 |
Термин «биоконверсия». Значение процесса биоконверсии (биотрансформации) в практике получения стероидных соединений.
|
|
|
|
Занятие 15.
ТЕМА ЗАНЯТИЯ: Микробиологическая трансформация стероидных соединений.
ЦЕЛЬ ЗАНЯТИЯ: Рассмотрение особенностей биотрансформации (биоконверсии) стероидных соединений.
Вопросы, выносимые на семинар:
1. Введите понятие «стероиды». Перечислите основные классы стероидных соединений. Поясните основные направления практического применения стероидных соединений. Назовите основные источники получения стероидов.
2. Охарактеризуйте основные функции стероидов.
3. Перечислите и поясните основные этапы развития такого направления науки, как микробиологическая трансформация стероидных соединений.
4. Охарактеризуйте понятие «биоконверсия».
5. Поясните особенности получения кортизона. Перечислите преимущества микробной конверсии при получении гормона кортизона в сравнении с традиционными методами его получения.
6. Приведите примеры реакций микробиологических превращений, результатом которых является образование гормонов, и укажите микроорганизмы, принимающие участие в рассматриваемых процессах биотрансформации.
7. Укажите направления усовершенствования биотехнологического производства стероидных соединений.
8. Рассмотрите особенности получения стероидных сапонинов на основе культуры растительных клеток и тканей.
Задание 1: Изучить учебный материал.
Учебный материал.
Общая характеристика стероидных соединений.
Стероиды – производные циклопентанопергидрофенантрена.
Стероиды – это твердые оптически активные вещества, обычно плохо растворимые в воде, подразделяющиеся на стерины, витамины D, желчные кислоты, желчные спирты, сапонины, кардиотонические стероиды, стероидные алкалоиды, стероидные гормоны.
|
|
|
Для природных стероидов характерно присутствие гидроксильной группы или кетогруппы в положении 3 и боковой цепи или кислородной функции в положении 17.
Биогенетическим предшественником стероидов является сквален.
Соединения, содержащие стероидный скелет, чрезвычайно широко распространены в живой природе. Они обнаружены практически во всех без исключения организмах – от одноклеточных до высших растений и млекопитающих.
Стероиды выделяют: из спинного мозга и желчи рогатого скота, щелочного гидролизата дрожжей, растительных масел и животных жиров, отходов целлюлозо-бумажного производства, различных растений или синтезируют из неприродного сырья.
Основной областью применения стероидов является медицина.
Поражает широта и разнообразие биологических функций, выполняемых стероидами. Это и организация клеточных мембран (стерины), и стимуляция или ингибирование роста растений (стероидные алкалоиды и стероидные сапонины), и регуляция линьки у насекомых (экдистероиды). Кортикостероиды регулируют углеводный обмен у всех позвоночных (глюкокортикоиды) и солевой обмен у наземных позвоночных (минералокортикоиды). Процесс размножения в значительной степени регулируется половыми гормонами (эстрогенами, андрогенами и гестагенами). Помимо основных функций стероиды выполняют также большое число второстепенных функций, например, участвуют в процессах регуляции биосинтеза.
Все эти многочисленные биологические функции выполняются стероидами, сравнительно мало на первый взгляд отличающимися друг от друга по химическому строению. Действительно, стероидные соединения различаются в основном лишь боковой цепью при С17, состоящей у холестерина из восьми атомов углерода и сокращающейся у андрогенов и эстрогенов до одной гидроксильной группы. Другие различия касаются числа и местоположения простых заместителей (гидроксильной, аминной, карбонильной группы) в ядре и появления или исчезновения двойных связей.
|
|
|
Примечательной особенностью стероидных соединений служит то, что они, судя по всему, появляются на самых ранних стадиях биологической эволюции. Во всяком случае, представители стеринов и некоторых других классов стероидов обнаружены у бактерий и простейших; имеются и палеонтологические данные об обнаружении стероидов в докембрийских отложениях.
Таким образом, выделяют три основные особенности стероидов:
1) ранее появление стероидных соединений в живой природе;
2) сохранение на всем протяжении эволюции характерного для стероидов циклопентанопергидрофенантренового скелета;
3) большая широта и разнообразие осуществляемых стероидными соединениями биологических функций.
Поэтому стероиды действительно довольно хорошо подходят на роль соединений, обеспечивающих химическую основу биологической стабильности. Маркером, осуществляющим пиктографическую основу информационной записи, служит их легко узнаваемый скелет – весьма устойчивый и обладающий большой информационной емкостью. В самом деле, молекула холестерина, например, содержит 8 асимметрических центров, поэтому для нее число возможных стереоизомеров составляет 28 = 256. Введение лишь одного заместителя удваивает эту цифру, двух – учетверяет; к тем же последствиям приводит и появление различий в самих заместителях. В результате стероиды по информационной емкости на один углеродный атом скелета значительно превосходят полимерные молекулы.
Термин «биоконверсия». Значение процесса биоконверсии (биотрансформации) в практике получения стероидных соединений.
Биоконверсия ( или биотрансформация) заключается в превращении метаболитов в структурно родственные соединения, обладающие более ценными свойствами, чем исходные вещества, под действием микробных клеток. Поскольку микроорганизмы могут проявлять свое каталитическое действие в отношении лишь каких-то определенных веществ, протекающие при их участии процессы более специфичны, чем чисто химические.
Наиболее известный процесс биотрансформации – получение уксуса в результате превращения этилового спирта в уксусную кислоту. Но среди продуктов, образующихся при биотрансформации, есть и такие высокоценные соединения, как стероидные гормоны, антибиотики, простагландины.
|
|
|
Способность микроорганизмов выступать в роли химических катализаторов впервые удалось использовать в полной мере для синтеза промышленно важных стероидных соединений. В последние 30 лет субстратная стереоспецифичность ферментов нашла широкое применение в производстве стероидов при осуществлении разнообразных реакций: гидроксилирования, дегидроксилирования, эпоксидирования, окисления, восстановления, гидрогенизации, дегидрогенизации, этерификации, гидролиза эфиров и изомеризации. Целью всеобъемлющих исследований в этой области было осуществление специфических структурных перестроек стероидов при мягких условиях. Специфичность таких реакций определяется либо выбором определенного вида микроорганизмов, либо химической модификацией субстрата, стереохимически исключающей другие реакции. Понимание зависимости между строением молекул субстрата и характером перестройки, осуществляемой микроорганизмами, позволило сформулировать требования для каждой конкретной реакции, например, для гидроксилирования. В определении скорости и направления реакции главную роль играют положение и ориентация замещающих групп в молекуле стероидов. История развития методов микробиологического преобразования стероидов представляет собой прекрасный пример сочетания химического подхода со специфичностью и разнообразием биологических систем. Кроме того, на этой основе может быть осуществлен синтез новых стероидов, обладающих лучшими фармакологическими свойствами.
|
|
|
