第十四章 甾体激素的微生物转化工艺
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氢化可的松（Hydrocortisone）又称为皮质醇，化学 名称为11β，17α，21-三羟基孕甾-4-烯-1，20-二酮。其结 构式为
氢化可的松为白色或几乎白色的结晶性粉末， 无臭，初无味，随后有持续的苦味，遇光逐 渐变质，略溶于乙醇或丙酮，微溶于氯仿， 在乙醚中几乎不溶，不溶于水。熔点为 212~222℃。
甾体的微生物转化生产流程
甾体的微生物转化两个阶段。生长阶段，它是 将菌种接入斜面培养基或小米培养基培养 3~5d，然 后将成熟的菌种细胞或孢子接入摇瓶或种子罐，给 予合适的温度、溶氧浓度、 pH值等条件培养，使其 充分繁殖与生长。转化阶段是在微生物生长的终点， 逐渐将甾体的粉末或适当的（有机）溶液加到培养 物中，或把成熟细胞分离洗涤，然后悬浮于水或缓 冲液中，再将底物加入，加入方式如图。大多数甾 体化合物难溶于水，所以常用的方法是先把底物溶 于有机溶剂，如丙酮、乙醇、甲醇、二甲基甲酰胺， 浓度在 2%对微生物无毒性。或用表面活性剂（如吐 温80）来提高基质溶解度。
甾体母核及边链的选择性降解机理
具有生理活性甾体类药物的基本母核目前都是从高 等动植物中获得的，首先必须有选择性地对其边链进行 降解。
甾醇边链降解机理与脂肪酸的 β氧化途径相似。胆 甾醇的边链降解从 C27羟基化开始，再氧化成 C27羧醇， 继后 β氧化先失去丙酸、醋酸，最后再失去丙酸，形成 C17酮化合物，最后一步转化为脱氢，加水和开裂。
甾体氧化需要较大的通气量，一般为1：0.8（v/v/min）。 甾体加入的速度随菌种转化能力和基质的性质而定，采用基 质的定期加入和连续加入的办法来解决基质或产物的毒性问 题。转化后的产物大多不溶于水，所以采用溶媒萃取法进行 提取。微生物转化生产甾体化合物一般采用二级培养，其工 艺流程如下。
如果产物分泌在发酵液中，则发酵滤液采用离子交换 树脂吸附法吸附甾体化合物，洗脱后，减压浓缩进行结晶。
脱氢反应
微生物对甾体C1，C2位是直接脱去C1，C2位上的氢。微生物对甾 体羟化与脱氢能力是相反的，细菌的脱氢能力比真菌大，特别是棒状杆 菌和分枝杆菌活力最大。球形芽孢杆菌，诺卡氏菌对可的松和皮质醇也 有较高的脱氢活力。而对甾体母核有脱氢活力的微生物，常伴随边链降 解和C26位酮基还原以及其C9α羟化引起β环打开等作用。
? C11α羟化
C11α羟化是微生物转化的特有反应。如孕酮的转化中，利用黑根霉在温 度不超过320C时实现C11α羟基化反应。温度的控制很重要，生产过程中 温度超过320C，黑根霉只会大量生长菌丝而不对孕酮进行C11α羟化。过 程伴随有微量副产物出现。
环氧化反应
用微生物转化法在甾体母核上引入环氧基团的 反应与微生物羟基化有关。能产生 11β-羟基化的新 月弯孢霉或布氏小克汉银霉都可将 17α，21-二羟基4，9（11）-孕甾二烯-3，20-二酮转化成 9β，11β 环氧化合物。
羟化反应
? C9α 羟化
C9α羟化在甾体药物合成中是一个关键中间步骤，涉及到甾体边链的 选择性降解，并且是皮质激素合成中一个关键中间体。由于C9位上导 入羟基后，容易在C9—C10之间引入双键，然后进一步形成C11β羟基 或导入氟原子。例如甾体合成中重要中间体9α-羟基-4-雄甾烯-3，17
双酮和9α-羟基-3氧化娠烷-4，17双烯-20羧酸的制取。
药物，在医学上应用非常广泛，特别是甾体激素类药物，应
用在风湿性关节炎，控制炎症，避孕，利尿等各方面的治疗
上，对机体起着非常重要的调节作用。甾类激素根据其生理
活性可分为肾上腺皮质激素，性激素和蛋白同化激素三大类。
甾体化合物的基本结构如下：
甾类激素药物的生产， 目前一般采用化学合成 和微生物转化两种方法 相结合的生产工艺。
氢化可的松为皮质激素类药物，具有影响糖代谢、抗 炎、抗毒、抗休克及抗过敏等作用。主要用于肾上腺皮质 功能不足和自体免疫性疾病。应用于某些感染的综合治疗。 消化性溃疡病、骨质疏松症、精神病、重症高血压患者忌 用，充血性心力衰竭、糖尿病、急性感染病慎用。
? 反应原理
在产物中，除了氢化 可的松（简称β体） （b）外，还产生 11α-羟基化合物即表 氢可的松（又称为α 体）（c）、少量的
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A
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12 13 17
CD
10 9
B
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图14-1 甾体化合物的基本结构
第二节 微生物转化反应原理
微生物几乎对甾体每个位置都能进行转化，其中 对甾体激素药物合成比较重要的主要有氧化反应、还 原反应、水解反应等。其中氧化反应又包括甾体骨架 上的羟基化和脱氢（生成双键）、甾醇氧化成甾酮、 支链降解作用以及 D环的切断和 D环开裂形成内酯环 等。
第十四章 甾体激素的微生物 转化工艺
第一节 概述 第二节 微生物转化反应原理 第三节 甾体激素的生产工艺过程
化学工业出版社
学习目标
?了解甾体激素种类及其微生物转化反 应原理； ?熟悉甾体激素的生产工艺过程； ?掌握氢化可的松的生产技术。
第一节 概述
? 认识甾体激素
甾类药物是指分子结构中含有环戊烷多氢菲核的一类
甾体微生物转化方式
进行微生物转化反应可以利用不同形式的微生物细胞。 ?菌体培养物（单菌体或混合菌体培养液） ?静止细胞悬液（使菌体充分生长发育后，用过滤或 离心法进行分离，将收集到的菌体悬浮在水或适当的 缓冲液中，再将甾类化合物加入进去。） ?孢子悬液 ?干细胞 ?固定化细胞或固定化酶等。
氢化可的松的制备
甾体母核的降解，先在 C3进行酯化， 3β-羟基氧化 后接着Δ5双键被异构酶催化转位为 Δ4双键，但此步异构 化也可发生于非酶催化。在 3-酮-4-烯化合物 9α-羟基化 后，随着C-1(2)-脱氢同时，甾体母核A环芳香化并导致β 环开裂。
第三节 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。整个生 产过程，微生物的生长和甾体的转化完全可以 分开，一般先进行菌的培养，在菌生长过程中 累积甾体转化所需要的酶，然后利用这些酶来 改造分子的某一部位。
氢化可的松为白色或几乎白色的结晶性粉末， 无臭，初无味，随后有持续的苦味，遇光逐 渐变质，略溶于乙醇或丙酮，微溶于氯仿， 在乙醚中几乎不溶，不溶于水。熔点为 212~222℃。
甾体的微生物转化生产流程
甾体的微生物转化两个阶段。生长阶段，它是 将菌种接入斜面培养基或小米培养基培养 3~5d，然 后将成熟的菌种细胞或孢子接入摇瓶或种子罐，给 予合适的温度、溶氧浓度、 pH值等条件培养，使其 充分繁殖与生长。转化阶段是在微生物生长的终点， 逐渐将甾体的粉末或适当的（有机）溶液加到培养 物中，或把成熟细胞分离洗涤，然后悬浮于水或缓 冲液中，再将底物加入，加入方式如图。大多数甾 体化合物难溶于水，所以常用的方法是先把底物溶 于有机溶剂，如丙酮、乙醇、甲醇、二甲基甲酰胺， 浓度在 2%对微生物无毒性。或用表面活性剂（如吐 温80）来提高基质溶解度。
甾体母核及边链的选择性降解机理
具有生理活性甾体类药物的基本母核目前都是从高 等动植物中获得的，首先必须有选择性地对其边链进行 降解。
甾醇边链降解机理与脂肪酸的 β氧化途径相似。胆 甾醇的边链降解从 C27羟基化开始，再氧化成 C27羧醇， 继后 β氧化先失去丙酸、醋酸，最后再失去丙酸，形成 C17酮化合物，最后一步转化为脱氢，加水和开裂。
甾体氧化需要较大的通气量，一般为1：0.8（v/v/min）。 甾体加入的速度随菌种转化能力和基质的性质而定，采用基 质的定期加入和连续加入的办法来解决基质或产物的毒性问 题。转化后的产物大多不溶于水，所以采用溶媒萃取法进行 提取。微生物转化生产甾体化合物一般采用二级培养，其工 艺流程如下。
如果产物分泌在发酵液中，则发酵滤液采用离子交换 树脂吸附法吸附甾体化合物，洗脱后，减压浓缩进行结晶。
脱氢反应
微生物对甾体C1，C2位是直接脱去C1，C2位上的氢。微生物对甾 体羟化与脱氢能力是相反的，细菌的脱氢能力比真菌大，特别是棒状杆 菌和分枝杆菌活力最大。球形芽孢杆菌，诺卡氏菌对可的松和皮质醇也 有较高的脱氢活力。而对甾体母核有脱氢活力的微生物，常伴随边链降 解和C26位酮基还原以及其C9α羟化引起β环打开等作用。
? C11α羟化
C11α羟化是微生物转化的特有反应。如孕酮的转化中，利用黑根霉在温 度不超过320C时实现C11α羟基化反应。温度的控制很重要，生产过程中 温度超过320C，黑根霉只会大量生长菌丝而不对孕酮进行C11α羟化。过 程伴随有微量副产物出现。
环氧化反应
用微生物转化法在甾体母核上引入环氧基团的 反应与微生物羟基化有关。能产生 11β-羟基化的新 月弯孢霉或布氏小克汉银霉都可将 17α，21-二羟基4，9（11）-孕甾二烯-3，20-二酮转化成 9β，11β 环氧化合物。
羟化反应
? C9α 羟化
C9α羟化在甾体药物合成中是一个关键中间步骤，涉及到甾体边链的 选择性降解，并且是皮质激素合成中一个关键中间体。由于C9位上导 入羟基后，容易在C9—C10之间引入双键，然后进一步形成C11β羟基 或导入氟原子。例如甾体合成中重要中间体9α-羟基-4-雄甾烯-3，17
双酮和9α-羟基-3氧化娠烷-4，17双烯-20羧酸的制取。
药物，在医学上应用非常广泛，特别是甾体激素类药物，应
用在风湿性关节炎，控制炎症，避孕，利尿等各方面的治疗
上，对机体起着非常重要的调节作用。甾类激素根据其生理
活性可分为肾上腺皮质激素，性激素和蛋白同化激素三大类。
甾体化合物的基本结构如下：
甾类激素药物的生产， 目前一般采用化学合成 和微生物转化两种方法 相结合的生产工艺。
氢化可的松为皮质激素类药物，具有影响糖代谢、抗 炎、抗毒、抗休克及抗过敏等作用。主要用于肾上腺皮质 功能不足和自体免疫性疾病。应用于某些感染的综合治疗。 消化性溃疡病、骨质疏松症、精神病、重症高血压患者忌 用，充血性心力衰竭、糖尿病、急性感染病慎用。
? 反应原理
在产物中，除了氢化 可的松（简称β体） （b）外，还产生 11α-羟基化合物即表 氢可的松（又称为α 体）（c）、少量的
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图14-1 甾体化合物的基本结构
第二节 微生物转化反应原理
微生物几乎对甾体每个位置都能进行转化，其中 对甾体激素药物合成比较重要的主要有氧化反应、还 原反应、水解反应等。其中氧化反应又包括甾体骨架 上的羟基化和脱氢（生成双键）、甾醇氧化成甾酮、 支链降解作用以及 D环的切断和 D环开裂形成内酯环 等。
第十四章 甾体激素的微生物 转化工艺
第一节 概述 第二节 微生物转化反应原理 第三节 甾体激素的生产工艺过程
化学工业出版社
学习目标
?了解甾体激素种类及其微生物转化反 应原理； ?熟悉甾体激素的生产工艺过程； ?掌握氢化可的松的生产技术。
第一节 概述
? 认识甾体激素
甾类药物是指分子结构中含有环戊烷多氢菲核的一类
甾体微生物转化方式
进行微生物转化反应可以利用不同形式的微生物细胞。 ?菌体培养物（单菌体或混合菌体培养液） ?静止细胞悬液（使菌体充分生长发育后，用过滤或 离心法进行分离，将收集到的菌体悬浮在水或适当的 缓冲液中，再将甾类化合物加入进去。） ?孢子悬液 ?干细胞 ?固定化细胞或固定化酶等。
氢化可的松的制备
甾体母核的降解，先在 C3进行酯化， 3β-羟基氧化 后接着Δ5双键被异构酶催化转位为 Δ4双键，但此步异构 化也可发生于非酶催化。在 3-酮-4-烯化合物 9α-羟基化 后，随着C-1(2)-脱氢同时，甾体母核A环芳香化并导致β 环开裂。
第三节 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。整个生 产过程，微生物的生长和甾体的转化完全可以 分开，一般先进行菌的培养，在菌生长过程中 累积甾体转化所需要的酶，然后利用这些酶来 改造分子的某一部位。