第十章氨基酸药物

第十章氨基酸药物氨基酸的生产方法2氨基酸及其衍生物在医药中的应用3赖氨酸的生产4赖氨酸的提取和精制5氨基酸的种类及物化性质110.1氨基酸的种类及物化性质氨基酸的命名与分类2氨基酸的组成与结构110.1.1氨基酸的组成与结构所有α-氨基酸的表达通式为：10.1.1氨基酸的组成与结构1.物理通性天然氨基酸纯品均为白色结晶性粉末，其熔点及分解点均在200℃以上，各种氨基酸均能溶于水，但溶解度不同。所有氨基酸都不溶于乙醚、氯仿等非极性溶剂，而均溶于强酸、强碱中。除甘氨酸外，所有天然氨基酸都具有旋光性。天然氨基酸的旋光性在酸液中可以保持，在碱液中由于互变异构，容易发生外消旋化。10.1.1氨基酸的组成与结构2.化学通性α-氨基酸共同的化学反应有两性解离、酰化、烷基化、酯化、酰氯化、叠氮化、脱羧及脱氨反应、肽键结合反应等。此外，某些氨基酸的特殊基团也产生特殊的理化反应应；精氨酸的胍基产生坂口反应；色氨酸的吲哚基与芳醛产生红色反应；组氨酸的咪唑基产生Pauly反应等。另外色氨酸、苯丙氨酸及酪氨酸均有特征紫外吸收，色氨酸的最大吸收波长为279nm，苯丙氨酸为259nm，酪氨酸为278nm。但构成天然蛋白质的20种氨基酸在可见光区均无吸收。10.1.2氨基酸的命名与分类1.氨基酸的化学名称是根据有机化学标准命名法命名的。氨基位置有α、β、γ、δ、ε之分。如：赖氨酸的化学名为α，ε-二氨基己酸。10.1.2氨基酸的命名与分类2.氨基酸的分类①根据氨基酸在pH=55溶液中带电状况可分为酸性、中性及碱性氨基酸三大类；②按照氨基酸侧链的化学结构，可将氨基酸分为脂肪族氨基酸、芳香族氨基酸、杂环族氨基酸和亚氨基酸四大类；③按氨基酸侧链基团的极性，把氨基酸分为极性氨基酸和非极性氨基酸两类；④从对人体营养的角度，根据氨基酸对人体生理的重要性和人体内能否合成，将氨基酸分为必需氨基酸和非必需氨基酸两大类。10.2氨基酸的生产方法化学合成法2酶法3直接发酵法4微生物生物合成法5蛋白水解法110.2.1蛋白水解法以毛发、血粉及废蚕丝等蛋白为原料，通过酸、碱或酶水解成多种氨基酸的混合物，经分离纯化获得各种氨基酸的生产方法。目前蛋白质水解分为酸水解法、碱水解法及酶水解法。水解法生产氨基酸的主要过程为水解、分离、精制结晶三个步骤。随着氨基酸生产技术的进步，由蛋白水解法提取氨基酸这一方法受到了很大的冲击，但在药用氨基酸的生产中仍有一定的意义。目前，我国至少有6种氨基酸尚需要用提取法生产，如组氨酸、精氨酸、亮氨酸、丝氨酸、胱氨酸及酪氨酸。10.2.2化学合成法化学合成法化学合成法是利用有机合成和化学工程相结合的技术生产氨基酸的方法。它的最大优点是在氨基酸的品种上不受限制，除制备天然氨基酸外，还可用于制备各种特殊结构的非天然氨基酸。由于合成得到的氨基酸都是DL型外消旋体，必须经过拆分才能得到人体能够利用的L氨基酸。故用化学合成法生产氨基酸时，除需要考虑合成工艺条件外，还要考虑消旋异构体的拆分与D分离，三者缺一都必会影响其应用。10.2.3酶法10.2.4直接发酵法10.2.4直接发酵法10.2.5微生物生物合成法10.3氨基酸及其衍生物在医药中的应用治疗消化道疾病的氨基酸及其衍生物2治疗肝病的氨基酸及其衍生物3用于治疗肿瘤的氨基酸及其衍生物4治疗其他疾病的氨基酸及其衍生物5氨基酸的营养价值及其与疾病的关系110.3.1氨基酸的营养价值及其与疾病的关系氨基酸是构成蛋白质的基本单位，它参与体内代谢和各种生理机能活动，故蛋白质的营养价值实际是氨基酸作用的反应。健康人靠膳食中的氨基酸或蛋白质，获取机体对营养的需求。缺乏蛋白质或氨基酸，则会影响机体的生长发育及正常的生理功能，导致抗病能力减弱引起病变。消化道功能严重障碍者及手术后病人，常因禁食无法获得足够蛋白质，而使自身蛋白质过量消耗，导致病情恶化或预后不良。10.3.2治疗消化道疾病的氨基酸及其衍生物此类氨基酸及其衍生物有谷氨酸及其盐酸盐、谷氨酰胺、乙酰谷酰胺铝、甘氨酸及其铝盐、硫酸甘氨酸铁、组氨酸盐酸盐等。其中谷氨酸、谷氨酰胺、乙酰谷酰胺铝主要通过保护消化道或促进黏膜增生，而达到防治综合性胃溃疡病、十二指肠溃疡、神经衰弱等疾病的作用。甘氨酸及其铝盐、谷氨酸盐酸盐主要是通过调节胃液酸碱度实现治疗作用。10.3.3治疗肝病的氨基酸及其衍生物治疗肝病的氨基酸有精氨酸盐酸盐、磷葡精氨酸、鸟氨酸、天冬氨酸、谷氨酸钠、蛋氨酸、乙酰蛋氨酸、赖氨酸盐酸盐及天冬氨酸等。精氨酸是鸟氨酸循环（ornithinecycle）的一员，具有重要的生理意义。多吃精氨酸，可以增加肝脏中精氨酸酶（arginase）活性，有助于将血液中的氨转变为尿素而排泄出去。所以精氨酸对治疗高氨血症、肝机能障碍等疾病颇有效果。精氨酸还是肝性昏迷禁钠病人的急救用药。LL环的中间体或重要成分。蛋氨酸和乙酰蛋氨酸是体内胆碱合成的甲基供体，可促进磷脂酰胆碱的合成，用于慢性肝炎、肝硬化、脂肪肝、药物性肝障碍的治疗。10.3.4用于治疗肿瘤的氨基酸及其衍生物近年来，发现不同癌细胞的增殖需要大量消耗某种特定氨基酸。寻找这种氨基酸的结构类似物——代谢拮抗剂，被认为是治疗癌症的一种有效手段，天冬酰胺的结构类似物是S-多种，如N-乙酰-L-苯丙氨酸、N-乙酰-L-缬氨酸。已发现天冬酰胺酶能阻止要求天冬酰胺的癌细胞（白血病）的增殖。10.3.5治疗其他疾病的氨基酸及其衍生物谷氨酸可被脑组织氧化，能作为脑组织的“能源”，是脑组织代谢作用较活跃的成分，故用来作为神经衰弱患者的中枢神经及大脑皮质的补剂，有改善神经系统功能的作用。γ-酪氨酸是中枢神经突触的抑制性递质，能激活脑内葡萄糖代谢，促进乙酰胆碱合成。恢复脑细胞功能并有中枢性降血压作用，用于治疗记忆障碍、语言障碍、脑外伤后遗症等。10.4赖氨酸的生产赖氨酸的性质2赖氨酸生物合成途径3赖氨酸的发酵生产4赖氨酸的酶法生产5水解法生产赖氨酸6赖氨酸概述110.4.1赖氨酸概述赖氨酸是人和动物营养的必需氨基酸，对机体的生长有重要的影响，且在八种必需氨基酸中是惟一的仅L型成分才能有效利用的基本氨基酸。而在小麦、玉米、稻米等植物蛋白质中缺乏赖氨酸，因此赖氨酸广泛应用于营养食品、食品强化剂、饲料及医药等方面。10.4.2赖氨酸的性质10.4.3赖氨酸生物合成途径10.4.3赖氨酸生物合成途径10.4.3赖氨酸生物合成途径10.4.3赖氨酸生物合成途径•根据赖氨酸的生物合成途径，由葡萄糖生成赖氨酸的化学反应式为：3C6H12O6+4NH3+4O2→2C6H14N2O2+6CO2+10H2O•赖氨酸对糖的理论转化率为：•赖氨酸盐酸盐对糖的理论转化率为：10.4.4赖氨酸的发酵生产直接发酵法工艺流程如下：1.L-赖氨酸生产菌种及扩大培养（1）生产菌种（2）种子扩大培养10.4.4赖氨酸的发酵生产2.赖氨酸发酵工艺及控制要点（1）发酵工艺流程10.4.4赖氨酸的发酵生产（2）发酵培养基组成10.4.4赖氨酸的发酵生产（3）发酵工艺条件及影响因素①温度②pH值控制③种龄和接种量④供氧对赖氨酸发酵的影响⑤生物素对赖氨酸生物合成的影响⑥硫酸铵对赖氨酸发酵的影响10.4.4赖氨酸的发酵生产10.4.5赖氨酸的酶法生产1.赖氨酸的酶法转化（1）酶法转化的方法①将含有D-氨基己内酰胺消旋酶的无色杆菌与含L-氨基己内酰胺水解酶的隐球酵母混合培养，使DL-氨基己内酰胺直接转化，全部生成L-赖氨酸。②利用D-氨基己内酰胺消旋酶，将D-氨基己内酰胺消旋化，生成L-氨基己内酰胺，再利用L-氨基己内酰胺水解酶将L-氨基己内酰胺水解，生成L-赖氨酸。10.4.5赖氨酸的酶法生产（2）酶法反应工艺反应实例：10%、100mL（780mmol）的DL-氨基己内酰胺（用HCl调pH=8.0），加入0.1g隐球酵母的丙酮干燥菌体及0.1g无色杆菌的冷冻干燥菌体，置于300mL的三角瓶中，在往复式摇瓶机上进行振荡培养，温度保持40℃，反应时间为24h。上清液中测不出DL的量为778.4mmol，转化率达到99.8%。加入少量活性炭，搅拌并煮沸3min，冷却至室温，过滤后用盐酸调pH=4.1，真空浓缩，60℃干燥，得到L-赖氨酸盐酸盐，纯度为99.5%。10.4.5赖氨酸的酶法生产2.赖氨酸的酶法拆分（1）酶法拆分消旋体原理10.4.5赖氨酸的酶法生产（2）酰化酶的制取用米曲霉制备米曲。将米曲置于冰浴中，加4倍蒸馏水或去离子水混匀压滤，残渣用2倍水洗，合并两次滤液，室温离心（2500～3000r/min）30min，上清液调pH=5。加入硫酸铵至0.6饱和度，冰浴中放置2h，离心后弃去上清液，沉淀用水洗涤，得粗酶液。加入甲苯后置冰箱中备用，可保存1～2天。将粗酶液于-2℃下加入60%（体积分数）的冷丙酮（1～2℃），经冷冻离心，收集沉淀，用少量水洗，对蒸馏水透析48h，冷冻干燥即得。10.4.5赖氨酸的酶法生产(3)酶法拆分操作要点首先配制0.1～0.5mol/L浓度的N-乙酰-DL-赖氨酸的水溶液，用氢氧化钠调节pH=7.0，加入一定量的米曲霉丙酮干粉，38℃24h以上。待水解反应基本完全，加入醋酸调pH=5.0，停止酶的作用并加入少量的活性炭，加热至70℃脱色，过滤，浓缩。10.4.5赖氨酸的酶法生产(4)L-赖氨酸的分离酶水解后生成的L-赖氨酸不溶于有机溶剂，而N-乙酰-D-赖氨酸则能溶解。故加入有机溶剂，L而与溶解的N-乙酰-D-赖氨酸分开。常用的有机溶剂为乙醇、醋酸乙酯或磷酸三丁酯。10.4.5赖氨酸的酶法生产(5)D-赖氨酸的回收母液中的乙酰-D-赖氨酸经真空浓缩至干，再用6mol/LHCl水解，即得D-赖氨酸的二盐酸盐。10.5赖氨酸的提取和精制发酵液的预处理2赖氨酸的提取3离子交换法提取赖氨酸的工艺条件4赖氨酸的精制5赖氨酸发酵液的主要性质110.5.1赖氨酸发酵液的主要性质1.氨基酸：代谢主产物赖氨酸，含量为7～8g/L；少量其他氨基酸，如缬氨酸、丙氨酸和甘氨酸，当发酵不正常时含有谷氨酸；少量有机酸，特别是发酵工艺控制不好时，含有乳酸。2.菌体：一般含量在15～20g（干重）/L。3.培养基残留物：如残糖6～20g/L（随原料不同而异），无机离子（如NH＋4、Ca2+、Mg2+、K+和一些阴离子，其中NH＋4浓度较高）。4.色素：发酵液中的这些杂质对赖氨酸的提取和精制影响很大，特别是菌体和钙离子等，应尽量除去。10.5.2发酵液的预处理发酵液的预处理1.离心分离法采用高速离心机（4500～6000r/min）分离除去，菌体小需反复分离，成本高。2.添加絮凝剂沉淀法是先将发酵液调节到一定的pH值，加适宜的絮凝剂如聚丙烯酰胺，使菌体絮凝而沉淀，加助滤剂过滤除去。10.5.3赖氨酸的提取1.沉淀法，利用赖氨酸生成难溶性盐而沉淀分离，或使赖氨酸结晶析出。2.有机溶剂抽提法。3.离子交换树脂吸附法。4.电渗析法。10.5.3赖氨酸的提取•强酸性阳离子交换树脂对氨基酸的交换势为：精氨酸＞赖氨酸＞组氨酸＞苯丙氨酸＞亮氨酸＞蛋氨酸＞缬氨酸＞丙氨酸＞甘氨酸＞谷氨酸＞丝氨酸＞苏氨酸＞天冬氨酸。•赖氨酸提取精制工艺流程如下：10.5.4离子交换法提取赖氨酸的工艺条件1.上柱吸附（1）上柱方式上柱方式有正上柱和反上柱两种。如果发酵液含菌体等固形物较多，流速较快时，容易造成树脂层堵塞，这时采用反上柱较好。（2）交换量正向上柱时，一般为每吨树脂可吸附90～100kg赖氨酸盐酸盐，反向上柱时可吸附70～80kg赖氨酸盐酸盐。流出液pH=5时表明吸附达饱和。10.5.4离子交换法提取赖氨酸的工艺条件（3）上柱流速上柱流速应根据上柱液性质、树脂的性质、柱大小及上柱方式等具体情况决定。应在小柱中进行试验确定合适的上柱流速。一般正向上柱流速大些，可以10L/min的流速吸附；反上柱流速小些。上柱后，需用水洗去停留在树脂层的菌体、残糖等杂质，直至洗涤水清亮，同时使树脂疏松以利洗脱。10.5.4离子交换法提取赖氨酸的工艺条件2.洗脱剂（1）氨水洗脱（2）氨水＋氯化铵洗脱（3）氢氧化钠洗脱10.5.5赖氨酸的精制1.浓缩与除