生化药物制造工艺氨基酸类药物课件.ppt
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1、第十三章第十三章 生化药物制造工艺生化药物制造工艺一、氨基酸类药物概述及分类一、氨基酸类药物概述及分类 氨基酸是构成蛋白质构成蛋白质的基本组成单位。自20世纪50年代年代开始,氨基酸应用范围不断扩大,形成了一个朝气蓬勃的新兴工业体系,被称为氨基酸工业氨基酸工业,生产技术日新月异,品种和产量逐年增加。 目前,全世界氨基酸的年产量已超过200万吨万吨。其品种已由构成蛋白质的20多种多种,发展到100多种氨基多种氨基酸衍生物酸衍生物。氨基酸广泛应用于医药、食品、保健、饲医药、食品、保健、饲料、化妆品、农药、制药、科学研究料、化妆品、农药、制药、科学研究等领域。 日本日本氨基酸工业生产在世界上居领先地
2、位世界上居领先地位,其产量约占世界总产量的总产量的35,品种主要有有26种种,几乎都几乎都用作医药原料用作医药原料。 我国药用氨基酸药用氨基酸年产量约4000多吨多吨,占世界总产量的1左右左右,但销售额销售额占氨基酸产品总额的1820。 在一定程度上说,药用氨基酸药用氨基酸作为发展中的产业,“永不衰退永不衰退”的医药产品市场潜力很大。(一)分类(一)分类 依据天然是否存在天然是否存在和人体能否合成人体能否合成可分为:1、蛋白质氨基酸、蛋白质氨基酸 自然界中,有一类氨基酸存在于动物、植物和微动物、植物和微生物生物的蛋白质里,是构成天然蛋白质的组成成分,大约有20种种,被称为蛋白质氨基酸蛋白质氨基
3、酸。其游离存在的甚少,其游离存在的甚少,绝大多数都以结合状态存在。绝大多数都以结合状态存在。 在基因DNA中,含有它们的特异遗传密码特异遗传密码且能为其编码的氨基酸,称为编码氨基酸编码氨基酸。 根据蛋白质氨基酸的化学结构化学结构又可分为脂肪族氨脂肪族氨基酸基酸;芳香族氨基酸芳香族氨基酸;杂环族氨基酸杂环族氨基酸。 根据氨基酸分子中氨基和羧基的数目不同氨基和羧基的数目不同,可分为酸性氨基酸;碱性氨基酸;中性氨基酸酸性氨基酸;碱性氨基酸;中性氨基酸。 所谓酸性氨基酸、碱性氨基酸都是相对其分子中性相对其分子中性而言,由于羧基的游离度大于氨基羧基的游离度大于氨基,在pH7的纯水中,多数略小于7而呈酸性
4、呈酸性。2、非蛋白氨基酸、非蛋白氨基酸 自然界中,还存在一些特殊的氨基酸特殊的氨基酸,不是蛋白质的组成成分,多以游离形式存在游离形式存在。 至今已发现有450种以上非蛋白氨基酸种以上非蛋白氨基酸。其中存在于植物植物中的约有240种种,存在于动物动物中的有有50种种,其他多存在于微生物中多存在于微生物中,还不断有新发现的这类氨基酸新发现的这类氨基酸问世。3、衍生氨基酸、衍生氨基酸 经酶催化修饰或化学修饰酶催化修饰或化学修饰,在氨基酸的活性基团活性基团上上进行甲基化、乙基化、乙酰化、酰胺化、磷酸化甲基化、乙基化、乙酰化、酰胺化、磷酸化等(由此形成氨基酸衍生物氨基酸衍生物)。4、必需氨基酸和非必需氨
5、基酸、必需氨基酸和非必需氨基酸 依据人体能否合成划分人体能否合成划分,氨基酸可分为必需氨基必需氨基酸和非必需氨基酸酸和非必需氨基酸。不同的生物,要求的必需氨基酸必需氨基酸也不同也不同。人类必需氨基酸有亮氨酸、异亮氨酸、赖氨亮氨酸、异亮氨酸、赖氨酸、苯丙氨酸、甲硫氨酸、苏氨酸、色氨酸和缬氨酸酸、苯丙氨酸、甲硫氨酸、苏氨酸、色氨酸和缬氨酸8种。 精氨酸、组氨酸精氨酸、组氨酸在人体内合成速度很低,要给予补充,故又称半必需氨基酸半必需氨基酸。(二)氨基酸及其衍生物在医药中的应用(二)氨基酸及其衍生物在医药中的应用 氨基酸是构成蛋白质的基本组成单位基本组成单位,故生物体中众多蛋白质的生物功能生物功能,无
6、不与构成蛋白质的氨基酸种类、数量、排列顺序及由其形成的空间构象种类、数量、排列顺序及由其形成的空间构象有密切的关系。 因此氨基酸氨基酸对维持机体蛋白质的动态平衡动态平衡有极其重要的意义。 现就某些氨基酸及其衍生物的营养价值及临床应氨基酸及其衍生物的营养价值及临床应用用简述如下:1、氨基酸的营养价值及其与疾病治疗的关系、氨基酸的营养价值及其与疾病治疗的关系 氨基酸为构成天然蛋白质的基本单位,故蛋白质营养价值营养价值实际是氨基酸作用的反映氨基酸作用的反映。健康人靠膳食中的蛋白质获取各种氨基酸满足机体需求。 临床上常通过直接输入氨基酸制剂直接输入氨基酸制剂改善患者营养状况,增加治疗机会,促进康复。2
7、、治疗消化道疾病的氨基酸及其衍生物、治疗消化道疾病的氨基酸及其衍生物3、治疗肝病的氨基酸及其衍生物、治疗肝病的氨基酸及其衍生物4、治疗脑及神经系统疾病的氨基酸及其衍生物、治疗脑及神经系统疾病的氨基酸及其衍生物5、用于肿瘤治疗的氨基酸及其衍生物、用于肿瘤治疗的氨基酸及其衍生物6、其他氨基酸类药物的临床应用、其他氨基酸类药物的临床应用二、氨基酸类药物的制造方法二、氨基酸类药物的制造方法 目前构成天然蛋白质的20种氨基酸种氨基酸的生产方法有天然蛋白质水解法、发酵法、酶转化法及化学合成法天然蛋白质水解法、发酵法、酶转化法及化学合成法等四种等四种。氨基酸及其衍生物类药物己有百种之多百种之多,但主要是以2
8、0种氨基酸为原料种氨基酸为原料经酯化、酰化、取代及成酯化、酰化、取代及成盐盐等化学方法或酶转化法化学方法或酶转化法生产。(一)水解法(一)水解法1、基本原理与过程、基本原理与过程 水解法是最早发展起来的生产氨基酸的基本方法。它是以毛发、血粉及废蚕丝毛发、血粉及废蚕丝等蛋白质为原料,通过酸、酸、碱或酶水解碱或酶水解成多种氨基酸混合物,经分离纯化分离纯化获得各种药用氨基酸的方法。(1)蛋白质水解)蛋白质水解 目前蛋白质水解分为酸水解法、碱酸水解法、碱水解法及酶水解法水解法及酶水解法三种。 酸水解法。酸水解法。蛋白质原料用610molL盐酸盐酸或8molL硫酸硫酸于110120水解水解1224h,除
9、酸后即得多种氨基酸混合物,此法优点优点是水解迅速而彻底,产物全部为L型氨基酸型氨基酸,无消旋作用无消旋作用。缺点缺点是色氨色氨酸酸全部被破坏,丝氨酸及酪氨酸丝氨酸及酪氨酸部分被破坏,且产生大量废酸污染环境大量废酸污染环境。 碱水解法。碱水解法。蛋白质原料经6molL氢氧化钠或氢氧化钠或4molL氢氧化钡氢氧化钡于100水解水解6h即得多种氨基酸混合物。该法水解迅速而彻底,且色氨酸不被破坏色氨酸不被破坏,但含羟基或巯基羟基或巯基的氨基酸全部被破坏,且产生消旋作用消旋作用 酶水解法酶水解法。蛋白质原料在一定一定pH和温度条件和温度条件下经蛋白水解酶作用分解成氨基酸和小肽氨基酸和小肽的过程称为酶酶水
10、解法。水解法。 此法优点优点为反应条件温和条件温和,无需特殊设备,氨基特殊设备,氨基酸不破坏,无消旋作用酸不破坏,无消旋作用。缺点是水解不彻底,缺点是水解不彻底,产物中除氨基酸外,尚含较多肽类含较多肽类。 工业上很少用该法生产氨基酸而主要用于生产水水解蛋白及蛋白胨解蛋白及蛋白胨。(2)氨基酸分离)氨基酸分离 氨基酸分离方法较多,通常有溶解溶解度法、等电点沉淀法、特殊试剂沉淀法、吸附法及度法、等电点沉淀法、特殊试剂沉淀法、吸附法及离子交换法离子交换法等。 溶解度法溶解度法。是依据不同氨基酸在水中或其他溶剂中的溶解度差异而进行分离溶解度差异而进行分离的方法。 如胱氨酸和酪氨酸均难溶于水胱氨酸和酪氨
11、酸均难溶于水,但在热水中酪氨热水中酪氨酸溶解度较大酸溶解度较大,而胱氨酸胱氨酸溶解度变化不大。 特殊试剂沉淀法。特殊试剂沉淀法。系采用某些有机或无机试剂有机或无机试剂与相应氨基酸形成不溶性衍生物的分离方法。 如邻二甲苯二甲苯4磺酸磺酸能与亮氨酸亮氨酸形成不溶性盐沉淀,后者与氨水反应氨水反应又可获得游离亮氨酸游离亮氨酸; 组氨酸组氨酸可与HgCl2形成不溶性汞盐沉淀汞盐沉淀,后者经处理后又可获得游离组氨酸游离组氨酸; 精氨酸精氨酸可与苯甲醛苯甲醛生成水不溶性苯亚甲基精氨酸苯亚甲基精氨酸沉淀,后者用盐酸除去苯甲醛盐酸除去苯甲醛即可得精氨酸。 离子交换法。离子交换法。是利用离子交换剂对不同氨基酸吸附
12、能力的差异吸附能力的差异进行分离的方法。氨基酸为两性电解两性电解质质。 (3)氨基酸的精制)氨基酸的精制 分离出的特定氨基酸中常含有少量其他杂质,需进行精制精制,常用的有结晶和重结晶技术结晶和重结晶技术,也可采用溶解度法或结晶与溶解度法结晶与溶解度法相结合的技术。2、用水解法生产氨基酸的品种及工艺、用水解法生产氨基酸的品种及工艺 绝大多数氨基酸均可采用酸水解法生产采用酸水解法生产。 1、L-胱氨酸(胱氨酸(L-Cystine,L-Cys2)的制备)的制备 (1)L-胱氨酸胱氨酸的的结构与性质结构与性质 L-胱氨酸存在于所有蛋白质分子中,尤以毛、发及蹄甲等毛、发及蹄甲等角蛋白角蛋白中含量最多。其
13、分子由两分子半胱氨酸两分子半胱氨酸脱氢氧化脱氢氧化而成,结构为: L-胱氨酸自稀酸中形成六角形或六角柱形晶体六角形或六角柱形晶体,分解点分解点258261,pI为为5.05,25D 为为-232。在25水中溶解度为0.011,在75水中为0.052。溶于无机酸及无机碱,在热碱液中可被分解热碱液中可被分解。不溶于乙醇、乙醇、乙醚及丙酮乙醚及丙酮。可被还原还原为为L半胱氨酸半胱氨酸。 (2)工艺路线)工艺路线 (5)作用与用途)作用与用途 L一胱氨酸一胱氨酸具有增强造血功能、升高白细胞、促进增强造血功能、升高白细胞、促进皮肤损伤的修复及抗辐射作用皮肤损伤的修复及抗辐射作用。临床上用于治疗辐射损伤、
14、重金属中毒、慢性肝炎、牛皮癣及病后或产后继发性脱发。(二)发酵法(二)发酵法 现在20多种多种氨基酸绝大多数都可以用发酵法生产或试生产。 氨基酸发酵法有广义与狭义广义与狭义之分。狭义者狭义者系指通过特定微生物特定微生物在以糖为碳源、以氨或尿素为氮源氨或尿素为氮源以及其他成分的培养基中生长,直接产生氨基酸的方法。 广义者广义者除直接发酵法外,尚包括添加前体发酵法及添加前体发酵法及酶转化技术酶转化技术生产氨基酸法。 在此仅简述直接发酵法直接发酵法。1、基本原理与过程、基本原理与过程(1)发酵的基本原理)发酵的基本原理 生物化学中称酵母无氧呼吸无氧呼吸过程为发酵,反应过程中电子供体与受体皆为有机物电
15、子供体与受体皆为有机物。 工业上,发酵发酵就是微生物纯种培养过程,实质上是利 用微生物细胞中酶的作用微生物细胞中酶的作用,将培养基中有机物转化为细胞或其他有机物的过程,且有厌氧及好氧发厌氧及好氧发酵酵之分,氨基酸发酵属好氧的不完全氧化过程好氧的不完全氧化过程。 微生物通过固氮作用、硝酸还原及自外界吸收氨固氮作用、硝酸还原及自外界吸收氨使酮酸酮酸氨基化成相应的氨基酸,称为初生氨基酸初生氨基酸。 微生物通过转氨酶作用转氨酶作用,将一种氨基酸的氨基转移到另一种酮酸酮酸上,生成的新的氨基酸亦称为初初生氨基酸生氨基酸。 在微生物作用下,以初生氨基酸为前体初生氨基酸为前体转化成的其他氨基酸称为次生氨基酸次
16、生氨基酸。因此,大多数氨基酸均可通过以初生氨基酸为原料以初生氨基酸为原料的微生物转化作用而产生。 另外,有些氨基酸可以有机化合物和氨盐有机化合物和氨盐为前体,在相应酶作用下而产生。(2)发酵法的基本过程)发酵法的基本过程 发酵法生产氨基酸的基本过程包括培养基配制与灭菌处理、菌种诱变与选育、菌培养基配制与灭菌处理、菌种诱变与选育、菌种培养、灭菌及接种发酵、产品提取及分离纯化等步种培养、灭菌及接种发酵、产品提取及分离纯化等步骤骤。 氨基酸发酵中,菌种主要为细菌,其次为酵母属细菌,其次为酵母属, 现代生物工程采用细胞融合技术及基因重组技术细胞融合技术及基因重组技术改造微生物细胞,已获得多种高产氨基酸
17、杂种菌株高产氨基酸杂种菌株及基因工程菌基因工程菌。 氨基酸发酵方式主要是液体通风深层培养法液体通风深层培养法,是由菌种试管培养逐级放大直至数吨至数百吨发酵罐。直至数吨至数百吨发酵罐。 其分离纯化及精制纯化及精制方法和过程均与水解法水解法相同。2、发酵法生产的氨基酸品种及工艺、发酵法生产的氨基酸品种及工艺 微生物利用碳源、氮源及盐类几乎可合成所有氨几乎可合成所有氨基酸基酸。目前绝大部分氨基酸皆可通过发酵法生产,其缺点缺点是产物浓度低,设备投资大,工艺管理要求严格,生产周期长,成本高成本高。 L赖氨酸的制备赖氨酸的制备(1) L赖氨酸的结构与性质赖氨酸的结构与性质 L赖氨酸存在于所有蛋白质中,为人
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