第六章--生物化学制药

第六章生物化学制药Basisofbiopharmaceuticaltechnology 主要内容 生化制药技术基础生化制药实例 生化药物 运用生物化学研究方法 将生物体中起重要生化作用的各种基本物质经过提取 分离 纯化等手段提取出的药物 或者将上述这些已知药物加以改造或人工合成的药物 生化制药技术基础 生物材料与生物活性物质生物活性物质的提取生物活性物质的浓缩与干燥生化物质的分离纯化方法 生物材料的来源生物活性物质的存在方式生物活性物质的存在特点生物材料的准备 返回目录 生化制药工艺技术基础 生物材料与生物活性物质生物活性物质的提取生物活性物质的浓缩与干燥生化物质的分离纯化方法 物质的性质与提取提取方法 返回目录 生化制药工艺技术基础 生物材料与生物活性物质生物活性物质的提取生物活性物质的浓缩与干燥生化物质的分离纯化方法 生物活性物质的浓缩干燥 返回目录 生化制药工艺技术基础 生物材料与生物活性物质生物活性物质的提取生物活性物质的浓缩与干躁生化物质的分离纯化方法 生物制药中分离 制备方法的特点生物制药中分离制备方法的基本原理分离纯化的基本程序和实验设计分离纯化方法步骤优劣的综合评价制备物均一性的鉴定 返回目录 一 生物材料的来源 植物动物动物脏器血液 分泌物和其他代谢物海洋生物微生物开发生物新能源 返回目录 植物 药用植物品种繁多 尤其是中草药含有生物碱 强心甙 黄酮 皂甙 挥发油 树脂 鞣质等有效药理成分外 还含有氨基酸 蛋白质 酶 激素 糖类 脂类 维生素等生化成分 如天花粉蛋白 菠萝蛋白酶 木瓜蛋白酶 凝集素 多糖等 返回 药用植物中的主要药理成分 1 生物碱 是生物体中一类含氮有机化合物的总称 它们有类似碱的性质 能和酸结合成盐 如麻黄碱 吗啡 2 强心甙 是一类对心肌有兴奋作用 具有强心生理活性的成分 它们的分子中都有一个C17位被不饱和内酯环所取代的甾体母核 如洋地黄毒甙 3 黄酮 系两个芳环通过三碳链相互连结而成的一系列化合物 大多数具有颜色 在植物体内大部分与糖结合成甙 银杏中含银杏素 异银杏素 白果素等都是黄酮类 它们具有解痉 降压 扩张冠状血管等药理作用 药用植物中的主要药理成分 4 皂甙 是一类比较复杂的化合物 它们的水溶液振摇时能产生大量持久的蜂窝状泡沫 与肥皂相似 故名皂甙 它们有减低液体表面张力的作用 可以乳化油脂 用做去垢剂 人参中含皂甙总量约4 5 挥发油 是具香味和挥发性 可随水蒸气蒸馏的易流动的油状液体 它们多数具有多方面的药理作用 如解表 发汗 驱风 镇痛 杀虫 抗菌 薄荷 茴香 樟木 桂皮都含有挥发油 6 树脂 常与挥发油 树胶 有机酸等混合存在 与挥发油共存的称油树脂 与树胶共存的称胶树脂 与芳香族有酸共存的称香树脂 药用的如松香 乳香 没药 安息香等 药用植物中的主要药理成分 7 鞣质 又称丹宁 鞣酸 是存在于植物中的一类分子较大的复杂多元酚类化合物 可与蛋白质结合成不溶于水的沉淀 故能与生兽皮结合而形成致密 柔顺 不易腐败又难以透水的皮革 所以称为鞣质 茶叶 柿子中含有丰富的鞣质 鞣质可用于解毒 抗菌 治疗烧伤 使创面收敛 干燥 结痂 另外 尚含有氨基酸 蛋白质 酶 激素 糖类 脂类 维生素等生化成分 返回 生物材料的来源 动物脏器 肝脏 脾脏 胃 小肠 胰 脑部结构 心脏结构 内脏结构 生物材料的来源 动物脏器 胰脏 分泌胰岛素和胰高血糖素 调节糖的代谢 还分泌各种消化酶 如胰蛋白酶 胰淀粉酶 胰脂肪酶 已用胰脏提取的生物药物有40多种 肝脏 脾脏 胃 小肠 胰 返回 生物材料的来源 动物脏器 胃为动物的消化器官 主要分泌消化液 如胃蛋白酶 组织蛋白酶 胶原蛋白酶等 肝脏 脾脏 胃 小肠 胰 生物材料的来源 动物脏器 肝脏是机体的 生化反应器 含有复杂的酶系 已知的肝脏酶达数百种 用肝脏可制备肝注射液 肝水解物 肝细胞生长因子 造血因子等 肝脏 脾脏 胃 小肠 胰 生物材料的来源 动物脏器 脾脏是体内最大的周围淋巴器官 免疫器官 已用于生产的药物有脾水解物 脾RNA和脾转移因子 肝脏 脾脏 胃 小肠 胰 生物材料的来源 动物脏器 小肠消化和吸收的主要场所 含有30多种胃肠道激素 属活性多肽 肝脏 脾脏 胃 小肠 胰 生物材料的来源 动物脏器 脑垂体悬垂于脑的底部 体积很小 总重量不到1克 但结构复杂 包括腺垂体和神经垂体两部分 分泌的激素种类多 作用广泛 并能调节其他内分泌腺的活动 生物材料的来源 动物脏器 心脏含有丰富的糖元 激素和酶类 用心脏为原料生产的药物主要有细胞色素C 辅酶Q10和心血通注射液 返回 血液 分泌物和其他代谢物 以血液为原料可生产多种药物 如凝血酶 血红蛋白 SOD 干扰素等 其他 如尿液 胆汁 蛇毒 蜂毒也是重要的生物材料 返回 海洋生物 海洋生物约占全球生物的一半 是开发新药的重要宝库 海藻腔肠动物节肢动物软体动物 棘皮动物鱼类爬行动物海洋哺乳动物 返回 海藻 已从藻类生物中发现 提取了一些抗肿瘤 防止心血管疾病 治疗慢性气管炎 驱虫 抗放射线物质等 返回 腔肠动物 属于原始多细胞动物 已应用的不多 已提取的有前列腺素类 萜类抗菌物质 抗癌物质 返回 海葵 节肢动物 其中的某些甲壳动物 包括虾 蟹 可供药用 从中提取的甲壳素可用于甲亢 肿瘤 肝炎 肾炎和糖尿病等的辅助治疗 另外在食品工业上有重要用途 如用于废水处理 食品添加剂 减肥 返回 软体动物 包括螺 蚌类和乌贼等 已从其中提取出一些具有抗病毒 抗肿瘤 抗菌 降血脂 止血 平喘作用的多糖 多肽 毒素等 返回 棘皮动物 包括海星 海胆 海参 关于海胆的研究很多 已提取到不少药物 还发现了在化工方面的应用 返回 鱼类 可制造多种药物 最常用的是鱼肝油 返回 爬行动物 海生爬行动物有海蛇 海龟等 海蛇毒液含有多种酶类 返回 海洋哺乳动物 从鲸鱼 海豚的脏器 腺体可以提取多种药物 如鲸油 维生素A D 返回 微生物 微生物资源非常丰富 其代谢产物有1300多种 已大量生产的才近100种 微生物酶有几千种 已被应用的才几十种 可见其应用前景广阔1 细菌利用细菌生产氨基酸 有机酸 糖类 核苷酸类 维生素 酶 用埃希氏大肠杆菌生产的天冬酰胺酶是治疗肿瘤的第一个酶制剂 微生物 2 放线菌是最重要的抗生素产生菌 已有的1000多种抗生素产自放线菌 3 酵母菌可生产维生素 蛋白质 多肽和核酸等 4 真菌可以利用真菌生产酶 有机酸 维生素 多糖 还可以直接利用真菌本身作为药物 如灵芝 银耳 冬虫夏草 返回 扩大开发生物新资源 1 生物资源的综合利用 2 开发新生物资源 3 动植物细胞的大规模培养4 应用基因工程技术 生产各种生物活性物质 尤其适合于在自然界中含量低 活性高的一些微量物质的生产 返回 二 生物活性物质的存在方式 生物活性物质的存在方式与其生物功能生物分子间的作用力 返回目录 生物活性物质的存在方式与其生物功能 生物活性物质分为 胞内 与 胞外 两种存在部位 对于胞内物质的提取要先破碎细胞 对于膜上物质则要选择适当的溶剂使其从膜上溶解下来 返回 生物分子间的作用力 生物分子间主要是通过一些非共价键所维系 其键能较弱 生物大分子的空间高级结构也是由非共价键结合的 因此分离时应十分小心 确保立体结构不受破坏 通常在十分温和条件下操作 返回 三 生物活性物质的存在特点 生物材料组成的复杂性生物活性物质存在的特点 返回目录 生物材料组成的复杂性 同种物质可来自于不同生物体或同种生物体的不同部位 同种生物 由于细胞的类型 年龄 分化程度的不同都会改变活性物质的组成 如 胸腺激素只能从幼龄动物中提取 HCG只能从孕妇尿中提取 返回 生物活性物质存在的特点 1 生物活性物质在生物体材料中含量较低 杂质含量很高 2 生物材料中的生化组成数量大 种类多 目的物与杂质的理化性质接近 分离纯化困难 返回 四 生物材料的准备 生物材料的选择生物材料的采集与保存组织与细胞的破碎细胞器的分离 返回目录 生物材料的选择 1 有效成分的含量 1 生物品种 2 合适的组织器官 3 生物的生长期2 杂质情况3 来源 返回 生物材料的采集与保存 采集 必须快速 及时速冻 低温保存 保存方法有速冻 冻干 有机溶剂脱水 制成 丙酮粉 或浸存于丙酮与甘油中 返回 保存设备 组织与细胞的破碎 1 机械方法组织捣碎法适用于动物内脏组织 植物肉质种子 匀浆器破碎法破碎程度较高 对活性物质破坏较小 研磨器破碎常用于微生物或植物细胞的破碎2 物理法 超声波法 渗透压法 温度差法3 化学法用有机溶剂 表面活性剂处理细胞 4 生物法组织自溶溶法利用组织中自身酶的作用改变 破坏细胞结构 释放出目的物的方法 酶解法用外来酶处理生物材料 细胞器的分离 为获得结合在细胞器上的一些生化成分或酶系 常常要先得到特定的细胞器再进一步分离有效成分 方法 匀浆破碎细胞 离心分离 包括差速离心和密度梯度离心 返回 生物活性物质的提取 基本概念 提取 利用制备目的物的溶解特性 将目的物与细胞的固形成分或其他结合成分分离 使其由固相转入液相或从细胞内的生理状态转入特定溶液环境的过程 固 液提取 浸渍和浸煮 和液 液提取 萃取 浸渍 用冷溶剂溶出固体材料中的物质 浸煮 用热溶剂溶出目的物 萃取 将目的物从某一溶剂转入另一溶剂系统 返回 提取设备 一 物质的性质与提取 一 物质的性质与提取方法的选择关键 针对生物材料和目的物的性质选择合适的溶剂系统与提取条件 重点了解目的物与主要杂质在溶解度方面的差异以及它们的稳定性 返回目录 一 物质的性质与提取 二 活性物质的保护措施1 采用缓冲系统2 添加保护剂3 抑制水解酶的作用4 其他避免紫外光 强烈搅拌 过酸 过碱或高温 二 提取方法 用酸 碱 盐水溶液提取用表面活性剂提取有机溶液提取 返回目录 提取方法 用酸 碱 盐水溶液提取 用于提取各种水溶性 盐溶性的生化物质 这类溶剂提供了一定的离子强度 pH值及相当的缓冲能力 某些与细胞结构结合牢固的生物大分子 在提取时采用高浓度盐溶液 如4mol L盐酸胍 8mol L脲或其他变性剂 这种方法称 盐解 返回 提取方法 用表面活性剂提取 表面活性剂分子兼有亲水与疏水基团 在分布于水 油界面时有分散 乳化和增溶作用 表面活性剂可分为阴离子型 阳离子型 中性与非离子型 离子型表面活性剂作用强 但易引起蛋白质等生物大分子的变性 非离子型表面活性剂变性作用小 适合于用水 盐系统无法提取的蛋白质或酶的提取 阴离子表面活性剂SDS可以破坏核酸与蛋白质的离子键合 对核酸酶又有一定抑制作用 因此常用于核酸的提取 返回 提取方法 有机溶液提取 1 固 液提取 常用于水不溶性的脂类 脂蛋白 膜蛋白结合酶等的提取 包括单一溶剂分离法 多种溶剂组合分离法 常用的有机溶剂 相似相溶极性溶剂 甲醇 乙醇 丙酮 丁醇 非极性溶剂 乙醚 氯仿 苯 返回 提取方法 有机溶液提取 2 液 液萃取利用溶质在两个互不混溶的溶剂中溶解度的差异 将溶质从一个溶剂相向另一个溶剂相转移的操作 影响因素 目的物在两相的分配比 分配系数K 有机溶剂的用量 K增大 提取效率增大 K值较小时 可以适当增加有机溶剂的用量 采用多次提取 提取方法 有机溶液提取 注意事项 1 pH值酸性物质在酸性条件下萃取 碱性物质在碱性条件下萃取 氨基酸等两性电解质 则采用在等电点进行提取 2 盐析在提取液中加入适量中性盐 促使生化物质转入有机相 从而提高萃取率 并且 盐析作用能减少有机溶剂在水中的溶解度 使提取液中的水分含量减少 提取方法 有机溶液提取 注意事项 3 温度室温或低温下操作4 乳化乳化层出现使有机相与水相分层困难 消除乳化的方法 过滤 离心 轻轻搅动 改变两相的比例 加热 加电解质 NaCl NaOH HCl 加吸附剂 CaCO3 提取方法 有机溶液提取 注意事项 液 液萃取时 溶剂的选择 具有较高选择性 即K值较大 在萃取后 溶质与溶剂容易分离与回收 两种溶剂的密度相差较大 以减少乳化作用 无毒 不易燃烧 价廉 返回 生物活性物质的浓缩 浓缩是从低浓度的溶液除去水或溶剂 使之变为高浓度的溶液的过程 1 盐析浓缩添加中性盐 使蛋白质从稀溶液中沉淀出来 返回目录 生物活性物质的浓缩 2 有机溶剂沉淀浓缩在生物大分子的水溶液中 逐渐加入乙醇 丙酮等有机溶剂 使生化物质的溶解度明显降低 从溶液中沉淀出来 优点 溶剂易于回收 样品不必透析除盐 注意 低温操作下 对大多数生物大分子较为稳定 但对某些蛋白质或酶 易引起变性失活 生物活性物质的浓缩 3 葡聚糖凝胶 Sephadex 浓缩 吸附法 方法 将干葡聚糖凝胶G25或吸水棒按1 5加入到水抽提液中 缓缓搅拌30分钟 G25吸水膨胀 抽提液体积可缩小三倍左右 注意 当吸水棒对有效成分吸附力强或吸水后对有效成分的性质有影响时 该法不宜采用 生物活性物质的浓缩 4 透析浓缩法方法 将待浓缩液放入透析袋内 放在吸水力强的聚乙二醇 简称PEG 或甘油中 袋内的水分很快被袋外的PEG或甘油所吸收 优点 在短时间内可以浓缩几十倍至上百倍 注意 搅拌条件下进行 生物活性物质的浓缩 5 超滤浓缩把抽提液装入超滤装置 在空气或氦气 5 05 105Pa 压力下 使小分子物质 包括水分 通过超滤膜 大分子物质留在膜内 不同型号的超滤膜可以截留不同分子量的生物大分子 生物活性物质的浓缩 6 真空减压蒸发使蒸发器内形成一定的真空度 将溶液的沸点降低 进行沸腾操作 由于溶液沸点降低 能防止或减少物料的分解 生物活性物质的浓缩 7 薄膜蒸发液体形成薄膜而蒸发时 具有极大的表面 热的传播快而均匀 没有液体静压的影响 能够较好地防止物料的过热现象 物料总的受热时间也有所缩短 而且能连续进行操作 干燥 概念 干燥是使物质从固体或半固体状经除去存在的水分或它种溶剂 从而获得干燥物品的过程 目的 1 提高药物或药剂的稳定性 以利保存与运输 2 使药物或药剂有一定的规格标准 3 便于进一步处理 返回目录 干燥 水分在干燥物料中的三种情况 1 表面水 容易汽化除去 2 毛细管中的水 由于毛细管壁的作用 较难除去 3 细胞内的水 要扩散到膜外才能除去 由于后二种情况的存在 故干燥应缓慢进行 生物药物的常用干燥方法 一 减压干燥 亦称真空干燥 是在密闭容器中抽去空气后进行干燥的方法 优点 温度较低 产品疏松 易碎 减少空气的影响 效果 决定于真空度的大小 被干燥物的堆集厚度 生物药物的常用干燥方法 二 喷雾干燥方法 将待干燥的物料先浓缩成一定浓度的液体 液体在与热空气接触过程中 水分迅速汽化 使产品得到干燥 优点 缩短受热时间 产品为粉状 生物药物的常用干燥方法 三 冷冻干燥方法 将需要干燥的药物溶液预先冻结成固体 然后在低温低压条件下从冻结状态不经液态而直接升华除去水分的一种干燥方法 优点 1 避免药物因高热而分解变质 2 产品质地疏松 3 含水量低 4 产品中的微粉物质少 5 产品剂量准确 外观优良 返回 生物制药中分离 制备方法的特点 1 生物材料组成复杂 2 含量极微 3 活性成分离开生物体后 易变性 破坏 4 分离几乎都在溶液中进行 5 分离多采用温和的 多阶式 方式进行 即 逐级分离 操作时间长 手续繁琐 生物产品最后均一性的评估 要采用多种方法 返回目录 生物制药中分离制备方法的基本原理 1 根据分子大小不同进行分离2 根据分子电离性质 带电性 的差异3 根据分子极性大小及溶解度不同4 根据物质吸附性质的不同5 根据配体特异性 返回目录 分离纯化的基本程序和实验设计 1 分离纯化早期使用方法的选择多采用萃取 沉淀 吸附等一些分辨力低的方法较为有利 这些方法负荷能力大 分离量多 兼有分离提纯和浓缩作用 2 各种分离纯化方法的使用程序交叉使用 要考虑到减少工序 提高效率 3 分离后期的保护性措施 返回目录 分离纯化方法步骤优劣的综合评价 考虑因素 分辨能力 重现性 回收率 返回目录 制备物均一性的鉴定 均一性 指所获得的制备物只有一种完全相同的成分 必须经过数种方法的验证才能肯定 常用的鉴定方法 溶解度法 化学组成分析法 电泳法 免疫学方法 离心沉降分析法 色谱法 生物功能测定法 以及质谱法等 返回目录 洋地黄花 强心甙 银杏 返回 生物碱 黄酮 皂甙 丹宁 返回 凝血酶 SOD 血红蛋白 凝血酶 Mn SOD 血红蛋白的4级结构 返回 鱼肝油 鱼肝油含有维生素A和D 可以防治佝偻病 干眼症和夜盲症 颇受家长欢迎 但是由于应用不当 超量服用鱼肝油而引起维生素A中毒 鱼肝油中毒有以下常见表现 颅内高压征 表现为头痛 呕吐 前囱隆起 骨缝裂开 酷似脑炎 脑膜炎 这是由维生素A作用于颅内脉络丛 使其分泌大量水分 一时来不及吸收 使颅内压力增高 压迫脑子 所以发生头痛 呕吐 皮肤症状 皮肤瘙痒 手掌 足底脱皮 口角皲裂 还可有软组织压迫 但没有红热的现象 肝脾肿大 有出血倾向 一碰皮肤即有淤斑 多见于慢性维生素A中毒病例 臂痛 腿痛 骨胳疼痛 颈部 腰部骨样组织增生 表现为假性骨瘤 毛发稀少 烦躁 易怒 发烧等 确定鱼肝油中毒怎么办 一旦确定为鱼肝油中毒 应马上停服鱼肝油 以免维生素A继续吸收 急性中毒 停药两天 输液及对症处理 症状就会消失 慢性中毒者停药1 2周后 头痛 呕吐 前囱隆起等症状也会迅速消失 但此时血内维生素A仍处于较高水平 必须停药6个月左右 否则会复发 在此期间即使食用鲨鱼或比目鱼肝也可引起中毒 均应避免摄食 怎样正确服用鱼肝油呢 一般市售浓缩剂鱼肝油每毫升含维生素A为5万单位 含维生素D5千单位 每毫升有30滴 那么每滴鱼肝油含维生素A的量为1670单位 维生素D为167单位 维生素A的生理需要量为2500 4000单位 每日 而维生素D的预防量是400 800单位 每日 相当于3 5滴鱼肝油 如果加大剂量服鱼肝油 维生素D尚在治疗量内 而维生素A已经过量 比如有人每天吃20滴鱼肝油 等于每天摄入维生素3 3万单位 日积月累就会引起中毒 返回 保存设备 超低温保存箱 液氮储罐 返回 培养设备 返回 培养设备 光照培养箱 无菌接种台 返回 提取设备 超声波提取仪 提取设备总览 返回 超临界萃取设备 返回 生化药物 治疗酶与诊断用酶 1 超氧化物歧化酶 SOD SOD是一种抗氧化酶 主要临床用途是抗炎 抗辐射 抗衰老 治疗自身免疫性疾病和缺血再灌流综合症 SOD 生化药物 治疗酶与诊断用酶