氨基酸类药物及其制备工艺

第二十一章氨基酸类药物张驰副教授[e-mail]氨基酸（aminoacide）：生物功能大分子蛋白质的基本组成单位，是构成动物营养所需蛋白质的基本物质。是含有一个碱性氨基和一个酸性羧基的有机化合物。蛋白质在生命活动中功能各异源于组成蛋白质的氨基酸及其排列方式和空间结构不同。定义氨基酸蛋白质多肽中文名称英文名称符号与缩写分子量侧链结构类型丙氨酸AlanineA或Ala89.079CH3-脂肪族类精氨酸ArginineR或Arg174.188HN=C(NH2)-NH-(CH2)3-碱性氨基酸类天冬酰胺AsparagineN或Asn132.104H2N-CO-CH2-酰胺类天冬氨酸AsparticacidD或Asp133.089HOOC-CH2-酸性氨基酸类半胱氨酸CysteineC或Cys121.145HS-CH2-含硫类谷氨酰胺GlutamineQ或Gln146.131H2N-CO-(CH2)2-酰胺类谷氨酸GlutamicacidE或Glu147.116HOOC-(CH2)2-酸性氨基酸类甘氨酸GlycineG或Gly75.052H-脂肪族类组氨酸HistidineH或His155.141N=CH-NH-CH=C-CH2-|__________|碱性氨基酸类异亮氨酸IsoleucineI或Ile131.160CH3-CH2-CH(CH3)-脂肪族类亮氨酸LeucineL或Leu131.160(CH3)2-CH-CH2-脂肪族类赖氨酸LysineK或Lys146.17H2N-(CH2)4-碱性氨基酸类蛋氨酸MethionineM或Met149.199CH3-S-(CH2)2-含硫类苯丙氨酸PhenylalanineF或Phe165.177Phenyl-CH2-芳香族类脯氨酸ProlineP或Pro115.117-N-(CH2)3-CH-|_________|亚氨基酸丝氨酸SerineS或Ser105.078HO-CH2-羟基类苏氨酸ThreonineT或Thr119.105CH3-CH(OH)-羟基类色氨酸TryptophanW或Trp204.213Phenyl-NH-CH=C-CH2-|___________|芳香族类酪氨酸TyrosineY或Tyr181.1764-OH-Phenyl-CH2-芳香族类缬氨酸ValineV或Val117.133CH3-CH(CH2)-脂肪族类呈无色晶体，形态各异。熔点高，并在熔融是分解。易溶于酸碱溶液，一般不溶于有机溶剂，在水中各不相同亲水：精，组，赖氨酸等。疏水：胱，酪氨酸等氨基酸的理化性质各种氨基酸溶解度碱书中表21-2氨基酸的氨基具有伯胺氨基的一切性质（如与亚硝酸反应、酰化、烃基化、形成席夫碱、脱氨）羧基具有羧酸羧基的性质（如成盐成碱、成酰氯、脱羧、叠氮化）氨基酸还有一部分是两者共同参加的反应（茚三酮反应、成肽反应）氨基酸的理化性质特殊基团反应：酪氨酸的酚羟基可产生米伦反应与福林-达尼斯反应；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；苯丙氨酸硝化后于碱性条件下产生桔黄色反应；胱氨酸及半胱氨酸经酸或碱破坏后可与醋酸铅产生铅黑反应；半胱氨酸在碱性条件下与亚硝基铁氰化钠反应生成紫红色化合物。氨基酸的理化性质氨基酸的理化性质氨基酸分子同时含有氨基和羧基，即可带正电也可带负电，也可同时带电，为两性电解质。氨基酸带何种电荷主要取决于溶液的pH值。若在一定的pH值环境下氨基酸所带的正负电荷数相同，净电荷为零，此时的pH值称为：等电点（pI）。pHpI,氨基酸带负电。pHpI,氨基酸带正电。pH=pI,氨基酸溶解度最低，易于结晶和沉淀。氨基酸在不同pH状态下的解离状况氨基酸的理化性质由于氨基酸空间的排列位置不同，有两种构型：D型和L型，组成蛋白质的氨基酸，都属L型。20种氨基酸，除甘氨酸外，其它氨基酸的α-碳原子均为不对称碳原子。可以有立体异构、有旋光性。从蛋白酶促水解得到的α-氨基酸，都属于L-型，但在生物体中(如细菌)也含有D-型氨基酸。氨基酸的理化性质构成蛋白质的20种氨基酸在可见光区都没有光吸收，但在远紫外区(220nm)均有光吸收。在近紫外区(220-300nm)只有酪氨酸、苯丙氨酸和色氨酸光吸收。苯丙氨酸的max＝257nm酪氨酸的max＝275nm色氨酸的max＝280nm氨基酸的理化性质氨基酸的理化性质由于氨基酸是两性电解质，能与酸和碱形成盐，且多易溶于水。与重金属也可形成盐，但水溶性差。根据氨基酸形成不同盐的水溶性区别巨大，可作为分离不同氨基酸的方法。精氨酸苯甲醛苯甲亚基精氨酸HCl苯甲醛精氨酸按其亲水性、疏水性分类：类别氨基酸亲水性氨基酸D,E,H,K,Q,R,S,T,羟脯氨酸,焦谷氨酸疏水性氨基酸A,F,I,L,M,P,V,W,Y,α-氨基丁酸,β-氨基丙氨酸,正亮氨酸未定类C和G氨基酸的分类根据酸碱性分类：氨基酸的分类根据氨基酸的极性分类：氨基酸的分类从营养学的角度分类：必需氨基酸指生物体不能合成，必需由食物供给的氨基酸，这些氨基酸称为必需氨基酸。赖氨酸：促进大脑发育，脂肪代谢，调节内分泌，防止细胞退化；色氨酸：促进胃液及胰液的产生；苯丙氨酸：参与消除肾及膀胱功能的损耗；蛋氨酸：参与组成血红蛋白、组织与血清，有促进脾脏、胰脏及淋巴的功能；苏氨酸：有转变某些氨基酸达到平衡的功能；异亮氨酸：参与腺体调节以及代谢；脑下腺属总司令部作用于甲状腺、性腺；亮氨酸：作用平衡异亮氨酸；缬氨酸：作用于黄体、乳腺及卵巢。半必需氨基酸人体虽能够合成精氨酸和组氨酸，但通常不能满足正常的需要。精氨酸：精氨酸与脱氧胆酸制成的复合制剂（明诺芬）是主治梅毒、病毒性黄疸等病的有效药物。组氨酸：可作为生化试剂和药剂，还可用于治疗心脏病，贫血，风湿性关节炎等的药物。非需氨基酸指人（或其它脊椎动物）自己能由简单的前体合成，不需要从食物中获得的氨基酸。例如甘氨酸、丙氨酸等氨基酸。从营养学的角度分类：第二节、氨基酸的生产方法1.概况早在1806年，Vauquelin和Robiquet首次从天门冬属植物液汁中分离出天门冬酰胺，随后的130年发现和分离了各种蛋白质氨基酸1850年，Stecher首次人工以乙醛合成丙氨酸1928年首次人工合成蛋氨酸1948年首次以工业规模生产蛋氨酸到1983年，日本能用生物合成法生产除胱氨酸、半胱氨酸以外的各种氨基酸。目前总生产能力已达50万t/年。其中，法国Rhone-Poulenc公司13万t/年，德国Degussa公司14万t/年，美国Novus公司18万t/年。世界赖氨酸主要品种是L-赖氨酸盐我国的氨基酸工业是在药用氨基酸的基础上发展起来的，现已能在不同程度上制备18种氨基酸，但因成本高，价格贵，主要用于医药，部分用于食品，用作饲料添加剂的不多。近十年来，我国已兴建了一些大、中型饲料级蛋氨酸和赖氨酸生产厂，但远远满足不了需要，主要仍靠进口。作为营养补剂人体维持正常生理机能需要必需氨基酸，称为必需氨基酸。赖氨酸，色氨酸，苯丙氨酸，蛋氨酸，苏氨酸，亮氨酸，异亮氨酸，缬氨酸等8种。必需氨基酸不能由人体合成只能靠外源给予。补充氨基酸后会纠正负氮平衡。（复方氨基酸中加入糖防止前者被作为能源物质被氧化）降血氨多种氨基酸是合成尿素的原料，补充氨基酸能加快尿素的合成，降低血氨，较少毒性。临床应用保护作用1.谷胱甘肽的巯基抑制外界刺激造成的分子损伤。2.甲硫酸铵作为甲基供体促进了脂肪酸氧化，能量及脂类代谢，保护肝脏。离子转运载体天冬氨酸：镁钾进入心肌细胞，促进收缩，降低耗氧量甘氨酸：转运铁离子，增加细胞膜通透性，促进铁吸收临床应用转变成重要的生物活性物质1.谷氨酸￫γ-氨基丁酸：抑制性神经递质。2.谷氨酸和维生素B6协同辅助治疗孕妇呕吐。3.酪氨酸￫多巴及儿茶酚胺：改善肌肉强直。4.色氨酸￫5-羟色胺：神经递质。强效血管收缩剂。5.半胱氨酸￫牛磺酸：神经递质，参与学习和记忆过程6.组氨酸￫组胺：强力血管舒张剂。其他作用促毛发生长，延缓皮肤衰老，一直溃疡，抗肿瘤。临床应用现状及发展趋势目前全世界天然氨基酸的年总产量在百万吨左右，其中产量较大者有谷氨酸、蛋氨酸及赖氨酸。它们主要用于医药、食品、饲料及化工行业中。氨基酸及其衍生物类药物已有百种之多，但主要是以20种氨基酸为原料经酯化、酰化、取代及成盐等化学方法或酶转化法生产。技术方面革新迅速，完成了由提取及化学合成向微生物发酵及酶合成的转变。现状及发展趋势运用基因工程手段生产氨基酸（已有6种）；生物化工技术的应用成为主流趋势拓展开发领域，扩大氨基酸在医药产业，及其他行业中的应用。氨基酸粗品的制备是指从制备的氨基酸混合液中分离获得某种单一氨基酸产品，并制备成氨基酸药物的过程，主要包括：氨基酸粗品制备；氨基酸的分离；氨基酸溶液浓缩；氨基酸的纯化。水解法，微生物发酵法，化学合成法，酶促合成法。水解法定义：以富含蛋白质的物质为原料，通过酸、碱或蛋白水解酶水解成氨基酸混合物，经分离纯化获得各种氨基酸。主要包括：酸水解法，碱水解法，酶水解法。优点：原料丰富；缺点：单一氨基酸在水解液中含量少。应用对象：胱氨酸，亮氨酸，酪氨酸等。酸水解法：蛋白质原料用6～10mol／L盐酸或8mol／L硫酸于110～120℃（回流煮沸）水解12～24h，除酸后即得多种氨基酸混合物。优点:是水解迅速而彻底，产物全部为L-型氨基酸，无消旋作用。缺点:是色氨酸全部被破坏，丝氨酸及酪氨酸部分被破坏，且产生大量废酸污染环境。工业上较普遍采用。水解法碱水解法：蛋白质原料经6mol／L氢氧化钠或4mol／L氢氧化钡于100℃水解6h即得多种氨基酸混合物。优点:水解时间短，色氨酸不被破坏，水解也不成黑色。缺点:羟基和巯基氨基酸大部分被破坏，引起氨基酸的消旋作用。环境污染严重，较少采用。水解法酶水解法：蛋白质原料在一定pH和温度条件下经蛋白水解酶（胰酶，木瓜蛋白酶，微生物蛋白酶等）在常温常压下制备氨基酸的方法。优点：为反应条件温和，无需特殊设备，氨基酸不破坏，无消旋作用。缺点：水解不彻底，产物中除氨基酸外，尚含较多肽类。工业上很少用该法生产氨基酸而主要用于生产水解蛋白及蛋白胨。水解法微生物发酵法定义：是指以糖为碳源，以氨或者尿素为单元，通过微生物的发酵直接生产氨基酸或利用酶系统通过转化前体物质合成氨基酸的方法。工艺流程：菌种培养，接种发酵，提取及分离纯化。主要产生菌：细菌，酵母菌等。优点：直接生产L-型氨基酸，原料丰富间隔低廉，污染小。缺点：产物浓度低，周期长，设备贵，分离纯化复杂。初生氨基酸：微生物通过固氮作用、硝酸还原及自外界吸收氨使酮酸氨基化成相应的氨基酸，或微生物通过转氨酶作用，将一种氨基酸的氨基转移到另一种酮酸上，生成的新氨基酸也称为初生氨基酸。次生氨基酸：在微生物作用下，以初生氨基酸为前体转化成的其它氨基酸。微生物发酵法大多数氨基酸均可通过以初生氨基酸为原料的微生物转化作用而产生。化学合成法定义：通常以α-卤代羧酸、醛类、甘氨酸衍生物、异氰酸盐、卤代烃、α-酮酸及某些氨基酸为原料，经氨解、水解、缩合、取代、加氢等化学反应合成α氨基酸。此法是制备氨基酸的重要途径之一。针对不同氨基酸合成方法也各异。优点：原料及工艺多样，成本低，规模大，产品易分离。缺点：部分氨基酸工艺复杂，D-和L-混杂需要分离。应用对象：甲硫，苷，色，苏，苯丙，丙，脯氨酸等。定义:指在特定酶的作用下使某些化合物转化成相应的氨基酸的技术，也称酶工程技术或酶转化法。原理：以化学合成的、生物合成的或天然存在的氨基酸前体为原料，用经固定化处理的含特定酶的微生物、植物或动物细胞，通过酶促反应制备氨基酸。特点：产物浓度高、副产物少、成本低、周期短、收率高。酶促合成法主要对象：天冬，丙，苏，赖，色，异亮氨酸氨基酸的分离基于溶解度或等电点的分离沉淀分离离子交换分离电渗析法分离是依据不同氨基酸在水中或其它溶剂中的溶解度差异而进行分离的方法。胱氨酸和酪氨酸均难溶于水，但在热