謝春清,佟國軍,葛文中
(1.黑龍江八一農(nóng)墾大學生命科學技術學院,大慶163319;2.黑龍江八一農(nóng)墾大學動物科技學院)
總狀毛霉對17α-羥基孕甾-4-烯-3,20-二肟的生物轉(zhuǎn)化
謝春清1,佟國軍2,葛文中1
(1.黑龍江八一農(nóng)墾大學生命科學技術學院,大慶163319;2.黑龍江八一農(nóng)墾大學動物科技學院)
為了獲得具有較強生物學活性或結(jié)構(gòu)新穎的羥基甾體肟衍生物,利用總狀毛霉對合成的17α-羥基孕甾-4-烯-3,20-二肟進行轉(zhuǎn)化研究。轉(zhuǎn)化產(chǎn)物經(jīng)柱層析分離純化后鑒定為7α,17α-二羥基-20-肟-孕甾-4-烯-3-酮(3)和11α,17α-二羥基-20-肟-孕甾-4-烯-3-酮(4)。目前微生物轉(zhuǎn)化甾體研究領域?qū)τ阽摅w肟的轉(zhuǎn)化研究少見報道,研究結(jié)果為甾體肟衍生物的發(fā)展奠定了基礎。
生物轉(zhuǎn)化;合成;甾體肟;羥基化;總狀毛霉
隨著甾體藥物的發(fā)展,人們發(fā)現(xiàn)在甾體母核上引入雜原子后有更廣泛的生理活性[1]。甾體酮肟類化合物除了具有抗增殖、抗著床、抗早孕等活性外,還具有抗腫瘤、抗病毒、抗菌等活性[2-3]。Krstic N M等[4-5]合成的膽甾-6-酮肟對子宮癌(HeLa)細胞和慢性骨髓白血?。↘-562)細胞具有較好的抑制作用。
甾體生物轉(zhuǎn)化研究中,細菌、放線菌和真菌等對甾體進行的生物轉(zhuǎn)化均有報道[6]??偁蠲箍梢苑置诘鞍酌?,用于腐乳的生產(chǎn),在工業(yè)生產(chǎn)上具有重要的應用價值[7]。Faramarzi M A等[8]利用總狀毛霉對雄甾-4-烯-3,17-二酮進行微生物轉(zhuǎn)化,并采用波譜學方法對轉(zhuǎn)化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)進行鑒定,生物轉(zhuǎn)化主要發(fā)生6β-、7α-、7β-、11α-、4α-羥基化以及17-羰基還原反應??偁蠲箤︾摅w化合物具有較好的羥基化能力,但目前沒有發(fā)現(xiàn)利用總狀毛霉對甾體酮肟類化合物進行生物轉(zhuǎn)化的報道。
研究利用總狀毛霉對化學合成的17α-OH-孕甾-4-烯-3,20-二肟進行轉(zhuǎn)化,是對含肟甾體研究的一個新探索,將為系統(tǒng)研究甾體微生物轉(zhuǎn)化和藥物開發(fā)提供參考。
1.1 菌種與培養(yǎng)基
總狀毛霉(Mucor racemosus CICC 3161),購買于中國工業(yè)微生物菌種保藏管理中心(CICC)。
斜面培養(yǎng)基:水1 000 mL,土豆200 g,葡萄糖20 g,瓊脂20 g,pH自然。
發(fā)酵培養(yǎng)液:水1 000 mL,蛋白胨12 g,葡萄糖30 g,磷酸二氫鉀1.3 g,酵母膏1.0 g,用1 mol·L-1的鹽酸溶液調(diào)pH至4.5。
1.2 底物
利用甾體原料17α-羥基黃體酮(1)與鹽酸羥胺反應(乙酸鈉做催化劑)合成17α-OH-孕甾-4-烯-3,20-二肟化合物。將0.75 g17α-羥基黃體酮溶于75 mL的95%的乙醇中,置于100 mL的圓底燒瓶中,在磁力攪拌器上攪拌加熱至55℃,加入1.20 g的乙酸鈉和0.52 g的鹽酸羥胺,一鍋法反應8 h,TLC監(jiān)測反應進程。反應完全后加入蒸餾水100 mL,充分攪拌,靜置冷卻,待白色物質(zhì)完全析出后,進行抽濾,真空干燥得到粗品。
將粗品用石油醚:乙酸乙酯=2.5∶1作淋洗劑進行柱層析分離,甲醇重結(jié)晶得到產(chǎn)物17α-OH-孕甾-4-烯-3,20-二肟(2),化合物2收率為45.2%。合成路線如圖1所示。
圖1 甾體二肟的合成Fig.1Synthesis of steroidal dioximes
1.3 微生物轉(zhuǎn)化及產(chǎn)物提取
在超凈工作臺中,接種總狀毛霉菌株到已滅菌的裝有120 mL發(fā)酵液的500 mL錐形瓶中。28℃,180 r·min-1條件下振蕩培養(yǎng)40 h后,每瓶加入溶有17α-羥基孕甾-4-烯-3,20-二肟底物的95%乙醇2 mL,繼續(xù)振蕩培養(yǎng)4 d后終止發(fā)酵。
過濾發(fā)酵液,用乙酸乙酯分別萃取發(fā)酵液和菌絲體各5次,合并有機層。50℃減壓濃縮,旋至一定體積。依次用飽和NaHCO3溶液、飽和NaCl溶液洗3次后,再用蒸餾水洗1次,加無水Na2SO4干燥后,將有機層減壓蒸干。置于50℃真空干燥箱中干燥,得到轉(zhuǎn)化產(chǎn)物粗品??偁蠲箤?7α-羥基孕甾-4-烯-3,20-二肟的生物轉(zhuǎn)化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 總狀毛霉對17α-羥基孕甾-4-烯-3,20-二肟的生物轉(zhuǎn)化Fig.2Biotransformation of 17α-hydroxy-pregane-4-ene-3,20-dioxime by mucor racemosus
1.4 轉(zhuǎn)化產(chǎn)物的分離純化
轉(zhuǎn)化產(chǎn)物先采用石油醚:二氯甲烷:乙酸乙酯= 1∶1∶2洗脫分離,用丙酮結(jié)晶純化后,得到產(chǎn)(3),收率12.1%。進一步用石油醚:二氯甲烷:乙酸乙酯=1∶1∶2.5為淋洗劑洗脫,分離得到產(chǎn)物用丙酮結(jié)晶純化后得到產(chǎn)(4)。
2.1 結(jié)果
2.1.1 轉(zhuǎn)化產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)鑒定
化合物3和4經(jīng)波譜學手段鑒定后結(jié)構(gòu)分別為:(1)7α,17α-二羥基-20-肟-孕甾-4-烯-3-酮(3),收率12.1%。IR(KBr)v·cm-1:3 420,2 960,1 735,1 640,927.1HNMRδ(ppm):0.56(3H,s,C18-CH3),1.58(3H,s,C19-CH3),1.98(3H,s,C21-CH3),2.18(2H,d,C6-CH2),3.59(s,7α-H),5.61(1H,s,C4-CH);13CNMRδ(ppm):196.9(C-3),170.9(C-5),156.8(C-20),124.9(C-4),84.9(C-17),67.4(C-7),52.6(C-9),46.9(C-14),42.5(C-13),41.4(C-6),40.2(C-10),39.1(C-8),35.1(C-1),33.4(C-2),33.4(C-12),32.6(C-16),21.1(C-15),21.0(C-11),17.7(C-19),15.0(C-18),12.3(C-21);MS m·z-1:345[M+Na]+。
(2)11α,17α-二羥基-20-肟-孕甾-4-烯-3-酮(4),收率11.9%。IR(KBr)v·cm-1:3 430(OH),2 935,1 710(3C=O),1 630,1 600,930;1HNMRδ(ppm):1.24(3H,s,C19-CH3),1.76/0.94(2H,d,C7-CH2),2.36(2H,d,C6-CH2),5.61(1H,s,C4-H),1.74(3H,s,C21-CH3),3.77(s,11α-H);13CNMRδ(ppm):198.7(C-3),171.8(C-5),157.7(C-20),123.5(C-4),84(C-17),67.8(C-11),58.3(C-9),48.6(C-14),46.9(C-13),42.6(C-12),38.8(C-10),37.0(C-1),34.6(C-8),33.8(C-2),33.0(C-6),32.4(C-16),31.6(C-7),22.9(C-15),17.9(C-19),16.2(C-18),11.0(C-21);MS m·z-1:345[M+Na]+。
2.2 討論
2.2.1 甾體二肟的化學合成
甾體二肟要通過對反應溫度、反應時間以及反應物之間摩爾比的嚴格控制來合成的。實驗發(fā)現(xiàn):經(jīng)TLC檢測,反應溫度太高(高于80℃),副產(chǎn)物的種類會增多,造成產(chǎn)物分離困難,產(chǎn)率降低;反應溫度太低(低于45℃)時,反應需要長時間的進行,而且反應不完全。實驗結(jié)果確定反應溫度在65℃最佳。
以17α-羥基黃體酮為底物,反應時間應該控制在12 h以上,3位、17位的兩個酮基都發(fā)生肟化反應,反應不足12 h,產(chǎn)物是單肟(兩個酮基選擇性的發(fā)生肟化)和二肟甾體的混合物。反應物之間的摩爾比對反應起到關鍵作用,當n(NH2OH·HCl):n(底物)=2∶1時,由于NH2OH·HCl不能被完全利用,所以有部分底物反應不完全,有甾體單肟生成,n(NH2OH·HCl):n(底物)=3∶1底物中的兩個酮基都能被肟化。
在此肟化過程中,反應環(huán)境要求是弱堿性,催化劑對反應影響較大,一般以NaHCO3、Na2CO3、吡啶或乙酸鈉作催化劑。以NaHCO3或Na2CO3為催化劑時,因CO32-和HCO3-不夠穩(wěn)定,在反應中,其量不能很好的控制,而且后處理操作繁雜。吡啶能與水互溶,呈堿性,但吡啶易燃,而且惡臭,有強烈的刺激性,能麻痹中樞神經(jīng)系統(tǒng)。乙酸鈉用量容易控制,反應效果好,后處理簡單,實驗采用乙酸鈉做催化劑。
2.2.2 甾體二肟的生物轉(zhuǎn)化
利用總狀毛霉對17α-羥基孕甾-4-烯-3,20-二肟進行生物轉(zhuǎn)化研究。研究結(jié)果表明,底物主要發(fā)生7α-羥基化、11α-羥基化反應,同時伴有C-3位肟基的水解反應。
在17α-羥基孕甾-4-烯-3,20-二肟(2)進行生物轉(zhuǎn)化過程中,經(jīng)TLC檢測,在加入底物9 h后有新物質(zhì)的出現(xiàn),該物質(zhì)極性介于17α-羥基孕甾-4-烯-3,20-二肟與17α-羥基孕甾-4-烯-3,20-二酮之間,在后續(xù)的發(fā)酵過程中,在9~18 h時,含量有所增加,在18 h后明顯的下降直至發(fā)酵結(jié)束消失。在發(fā)酵至18 h時,化合物3出現(xiàn),在27 h后有化合物4出現(xiàn),到發(fā)酵進行到第5 d時,化合物3和4含量不再明顯增加。
化合物2的生物轉(zhuǎn)化歷程可能為:化合物2經(jīng)總狀毛霉轉(zhuǎn)化先發(fā)生3-肟基的水解反應,接著進行7α-羥基化反應生成化合物3,最后3-肟基的水解產(chǎn)物發(fā)生11α-羥基化反應得到化合物4。
葛文中等[9]利用該總狀毛霉菌株對4-烯-3-酮類甾體衍生物進行生物轉(zhuǎn)化,4-雄烯二酮的轉(zhuǎn)化產(chǎn)物是14α-羥基-雄甾-4-烯-3,17-二酮、14α,17β-二羥基雄甾-4-烯-3-酮和6 α,17 β-二羥基雄甾-4-烯-3-酮。黃體酮生物轉(zhuǎn)化得到的產(chǎn)物是14 α-羥基-4-孕甾烯-3,20-二酮和7 α,14 α-二羥基-4-孕甾烯-3,20-二酮;顯示總狀毛霉對4-烯-3-酮類甾體生物轉(zhuǎn)化主要是14 α-羥基化[10-11],此外還發(fā)生6 β、7 α、7 β及11 α-羥基化。研究中,總狀毛霉對17 α-羥基孕甾-4-烯-3,20-二肟底物生物轉(zhuǎn)化發(fā)生的羥基化反應是7 α-羥基化,還伴隨有11 α-羥基化反應??赡苁且驗?7 α-羥基孕甾-4-烯-3,20-二肟中3-酮、20-酮基團改變?yōu)闃O性較大的肟基,結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,對各原子的影響發(fā)生改變,對總狀毛霉中酶的誘導發(fā)生變化,因此,生物轉(zhuǎn)化的方式也不同,轉(zhuǎn)化過程中主要發(fā)生了7 α-羥基化,伴隨有11 α-羥基化,沒有14 α-羥基化反應發(fā)生,說明17 α-羥基孕甾-4-烯-3,20-二肟底物主要受總狀毛霉產(chǎn)生的7 α-羥基化酶,以及少量11 α-羥基化酶作用。在此生物轉(zhuǎn)化過程中,發(fā)生的水解反應是3-肟基水解反應,其中3-肟基可能受底物中4-烯基團的影響,相比20-肟基更容易水解。在生物轉(zhuǎn)化過程,20-肟基沒有發(fā)生水解,可能與甾體肟的結(jié)構(gòu)有關,17 α-羥基可能與20-肟基生成氫鍵,構(gòu)成六元環(huán),增加了穩(wěn)定性,使得20-肟基不易發(fā)生水解。
7α-羥基-甾體具有重要的生理活性,研究發(fā)現(xiàn)在肝臟中7α-OH-DHEA的抗氧化作用優(yōu)于DHEA[12],DHEA的7-羥基衍生物,已被證實對治療癌癥和阿爾茨海默病有一定療效,同時還具能增強機體免疫、增加抗糖皮質(zhì)激素和促進減肥的功效[13]。Faramarzi M A等[14]利用Neurospora crassa轉(zhuǎn)化得到的化合物7α-羥基-雄甾-4-烯-3,17-二酮可作為利尿劑。
11α-羥基是皮質(zhì)激素發(fā)揮抗炎作用及糖代謝作用的必需官能團,C-11位羥基甾體具有實際應用價值[15]。甾體的11α-羥基化對于甾體藥物的合成及結(jié)構(gòu)改造具有重要意義,通過11α-羥基化后甾體可以引入高生理活性基團,從而大大增加療效,減少副作用[16]。
研究通過乙酸鈉做催化劑合成甾體二肟,利用總狀毛霉對合成的17α-OH-孕甾-4-烯-3,20-二肟轉(zhuǎn)化獲得轉(zhuǎn)化產(chǎn)物7α,17α-二羥基-20-肟-孕甾-4-烯-3-酮(3)和11α,17α-二羥基-20-肟-孕甾-4-烯-3-酮(4),表現(xiàn)出總狀毛霉特異羥基化活性。研究結(jié)果為甾體肟衍生物的發(fā)展奠定了基礎。同時通過使用化學合成與生物轉(zhuǎn)化相結(jié)合的方式為甾體肟的獲得提供新的思路。
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Biotransformation of 17α-hydroxy-pregane-4-ene-3,20-dioxime by Mucor racemosus
Xie Chunqing1,Tong Guojun2,Ge Wenzhong1
(1.College of Life Science and Technology,Heilongjiang Bayi Agricultural University,Daqing 163319;2.College of Animal Science and Technology,Heilongjiang Bayi Agricultural University)
In order to get strong biological activity or novel structure of oxime-steroids,the biotransformation of 17α-hydroxypregane-4-ene-3,20-dioxime by mucor racemosus was studied.The transformation products were purified with column chromatography and determined as 7α,17α-dihydroxy-20-oxime-4-en-3-one(3)and 11α,17α-dihydroxy-20-oxime-4-en-3-one(4).The transformation of oxime-steroids rarely occured in microbial transformations of steroid,based on the best of our knowledge,the results lay a foundation for rich diversities of oxime-steroids.
biotransformation;synthesize;oxime-steroids;hydroxylation;mucor racemosus
Q939.5
A
1002-2090(2016)04-0075-04
10.3969/j.issn.1002-2090.2016.04.017
2015-10-24
黑龍江省教育廳項目(12521384)。
謝春清,女,黑龍江八一農(nóng)墾大學生命科學技術學院2013級碩士研究生。
葛文中,男,教授,碩士研究生導師,E-mail:wenzhongg@126.com。