Биологическая трансформация органических соединений

Федеральное агентство  по образованию

САРАТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ 

ИМЕНИ Н.Г. ЧЕРНЫШЕВСКОГО 

                                                        

                                                         

Кафедра методики преподавания

биологии и экологии

 

 

 

 

реферат

 

Учебная дисциплина

Биотехнология

Тема: Биологическая трансформация органических соединений

         Выполнил: студент 4 курса, 411 группы

                                                             дневного отделения, специальности

                                                  «Биология (пед)»                                           

                                                             Мамченкова Полина Владимировна

                                                              Проверил: к.б.н., доцент

                                                                             Глинская Елена Владимировна

.

 

Саратов – 2012

 

	СОДЕРЖАНИЕ
	ВВЕДЕНИЕ		3
1.	ПОНЯТИЕ БИОЛОГИЧЕСКОЙ  ТРАНСФОРМАЦИИ		4
2.	ГРУППЫ БИОЛОГИЧЕСКИХ  ТРАНСФОРМАЦИЙ		6
	2.1.	Окисление	7
	2.2.	Восстановление	8
	2.3.	Декарбоксилирование	9
	2.4.	Дезаминирование	10
	2.5.	Процесс разделения рацемических соединений на оптические антиподы	11
3	ГРУППЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ  МЕТОДОВ		12
	3.1.	Трансформация в периодических условиях с использованием растущей культуры	13
	3.2.	Использование неразмножающихся клеток	14
	3.3.	Трансформация спорами	15
	3.4.	Применение  дезинтегрированных клеток	16
	3.5.	Использование для трансформации  выделенных из микроорганизмов ферментных препаратов, в т.ч. в иммобилизованной форме	17
	3.6.	Трансформация при помощи иммобилизованных клеток микроорганизмов	18
	3.7.	Непрерывные методы	19
	ЗАКЛЮЧЕНИЕ		20
	СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ		21

 

ВВЕДЕНИЕ.

Биологическая трансформация  является одним из основных типов  биотехнологических процессов. В данной работе мы раскроем понятие биологической трансформации, рассмотрим типы этих процессов, технологические методы, применяемые в биотехнологии и промышленности, проанализируем преимущества и недостатки микробиологических методов по сравнению с химическими и раскроем некоторые важные для промышленного применения реакции.

 

1. ПОНЯТИЕ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ТРАНСФОРМАЦИИ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ

Под биологической трансформацией органических соединений понимают высокоспецифичные физико-химические и биохимические реакции, приводящие к изменению отдельных участков в молекулах органических веществ, осуществляемые микроорганизмами с помощью их ферментов. При этом в каждой из них принимает участие только один или несколько ферментов, катализирующий определенную реакцию или группу сходных реакций.

Недостатки микробиологических методов следующие:

1. ферменты работают в жидкой среде, превращая субстрат в растворенном виде в сравнительно невысоких концентрациях;
2. культивирование микроорганизмов – процесс, требующий энергетических затрат.

Поэтому методы микробной  химии рентабельны при производстве средних масштабов(не более сотен или тысяч тонн в год) и в тех случаях, когда необходима тонкая перестройка достаточно сложных молекул(углеводы, стеарины, антибиотики, алкалоиды и др.).

Преимущества в выборе микробных реакций как альтернативных или дополнительных в химическом синтезе заключаются в следующем:

1. Высокая специфичность ферментов дает возможность преобразовывать нестабильные молекулы, исключая нежелательные побочные реакции.
2. Микробные реакции могут использоваться для функционализации определенных связей в молекуле с использованием простых технологических схем, в то время как аналогичные химические перестройки обычно требуют трудоемких многостадийных синтезов.
3. Кислородосодержащие и другие функциональные группы могут быть введены стерео- или региоспецифично.
4. Много одиночных химических реакций могут проходить в одну стадию. При химическом синтезе требуется гораздо большее количество стадий.
5. Микробная трансформация веществ проходит в мягких условиях: при pH, близком к нейтральному, давлении в 1 атм., температуре около 30°C, поэтому ей могут быть подвергнуты соединения, чувствительные к высоким температурам, кислотам и основаниям.
6. Иногда по ряду причин получить соединение микробным путем дешевле, чем синтезировать химически, поэтому неудивительно, что многие антибиотики и некоторые востребованные в медицине стероидные гормоны получают этим путем.

 

2. ГРУППЫ ТРАНСФОРМАЦИЙ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ.

Микроорганизмы способны к широкому кругу трансформаций органических соединений:

• реакции окисления;
• реакции восстановления;
• декарбоксилирование;
• реакции дезаминирования;
• образование гликозидов, например синтез мальтозы из глюкозы дрожжами;
• гидролиз, включая гидролиз эфиров, амидов и других соединений;
• реакции метилирования;
• этерификация, в том числе фосфорилирование и ацетилирование;
• дегидратация;
• реакции конденсации;
• аминирование и амидирование;
• реакции диметоксилирования;
• нуклеотизация;
• галогенирование;
• деметилирование;
• ассиметризация;
• рацемизация;
• изомеризация.

Рассмотрим некоторые  из этих реакций:

 

2.1. ОКИСЛЕНИЕ

Реакции окисления объединяют гидроксилирование неактивированного углерода, реакции окисления олефинов, окисление аллильной группы, микробиологическое гидроксилирование ароматического кольца, окисления ароматических соединений с разрывом кольца, β-окисление жирных кислот, дегидрирование, окисление карбонильной группы в карбонильную и карбоксильную, альдегидной в карбоксильную, метильной в карбоксильную, дегидрогенизация циклических спиртов, окисление аминогруппы в нитрогруппу, окисление циклопарафинов до циклокетонов, смешанные типы окисления.

В качестве примера можно рассмотреть  дегидрирование стероидов с целью  получения антивоспалительных стероидных препаратов преднизона, преднизолона и их производных:

 

Рис. 1. Окислительное дегидрирование кортизона

 

2.2 ВОССТАНОВЛЕНИЕ

В реакции восстановления входят: реакции восстановления альдегидов до первичных спиртов, восстановление кетонов и дикетонов, гидрирование двойных связей, восстановление нитрогруппы, восстановление первичных и вторичных спиртов, трансформация альдегидов в меркаптосоединения, восстановление серосодержащих соединений и др.

Реакции восстановления с использованием микроорганизмов имеют преимущество перед таковыми химического происхождения, так как специфичность ферментов, используемых в них, позволяет избирательно восстанавливать те или иные функциональные группы (чего невозможно добиться химическим путем). Примером может служить восстановление кетогрупп стероидов (14α или 17β-кетогруппы секостероидов ряда эстрана):

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2. Восстановление α- или β-кетогрупп секостероидов.

 

2.3 ДЕКАРБОКСИЛИРОВАНИЕ.

Эти реакции включают декарбоксилирование органических кислот с образованием концевой метильной  группы, окислительное декарбоксилирование  кетокислот с образованием карбоновых кислот, восстановительное декарбоксилирование кетокислот в спирты, декарбоксилирование аминокислот с образованием аминов и аминокислот, превращение моноаминокислот в спирты и оксиаминокислоты, смешанные типы декарбоксилирования.

Классический пример микробного декарбоксилирования – ферментативное декарбоксилирование α-кетокислот и аминокислот:

 

Рис. 3. Микробное декарбоксилирование  аспарагиновой кислоты

Этот процесс проходит в мягких условиях и с большим  выходом продукта по сравнению с  химическим методом.

 

2.4. ДЕЗАМИНИРОВАНИЕ

Реакции дезаминирования:

Дезаминирование аминокислот  в карбоновые кислоты, аминокислот  в кето- и оксикислоты, амидов в спирты, окислительное дезаминирование аминов в альдегиды и кетоны, аминов до соответствующих карбоновых кислот и смешанные типы дезаминирования.

Наибольшее значение дезаминирование имеет для превращений аминокислот, пуриновых и пиримидиновых оснований и нуклеотидов. Например, превращение гуанозина бактерией Serratia marcescens в ксантозин:

Рис. 4. Микробное дезаминирование гуанозина.

 

2.5. ПРОЦЕСС РАЗДЕЛЕНИЯ РАЦЕМИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ НА ОПТИЧЕСКИЕ АНТИПОДЫ.

Процессы микробного разделения рацемических соединений широко используются 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:

 

Рис. 5.Разделение dl-изопулегола на оптические антиподы.

 

3. ГРУППЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МЕТОДОВ

Выбор микроорганизмов  для осуществления определенных химических реакций проводится в  основном эмпирическим путем. Однако существуют специальные альбомы культур, применяемых для биотрансформаций различных соединений.

Биотрансформация проводится рядом технологических методов, в зависимости от свойств целевого продукта, трансформирующего микроорганизма или его фермента и др. условий. Технологические методы можно разделить на следующие группы:

• трансформация в периодических условиях с использованием растущей культуры;
• использование неразмножающихся клеток;
• трансформация спорами;
• применение дезинтегрированных клеток;
• трансформация при помощи иммобилизованных клеток микроорганизмов;
• использование для трансформации выделенных из микроорганизмов ферментных препаратов, в т.ч. в иммобилизованной форме;
• непрерывные методы.

 

3.1.Трансформация в периодических условиях с использованием растущей культуры

Трансформация в периодических  условиях – наиболее простой вид  трансформации, при котором трансформируемый субстрат вносится в культуру, растущую на какой-либо полноценной питательной среде. Обычно трансформируемое вещество вводится или в начале процесса, или по ходу развития культуры. Продукт реакции экстрагируется в момент, когда его концентрация в культуральной жидкости достигает наибольшего значения. Трансформируемый субстрат может служить источником углерода (тогда он является и ростовым, и трансформируемым) или микроорганизмы могут использовать другой источник углерода, как например при окислении 3-метилпиридина нокардиями (Nocardia sp.), растущими за счет использования глюкозы.

Если ростовой субстрат является и трансформируемым, то максимумы скоростей ростового и трансформационного процесса совпадают. Поэтому воздействуя на растительные процессы можно регулировать и накопление продукта. Если растущая культура использует другой источник углерода, то максимумы скоростей ростового и трансформационного процесса сдвинуты во времени. В таком случае обычно наибольшая трансформационная активность приходится на фазу замедления роста. Процесс трансформации может иметь место и по окончании роста, совпадая со стационарной фазой развития культуры.

 

3.2. Использование неразмножающихся клеток

Этот метод используется когда наибольшая активность трансформации  приходится на определенную фазу развития культуры или если трансформируемый субстрат полностью разлагается  микроорганизмом, и для получения  целевого продукта метаболизм необходимо остановить на определенной стадии.

Наиболее легко этот метод применим когда трансформация  осуществляется грибными культурами мицелий которых может быть без особых технологических затруднений отделен от среды выращивания в нужный момент и ресуспендирован в буферном растворе или даже водопроводной воде, где и осуществляется трансформационная реакция. Достоинство этого метода заключается и в том, что простая трансформационная среда облегчает выделение продукта в отличие от трансформаций, осуществляемых растущей культурой, где в качестве сред часто используют очень сложные по составу растворы, включающие, например, такие комплексные ингредиенты, как кукурузный экстракт.

 

3.3. Трансформация спорами

Трансформации, осуществляемые спорами, заслуживают специального внимания. Они обладают рядом удобств как технологические процессы:

• Процессы трансформации проходят в простых средах – дистиллированной или водопроводной воде, буферных растворах. Иногда требуется добавка небольших концентраций органических веществ.
• Споры обладают высокой энзиматической активностью даже после длительного хранения (до трех лет в состоянии заморозки). Если процессы трансформации идут в бедной среде, то споры могут быть отмыты и использованы еще 4-5 раз;
• Оптимум pH выражен менее четко, чем у вегетативных клеток, что позволяет применять условия, неблагоприятные для развития сторонних микроорганизмов при трансформации.

В конце 50-х годов было обнаружено, что давно известное  превращение жирных кислот в метилкетоны, осуществляемое некоторыми плесенями  в процессе созревания сыра «Рокфор», является функцией спор. Особенность этой трансформации заключается в том, что проросшие споры и мицелиальные клетки практически не обладают трансформирующей активностью. Отмытые споры (0 час) образуют кетон и поглощают кислород с максимальной интенсивностью. 16-часовая культура, у которой около половины спор проросло, продуцирует по сравнению с исходной суспензией спор меньше половины кетона и значительно меньше поглощает кислорода. Через 48 часов все споры прорастают, образование кетона и поглощение кислорода прекращаются.

Описанная трансформация – не уникальное свойство культуры Penicillium roqueforti. Она широко распространена среди грибов, представителей как рода Penicillium, так и других родов – Aspergillus, Curvularia, Paecilomyces, Scopulariopsis.

 

3.4. Применение дезинтегрированных клеток

Этот метод применяется  тогда, когда метаболит не накапливается  в процессе трансформации в нужной концентрации. Сущность этого метода – применение отдельных участков ферментных систем, вычленяемых путем различных «дезорганизаций» их нормального функционирования. Методы такой дезорганизации различны, от высушивания до глубокой дезинтеграции клеточных структур. Примером может служить превращение аденозинмонофосфата в аденозинтрифосфат ацетоновым порошком или механически растертыми клетками дрожжей.

 

 

3.5. Использование для трансформации выделенных из микроорганизмов ферментных препаратов, в т.ч. в иммобилизованной форме

Логически, это наиболее естественный способ использования  ферментов для трансформации органических соединений. Однако его применение возможно лишь тогда, когда ферментные препараты легки в получении, стабильны и не требуют кофакторов. Особенно большие перспективы в использовании этого метода раскрылись в связи с разработкой метода иммобилизации ферментов.

Преимущества использования  иммобилизованных ферментов следующие:

• Возможность неоднократного использования ферментов
• Остутствие необходимости очистки продукта от катализатора
• Стабильность при хранении и в процессе использования
• Возможность вести реакцию в более широком диапазоне физико-химических условий
• Экономическая перспективность

Примером использования  данного метода может служить  получение L-аспарагиновой кислоты из фумарата аммония с помощью иммобилизованной в полиакриламидный гель аспартазы E.coli.

 

3.6. ТРАНСФОРМАЦИЯ ПРИ ПОМОЩИ ИММОБИЛИЗОВАННЫХ КЛЕТОК МИКРООРГАНИЗМОВ

Этот метод был разработан в связи с необходимостью работы с ферментами, зависящими от кофакторов или несколькими ферментами как  альтернатива использованию иммобилизованных ферментов. Суть метода заключается в иммобилизации клеток заключением в полиакриламидный (ПААГ) или каррагенановый гель. Один из наиболее ярких примеров – превращение фумаровой кислоты в аспарагиновую методом заключения E. coli в полиакриламидный гель.

 

3.7. НЕПРЕРЫВНЫЕ МЕТОДЫ

Непрерывные методы используются для получения продуктов, непосредственно  связанных с ростом микроорганизмов  в условиях непрерывного культивирования. Такие методы осуществляются довольно легко. Некоторые из них – производство уксусной кислоты, этилового спирта – уже нашли применение в промышленности.

Основным достоинством непрерывного культивирования является возможность поддерживать микробную  культуру в течение длительного  времени в стабильном физиологическом  состоянии при постоянных условиях культивирования. Техника многостадийных систем позволяет стабилизировать культуры даже в состоянии, физиологически весьма далеком от фазы наиболее интенсивного (экспоненциального) роста, что необходимо в случае микробиологических процессов, не связанных с ростом.

Проточные системы интенсивно используются при трансформации соединений, не связанных непосредственно с ростом культур. Для реализации таких трансформаций первостепенное значение имеет правильное понимание соотношения процессов роста и превращения трансформационного субстрата, изучение оптимальных условий для той или иной фазы развития. Двухстадийный непрерывный процесс позволяет расчленить фазы развития культуры.

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

За счёт высокой активности специфических энзиматических систем микроорганизмы оказываются способными осуществлять ряд реакций на молекуле органического соединения, не меняя его основной структуры. Наиболее изучены реакции на молекулах стероидных соединений. В строго определённых положениях осуществляются реакции дегидрирования, дезацетилирования и гидроксилирования, в результате чего меняется физиологическая активность исходного стероидного соединения. Благодаря подбору соответствующих микроорганизмов — носителей специфических ферментных систем — метод микробиологической трансформации получает всё большее распространение.. Условия протекания этих реакций мягкие, и во многих случаях микробиологические трансформации предпочтительнее химических.

Пример существующих крупномасштабных промышленных биоконверсий – производство уксуса из этанола, глюконовой кислоты из глюкозы. Широко используется микробная модификация стероидов, которые являются сложными полициклическими липидами. Теперь с использованием биоконверсии получают кортизон, гидрокортизон, преднизолон и целый ряд других стероидов. Применение и совершенствование микробной технологии в сотни раз снижает себестоимость производства стероидов.

В отличие от процессов  биосинтеза и брожения, в которых  участвует большое количество ферментов, в микробиологической трансформации обычно работает один определенный фермент, катализирующий окисление, декарбоксилирование, метилирование или какую-либо другую реакцию.

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Бекер, М.Е. Введение в биотехнологию. Изд. «Звайгене», 1974. – 231с.
2. Промышленная микробиология. Под ред. Н.С.Егорова – М.:Высшая школа, 1989. – 688с.
3. R. Gopishetty, M., Louie T., Subramanian M. V. Microbial Transformations of Natural Products. // Encyclopedia of Life Support Systems (EOLSS) – 2011. – P. 2-4.