甾体化合物的生物转化.ppt

甾体化合物的生物酶法结构改造甾体化合物的生物酶法结构改造内容内容1 1、概述、概述2 2、酶催化和微生物催化的反应类型、酶催化和微生物催化的反应类型3 3、甾体生物转化的主要反应、甾体生物转化的主要反应4 4、代表性实例、代表性实例5 5、结束语、结束语1 1、概述概述 生生物物转转化化（BiotransformationBiotransformation）是是指指利利用用生生物物体体系系以以及及它它们们所所产产 生生 的的 酶酶 对对 外外 源源 化化 合合 物物（exogenous exogenous substrate,substrate,foreign foreign substrate,substrate,xenobiotics xenobiotics compoundcompound）进进行行结结构构修修饰饰而而获获得得有有价价值值产产物物的的生生理理生生化化反反应应，其其本本质质是是利利用用生生物物体体系系本本身身所所产产生生的的酶酶对对外外源源化化合合物物进进行行酶酶促促催催化化反反应应。生生物物转转化化具具有有反反应应选选择择性性强强（位位置置选选择择性性 regio-selectivity regio-selectivity 和和立立体体选选择择性性 stereo-selectivitystereo-selectivity）、高高效效率率、反反应应条条件件温温和和、副副产产物物少少、不不造造成成环环境境污污染染、后后处处理理简简单单等等优优点点 。迄迄今今，在在生生物物转转化化研研究究领领域域已已取取得得了了很很大大的的进进展展。生生物物转转化化不不仅仅应应用用于于有有机机合合成成的的研研究究中中，而而且且还还应应用用于于植植物物次次生生代代谢谢产产物物的的结结构构修修饰饰、活活性性先先导导化化合合物物的的寻寻找找及及药药物物构构效效关关系系的的探探索索等等研研究究中中，被被称称为为“绿绿色色化化学学，green green chemistrychemistry”，用用于于药药物物开开发发、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。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。里程碑式事件里程碑式事件霉菌（霉菌（霉菌（霉菌（Rhizopus arrhiusRhizopus arrhius）转化孕酮（）转化孕酮（）转化孕酮（）转化孕酮（progesteroneprogesterone）生成生成生成生成11-11-羟基孕酮羟基孕酮羟基孕酮羟基孕酮(11(11 -hydroxyprogesterone)-hydroxyprogesterone)1952年年，Perterson等等 报报 道道 了了 根根 霉霉 菌菌（Rhizopus arrhius）能能够够将将孕孕酮酮(progesterone)转转化化为为11-羟羟基基孕孕酮酮(11-hydroxyprogesterone)。11-羟羟 基基 孕孕 酮酮 是是 皮皮 质质 酮酮(cortisone)合合成成的的一一种种中中间间体体（上上图图）。这这种种微微生生物物羟羟基基化化作作用用简简化化并并极极大大地地改改进进了了多多步步化化学学合合成成皮皮质质甾甾类类激激素素及及其其衍衍生生物物的的效效率率。尽尽管管德德国国人人Merck提提出出的的由由脱脱氧氧胆胆酸酸进进行行化化学学合合成成的的方方法法也也是是可可行行的的，但但是是这这种种方方法法既既复复杂杂又又不不经经济济，必必须须经经过过31步步才才能能从从615公公斤斤脱脱氧氧胆胆酸酸中中获获取取1克克乙乙酸酸皮皮质质酮酮。孕孕酮酮的的11-羟羟基基化化作作用用使使皮皮质质酮酮的的价价格格从从200美美元元/克克很很快快降降到到6美美元元/克克。由由于于工工艺艺的的进进一一步步发发展展，它它目目前前的的价价格格已已经经低低于于1美美元元/克克。这这一一范范例例有有力力地地揭揭示示了了天天然然产产物物的的生生物物转转化化在在药药物物研研究究与与开开发发中所发挥的巨大作用。中所发挥的巨大作用。总之，生物转化反应是生物合成总之，生物转化反应是生物合成药物学中的重要基础。半合成药物药物学中的重要基础。半合成药物中的生物合成、生物活性化合物的中的生物合成、生物活性化合物的光学不对称合成、消旋体药物的光光学不对称合成、消旋体药物的光学拆分以及天然药物结构的修饰都学拆分以及天然药物结构的修饰都要应用生物转化技术。要应用生物转化技术。2 2、酶催化和微生物催化、酶催化和微生物催化的反应类型的反应类型2.1.2.1.2.1.2.1.氧化反应氧化反应氧化反应氧化反应2.2.2.2.2.2.2.2.还原反应还原反应还原反应还原反应2.3.2.3.2.3.2.3.水解反应水解反应水解反应水解反应2.4.2.4.2.4.2.4.缩合反应缩合反应缩合反应缩合反应2.5.2.5.2.5.2.5.胺化反应胺化反应胺化反应胺化反应2.6.2.6.2.6.2.6.酰基化反应酰基化反应酰基化反应酰基化反应2.7.2.7.2.7.2.7.降解反应降解反应降解反应降解反应2.8.2.8.2.8.2.8.脱水反应脱水反应脱水反应脱水反应2.1.2.1.氧化反应氧化反应 微生物能转化许多类型的化学反应，氧化反应是其中最常见微生物能转化许多类型的化学反应，氧化反应是其中最常见微生物能转化许多类型的化学反应，氧化反应是其中最常见微生物能转化许多类型的化学反应，氧化反应是其中最常见反应之一反应之一反应之一反应之一2.1.1 2.1.1 单一氧化反应单一氧化反应（1 1）（2）烟酸烟酸（3）(4)(5)(6)(7)2.1.2 2.1.2 羟基化羟基化（1）（2）甾体母核上诸亚甲基中选择性引入甾体母核上诸亚甲基中选择性引入甾体母核上诸亚甲基中选择性引入甾体母核上诸亚甲基中选择性引入1111 -，1111 -和和和和1616 -等位羟等位羟等位羟等位羟基呈现强力生理活性；在甾体激素药物合成上非常重要。基呈现强力生理活性；在甾体激素药物合成上非常重要。基呈现强力生理活性；在甾体激素药物合成上非常重要。基呈现强力生理活性；在甾体激素药物合成上非常重要。（3）2.1.3 2.1.3 环氧化环氧化 (1)(1)该反应产率很高，且光学纯度为该反应产率很高，且光学纯度为该反应产率很高，且光学纯度为该反应产率很高，且光学纯度为100%100%，产物是生产铁电液晶，产物是生产铁电液晶，产物是生产铁电液晶，产物是生产铁电液晶的重要中间体的重要中间体的重要中间体的重要中间体环氧化（环氧化（2）2.1.4 2.1.4 氨氨-杂基团氧化杂基团氧化2.1.5 2.1.5 硫硫-杂基团的氧化杂基团的氧化2.1.6 2.1.6 -氧化氧化 许多种微生物都能将脂肪酸许多种微生物都能将脂肪酸许多种微生物都能将脂肪酸许多种微生物都能将脂肪酸 -氧化产生氧化产生氧化产生氧化产生3-3-羟基脂肪酸。例如羟基脂肪酸。例如羟基脂肪酸。例如羟基脂肪酸。例如毛霉（毛霉（毛霉（毛霉（MucorMucor sp.sp.）能将碳链长）能将碳链长）能将碳链长）能将碳链长612612碳的反二烯酸（碳的反二烯酸（碳的反二烯酸（碳的反二烯酸（Trans-2-Trans-2-alkenoic acidalkenoic acid）-氧化生成氧化生成氧化生成氧化生成3-3-羟基烯酸。用微生物转化法产生羟羟基烯酸。用微生物转化法产生羟羟基烯酸。用微生物转化法产生羟羟基烯酸。用微生物转化法产生羟基脂肪酸及脂肪酸的烯醇衍生物是利用微生物转化方法能在饱和基脂肪酸及脂肪酸的烯醇衍生物是利用微生物转化方法能在饱和基脂肪酸及脂肪酸的烯醇衍生物是利用微生物转化方法能在饱和基脂肪酸及脂肪酸的烯醇衍生物是利用微生物转化方法能在饱和脂肪酸中引进功能团的工具，在合成上很重要。脂肪酸中引进功能团的工具，在合成上很重要。脂肪酸中引进功能团的工具，在合成上很重要。脂肪酸中引进功能团的工具，在合成上很重要。2.1.7 2.1.7 脱氢脱氢（1）（2）2.2.2.2.还原反应还原反应 多种醛类化合物，不论是脂肪族或芳香族，多种醛类化合物，不论是脂肪族或芳香族，多种醛类化合物，不论是脂肪族或芳香族，多种醛类化合物，不论是脂肪族或芳香族，饱和或不饱和的羟基取代或卤素取代的都能被饱和或不饱和的羟基取代或卤素取代的都能被饱和或不饱和的羟基取代或卤素取代的都能被饱和或不饱和的羟基取代或卤素取代的都能被微生物还原成相应的醇。各种酮的化合物不论微生物还原成相应的醇。各种酮的化合物不论微生物还原成相应的醇。各种酮的化合物不论微生物还原成相应的醇。各种酮的化合物不论是单酮、双酮、三酮，或者另含有羟基、卤素是单酮、双酮、三酮，或者另含有羟基、卤素是单酮、双酮、三酮，或者另含有羟基、卤素是单酮、双酮、三酮，或者另含有羟基、卤素取代的都能被微生物还原。应用微生物转化进取代的都能被微生物还原。应用微生物转化进取代的都能被微生物还原。应用微生物转化进取代的都能被微生物还原。应用微生物转化进行还原时有个非常重要的优点，得到的仲醇都行还原时有个非常重要的优点，得到的仲醇都行还原时有个非常重要的优点，得到的仲醇都行还原时有个非常重要的优点，得到的仲醇都是光学活性；引入一个手性中心，在手性药物是光学活性；引入一个手性中心，在手性药物是光学活性；引入一个手性中心，在手性药物是光学活性；引入一个手性中心，在手性药物合成中对光学不对称合成是非常重要的。合成中对光学不对称合成是非常重要的。合成中对光学不对称合成是非常重要的。合成中对光学不对称合成是非常重要的。（1）（2）（3）在甾体激素合成中常应用微生物转化在甾体激素合成中常应用微生物转化反应选择性还原如睾丸素的合成反应选择性还原如睾丸素的合成 （4 4）氮杂基团还原）氮杂基团还原2.3.2.3.水解反应水解反应 微生物转化广泛应用于酯、内酯、微生物转化广泛应用于酯、内酯、苷、酰胺和内酰胺等化合物的水解。苷、酰胺和内酰胺等化合物的水解。由于它的水解具有对映体的选择性，由于它的水解具有对映体的选择性，因此微生物转化水解反应也被广泛因此微生物转化水解反应也被广泛地用于光学活性化合物的拆分。地用于光学活性化合物的拆分。2.3.1.2.3.1.酯和内酯的水解反应酯和内酯的水解反应2.3.2.2.3.2.醚的水解开裂醚的水解开裂（1）（2）（1）2.3.3.2.3.3.醚的水解开裂醚的水解开裂（2）2.3.4.2.3.4.苷的水解苷的水解（1）（2）2.3.5.2.3.5.酰胺的水解酰胺的水解 微生物转化应用于酰胺水解在微生物转化应用于酰胺水解在微生物转化应用于酰胺水解在微生物转化应用于酰胺水解在 -内酰胺环类抗生素内酰胺环类抗生素内酰胺环类抗生素内酰胺环类抗生素制药工业上非常重要；由于该催化条件温和，选择性制药工业上非常重要；由于该催化条件温和，选择性制药工业上非常重要；由于该催化条件温和，选择性制药工业上非常重要；由于该催化条件温和，选择性高，能把青霉素和头孢菌素水解获得合成各种新青霉高，能把青霉素和头孢菌素水解获得合成各种新青霉高，能把青霉素和头孢菌素水解获得合成各种新青霉高，能把青霉素和头孢菌素水解获得合成各种新青霉素和新头孢菌素的重要母核素和新头孢菌素的重要母核素和新头孢菌素的重要母核素和新头孢菌素的重要母核6-6-氨基青霉烷酸（氨基青霉烷酸（氨基青霉烷酸（氨基青霉烷酸（6-6-APAAPA）、）、）、）、7-7-氨基头孢烷酸（氨基头孢烷酸（氨基头孢烷酸（氨基头孢烷酸（7-ACA7-ACA）和）和）和）和7-7-氨基去乙酰氨基去乙酰氨基去乙酰氨基去乙酰氧基头孢烷酸（氧基头孢烷酸（氧基头孢烷酸（氧基头孢烷酸（7-ADCA7-ADCA）而不引起）而不引起）而不引起）而不引起 -内酰胺环的开内酰胺环的开内酰胺环的开内酰胺环的开裂。裂。裂。裂。2.3.6.2.3.6.内酰胺的水解内酰胺的水解2.3.7.2.3.7.环氧水解开环环氧水解开环2.3.8.2.3.8.水解脱胺水解脱胺2.3.9.2.3.9.水解胺烷基中烷基水解胺烷基中烷基2.4.2.4.缩合反应缩合反应 通过缩合反应可形成新的碳通过缩合反应可形成新的碳-碳的碳的结合。结合。由于生物转化反应的高度立体选由于生物转化反应的高度立体选择性，它所催化新的碳择性，它所催化新的碳-碳键在有机碳键在有机不对称合成中极为重要，为手性药不对称合成中极为重要，为手性药物中不可缺少的一项合成技术。物中不可缺少的一项合成技术。2.4.1.2.4.1.氰醇缩合氰醇缩合 上述反应在水中进行，光学活性氰醇收率上述反应在水中进行，光学活性氰醇收率上述反应在水中进行，光学活性氰醇收率上述反应在水中进行，光学活性氰醇收率较低；但可在低较低；但可在低较低；但可在低较低；但可在低pH(34)pH(34)条件下进行，虽然低条件下进行，虽然低条件下进行，虽然低条件下进行，虽然低pHpH不是该醇的最适反应条件，然而所获得光学不是该醇的最适反应条件，然而所获得光学不是该醇的最适反应条件，然而所获得光学不是该醇的最适反应条件，然而所获得光学活性的氰醇收率增高。该反应也可在有机溶媒活性的氰醇收率增高。该反应也可在有机溶媒活性的氰醇收率增高。该反应也可在有机溶媒活性的氰醇收率增高。该反应也可在有机溶媒中进行，能获得较高的光学活性收率达中进行，能获得较高的光学活性收率达中进行，能获得较高的光学活性收率达中进行，能获得较高的光学活性收率达10%-10%-25%25%。2.4.2.2.4.2.偶姻偶姻(acyloin)(acyloin)缩合缩合 偶姻缩合指两个分子的醛间缩合形成偶姻缩合指两个分子的醛间缩合形成不对称的醇酮化合物。不对称的醇酮化合物。（1）麻黄碱人工合成中的不对称性）麻黄碱人工合成中的不对称性 生物合成生物合成2.4.2.2.4.2.醛醇醛醇(aldol)(aldol)缩合缩合(三种主要类型三种主要类型)1 1）、丙酮酸缩合）、丙酮酸缩合2 2）、丙酮酸磷酸酯缩合）、丙酮酸磷酸酯缩合 在上述反应中用丙酮酸磷酸酯代替在上述反应中用丙酮酸磷酸酯代替丙酮酸作为辅助底物（丙酮酸作为辅助底物（co-substrateco-substrate）时，使缩合反应不可逆。时，使缩合反应不可逆。3）、二羟基丙酮酸磷酸酯缩合）、二羟基丙酮酸磷酸酯缩合2.5.2.5.胺化反应胺化反应 微生物的胺化转化反应微生物的胺化转化反应可以从醇基、酮基或羧基基可以从醇基、酮基或羧基基团分别转化成氨基或酰基。团分别转化成氨基或酰基。2.5.1.2.5.1.醇基转化成氨基醇基转化成氨基1 1）仲醇转化成氨基）仲醇转化成氨基2 2）、）、叔醇转化成氨基叔醇转化成氨基7-7-7-7-氯氯氯氯-四环素四环素四环素四环素2.5.2.2.5.2.酮基转化成氨基酮基转化成氨基2.5.3.2.5.3.羧基转化成氨基羧基转化成氨基2.6.酰基化反应酰基化反应 微生物转化反应能将羟基、微生物转化反应能将羟基、氨基和肼基（联氨基）进行氨基和肼基（联氨基）进行选择性酰基化。选择性酰基化。2.6.1.羟基酰基化羟基酰基化2.6.2.氨基酰基化氨基酰基化对氨基对氨基-苯乙酰青霉素苯乙酰青霉素2.7.降解反应降解反应2.7.1.2.7.1.脱羧反应脱羧反应2.7.2.2.7.2.脱羧还原脱羧还原2.8.脱水反应脱水反应麦角醇麦角醇麦角醇麦角醇3 3、甾体生物转化的主要反应、甾体生物转化的主要反应3.1.3.1.概述概述 甾体化合物是广泛存在于各类植物、动物中的最为常见的甾体化合物是广泛存在于各类植物、动物中的最为常见的一类化合物，资源非常丰富，种类很多，结构中都具有环戊烷骈一类化合物，资源非常丰富，种类很多，结构中都具有环戊烷骈多氢菲（多氢菲（cylopentano-perhydrophenanthrenecylopentano-perhydrophenanthrene）的甾核。天然甾）的甾核。天然甾类成分中甾核四个环的稠合方式，类成分中甾核四个环的稠合方式，A/BA/B环有顺式或反式稠合，环有顺式或反式稠合，B/CB/C都为反式，都为反式，C/DC/D环也有顺式或反式两种稠合方式。甾核环也有顺式或反式两种稠合方式。甾核C3C3位有羟基位有羟基取代，可与糖结合成苷而存在。甾体化合物（包括甾体皂苷）具取代，可与糖结合成苷而存在。甾体化合物（包括甾体皂苷）具有多种生理活性，如抑癌、抗炎、降血糖、免疫调节、防治心血有多种生理活性，如抑癌、抗炎、降血糖、免疫调节、防治心血管疾病、抗真菌、抑制管疾病、抗真菌、抑制HIVHIV病毒整合酶等等。另外，甾体化合物还病毒整合酶等等。另外，甾体化合物还是医药工业中生产黄体酮、性激素、利尿剂（是医药工业中生产黄体酮、性激素、利尿剂（diureticsdiuretics）、雄激）、雄激素（素（androgensandrogens）、促蛋白合成剂（）、促蛋白合成剂（anabolic agentsanabolic agents）、避孕药）、避孕药（contraceptive agentscontraceptive agents）、皮质激素、以及昆虫变态激素）、皮质激素、以及昆虫变态激素（metamorphosis hormonemetamorphosis hormone）和信号化合物（）和信号化合物（semiochemicalssemiochemicals）等）等（下图）的重要原料。（下图）的重要原料。正是由于这些原因，关于甾体结构修饰改造的研正是由于这些原因，关于甾体结构修饰改造的研究非常多。化学合成甾体化合物非常烦琐，需要多步究非常多。化学合成甾体化合物非常烦琐，需要多步反应才能完成。常常涉及到中间体保护基团的引入及反应才能完成。常常涉及到中间体保护基团的引入及再生，这必将影响产物的收率，增加成本，浪费时间。再生，这必将影响产物的收率，增加成本，浪费时间。而且，某些甾体衍生物的基本骨架对许多化学试剂非而且，某些甾体衍生物的基本骨架对许多化学试剂非常敏感，以致发生开环常敏感，以致发生开环 。化学合成还需要使用许多试。化学合成还需要使用许多试剂，如吡啶、三氧化硫、二氧化硒等，对人体和环境剂，如吡啶、三氧化硫、二氧化硒等，对人体和环境均有害均有害 。而生物转化是在温和条件下进行的，能够克。而生物转化是在温和条件下进行的，能够克服化学合成的一些弱点。目前，科学家们普遍认为将服化学合成的一些弱点。目前，科学家们普遍认为将化学合成和生物转化结合起来是开发甾体药物的最为化学合成和生物转化结合起来是开发甾体药物的最为有效手段。有效手段。甾体化合物的结构通式甾体化合物的结构通式从天然资源生产各类甾体激素药物从天然资源生产各类甾体激素药物3.2.甾体化合物生物转化反应的多样性甾体化合物生物转化反应的多样性 由于甾体由于甾体11位选择性羟基化反应研位选择性羟基化反应研究的巨大成功，引起了微生物学者、有究的巨大成功，引起了微生物学者、有机化学家和药物学家们的极大兴趣，开机化学家和药物学家们的极大兴趣，开展了大量的微生物对甾体转化研究工作，展了大量的微生物对甾体转化研究工作，至今已阐明微生物对甾体每个位置几乎至今已阐明微生物对甾体每个位置几乎都能进行反应，并且许多是化学难以合都能进行反应，并且许多是化学难以合成，而动物体内酶也不能转化的。成，而动物体内酶也不能转化的。甾体重要生物转化反应图示甾体重要生物转化反应图示3.3.甾体化合物主要的生物转化反应甾体化合物主要的生物转化反应1 1 1 1）、羟基化）、羟基化）、羟基化）、羟基化2 2 2 2）、羟基转变为酮基）、羟基转变为酮基）、羟基转变为酮基）、羟基转变为酮基3 3 3 3）、脱氢）、脱氢）、脱氢）、脱氢4 4 4 4）、芳香化）、芳香化）、芳香化）、芳香化5 5 5 5）、环氧化）、环氧化）、环氧化）、环氧化6 6 6 6）、酮基还原成羟基）、酮基还原成羟基）、酮基还原成羟基）、酮基还原成羟基7 7 7 7）、双键的氢化）、双键的氢化）、双键的氢化）、双键的氢化8 8 8 8）、边链的降解）、边链的降解）、边链的降解）、边链的降解9 9 9 9）、酯化反应）、酯化反应）、酯化反应）、酯化反应3.3.1.羟基化羟基化 微生物对甾体羟化时，其中以微生物对甾体羟化时，其中以C-9、C-11，、C-16 ，、C-17 、C-19位甲基和侧链上位甲基和侧链上C-26位上的羟基较为位上的羟基较为重要。重要。C-11 和和 位的羟基化作用是各种位的羟基化作用是各种皮质激素合成中不可缺少的一步。如生皮质激素合成中不可缺少的一步。如生产可的松需要进行产可的松需要进行C-11 羟基化反应，生羟基化反应，生产氢化可的松需要进行产氢化可的松需要进行C-11 位羟基化反位羟基化反应。应。羟基化反应机理羟基化反应机理 1 1）、选择性：）、选择性：微生物的甾体转化反应中最重微生物的甾体转化反应中最重要的是羟化反应，因为不同位置和不同空间的要的是羟化反应，因为不同位置和不同空间的羟基化甾体药物对人体的不同的细胞受体产生羟基化甾体药物对人体的不同的细胞受体产生不同的亲和力，导致产生不同药效的专一性。不同的亲和力，导致产生不同药效的专一性。在甾体母核的在甾体母核的4 4个环结构上有许多相同的次甲基，个环结构上有许多相同的次甲基，在羟基化反应时，化学方法是无法区别的；而在羟基化反应时，化学方法是无法区别的；而微生物催化反应时，按不同来源微生物的羟化微生物催化反应时，按不同来源微生物的羟化酶，能区域选择性酶，能区域选择性(regiostereotope(regiostereotope selective)selective)地对某个环上次甲基进行羟基化，地对某个环上次甲基进行羟基化，和非对映体选择性（和非对映体选择性（diastereotope diastereotope selectiveselective）对该项次甲基中哪个氢催化成）对该项次甲基中哪个氢催化成 或或-羟基。羟基。2）、机理）、机理 微生物羟化酶是个双功能氧化酶微生物羟化酶是个双功能氧化酶（mixed function oxidases），它能利），它能利用分子状态的氧，需要用分子状态的氧，需要1个与个与NADPH-依依赖的脱氢酶（赖的脱氢酶（NADPH-dependent dehydrogenase）相联结的电子转移系）相联结的电子转移系统，细胞色素统，细胞色素P-450作为末端氧化酶。甾作为末端氧化酶。甾体上羟基化对化学合成来说是非常困难体上羟基化对化学合成来说是非常困难的，除了甾体的，除了甾体C-17位上化学能导入羟基位上化学能导入羟基外，其他位置都很难导入。外，其他位置都很难导入。羟基形成机理根据同位素追踪试验的研究结果，羟基形成机理根据同位素追踪试验的研究结果，知道转化到甾体上的羟基是直接取代甾体碳架上的氢知道转化到甾体上的羟基是直接取代甾体碳架上的氢位置，并且取代过程中没有产生立体构象的变化，也位置，并且取代过程中没有产生立体构象的变化，也不通过形成烯的中间体来完成的，就是说羟基取代的不通过形成烯的中间体来完成的，就是说羟基取代的立体构象的变化不是先通过形成烯的中间体来完成的，立体构象的变化不是先通过形成烯的中间体来完成的，即羟基取代的立体构象（即羟基取代的立体构象（或或）是由氢原子原先所）是由氢原子原先所占的空间位置而决定。经占的空间位置而决定。经18O，D2O，H2O18分别实验分别实验确定，羟化作用的氧不来自水中氢氧基（确定，羟化作用的氧不来自水中氢氧基（-OH）而是）而是来自空气中氧。这一点从理论上说明工业上用黑根霉来自空气中氧。这一点从理论上说明工业上用黑根霉转化甾体时需要充分供氧的原理。转化甾体时需要充分供氧的原理。Hoyam及其合作者及其合作者曾将曾将C-11 和和C-12 位上的氢被位上的氢被H3所取代的孕甾所取代的孕甾-3，20-二酮作为底物用黑根霉转化来进行研究，结果说明二酮作为底物用黑根霉转化来进行研究，结果说明甾体的酶促羟基化反应是羟基化位置上的氢被直接取甾体的酶促羟基化反应是羟基化位置上的氢被直接取代。代。3.3.2.羟基转变为酮基羟基转变为酮基 最常见的是最常见的是C-3C-3 或或C-3C-3 羟基羟基转化成转化成C-3C-3位酮基和位酮基和C-17C-17 羟基转羟基转化为化为C-17C-17酮基。酮基。3.3.3.脱氢脱氢 微生物能够对甾体母核不同位置上进行脱氢反应。由微生物能够对甾体母核不同位置上进行脱氢反应。由微生物能够对甾体母核不同位置上进行脱氢反应。由微生物能够对甾体母核不同位置上进行脱氢反应。由于所有高效皮质激素都含有于所有高效皮质激素都含有于所有高效皮质激素都含有于所有高效皮质激素都含有C-1C-1（2 2）双键，）双键，）双键，）双键，C-1C-1位脱位脱位脱位脱氢就具有重要的实用意义。除在氢就具有重要的实用意义。除在氢就具有重要的实用意义。除在氢就具有重要的实用意义。除在C-1C-1位脱氢外，还可在位脱氢外，还可在位脱氢外，还可在位脱氢外，还可在C-4C-4、C-7C-7、C-9C-9（1111）、）、）、）、C-14C-14、C-16C-16位进行脱氢。不位进行脱氢。不位进行脱氢。不位进行脱氢。不同的微生物其脱氢能力也不同，一般是细菌的脱氢能同的微生物其脱氢能力也不同，一般是细菌的脱氢能同的微生物其脱氢能力也不同，一般是细菌的脱氢能同的微生物其脱氢能力也不同，一般是细菌的脱氢能力大于真菌的脱氢能力，尤以棒状杆菌和分枝杆菌的力大于真菌的脱氢能力，尤以棒状杆菌和分枝杆菌的力大于真菌的脱氢能力，尤以棒状杆菌和分枝杆菌的力大于真菌的脱氢能力，尤以棒状杆菌和分枝杆菌的脱氢能力最强。如第一个用于临床的三醋酸脱氢可的脱氢能力最强。如第一个用于临床的三醋酸脱氢可的脱氢能力最强。如第一个用于临床的三醋酸脱氢可的脱氢能力最强。如第一个用于临床的三醋酸脱氢可的松就是用简单棒杆菌进行脱氢的。研究发现松就是用简单棒杆菌进行脱氢的。研究发现松就是用简单棒杆菌进行脱氢的。研究发现松就是用简单棒杆菌进行脱氢的。研究发现:在甾体母在甾体母在甾体母在甾体母核脱氢的过程中，还伴随着发生边链降解、核脱氢的过程中，还伴随着发生边链降解、核脱氢的过程中，还伴随着发生边链降解、核脱氢的过程中，还伴随着发生边链降解、C-20C-20位酮位酮位酮位酮基还原以及因基还原以及因基还原以及因基还原以及因C-9C-9 羟基化引起羟基化引起羟基化引起羟基化引起B B环的打开。环的打开。环的打开。环的打开。3.3.4.芳香化芳香化 微生物转化甾体时产生芳香微生物转化甾体时产生芳香化主要发生在化主要发生在A A环上。环上。3.3.5.环氧化环氧化 环氧化经常发生在环氧化经常发生在C-9C-9，1111和和C-14C-14，1515之间。用微生之间。用微生物转化法在母核上引入环氧基团的反应与微生物羟基物转化法在母核上引入环氧基团的反应与微生物羟基化有关。能产生化有关。能产生1111-羟基化的新月弯孢霉或布氏小克羟基化的新月弯孢霉或布氏小克银汉霉都可将银汉霉都可将1717，21-21-二羟基二羟基-4-4，9 9（1111）-孕甾二烯孕甾二烯3 3，20-20-二酮转换成二酮转换成9 9，1111 环氧化合物。环氧化合物。3.3.6.3.3.6.酮基还原成羟基酮基还原成羟基 主要是在主要是在C-3C-3、C-17C-17、C-20C-20位上酮基还原。位上酮基还原。3.3.7.3.3.7.双键的氢化双键的氢化 微生物常使微生物常使A A环上环上C-1C-1，2 2以及以及B B环上的环上的C-5C-5，6 6之间双键之间双键的还原。的还原。3.3.8.3.3.8.侧（边）链的降解侧（边）链的降解 各类具有生理活性的甾体类药物的基本母核都是各类具有生理活性的甾体类药物的基本母核都是来自高等动植物的甾体化合物经侧链降解后得到的。来自高等动植物的甾体化合物经侧链降解后得到的。如胆甾醇、豆甾醇以及与薯蓣皂苷结构相似而带有侧如胆甾醇、豆甾醇以及与薯蓣皂苷结构相似而带有侧链的海可吉宁和梯可吉宁，必须先出去侧链保留甾体链的海可吉宁和梯可吉宁，必须先出去侧链保留甾体母核才能加以利用。我国已利用这一反应从海可吉宁母核才能加以利用。我国已利用这一反应从海可吉宁的中间体生产的中间体生产-美松，用梯可吉宁的中间体生产去氢美松，用梯可吉宁的中间体生产去氢-17-小甲基睾丸素。甾体侧链降解的机制与脂肪酸的氧小甲基睾丸素。甾体侧链降解的机制与脂肪酸的氧化途径相似。开始是化途径相似。开始是C-27羟基化，再氧化为羟基化，再氧化为C-27羧酸，羧酸，经过一系列的氧化过程，甾体侧链被降解下来，最后经过一系列的氧化过程，甾体侧链被降解下来，最后一步包括脱氢和加水。一步包括脱氢和加水。3.3.9.3.3.9.酯化反应酯化反应 不同微生物来源的脂肪酶不同微生物来源的脂肪酶可对甾醇进行不同区域的选可对甾醇进行不同区域的选择性酯化。择性酯化。3.4.3.4.微生物转化甾体化合物在药物合微生物转化甾体化合物在药物合成中的几个重要的反应举例成中的几个重要的反应举例1 1 1 1）、）、）、）、C-9C-9C-9C-9 羟基化羟基化羟基化羟基化2 2 2 2）、）、）、）、C-11C-11C-11C-11 羟基化羟基化羟基化羟基化3 3 3 3）、）、）、）、C-11C-11C-11C-11 羟基化羟基化羟基化羟基化4 4 4 4）、）、）、）、C-16C-16C-16C-16 羟基化羟基化羟基化羟基化5 5 5 5）、）、）、）、C-17C-17C-17C-17 羟基化羟基化羟基化羟基化6 6 6 6）、）、）、）、C-19C-19C-19C-19 羟基化羟基化羟基化羟基化7 7 7 7）、脱氢反应）、脱氢反应）、脱氢反应）、脱氢反应8 8 8 8）、边链的降解）、边链的降解）、边链的降解）、边链的降解1 1）、）、C-9C-9 羟基化羟基化 C-9 C-9 羟基化是在甾体药物合成中一羟基化是在甾体药物合成中一个关键中间步骤，不仅涉及到甾体边链个关键中间步骤，不仅涉及到甾体边链的选择性降解，并且是皮质激素合成中的选择性降解，并且是皮质激素合成中的一个关键中间体。由于的一个关键中间体。由于C-9C-9位上导入羟位上导入羟基后，容易在基后，容易在C-9C-9、C-10C-10位之间引入双键，位之间引入双键，然后进一步形成然后进一步形成C-11C-11 羟基或导入氟原子。羟基或导入氟原子。例如，甾体合成中重要中间体例如，甾体合成中重要中间体9 9-羟基羟基-4-4-雄甾烯雄甾烯-3-3，17-17-双酮和双酮和9 9-羟基羟基-3-3-氧化氧化娠烷娠烷-4-4，17-17-双烯双烯-20-20羧酸的制取。羧酸的制取。2 2）、）、C-11C-11 羟基化羟基化 C-11 C-11 羟基化是微生物的专特转化反应，人体内的羟基化是微生物的专特转化反应，人体内的酶也不能将甾体酶也不能将甾体C-11C-11 羟基化。由于微生物能完成此反羟基化。由于微生物能完成此反应，不仅解决药物合成，更重要的是增加了皮质激素类应，不仅解决药物合成，更重要的是增加了皮质激素类化合物活力使其具有高度抑制炎症效应。化合物活力使其具有高度抑制炎症效应。C-11C-11 羟基化羟基化是通过微生物转化寻找更有效新药的一个实例。是通过微生物转化寻找更有效新药的一个实例。黑根霉转化孕酮黑根霉转化孕酮C-11C-11 羟基，同时拌生微量的羟基，同时拌生微量的C-11C-11，6-6-二羟基孕酮和偶然拌生二羟基孕酮和偶然拌生1111-还原孕酮。此羟基化还原孕酮。此羟基化反应与温度有密切关系，一般不能超过反应与温度有密切关系，一般不能超过3232o oC C，如超过，如超过，黑根霉只大量生长菌丝而不对孕酮进行羟基化。黑根霉只大量生长菌丝而不对孕酮进行羟基化。除黑根霉外，其他如放线菌、棒状杆菌和诺卡氏菌除黑根霉外，其他如放线菌、棒状杆菌和诺卡氏菌等微生物对孕酮进行等微生物对孕酮进行1111 羟基化时，也同时产生另一种羟基化时，也同时产生另一种降解反应，或将母核进行降解，所以没有生产意义。近降解反应，或将母核进行降解，所以没有生产意义。近年来，报道锗曲霉也是良好的年来，报道锗曲霉也是良好的1111 羟基化菌株，但仍以羟基化菌株，但仍以黑根霉最好，收率可高达黑根霉最好，收率可高达90%90%以上。以上。3 3）、）、C-11C-11 羟基化羟基化 由于微生物对甾体能进行由于微生物对甾体能进行C-11C-11 羟基化，从而又为羟基化，从而又为制药工业提供了另一条有价值的合成路线。例如，新制药工业提供了另一条有价值的合成路线。例如，新月弯孢霉月弯孢霉(Curvularoa lunata)(Curvularoa lunata)能将能将Reichstein SReichstein S化合化合物（简称化合物物（简称化合物S S）一步转化成氢化可的松。）一步转化成氢化可的松。在上述转化反应过程中同时出现在上述转化反应过程中同时出现C-7和和C-14位羟基化的位羟基化的副反应，此副反应可通过底物结构的修饰来避免。例如，副反应，此副反应可通过底物结构的修饰来避免。例如，将化合物将化合物S先进行先进行C-17、C-21双乙酰化，然后在双乙酰化，然后在pH低于低于6.5及高浓度底物及高浓度底物F进行转化，不仅避免了副反应并且加快进行转化，不仅避免了副反应并且加快了反应速率，获得了良好的收率。了反应速率，获得了良好的收率。另外，布氏小克银汉霉也是对甾体另外，布氏小克银汉霉也是对甾体C-C-1111 羟基化反应中重要的菌种，据报道转羟基化反应中重要的菌种，据报道转化率可高达化率可高达65%65%。此外，弗氏链霉菌、某。此外，弗氏链霉菌、某些梨头霉和一些极毛杆菌等也能对甾体些梨头霉和一些极毛杆菌等也能对甾体进行进行C-11C-11 羟基化。羟基化。4 4）、）、C-16C-16 羟基化羟基化 微生物对甾体微生物对甾体C-16C-16 羟基化作用为皮质羟基化作用为皮质甾体激素类药物合成中另一个重要的反应。在甾体激素类药物合成中另一个重要的反应。在甾体母核导入甾体母核导入C-16C-16 羟基后，可以使电解质影羟基后，可以使电解质影响减少，而抗炎及糖代谢作用保持不变。例如，响减少，而抗炎及糖代谢作用保持不变。例如，抗炎活力很高的抗炎活力很高的9 9-氟去氢可的松在氟去氢可的松在C-16C-16 羟基羟基化后，不仅高度抗炎、消炎作用未降低，并使化后，不仅高度抗炎、消炎作用未降低，并使二者强烈贮盐副作用消失。二者强烈贮盐副作用消失。C-16C-16 羟基化一般羟基化一般以放线菌为好。以放线菌为好。副反应是由于培养基中存在铁离子所诱导而产生的，可以在发酵副反应是由于培养基中存在铁离子所诱导而产生的，可以在发酵副反应是由于培养基中存在铁离子所诱导而产生的，可以在发酵副反应是由于培养基中存在铁离子所诱导而产生的，可以在发酵液中加入液中加入液中加入液中加入0.5%0.5%一氢磷酸盐予以防止。一氢磷酸盐予以防止。一氢磷酸盐予以防止。一氢磷酸盐予以防止。5 5）、）、C-17C-17 羟基化羟基化 当甾体母核引入当甾体母核引入C-17C-17 羟基后，能增加甾体药物羟基后，能增加甾体药物的抗炎和糖代谢作用。绿色木霉、树枝状孢囊菌和小的抗炎和糖代谢作用。绿色木霉、树枝状孢囊菌和小瓶瘤孢菌均能对甾体进行瓶瘤孢菌均能对甾体进行C-17C-17 羟基化。羟基化。6 6）、）、C-19C-19 羟基化羟基化 甾体母核甾体母核C-19C-19 羟基化是制备羟基化是制备19-19-失碳甾体化合物的重失碳甾体化合物的重要中间体。要中间体。19-19-失碳甾体较原甾体具有更显著的生理活失碳甾体较原甾体具有更显著的生理活性，例如性，例如19-19-失碳孕甾酮的疗效比孕甾酮活性强失碳孕甾酮的疗效比孕甾酮活性强4-84-8倍。倍。1919-羟基羟基-4-4，6-6-雄甾雄甾-二烯二烯-双酮具有升高血压作用。双酮具有升高血压作用。7 7）、脱氢反应）、脱氢反应 当抗炎甾体激素药物的母核当抗炎甾体激素药物的母核C-1，2位置导入双键后，位置导入双键后，都能成倍的增加抗炎作用。例如，醋