第五章 植物细胞培养在生物转化方面的应用.ppt.Convertor.docx

第五章植物细胞培养在生物转化方面的应用南昌大学生命科学学院罗丽萍教授1第一节植物细胞生物转化发展概况一、生物转化（Biotransformation, bioconversion）的基本概念是利用生物体系的催化作用，将外源底物转化为产物的过程。生物体系有：细胞、组织、器官、原生质体、细胞器、无细胞提取物、酶(游离或固定化)。实质：酶的催化反应，即细胞产生的某种酶对外源底物进行结构修饰。生物转化不同于生物合成和生物降解，前者为利用简单的底物组成成复杂的产物；后者为复杂的物质分解成简单的物质。-甲基地高辛：用于急性和慢性心力衰竭。二、生物转化的发展沿革1、微生物转化能力的发现的应用：20世纪30年代，发现一些微生物具有转化某些化合物的能力，如：酿酒酵母，将苯甲醛转化为苯甲醇，弱氧化醋酸菌，将山梨醇氧化为山梨糖；1952年，Peterson和Murray，利用黑根霉使孕酮一步转化为11a-羟基孕酮。从而实现可的松的工业化生产。20世纪90年代以来，微生物转化技术成为手性药物不对称合成中重要的合成技术。32、植物细胞转化能力的应用1978年，Jones等利用胡萝卜悬浮培养细胞对芰皂配基、夹竹桃配基和毛地黄配基进行5-羟基化；Furuya利用Ste. Rebaudiana将蛇菊醇转化为蛇菊苷；Aviv和Galun利用Mentha spp.将长叶薄荷醇转化为异薄荷酮。1985年，Alfermann等利用毛地黄细胞具有羟基化能力，在气升式反应器中将-甲基毛地黄毒苷的C-12羟基化，大量获得可用于临床的-甲基地高辛。3个月内获得0.5kg，可制成500万片药片，供1000个病人使用7年以上。到2000年，已有40种植物细胞成功用于生物转化。4三、生物转化的特点1、专一性强实质是利用细胞的酶对底物的催化作用。2、副产物少，产量高一步酶催化法代替了几步化学反应，所以副产物少，得率高。3、反应条件温和4、可以进行化学方法难以进行的反应可在某一化合物的特定分子部位进行特定反应。56第二节植物细胞生物转化的主要反应类型一、羟基化反应：将羟基引入化合物二、糖基化反应：将糖基引入化合物糖基转移酶罂粟细胞可将水飞蓟素（抗肝炎药物）糖基化为7葡萄糖基水飞蓟素，生物利用率提高。7三、氧化还原反应醇与酮之间的转化、羰基的还原、环氧化作用、CC双键的还原作用。四、水解反应化合物在水解酶的催化下，加水分解。如悬浮桔梗细胞将天麻素的葡萄糖残基脱去，产生对羟基苯甲醇。8第三节 植物细胞生物转化系统悬浮细胞转化系统固定化细胞转化系统固定化原生质体转化系统发状根转化系统9一、悬浮细胞转化系统直接使用前体，细胞转移限制少，不存在影响细胞活力和生理状态的介质。目前使用最多。多为一步反应。细胞生长缓慢，易受污染；需要不断地进行筛选改良，以保持细胞的高酶活力。10二、固定化细胞转化系统保护细胞免受剪切力损伤；细胞可长时间反复使用；易实现高密度培养；微环境类似于完整植株中的分化组织，有利于次生代谢产物的合成相关酶系的形成；减少细胞遗传不稳定性；连续化操作，产物迅速带走，易于分离；要求：产物能分泌到胞外。11三、固定化原生质体系统没有细胞壁的障碍，利于底物和产物的进入和排出，从而提高转化效率。制备麻烦12四、发状根转化系统用土壤病原细菌发根农杆菌(A. rhizogenes)转化植物细胞而得到的特化器官，也称为毛状根（hairy root）。农杆菌(Agrobacterium)与根瘤菌(Rhizobium)接近，同属于根瘤菌科，为革兰氏阴性菌，根癌农杆菌(A. tumefaciens)和发根农杆菌(A. rhizogenes)，前者引起冠瘿瘤，后者感染植物诱发出许多不定根。1314烟草发状根系统15为什么引起人们的兴趣？生长速度快不需要补充外源生长素遗传稳定性好可不需要光照代谢产物产量稳定诱导和培养技术日益成熟16第四节 影响植物细胞生物转化的因素一、植物细胞的影响1、转化系统的影响 2、细胞系的影响3、细胞生长阶段的影响 17二、外源底物的影响1.外源底物浓度的影响：外源底物对培养的植物细胞一般是有毒性的。2.外源底物结构的影响3.外源底物添加方式的影响不溶性的底物，先溶解后再加入；或用细粉未；用吐温或环糊精来促溶。18 三、培养条件的影响 培养基的组成、植物激素、刺激剂、抑制剂以及pH值、温度、光照等培养条件。19第五节植物细胞生物转化的应用 一、在药物合成方面的应用1.手性药物的合成手性药物(chiral drug)是指有药理活性的对映体纯化合物。目前世界上销售的1327种化学合成药物中，有528种是有手性的药物，然而只有61种是以单一对映体的手性药物出售，其余的467种是以消旋体出售。生物转化合成手性药物的两条途径：一是把外消旋体拆分为两个光学活性的对映体；二是从外消旋体或前手性的底物出发，通过催化反应得到不对称的光学活性产物。 202.天然药物的合成 抗癌：喜树碱、紫杉醇、长春花碱；抗高血压：利舍平；止痛药吗啡等。从天然植物提取或以化学方法合成，存在资源、环保和成本等难以解决的问题。植物细胞培养技术：代谢产物产量低和细胞生长速度慢，造成生产效率低和生产成本高。代谢产物产量低的原因之一：细胞内关键酶的活性与产物前体在胞内积累不同步。通过生物转化可以克服这一弊端。21(1)结构简单的天然药物的合成：红景天苷：在高山红景天细胞指数生长期添加外源底物酪醇，能有效地转化成红景天苷。阿吗碱：长春花根中产生少量的阿吗碱，却产生较大量的蛇根碱。可通过筛选蛇根碱高产细胞系进行细胞培养，得到大量蛇根碱后，再用植物培养物将之转化为阿吗碱。 22(2)结构复杂的天然药物的合成生物转化反应只是一步酶催化反应，因此对于结构很复杂的一些天然药物，如抗癌药物长春花碱、长春新碱、紫杉醇，表鬼臼毒素呋喃葡萄糖苷等，往往需要与化学方法结合起来进行合成。长春碱和表鬼臼毒素呋喃葡萄糖苷是目前研究得比较深入并有可能进行商业化生产的两个天然药物。233.对现有药物的修饰改造对现有的药物进行结构修饰以改进它们的生物活性 。比如通过向底物引入亲水基团来提高药物的生物可利用性，通过引入保护基团来延长药物的药效，通过对亲本分子进行修饰来降低药物的副作用和提高药物的稳定等。最常用的转化反应是羟基化和糖基化。 24例：强心苷的改造：经生物转化可得到功能更强、副作用更小的强心苷。25二、在食品添加剂合成方面的应用1.辣椒素26