微生物在其他药物生产中的应用

课堂笔记

一、维生素★

维生素是人和动物维持生命活动所必需的一类营养物质，也是一类重要的药物，它不仅可以有效地应用于维生素缺乏症的治疗和预防，还可与许多药物联合使用，增强药物的作用以及防止、减轻药物的不良反应。维生素类药物可采用化学合成、动植物提取和微生物发酵等方法获得。目前采用微生物发酵法生产的维生素有维生素C、维生素B12、维生素B2、 β-胡萝卜素等，其中以维生素C的生产规模最大。

（一）维生素C

维生素C又称抗坏血酸，参与人体内多种代谢过程，是人体内必需的营养成分，已在医药、食品工业等方面获得广泛应用。

维生素C的生产方法有化学合成法、化学合成与生物转化并用的半合成法。化学合成法一般指莱氏法（Reichstein）。半合成法指的是化学合成中的由D-山梨醇转化为L-山梨糖的反应采用弱氧化醋杆菌发酵完成，其他步骤仍是采用化学合成方法。

为简化工艺，可采用微生物法使L-山梨醇转化生成2-酮基-L-古龙酸（2-KLG），然后再酸化生成维生素C。这种生产方法即为“维生素C的二步发酵法”。

近年来，由于基因工程技术的迅速发展，已成功地运用基因工程的手段构建了一种重组菌株，这一菌株可直接将葡萄糖发酵生成2-酮基-L-古龙酸，使维生素C的生产工艺路线大大改进和简化。

（二）维生素B2

维生素B2（Vitamin B2）又称核黄素，在自然界中多数与蛋白质相结合而存在，因此又被称为核黄素蛋白。

能生物合成维生素B2的微生物有某些细菌、酵母菌和真菌。工业生产中目前最常用的为真菌子囊菌亚门中的棉病囊霉以及阿舒假囊酵母。其中阿舒假囊酵母从1940年开始应用，产量可达4　000μg／ml以上；棉病囊霉是寄生在棉桃内的病原菌，现在产量已达4　000～8　000μg／ml。

（三）维生素B12

维生素B12是含钴的有机化合物，故又称为钴维生素或钴胺素，简称钴维素。维生素B12及其类似物参与机体内许多代谢反应，是维持机体正常生长的重要因子，是临床上治疗恶性贫血的首选药物。

能产生维生素B12的微生物有细菌和放线菌。最初生产维生素B12主要是从链霉素、庆大霉素的发酵液中进行回收，但产量很低，现在已用丙酸杆菌等来直接进行发酵生产。

二、氨基酸★

氨基酸是构成蛋白质的基本单位，是人体及动物生长代谢所需重要的营养物质，具有重要的生理作用，已被广泛地应用于食品、饲料和医药等工业。氨基酸的生产方法有提取法、合成法、发酵法和酶法。到目前为止，构成蛋白质的大部分氨基酸均可采用微生物发酵法生产，其中产量最大的是谷氨酸和赖氨酸。

（一）谷氨酸

谷氨酸是利用微生物发酵法来生产的第一个氨基酸，目前其年生产量居各种氨基酸之首。谷氨酸产生菌主要是棒状杆菌属、短杆菌属和黄杆菌属，我国谷氨酸发酵生产所用的菌种有北京棒状杆菌AS1．299、钝齿棒状杆菌B9、T6-13及672等。

谷氨酸的生物合成途径大致为葡萄糖经糖酵解（EMP）和己糖磷酸支路（HMP）两种途径生成丙酮酸，再氧化成乙酰辅酶A，然后进入三羧酸循环，生成α-酮戊二酸，再经谷氨酸脱氢酶的作用，在NH＋4的存在下生成L-谷氨酸。

（二）赖氨酸

赖氨酸是人类和动物的必需氨基酸之一，作为重要的食品和饲料添加剂，可用在面包、儿童营养品以及配制营养注射液等。

目前赖氨酸也由微生物发酵生产。赖氨酸产生菌主要是谷氨酸棒状杆菌、北京棒状杆菌、黄色短杆菌或乳糖发酵短杆菌等谷氨酸产生菌的高丝氨酸营养缺陷型兼AEC［S-（2-氨基乙基）-L-半胱氨酸］抗性突变株。

三、酶及酶抑制剂★★

（一）酶制剂

酶是生物产生的具有催化能力的蛋白质，是生物进行新陈代谢活动必不可少的生物催化剂。酶的来源有动物、植物和微生物三大类，但以微生物为主要来源。这是因为微生物种类多，酶源蕴藏丰富，而且微生物在人工控制条件下，比较适合于大规模的工业化生产。微生物酶制剂发酵工业已经发展成为一个新兴的发酵工业部门。

1．临床上较常用的微生物酶

（1）链激酶、链道酶：主要是乙型溶血性链球菌的某些菌株所产生的。链激酶可用于治疗脑血栓及溶解其他部位的血凝块。

（2）透明质酸酶：是一种糖蛋白，又称为扩散因子，其广泛存在于动物血浆、组织液等体液及肾、肝等器官，蛇毒、蝎毒等动物毒液中，一些细菌也可产生，如酿脓链球菌、产气荚膜杆菌等。透明质酸酶的作用主要是水解透明质酸，在许多生命活动中起重要作用。临床上可用于心肌梗死的治疗以及其他一些辅助性治疗。

（3）天冬氨酰胺酶：很多种细菌都能产生天冬氨酰胺酶。目前主要是应用大肠埃希菌生产。其主要作用是水解天冬氨酰胺成天冬氨酸与氨，在临床上可用于治疗白血病及某些肿瘤。

（4）青霉素酶：青霉素酶是一种β-内酰胺酶，其作用主要是水解青霉素的β-内酰胺环，使青霉素失活。许多细菌都能产生青霉素酶。在临床上可用于一些含青霉素制剂的无菌检验试验中。

2．工业上常用的微生物酶　在工业上用得较多而且比较重要的是青霉素酰化酶。青霉素酰化酶能将天然青霉素裂解形成6-氨基青霉烷酸（6-APA）。6-APA是各种半合成青霉素合成的母核，如用不同侧链羧酸酰化，即可合成多种广谱、耐酸、耐酶的半合成青霉素。

（二）酶抑制剂

酶抑制剂主要是指一类具有生物活性的小分子化合物，能通过中和抑制或竞争抑制作用特异地抑制某些酶的活性，调节人体内某些代谢，增强机体的免疫能力，达到预防和治疗某些疾病的目的，同时也可用于某些抗药性细菌感染的治疗，所以酶抑制剂的研究已普遍引起微生物学、医学和药学工作者的注意。

目前发现由微生物产生的酶抑制剂已达数十种，如由一种链霉菌产生的抑肽素（pepstatin），它是一种蛋白酶抑制剂，临床上可用于治疗胃溃疡；泛诞菌素（panosialin）是淀粉酶的特异性抑制剂，可用来防止肥胖症、糖尿病等。

克拉维酸，又称棒酸，是一种β-内酰胺酶的抑制剂，是由棒状链霉菌产生的，其本身亦是一种广谱抗生素，但抗菌活性较弱，对β-内酰胺酶的抑制特异性很强，并对多种内酰胺酶均有抑制作用，是一种很有应用前景的β-内酰胺酶抑制剂。目前已开发成功将克拉维酸与阿莫西林制成复合制剂，在治疗由抗青霉素的细菌所引起的感染方面具有明显的疗效，国内临床上已有应用。如Augmentin（商品名）即是此种复方制剂。

四、甾体化合物的微生物转化★

甾体化合物又称类固醇，普遍存在于动、植物的组织中。甾体化合物尤其是甾体激素对机体起着非常重要的调节作用，因此在医疗上应用非常广泛。

由于其原料来源的局限性、过程的复杂性以及收效率较低，远远不能满足医疗上的需要。后来人们发现一些微生物可以使甾体类化合物的一定部位发生有价值的转化反应，即所谓微生物转化，也就是用微生物的作用对底物分子的某一部位进行改造，从而获得其他新化合物的过程。因此微生物转化在甾体化合物合成中的应用日益扩大，已成为微生物工业中的一个重要部分。

至今已发现的微生物转化甾体化合物的反应类型有：氧化反应、还原反应、水解反应、酰化反应、异构化反应、卤化反应和A环开环反应等，下面简要介绍在生产中最常用的羟化反应、环氧化反应、脱氢反应与侧链降解反应。

（一）羟化反应

羟化反应在甾体化合物的微生物转化中最为重要，利用各种微生物可以在甾体化合物的母核的不同位置上进行各种羟化反应，可得到一些有意义的产物，如可的松、氢化可的松等。甾体类药物合成中，重要的有在C-11α、C-11β、C-16、C-17位上发生羟化反应。

（二）环氧化反应

具有11β-羟化能力的新月弯孢霉或短刺小克银汉霉可将17α，21-二羟基-4，9（11）-乙烯-3，20-二酮孕甾（17α，21-dihydraxy-4，9（11）-pregnadiene-3，20-dione，3）转变成9β，11β-环氧化物。

（三）脱氢反应

微生物对甾体母核的脱氢反应，可在不同位置上进行，但主要是在A环上的C-1和C-2位上进行，这是工业生产泼尼松和去氢氢化可的松的重要反应。不同微生物的脱氢能力不同，以细菌的脱氢能力较强，其中尤以棒状杆菌属和分枝杆菌属中某些种的脱氢活力最大。

（四）侧链的降解

具有生物活性的甾体类药物的基本母核来自动植物的甾体化合物，经侧链降解后获得，而侧链降解这一反应也可由微生物来完成。日本学者应用分枝杆菌使胆甾醇降解可得到雄甾烷-1，4-二烯-3，17-二酮（androsta-1，4-diene-3，17-dione，ADD）及4-雄甾烯-3，17-二酮（4-androstene-3，17-dione，4AD），然后以ADD或4AD为原料可合成各种性激素、避孕药及利尿药等。

（五）甾体化合物的微生物转化反应方法

甾体化合物的微生物转化反应已广泛应用于工业生产中。在生产上应用的方法主要是单相发酵法、双相发酵法和固定化酶法三种。

五、其他微生物制剂★

在医药中常用的微生物制剂除了前述的几类外，还有一些其他的微生物制剂。

1．核酸类药物　核酸类药物主要包括嘌呤核苷酸、嘧啶核苷酸及其衍生物。

2．生物碱　如由紫麦角菌产生的麦角碱，以及由一种诺卡氏菌产生的安沙美登素，其结构与自植物美登木中得到的美登木素很相似。

3．微生态制剂　微生态制剂也称为活菌制剂，是根据现代微生态学的基本原理，利用对人体无害甚至有益的活菌（正常微生物群的某些成员），经过人工繁殖等方法制成，以达到防治疾病和提高健康水平目的的生物制剂。

4．螺旋藻　螺旋藻是一种分布在世界各海区及陆地淡、盐水湖中的藻类，呈蓝绿色，含有大量的蛋白质，其繁殖方式简单，为直接分裂。其藻体呈细丝状螺旋形，一般为多细胞，藻体由于含有藻蓝素，而使螺旋藻呈蓝绿色。螺旋藻中含有极为丰富的营养成分和多种生物活性物质，其中含蛋白质的比例可高达60%～80%，蛋白质中的氨基酸有17种之多，并且包括8种人体的必需氨基酸。

重点难点提示

熟悉微生物在维生素、氨基酸、酶及酶抑制剂、甾体化合物及其他微生物制剂方面的应用。

测试及考研

最佳选择题

1．采用微生物发酵法生产的维生素有（　）

A．维生素B2　　　　B．维生素C　　C．维生素D

D．维生素E 　　E．β-胡萝卜素

本题考点：维生素的生产。

2．微生物产生的与脂代谢相关的酶抑制剂是（　）

A．亮肽素　　B．伏里波糖C．木黄酮

D．洛伐他汀　　E．阿伐他汀

本题考点：酶抑制剂的种类。

答案：

1．ABE；2．D

（徐慰倬）