生化药物制造工艺氨基酸类药物.ppt

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1、第十三章 生化药物制造工艺一、氨基酸类药物概述及分类 氨基酸是构成蛋白质的基本组成单位。自20世纪50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，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。其品种已由构成蛋白质的20多种，发展到100多种氨基酸衍生物。氨基酸广泛应用于医药、食品、保健、饲料、化妆品、农药、制药、科学研究等领域。,日本氨基酸工业生产在世界上居领先地位，其产量约占世界总产量的35，品种主要有26种，几乎都用作医药原料。我国药用氨基酸年产量约4000多吨，占世界总产量的1左右，但销售额占氨基酸产品总额的1

2、820。在一定程度上说，药用氨基酸作为发展中的产业，“永不衰退”的医药产品市场潜力很大。,（一）分类 依据天然是否存在和人体能否合成可分为：1、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，被称为蛋白质氨基酸。其游离存在的甚少，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且能为其编码的氨基酸，称为编码氨基酸。根据蛋白质氨基酸的化学结构又可分为脂肪族氨基酸；芳香族氨基酸；杂环族氨基酸。,根据氨基酸分子中氨基和羧基的数目不同，可分为酸性氨基酸；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

3、而言，由于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。2、非蛋白氨基酸 自然界中，还存在一些特殊的氨基酸，不是蛋白质的组成成分，多以游离形式存在。至今已发现有450种以上非蛋白氨基酸。其中存在于植物中的约有240种，存在于动物中的有50种，其他多存在于微生物中，还不断有新发现的这类氨基酸问世。,3、衍生氨基酸 经酶催化修饰或化学修饰，在氨基酸的活性基团上进行甲基化、乙基化、乙酰化、酰胺化、磷酸化等（由此形成氨基酸衍生物）。4、必需氨基酸和非必需氨基酸 依据人体能否合成划分，氨基酸可分为必需氨基酸和非必需氨基酸。不同的生物，要求的必需氨基酸也不同。人类必需氨基酸有亮氨酸、异亮氨

4、酸、赖氨酸、苯丙氨酸、甲硫氨酸、苏氨酸、色氨酸和缬氨酸8种。精氨酸、组氨酸在人体内合成速度很低，要给予补充，故又称半必需氨基酸。,（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，故生物体中众多蛋白质的生物功能，无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有密切的关系。因此氨基酸对维持机体蛋白质的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 氨基酸为构成天然蛋白质的基本单位，故蛋白质营养价值实际是氨基酸作用的反映。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

5、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、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4、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6、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 目前构成天然蛋白质的20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等四种。氨基酸及其衍生物类药物己有百种之多，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。（一）水解法1、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、血粉及废蚕丝等蛋白质为原料，通过酸、碱

6、或酶水解成多种氨基酸混合物，经分离纯化获得各种药用氨基酸的方法。,（1）蛋白质水解 目前蛋白质水解分为酸水解法、碱水解法及酶水解法三种。酸水解法。蛋白质原料用610molL盐酸或8molL硫酸于110120水解1224h，除酸后即得多种氨基酸混合物，此法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。碱水解法。蛋白质原料经6molL氢氧化钠或4molL氢氧化钡于100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，但含羟基或巯基的氨基酸全部被破坏，且产生消旋作用,酶水解法。蛋白质原料在一定pH

7、和温度条件下经蛋白水解酶作用分解成氨基酸和小肽的过程称为酶水解法。此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。缺点是水解不彻底，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。（2）氨基酸分离 氨基酸分离方法较多，通常有溶解度法、等电点沉淀法、特殊试剂沉淀法、吸附法及离子交换法等。,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的方法。如胱氨酸和酪氨酸均难溶于水，但在热水中酪氨酸溶解度较大，而胱氨酸溶解度变化不大。特殊试剂沉淀法。系采用某些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4磺酸能与

8、亮氨酸形成不溶性盐沉淀，后者与氨水反应又可获得游离亮氨酸；组氨酸可与HgCl2形成不溶性汞盐沉淀，后者经处理后又可获得游离组氨酸；精氨酸可与苯甲醛生成水不溶性苯亚甲基精氨酸沉淀，后者用盐酸除去苯甲醛即可得精氨酸。,离子交换法。是利用离子交换剂对不同氨基酸吸附能力的差异进行分离的方法。氨基酸为两性电解质。（3）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，常用的有结晶和重结晶技术，也可采用溶解度法或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 绝大多数氨基酸均可采用酸水解法生产。1、L-胱氨酸（L-Cystine，L-Cys2）的制备（1）L-胱氨酸的结构

9、与性质 L-胱氨酸存在于所有蛋白质分子中，尤以毛、发及蹄甲等角蛋白中含量最多。其分子由两分子半胱氨酸脱氢氧化而成，结构为：,L-胱氨酸自稀酸中形成六角形或六角柱形晶体，分解点258261，pI为5.05，25D 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。不溶于乙醇、乙醚及丙酮。可被还原为L半胱氨酸。（2）工艺路线,（5）作用与用途 L一胱氨酸具有增强造血功能、升高白细胞、促进皮肤损伤的修复及抗辐射作用。临床上用于治疗辐射损伤、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 现在20多种氨基酸绝大多数都可以用发酵

10、法生产或试生产。氨基酸发酵法有广义与狭义之分。狭义者系指通过特定微生物在以糖为碳源、以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。广义者除直接发酵法外，尚包括添加前体发酵法及酶转化技术生产氨基酸法。在此仅简述直接发酵法。,1、基本原理与过程（1）发酵的基本原理 生物化学中称酵母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。工业上，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，将培养基中有机物转化为细胞或其他有机物的过程，且有厌氧及好氧发酵之分，氨基酸发酵属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使酮酸氨基化成相应的氨基酸，

11、称为初生氨基酸。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，生成的新的氨基酸亦称为初生氨基酸。,在微生物作用下，以初生氨基酸为前体转化成的其他氨基酸称为次生氨基酸。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、菌种培养、灭菌及接种发酵、产品提取及分离纯化等步骤。氨基酸发酵中，菌种主要为细菌，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改造微生物细胞，已获得多种高产氨基酸杂种菌株及基因工程

12、菌。氨基酸发酵方式主要是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。其分离纯化及精制方法和过程均与水解法相同。,2、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基酸。目前绝大部分氨基酸皆可通过发酵法生产，其缺点是产物浓度低，设备投资大，工艺管理要求严格，生产周期长，成本高。L赖氨酸的制备（1）L赖氨酸的结构与性质 L赖氨酸存在于所有蛋白质中，为人体必需氨基酸之一。分子量为146.20，结构为：,L-Lys自乙醇水溶液中得针状结晶，其盐酸盐为单斜晶系白色粉末，无臭、味苦，熔点263264，易溶于水，几乎不溶于乙醇和乙醚。PI为10.56。含量测

13、定：采用电位滴定法。,（5）作用与用途 L赖氨酸盐酸盐为人体必需氨基酸之一，是氨基酸类药物，也是复合氨基酸注射液的重要成分之一。,（三）酶转化法 酶法是20世纪70年代兴起的生产方法，它是利用生物酶催化的立体专一性反应，从底物生产光学活性的氨基酸。1、基本原理及过程 酶转化法亦称为酶工程技术，实际上是在特定酶的作用下使某些化合物转化成相应氨基酸的技术。本法基本过程是利用化学合成、生物合成或天然存在的氨基酸前体为原料，同时培养具有相应酶的微生物、植物或动物细胞，然后将酶或细胞进行固定化处理，装填于适当反应器中制成所谓“生物反应堆”。,酶工程法与直接发酵法生产氨基酸之反应本质相同，皆属酶转化反应，

14、但前者为单酶或多酶的高密度转化，而后者为多酶低密度转化。2、酶转化法生产的氨基酸品种及工艺 目前医药工业中，用酶工程法生产的氨基酸已有十多种。,酶转化法制备L天冬氨酸和L丙氨酸1、L-天冬氨酸及L-丙氨酸的制备（1）L-天冬氨酸及L-丙氨酸的结构与性质 L天冬氨酸（L-Aspartic acid，Asp）的结构与性质 L-Asp存在于所有蛋白质分子中，含两个羧基和一个氨基，为酸性氨基酸，分子式为C4H7NO4，分子量为133.10，结构式为：,L-Asp的化学名称为-氨基丁二酸或氨基琥珀酸，纯品为白色菱形叶片状结晶，等电点为2.77，熔点为269271。溶于水及盐酸，不溶于乙醇及乙醚，在25水

15、中溶解度为0.8，在75水中为2.88，在乙醇中为0.00016。在碱性溶液中为左旋性，在酸性溶液中为右旋性。25D 为+5.05（C0.52.0，在水中），25D为+25.4（C0.52.0，在5molL HCl中）。,L-丙氨酸（L-Alanine，简称L-Ala）的结构与性质 L-Ala存在于所有蛋白质分子中,为中性氨基酸。分子式为C3H7NO2，分子量为89.09，结构式为：,L-Ala自水和乙醇中形成菱形结晶，等电点为6.0，分解点为297，在25水中溶解度为16.65，在75水中为28.5，在20乙醇中为0.16，不溶于丙酮及乙醚。25D 为+18（C0.52.0，在水中），25D

16、为-14.6（C0.52.0，在5molL HCl中）。,（2）L-Asp和L-Ala的酶转化反应,（3）工艺路线,（6）作用与用途 LAsp有助于鸟氨酸循环，促进氨和CO2生成尿素，降低血中氨和CO2，增强肝功能，消除疲劳，用于治疗慢性肝炎、肝硬化及高血氨症。同时LAsp和L Ala都是复合氨基酸输液的原料。,（四）化学合成法 氨基酸都是低分子化合物，采用化学合成手段制造氨基酸占有一定的地位。化学合成法是以原料，经氨解、水解、缩合、取代及氢化还原等化学反应合成氨基酸的方法。氨基酸种类较多、结构各异，故不同氨基酸的合成方法也不相同。不过通常可归纳为一般合成法和不对称合成法两大类。一般合成法的产

17、物皆为DL型氨基酸混合物，需进行拆分才能得到L型产品，不对称合成法产物为L型氨基酸。理论上所有氨基酸皆可由化学合成法制造。,三、氨基酸输液 多种结晶L氨基酸依特定比例混合制成的静脉内输注液称为氨基酸输液。当由于疾病等原因，不能经口摄取的时候，把纯度高的氨基酸混合液作为最合适的氮源，从静脉注入身体是比较合理的营养补给方法。现已有含氨基酸数目为6、9、11、14、15、17、18及20种等多种输液类型，氨基酸浓度分别为3、5、9、10及12等多种规格。,（一）氨基酸输液组成与要求 输入人体的氨基酸种类、数量的比例需符合机体的要求，否则不仅其利用度将下降，还会引起代谢失调、拮抗及中毒等代谢并发症。因

18、此，所供氨基酸除质量要合格外，尚需根据组合原理确定氨基酸的比例及组成。一种优良的氨基酸输液注入身体后，各种氨基酸能得到最有效的利用，其组成平衡，使临床症状改善，体重增加而无代谢并发症，血浆游离氨基酸谱无显著变化。根据Rose的研究，于1955年提出了人体对各种必需氨基酸需要量的建议，见表13 1。,人体缺乏非必需氨基酸时，不像缺乏必需氨基酸时那样出现缺乏症状。但是，非必需氨基酸是人体合成蛋白质需要的氨基酸。所以，在氨基酸输液里，含必需氨基酸的同时，加入恰当组成的非必需氨基酸，不仅能满足合成蛋白质对这些氨基酸的要求，还会减少必需氨基酸的消耗，提高氨基酸输液的疗效。在氨基酸输液中，必需氨基酸（E）

19、与非必需氨基酸（N）之比（EN）依据具体情况而定，一般在1：11：3之间，随着投与氮量、能量和年龄的不同，其最适合的比率也有所不同，投与的氮量少、年龄小时，必需氨基酸的比率最好增加。,Munro参考经实验的结果，把必需氨基酸对全氨基酸的质量比定为：乳儿40，小儿35，成人19。但是对氮损耗状态的患者，最好把必需氨基酸的量稍微增加一些，EN质量比为1：1为合适。在氨基酸输液中，为了不使氨基酸转化为能量而被消耗，常用糖类作添加剂。由于葡萄糖与氨基酸反应使制剂色泽加深，所以在输液中通常加入山梨醇或木糖醇。木糖醇不发生变色反应，人体利用它又与胰岛素无关，节约氮的效果比葡萄糖高两倍以上。还可以应用乳化脂

20、肪以增加热量的供给。,（二）氨基酸输液的配方 氨基酸输液的配方模式是通过膳食研究与人体需要量的测定而提出的。人体对必需氨基酸的平均需要量占总氨基酸需要量的百分比（E）为理想模式，婴幼儿的与人乳的模式相近似，成人的能达到人体蛋白质的恢复与充实，同参考蛋白质的模式相近似，配方模式主要有以下几种：FAO（1957）暂定模式，如ES Polytamin（日本）；FAO WHO（1965）参考模式，如Ispol（日本）；,人乳蛋白模式，如Proteamin（日本）；鸡蛋蛋白模式，如Freamine（美国）；需要量适合模式，按Rose需要量制定，如Aminofusin（德国）；利用适合模式即血浆氨基酸模式

21、，如Aminoplasmal（德国）；土豆鸡蛋模式即由6土豆蛋白氮与35鸡蛋蛋白氮组成混合蛋白质的氨基酸模式，如Aminosteril KE（德国）；其他还有GF溶液及Aminosyn（美国）等。见表132。,FAO于1957年推荐了氨基酸组成模式，FAO WHO又于1965年提出了改进建议，已被公认为是适合人体需要的氨基酸平衡的典型模式。氨基酸输液有多种类型，根据在临床上的用途不同，可以分为以下几类：氨基酸营养输液 是一种给人体补充蛋白质营养的静脉注射液，其氨基酸组成的配比依其模式不同而不同。代血浆用输液 此类氨基酸输液以补充维持患者血容量为目的，通常采用11种氨基酸组成，输液中加入右旋糖酐

22、等作为血容量补充剂。,止血用氨基酸输液 这种氨基酸输液由普通氨基酸输液与止血剂如氨基己酸组成，它一方面补充因失血引起的蛋白质损失，同时阻止继续出血。婴幼儿用氨基酸输液 根据婴幼儿旺盛生长期体内保留氮及能量极少，婴幼儿肾功能尚未发育完全，肝脏等组织对营养素处理能力较差等特点，配方选用高含量的支链氨基酸和精氨酸，而将谷氨酸和甘氨酸适当减少，并配合适量葡萄糖、维生素和电解质等。治疗用氨基酸输液 如用于肝病的氨基酸输液，是根据肝硬化病人图谱表现为支链氨基酸含量偏低，而芳香族氨基酸偏高，血清中支芳比下降特点而设计的。此类输液要求富含支链氨基酸。,又如肾病用氨基酸输液，要求补充体内的氨基酸基本参加体内蛋白

23、质合成，不产生或仅产生极少氮，改善患者的营养和代谢状况，减少患者尿毒症症状，获得正氮、正钾平衡、提高血清蛋白含量，达到改善肾功能效果。再如肿瘤患者氨基酸输液，是针对不同肿瘤患者特殊的氨基酸图谱，配合治疗药物而设计的。,（三）氨基酸输液配制 复方氨基酸配方种类较多，配制方法亦不尽相同。但其过程均需活性炭脱色，且需维持一定pH范围。活性炭对芳香族氨基酸吸附力强，引起损失，故配料时需将芳香族氨基酸用量增加20以弥补损失，或将活性炭先用1苯丙氨酸吸附饱和后再应用。输液的pH一般在4060为适宜，pH55最佳，酸度过大或接近中性皆影响色泽和产品质量。复方氨基酸输液配制工艺如下：（1）稳定及难溶氨基酸的溶

24、解 取新鲜注射用水（约全量的23）于容器中，加温至90，将亮氨酸、异亮氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、缬氨酸、天冬氨酸及谷氨酸依次投入，充分搅拌溶解，停止加热，加入色氨酸搅拌溶解。,（2）加易溶氨基酸及稳定剂 投入其他易溶氨基酸及稳定剂（亚硫酸氢钠及半胱氨酸各加至全量浓度为0.05），搅拌溶解，迅速降至室温，加注射用水至近全量，用10氢氧化钠液调pH4.55.5，加注射用水至全量。（3）脱色与灌封 上述溶液加0.10.2（WV）的活性炭，搅拌30min，滤除活性炭，再用分子量截留值为1万2万的超滤膜滤器过滤，滤液分装于250ml或500ml输液瓶中，按常规操作压盖后，于105流通蒸汽灭菌30min即得成品。,（四）质量标准 复方氨基酸注射液种类较多，各自标准不同。现介绍“11种氨基酸注射液”的质量标准。本品为无色或淡黄色的澄明液体，每种氨基酸含量均应为标示量的80.0120.0。其处方中每升溶液里各氨基酸的量分别为（g）：L Leu10.0，L Ile6.6，LPhe 9.9，L Thr 7.0，L Val 6.4，L Met 6.8，L Trp 3.0，LLys 15.4，L Mg9.0，L His3.5及Gly6.0。本品pH为5.570，色氨酸采用分光光度法测定，其余氨基酸采用氨基酸自动分析仪或高效液相色谱仪分离测定。其他如安全试验均应符合中国药典2005年版的有关规定。,