氮杂环烃的微生物转化及其在药物合成中的潜在应用

(青岛科技大学，山东 青岛 266042)

•综述与述评•

氮杂环烃的微生物转化及其在药物合成中的潜在应用

王美玲

(青岛科技大学，山东 青岛 266042)

吡啶、喹啉、吖啶、吲哚、咔唑及其他含氮杂环化合物(氮杂环烃)可以被细菌及真菌的培养物转化，产生具有生物活性的多种代谢衍生产物。在很多情况下，微生物的生物转化过程具有区域选择性和立体选择性，因此转化产物在新候选药合成方面具有很大潜力。本文综述了氨杂环烃的转达化技术进展。

氮杂环烃；生物转化；药物；杂环化合物；药理学

有机化合物的微生物转化在合成药物方面有着重要的实际应用。许多用化学方法难以合成的化合物可通过微生物技术转化合成[1]，因此在药物合成过程中经常要用到生物转化合成技术。人们已经成功利用许多细菌和真菌的培养物来进行氮杂环烃的微生物转化[2]。参与氮杂环烃羟基化反应的酶包括萘1,2-双加氧酶、喹哪啶4-氧化酶、咔唑1,9 a-双加氧酶、联苯2,3-双加氧酶和甲苯双加氧酶。细菌醛氧化酶类和细胞色素P450 可能把氮杂环烃转化为内酰胺。真菌也可能产生细胞色素P450把 氮杂环烃转化为内酰胺，一些真菌如Beauveria bassiana、 Aspergillus spp.、Cunninghamella spp.等，由于它们能合成区域特异性及立体特异性催化的酶，因此在药物的生物转化中具有重要应用。本文综述的目的是概述一些可以利用细菌和真菌进行氮杂环烃生物转化的主要类型，用作转化其他杂环化合物以生产药物中间体的模型。

1 单环氮杂环烃的转化

1.1嘧啶和烷基吡啶衍生物

在高活性化合物如异烟肼、乙硫异烟胺、丙硫异烟胺，很多抗菌药物、抗癌药物、抗疟疾药物，治疗骨疾病的二磷酸药物中均有嘧啶环。吡啶及其衍生物的转化主要是由土壤细菌来进行的。Rhodococcus opacus可以把嘧啶脱氢生成2-羟基吡啶和2,6-二羟基吡啶；Arthrobacter crystallopoietes可以把嘧啶脱氢生成3-羟基吡啶和2,3-二羟基吡啶；Agrobacterium sp.可以把4-羟基吡啶转化为3,4-二羟基吡啶；3-甲基嘧啶中的甲基可以被Pseudomonas putida氧化为吡啶-3-甲酸 。

一些真菌和细菌不仅可以转化单烷基还可以转化双烷基嘧啶。比如，B. bassiana培养物可以羟基化2,6-双甲基嘧啶生成2-羟甲基-6-甲基嘧啶，同时生成微量的2,6-二羟甲基嘧啶。另一种真菌Exophiala dermatitidis可以把2,6-双甲基嘧啶转化为6-甲基嘧啶-2-羧酸。B. bassiana可以把2,5-双甲基嘧啶转化为3-羟甲基-6-甲基嘧啶和2-羟甲基-5-甲基嘧啶的混合物。

1.2吡嗪及烷基吡嗪

吡嗪的衍生物烷基吡嗪是治疗结核病的重要前体药物[3]。吡嗪经由细菌Rhodopseudomonas palustris的羧基化作用产生吡嗪酸；2,5-二甲基吡嗪经P.putida氧化作用生成5-甲基吡嗪-2-羧酸。2，3，6-三甲基吡嗪也可被P.putida催化氧化。

1.3吡咯和烷基吡咯

吡咯衍生物包括一些抑制淋巴细胞特异性激酶活性的物质[4]和其他正在测试的抗结核药物[5]。Bacillus megaterium已经被用于把吡咯经由羧化作用转化为吡咯-2-羧酸 。另外，2,5-二甲基吡咯中的2-甲基可以被P. putida所氧化。吡唑的衍生物克霉唑是一种烷基吡唑，可以作为杀真菌剂，但它也有抗疟活性；其他唑可能有抗抑郁或单胺氧化酶抑制活性[6]。3,5-二甲基吡唑可以经P. putida被氧化为5-甲基吡唑-3 -羧酸。

1.4嘧啶与嘌呤

关于嘧啶和嘌呤的微生物转化的文献有很多。在嘧啶降解过程中，胞嘧啶脱氨基变为尿嘧啶，然后氧化为巴比妥酸或还原为二氢尿嘧啶；胸腺嘧啶被氧化5-甲基巴比妥酸或还原为二氢胞嘧啶。在嘌呤降解过程中，腺嘌呤脱氨基变为次黄嘌呤，然后经6,8-二氢嘌呤或黄嘌呤氧化为尿酸;鸟嘌呤脱氨基变为黄嘌呤，然后氧化为尿酸。

2 喹啉、烷基喹啉(含奎宁)和异喹啉的转化

2.1喹啉

许多喹啉衍生物可以作为防治疟疾[7]、治疗肺结核[8]或止痛[9]的药物。Moraxella sp.，Nocardia sp.，Pseudomonas diminuta及Bacillus circulans可以把喹啉氧化为2-喹啉酮和6-羟基-2-喹啉酮。Rhodococcus sp.不仅可以把喹啉转化为2-喹啉酮和6-羟基-2-喹啉酮，还可以转化为5-羟基-6-(3-羰基-3-丙烯基)-2-喹啉和吡喃酮-2-one-(3，2b)-6-喹啉。在无氧条件下Desulfobacterium indolicum可以把喹啉羟化生成2-喹啉酮，再生成3,4-二羟基-2喹啉酮。来自Arthrobacter sp.的喹啉4-氧化酶可把喹啉氧化为4-羟基喹啉。真菌Cunninghamella elegans可以把喹啉氧化为N-氧化物。

2.2烷基喹啉(包括奎宁)

来自Arthrobacter sp.的喹啉4-氧化酶可以把2-甲基喹啉氧化为2-甲基-4-喹啉。Cunninghamella elegans可以把6-甲基喹啉转化为6-羟甲基喹啉、喹啉-6-羧酸和6-甲基喹啉-N-氧化物。真菌Xylaria sp.可以分别把奎宁、奎尼丁、金鸡纳啶和辛克宁转化为相应的1-N-氧化物[10]。

伯氨喹是喹啉的合成衍生物，酵母菌Candida tropicalis在13 d内可以把伯氨喹转化为两个代谢产物，包括伯氨喹N-乙酰-泰特和少量的带有亚甲基桥的伯氨喹二聚体。细菌Streptomyces rimosus也可以把伯氨喹催化为乙酰化衍生物，但它产生的二聚体缺乏亚甲基桥。

2.3异喹啉

Pseudomonas putida可以把异喹啉转换为1-异喹啉酮cis-5,6 或cis- 7,8-二氢化二醇和4 -、 5 -、8-羟基异喹啉。异喹啉也可以被其他细菌及Arthrobacter sp.的喹哪啶4-氧化酶氧化为1-异喹啉酮。Cunninghamella elegans在7 d内可以把异喹啉氧化为异喹啉N-氧化物。

3 苯并二嗪的转化

3.1喹喔啉

喹喔啉可以通过P.putida转换为2-喹喔啉酮、喹喔啉cis-5,6-二氢化二醇和5-羟喹喔啉。Streptomyces badius可以把喹喔啉转化为3,4-二羟基-2-喹喔啉酮和2-喹喔啉酮。S. viridosporus可以把喹喔啉转化为1-甲基-2-喹喔啉酮和2-喹喔啉酮。

3.2喹唑啉

喹唑啉可经Pseudomonas putida转化为4-喹唑啉酮、喹唑啉cis- 5,6-二氢化二醇、5,6,7,8-四氢喹唑啉-cis-5，6-二醇。它可以被来自Arthrobacter sp.的喹哪啶4-氧化酶氧化为4-喹唑啉酮，然后进一步被S.viridosporus氧化为2,4-喹唑啉二酮。真菌Aspergillus niger可把喹唑啉氧化为4-喹唑啉酮和2,4-喹唑啉二酮(产率4%)[11]。

3.3噌啉

噌啉可以被来自Arthrobacter sp.的喹哪啶4-氧化酶氧化生成4-噌啉酮。相比之下，Cunninghamella elegans和Aspergillus niger可以把它氧化为两种可能的N-氧化物，即1-型氧化物和2-型氧化物。

3.4酞嗪

酞嗪可以被来自Arthrobacter sp.的喹哪啶4-氧化酶氧化为1-酞嗪酮，也可以被S.viridosporus全细胞催化。真菌Fusarium verticillioides 和A. niger也可以把酞嗪氧化为1-酞嗪酮，但Cunninghamella elegans可以把它氧化为酞嗪N-氧化物。

4 苯并喹啉的转化过程

4.1吖啶

利用C. elegans转化吖啶可以生成吖啶trans-1,2-二氢化二醇，伴随有微量的2-羟基吖啶。Sphingomonas sp.经过代谢把吖啶转化为吖啶-9-one[12]。Mycobacterium vanbaalenii生长细胞在7 d的周期内可以把吖啶转化为四种代谢物:吖啶cis-1,2-二氢化二醇(产率1.1%)，4-羟基吖啶(产率5.4%)，吖啶-9-one(产率1.1%)和9，10-二氢吖啶(产率55.2%)[13]。

4.2菲啶

菲啶经Streptomyces viridosporus的作用可转化为菲啶-6-one。真菌Umbelopsis ramanniana可以把菲啶转化为菲啶-N-氧化物和菲啶-6-one[14]。菲啶可以被Mycobacterium gilvum转化为苯并喹啉-2-one而降解[15]。U. ramanniana则可以把菲啶转化为trans-7,8-二氢化二醇N-氧化物 7-羟基菲啶。

5 吩嗪和吩噻嗪的转化过程

5.1吩嗪

吩嗪-1-甲酰胺在Aspergillus sclerotiorum培养物的作用下经吩嗪-1-羧酸可以转化为3-羟基吩嗪-1-羧酸。

5.2吩噻嗪

吩噻嗪经Cunninghamella elegans培养物的作用可以转化为两种代谢物：3-羟基吩噻嗪亚砜和吩噻嗪亚砜。C.Verticillata可转化N-乙酰吩噻嗪72 h内生成五种代谢物:中间物吩噻嗪，吩噻嗪亚砜(产率5%)，N-乙酰吩噻嗪亚砜(产率17%)，吩噻嗪-3-one(产率4%)及吩噻嗪-N-葡糖苷[16]。

6 吲哚、咔唑和咔啉的转化过程

6.1吲哚

多种细菌可以经过不同的途径转化吲哚。来自Pseudomonas putida的萘-1,2-双加氧酶可以把吲哚氧化为吲哚cis-2,3-二氢化二醇，之后可以自发脱水生成3-羟基吲哚，然后在空气中氧化为靛蓝。Aspergillus niger可以把吲哚转化为吲哚酚中间物，然后除去杂环产生N-Formylanthranilic acid。真菌Pleurotus ostreatus 可以经靛红降解吲哚[17]。麦角真菌Claviceps purpurea可以转化吲哚-3-乙酸，主要产物是5-羟基吲哚-3-乙酸。在利用Beauveria bassiana转化3-吲哚氨基苯乙腈时，主要产物为3-甲基吲哚，在13 d内产率为46%[18]。色氨酸经A.niger的转化作用后变为5-羟基吲哚-3-乙酰胺，13 d内产率为24%。

6.2咔唑

许多细菌都可代谢咔唑产生cis-二氢化二醇，通常是在一个碳上进行类似萘的氧化作用或角双氧化作用[19]。第一种方法是咔唑首先经Pseudomonas sp.的萘-1,2双加氧酶和Sphingomonas yanoikuyae B8/36的联苯2,3双加氧酶作用，在两种细菌中生成cis-二氢化二醇，然后再产生3-羟基咔唑。第二种方法是Pseudomonas resinovorans、Pseudomonas sp.以及Nocardioides aromaticivorans把咔唑经角双氧化作用转化为邻氨基苯甲酸、2-羟基-2,4-二酸。Pseudomonas sp.和Flavobacterium sp.可通过某种未知途径把咔唑转化为吲哚-3-乙酸及其他开环产物。通过其他途径Ralstonia sp.可把咔唑氧化为1-，3-及9-羟基咔唑及3-羟基-1,2,3,9-四羟基咔唑-4-one[20]。Aspergillus flavus可以把咔唑转化为主产物3-羟基咔唑及少量的1-羟基咔唑和2-羟基咔唑。

6.3咔啉

Streptomyces lavendulae 和S. griseus可以羟基化乙基-β-咔啉-3-羧基(带有侧链R=C2H5或C3H7)的4-乙基和4-n-丙基衍生物。Penicillium simplicissimum可以转化抗组胺剂2,3,4,5-四羟基-2,8-二甲基-5-(2-(6-甲基-3-氮苯基)甲基)-吡啶骈吲哚，生成2,3-脱氢衍生物及4-乙基、5-羧基、2,3-脱氢衍生物。在2,3-脱氢衍生物中，如果经过4N-脱甲基或5-位氧化作用，就会生成4-乙酰、5-羧基、2,3-双脱氢衍生物，然在在γ-咔啉4N位上可以发生乙酰化。

7结论

许多包含氮杂环结构的药物，尤其是吡啶、喹啉、吖啶、吲哚等已从天然产物中分离出来或已经人工合成。在本文中回顾的微生物转化方法中，最吸引人的地方是可以生产出区域特异性及立体特异性的杂环氮衍生物，从而开发候选药物，同样羧基化的杂环氮衍生物也可能实现相同目的。也许在未来可以利用微生物技术生产新的杂环衍生物，从而获得具有新奇和意料之外治疗特性的药物。

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MicrobialTransformationofAzaarenesandItsPotentialApplicationinPharmaceuticalSynthesis

WANGMei-ling

(Qingdao Univeisity of Science and Technology,Qingdao 266042,china)

Pyridine,quinoline,acridine,indole,carbazole,and other heterocyclic nitrogen-containing compounds(azaarenes) can be transformed by cultures of bacteria and fungi to produce a variety of new derivatives,many of which have biological activity.In many cases,the microbial biotransformation processes are region and stereo selective so that the transformation products may be useful for the synthesis of new candidate drugs,the transformation technology progress of azaarenes are summarized.

azaarenes；biotransformation；drugs；heterocyclic compounds；pharmacology

2014-05-24

国家自然科学基金资助项目(21376129)

王美玲(1990-)，女，硕士研究生，研究主向：生物制药，E-mail：wangmeilingWF@163.com。

TQ464.8

A

1003-3467(2014)08-0017-04