetella sp．B4能够产胞外胆固醇氧化酶(山东大学)。
早期
传统生产
现在
动物的 肾上腺 提取
以甾体皂甙 类自然资 源为原料 化学合成
微生物转化 分支杆菌 诺卡氏菌
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2. 微生物转化甾体化合物的类型
羟化 氧化 环氧化
转化类型
选择性边链降解 酯化 脱氢
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2.1羟化反应
? 来源于不同微生物的羟化酶能选择性的对甾体母核上的次 甲基进行羟基化，微生物对甾体的重要羟化位置有9α、 11α、16α、16β、17α。
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1μM
?采用聚丙二醇、 ?硅氧烷作为溶剂
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someone
?超声粉碎、表面活 ?性剂及有机溶剂
提高产率
?细胞膜合成的抑制 ?剂改善分支杆菌β-谷 ?甾醇的边链降解
Sedlaczek
Hesselink
? 环糊精应用于 ?分枝杆菌甾体 ?边链降解
3. 微生物转化的优点
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2.4 脱氢反应
微生物对甾体脱氢经常发生在A环的C-1，2和C-4，5位之间 醋酸可的松在1,2位上脱氢形成醋酸脱氢可的松
有研究表明醋酸可的松的l，2位上引入双键形成 醋酸脱氢可的松，抗炎作用增加了4倍左右
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2.5 酯 化
? 酯化反应是通过酯酶对甾醇不同区域进行选择性酯化， 许多微生物都具有甾醇酯化的功能.
? C-9α羟化：9α羟化是甾体药物合成的一个关键步骤，还为 甾体药物合成提供了一个关键中间体。
O O
O
雄甾 -4-烯-3，17-二酮
Mycobacterium
OH
O
9α-羟基 -雄甾 -4-烯-3，17-二酮
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? C-11α羟化：11α羟化是微生物转化甾体的最重要反应，人 体及动物体内的酶均不能将甾体11α羟化。
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2.6 选择性边链降解
? 利用微生物进行甾体边链降
O
解在工业上的重要性仅次于
甾体微生物羟化。目前各类
有生理活性的简体药物的母
核都是通过将从动植物中提
取的甾体化合物进行选择性
边链降解而获得的。
O
O
ADD
O
AD
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微生物对甾体母核的降解机理
尽管微生物能够将胆固醇 和植物甾醇通过边链降解 生成AD和ADD，但大微生 物会继续将AD和ADD降解 成水和二氧化碳。微生物 开始降解甾体母核前，首 先会先将C-9羟基化，之 后会形成9α-OH-ADD，A 环芳香化后会使C-9和C一 10之间的单键断裂，从而 使B环开环(Sonomoto， 1983)。
优点一
减少合成步骤，缩短生产周期
优点二
提高收率，减少副反应
优点三
立体选择性和区域选择性
优点四
改善操作条件
优点五
非常专一、迅速地完成比较复 杂和难以进行的有机化学反应
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4. 发展与展望
将微生物基因工程 的新概念应用于甾 体微生物转化
Case 1
将环糊精等应用于 培养基以提高产量
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2.6.1 抑制甾核降解方法
对甾醇结构进行改造 加入酶抑制剂抑制 对菌种进行诱变
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抑制甾核降解
2.6.2 提高甾体边链降解产率的方法
? 在甾体边链微生物降解过程中所遇到的最主要的问题是甾 醇底物在水溶液培养基中溶解度问题。
类固醇
0.1mM
低极度解溶
甾酮
CH3 C=O
CH3
C=O
HO
HO
CH 3 C=O
O
孕酮
黑根霉
O
+
O
11α-羟基-孕酮
OH
11α, 6β-羟基 -孕酮
# 放线菌、棒状杆菌、诺卡氏菌
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? C-11β羟化：11β羟化 是微生物转化甾体的 另一个有价值的反应 ，利用新月弯孢霉能 够将Reichstein S化合 O 物11β羟化生成氢化 可的松。
Case 04
Case 02
发展经济有效的 产物连续回收方 式
Case 03
细胞和酶的固定化以利 于酶的重复经济利用
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参考文献
?
[1] S.L. Abidi. Chromatographic analysis of plant sterols in foods and vegetable
甾体化合物的微生物转化
18 R
12
17
11
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19
13
1
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9
14
15
10
8
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5
7
6
宣讲人：吴慧斌
甾体化合物的微生物转化
1
甾体化合物的简介
2 微生物转化甾体化合物的类型
3
微生物转化的优点
4
发展与展望
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1.甾体化合物简介
? 甾体类化合物是广泛存 在于自然界中的一类由 27-30个碳原子组成的且 在其17位碳上带有七个 以上的碳原子侧链的天 然化学成分。