Биотрансформация органических соединений

Лекция №5

 

БИОТРАНСФОРМАЦИЯ И БИОДЕГРАДАЦИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ

 

Все органические соединения, взаимодействующие с живыми организмами, могут подвергаться процессам биотрансформации (изменение отдельных фрагментов молекулы) и биодеградации (разрушению до простых молекул типа CO₂, H₂O, NH₄, CH₄ и т.д.). Предметом данной лекции являются процессы биотрансформации приводящие к образованию полезных для человека продуктов (лекарств, химических веществ или полупродуктов), и процессы биодеградации токсичных отходов в живой природе.

 

Биотрансформация органических соединений

Микробная трансформация — неполное превращение органи­ческих соединений ферментами микроорганизмов, сопровождаю­щееся накоплением в среде продуктов этого превращения.

Микробные трансформации осуществляются одним или несколькими ферментами и поэтому не приводят к значительным изменениям структуры субстрата. Микробная трансформация проявляется как в образовании соединений, которые далее не используются данным микроорганизмом, так и во временном на­коплении промежуточных продуктов в процессе использования различных органических соединений в качестве ростовых суб­стратов.

Примером первого типа процессов может служить окисление, п-ксилола в п-толуиловую кислоту, которая накапливается в сре­де и не метаболизируется некоторыми штаммами рода Nocardia при выращивании их в синтетической среде с глюкозой и п-ксилолом:

 

Примером второго типа процессов является временное накоп­ление глюконовой кислоты отдельными штаммами рода Pseudomonas в процессе роста на среде с глюкозой:

 

При этом глюконовая кислота после значительной аккумуля­ции в среде используется как источник углерода.

Микробная трансформация — естественное свойство микроорганиз-мов, широко распространенное в природе. Это свойство используется человеком в практической деятельности для полу­чения ценных продуктов. Таким образом, микробы могут выпол­нять роль химических реагентов в органической химии. Поэтому микробную трансформацию, когда она используется в этих це­лях, называют ферментативной, микробной или микробиологи­ческой химией. Действительно, цели и подходы микробной транс­формации близки целям и методам органической химии.

В микробной химии используются не только процессы транс­формации, осуществляемые микроорганизмами в природе или в стандартных условиях культивирования но, различные биохимические, генетические, микробиологические и технологические методы воздейст­вия на метаболизм микробной клетки, позволяющие препаративно получать продукты неполного превращения органических соединений, ис­пользуя микроорганизмы, у которых в обычных условиях спо­собность осуществлять данную трансформацию не выражена.

Таким образом, огромные возможности органической химии дополняются не менее широкими возможностями микробиоло­гической, или ферментативной, химии. Методы химии и микро­биологии, конкурируя между собой, дополняют друг друга. В различных случаях предпочтение отдается тому или другому подходу на основе сравнительной оценки их рентабельности, осо­бенностей технологии, влияния производственных процессов на человека и биосферу в целом.

Преимущества ферментативных методов по сравнению с химическими заключаются в следующем:

1) специфичность действия ферментов позволяет осущест­влять весьма тонкие перестройки молекул разных соединений с использованием простых технологических схем, в то время как аналогичные химические превращения обычно требуют трудо­емких многостадийных синтезов или вообще невозможны:

2) «мягкие» условия действия ферментов, так как они функ­ционируют обычно в водных, неагрессивных средах и при темпе­ратуре не выше 100 °С;

3) небольшое количество вредных для биосферы отходов и побочных продуктов.

Последние две особенности характеризуют микробиологиче­ские методы как основу «мягкой технологии» в отличие от хими­ческих, которые по технологическим условиям и действию на биосферу являются «жесткими».

Недостатками микробиологических методов на современном уровне их развития по сравнению с химическими являются сле­дующие. Ферменты функционируют в большинстве случаев в водной среде, а большинство субстратов как правило плохо растворимы в воде. Поэтому в процессах приходится использовать растворы низкой концентрации, что приводит к низкому выходу целевого продукта с единицы объема аппарата. В связи с этим, а также не­которыми другими трудностями, связанными с культивированием микроорганизмов (необходимость асептических условий, интен­сивного массообмена и обработки больших количеств микробной массы или культуральной среды, загрязнением целевого продукта биотрансформации питательными веществами и продуктами их метаболизма и др.), крупнотоннажное про­изводство на основе методов микробиологи-ческой трансформации требует высоких энергетических затрат.

Поэтому на современном этапе методы микробной химии рентабельны, прежде всего, в тех случаях, когда необходимы тонкие перестройки достаточно сложных молекул, таких, как углеводы, стерины и стероиды, антибиотики, алкалоиды, простагландины, некоторые аминокислоты, нуклеотиды и др., если речь идет о производстве средних масштабов — не более чем сотен или ты­сяч тонн в год.

 

Процессы микробной химии

Хотя любое превращение, осуществляемое ферментами микроорганизмов в процессах метаболизма, в принципе может быть использовано как трансформация, т. е. для препаративного полу­чения его продуктов, в настоящее время реализована и практи­чески используется лишь незначительная их часть. Но число про­цессов, позволяющих препаративно получить продукты фермен­тативных реакций и описанных в настоящее время, составляет несколько тысяч. Эти процессы очень разнообразны по природе исходных субстратов, использованным микроорганизмам, типу и количеству участвующих ферментов, характеру превращения органических соединений. Только часть из них осуществляется отдельными ферментами и может рассматриваться как фермен­тативные реакции. Значительная часть процессов микробной химии состоит из нескольких таких реакций, например приведен­ное выше окисление п-ксилола в п-толуиловую кислоту. Поэтому чаще говорят не о реакциях, а о процессах микробиологической трансформации. Классификации моноферментных процессов мик­робной трансформации, построенные на основе химических меха­низмов реакций или номенклатуры участвующих ферментов, сложны и насчитывают десятки различных типов. Более широко распространена классификация микробных трансформаций по типу химического превращения субстрат- продукт. Она отража­ет суммарное превращение исходного соединения, но не меха­низм процесса. Поэтому, например, все превращения альдоз в кетозы относят к типу «изомеризация», хотя у разных микроорга­низмов в этом случае могут быть ответственны ферменты раз­личных классов — соответствующая изомераза или две последо­вательно действующие оксидоредуктазы. Обычно выделяют класс процессов «дезаминирование», несмотря на то, что за них могут быть ответственны как окислительные, так и гидролитические ферменты. К типу «окисления» относят как моноферментные ре­акции, так и процессы, осуществляемые несколькими фермен­тами и т. д. В связи с этим классификация микробных трансфор­маций по типу превращения субстрат — продукт является ис­кусственной и чисто прагматической, хотя и широко распростра­нена. В настоящее время выделяют следующие типы процессов микробной трансформации: 1) окисление, 2) восстановление, 3) декарбоксилирование, 4) дезаминирование, 5)образование гликозидов, 6) гидролиз, 7) метилирование, 8) этерификация, 9) дегидратация, 10) диспропорцирование, 11) конденсация, 12) аминирование, 13) ацети-лирование, 14) амидирование, 15) нуклеотизация, 16) галогенирование, 17) деметилирование, 18)асимметризация, 19) рацемизация, 20) изомери-зация.

Наиболее изученный и широко используемый в промышлен­ности процесс- реакции окисления. Они объединяют гидрокси­лирование неакти-вированного углерода в sp³-гибридном состоянии (введение спиртовой группы ОН), окисление непредельных С=С связей, гидроксилирование ароматического кольца, дегидрирование, β-окисление жирных кислот, окисление спиртовой или альде­гидной групп и т.д. Характерным примером таких реакций является дегидрирова­ние стероидов с целью получения антивоспалительных стероид­ных препаратов преднизона, преднизолона и их производных:

Микробное восстановление имеет преимущества перед многи­ми химическими реакциями такого типа. Например, селектив­ность действия микробных ферментов позволяет восстановить определенную кето-группу стероидов (химическим путем это не­возможно). В синтезе стероидов эта особенность микроорганизмов исполь­зуется очень широко, например, для восстановления 14а- или 17(3-кетогрупп) секостероидов ряда эстрана:

 

 

Известные примеры ферментативного декарбоксилирования в основном относятся к декарбоксилированию а-кетокислот и аминокислот (кетоглутаровая кислота до янтарной, аспарагиновая кислота до аланина).

Микробное дезаминирование имеет большое значение для превращений аминокислот, пуриновых и пиримидиновых основа­ний и нуклеотидов.

Аминирование описано для многих соединений, имеющих олефиновую двойную связь или кетогруппу (фумаровая кислота – аспарагиновая кислота, кетоглутаровая кислота - глутаминовая кислота). Аминирование может также происходить путем замещения атома водорода или оксигруппы, например, у гетероциклических оснований.

Все эти реакции играют ключевую роль в клеточном синтезе различных аминокислот. Особенно большое зна­чение имеет процесс аминирования фумаровой и а-кетоглутаровой кислот. Микробный процесс по сравнению с химическим протекает в «мягких» условиях с хорошим выходом продукта и для аспарагиновой кислоты реализован в промышленном масштабе (Япония, США).

Реакции амидирования редко встречаются в микробной химии. Один из таких примеров — образование биотинамида из биотина.

Реакции гидролиза чрезвычайно широко распространены в микробной химии. Они включают гидролиз эфиров, амидов и дру­гих соединений. Наиболее часто эти реакции используют в анти­биотической промышленности и при производстве стероидов. Современное производство пенициллинов основано на синтезе раз­личных производных 6-аминопенициллановой кислоты (6-АПК). Кислоту получают из бензилпенициллина ферментативным гидро­лизом:

 

Реакции конденсации — синтез молекул органических веществ из двух или более фрагментов с помощью различных микробных ферментов. Реакции широко применяются при получении новых антибиотиков — производных пенициллина и цефалоспорина, ко­торые синтезируют на базе 6-аминопенициллановой и 7-аминоцефалоспорановой кислот ферментативным и химическим способами.

Большое значение имеет синтез аминокислот из предшествен­ников. Конденсацией пирокатехина и его функциональных произ­водных с аланином и серином удалось получить L-диоксифенилаланин— (ДОФА) — ценный лекарственный препарат, применяе­мый при болезни Паркинсона:

 

Реакции нуклеотидации – синтез различных нуклеотидов микроорганизмами из гетероциклических оснований или нуклеозидов. Они включают образование рибозидов и их фосфорилирование. В зависимости от условий различные микроорганизмы могут синтезировать нуклеозиды, их моно-, ди- и трифосфаты (АМФ, АДФ,АТФ и др.).

Реакция галогенирования редко встречается в микробном мире, но имеет особое значение, так как селективное галогенирование химическим путем – одна из самых сложных проблем химии. Она дает возможность получать галогенированные производные стероидов и других лекарственных пре­паратов. Наиболее изучен процесс галогенирования ферментом мицелия гриба Caldariomyces fumago, получившим название хлорпероксидазы. Фермент катализирует хлорирование кетокислот, циклических дикетонов, бромирование тиазолов, анизола, стероидов и т. д.

 

Расщепление рацемических соединений на оптические антипо­ды широко используется в промышленности для получения стереоизомеров. Эти процессы основаны на стереоспецифичности фер­ментов, например ацилаз. Ацилазы используют для разделения смесей DL-аминокислот, которые вначале ацилируют, а ацильные производные подвергают гидролизу с помощью этих ферментов, получая L-аминокислоты. Аналогичным путем происходит разделе­ние некоторых терпенов, например dl-изопулегола:

 

Реакции изомеризации имеют большое практическое значение. На их использовании основан, например, такой важный промыш­ленный процесс, как получение фруктозы из глюкозы:

 

 

12345Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: