Аминокислоты

Для сбалансированного питания особое значение имеют аминокислоты. Некоторые пищевые и кормовые продукты не содержат в своем составе необходимых количеств незаменимых аминокислот (пшеница, кукуруза, овес, рис и некоторые другие). Для устранения дефицита в состав комбинированных кормов вводят недостающие аминокислоты или используют их в чистом виде. Значит основной сферой применения аминокислот следует считать создание кормовых рационов, позволяющим снижать содержание растительных белков в кормах. Искусственные смеси аминокислот экономят расход естественных природных кормов. Кроме этого их широко используют в качестве пищевых добавок, при изготовлении полимеров (синтетической кожи, специальных волокон, пленки для упаковки пищевых продуктов).

Некоторые аминокислоты или их производные обладают пестицидным действием. Метионин и g-аминомасляная кислота применяются как лекарства. В мире в больших количествах вырабатывают L-глутаминовую кислоту, L-лизин, DL-метионин, L-аспарагиновая кислота, глицин. Основными способами получения аминокислот являются: экстракция из белковых гидролизов растительного сырья, химический синтез, микробиологический синтез растущими клетками, при использовании иммобилизованных микробных клеток или ферментов, выделенных из микроорганизмов.

Весьма перспективный и экономически выгодный способ получения аминокислот - микробиологический. При этом непосредственно синтезируются биологически активные L-аминокислоты, однако, необходимо получение гиперпродуктивных штаммов, включая генноинженерный метод.

Классическим способом является получение аминокислот, используя гидролиз белоксодержащего животного или растительного сырья. К основному недостатку этого метода можно отнести нерациональное использование сырья, которое можно было бы использовать в качестве белковых кормов или пищевых продуктов. Например, в странах юго-восточной Азии моноглутамат натрия получают из соевого шрота (обезжиренная соевая мука). В США описан способ получения аминокислот из клейковины пшеницы и кукурузного глютена, остающегося после отмывки крахмала. Можно привести много равнозначных других примеров, но вывод один: для промышленного производства такой подход экономически не выгоден.

Химический синтез аминокислот позволяет получить соединения любой структуры, организовать непрерывное производство при высокой автоматизации. В основном используется непищевое сырье, достигается высокая концентрация продукта. Однако этот процесс многостадийный с применением сложной аппаратуры. В результате химического синтеза получают рацемическую смесь, включающую наряду с биологически активной L-формой аминокислот и их D-изомеры. В кормовых целях иногда используют рацемические смеси аминокислот, но для добавления к пищевым продуктам использовать необходимо лишь L-форму, так как в организме D-форма не усваивается, либо усваивается очень слабо. Разделение же изомеров - дорогая и трудоемкая процедура.

Благодаря открытию гомогенного каталитического гидрирования олефинов с помощью комплексов родия с фосфиновыми лигандами и разработке путей синтеза хиральных фосфинов появилась возможность избежать оптического разделения рацемических смесей аминокислот. Включение комплексов родия с хиральными фосфитами позволило осуществить асимметрический синтез a-аминокислот с высокой степенью стереоспецифичности и высокими выходами.

В настоящее время при производстве аминокислот все шире используют биохимическую трансформацию (с помощью ферментов или микроорганизмов) предшественников аминокислот, полученных химическим синтезом.

Аминокислоты синтезируются обычно лишь в количестве, необходимом для роста клеток. Синтез осуществляется целенаправленно, под контролем регулирующих систем. Регуляторный контроль осуществляется по принципу обратной связи на уровне начального фермента или группы ферментов данного специфического пути образования метаболита. При избыточном синтезе матаболита включается механизм регуляции, блокируется один из ферментов в цепи последовательных превращений и синтез метаболита, необходимость в котором исчезла, прекращается. Из-за небольшого количества, выделенных клетками аминокислот, экскреция долго не могла быть использована в промышленных масштабах. Только после того, как открыли способность некоторых микроорганизмов образовывать и выделять в окружающую среду в значительном количестве какую-либо аминокислоту (явление сверхсинтеза), было налажено промышленное получение аминокислот прямой ферментацией. При этом строгой корреляции между видовой принадлежностью микроорганизмов и их способностью накапливать аминокислоты нет. В процессе исследований установлено, что штамм Micrococcus glutamicus (позднее названный Corynebacterium glutamicum) обладал сверхсинтетической способностью глутаминовой кислоты при росте на минеральной среде с глюкозой. Этот штамм был использован в 1956 году для организации в индустриальных масштабах первого в мире производства глутаминовой кислоты, основанного на внеклеточном накоплении больших ее количеств. Тем самым, было положено начало периоду в промышленном применении процессов неполного окисления. В 1956-57 гг. в США начато производство лизина. В СССР - в начале 60-х годов. Сначала для микробного синтеза аминокислот применяли штаммы микроорганизмов, выделенные прямой селекцией и способные накапливать значительные количества аминокислот при росте на средах с высоким содержанием углеродного и низкого азотного субстрата. Однако было установлено, что с помощью штаммов, выделенных из природных источников, можно получить лишь немногие аминокислоты.

При исследовании условий, способствующих сверхсинтезу, обнаружено, что повышение образования аминокислот клетками и выделение их во внешнюю среду происходит в результате нарушения нормального механизма метаболических процессов, вызываемых рядом причин: генетическими нарушениями, недостаточной полноценностью сред, на которых продуценты культивируются.

Поэтому начали получать мутанты, способные к повышенному синтезу аминокислот. Эта способность обусловлена различными генетическими нарушениями регуляторного контроля биосинтеза, препятствующего клетке избыточно синтезировать аминокислоты. Наиболее распространенный метод основан на выделении ауксотрофных мутантов. Эти микроорганизмы из-за блокирования отдельных этапов синтеза, вызванного отсутствием фермента, котализирующего реакцию, не могут образовывать конечные продукты, поэтому накапливаются вещества, полученные в предшествующих блоку реакциях. Блокирование одной химической реакции приводит к изменениям в ходе других реакций, связанных с первой. Для роста таких штаммов нужен или конечный продукт пути биосинтеза, который блокирован, или промежуточные продукты, образующиеся на отрезке пути между блокированными этапом и конечными продуктами, например, если в результате генетических нарушений микробная клетка не может синтезировать фермент гомосериндегидрогеназу, катализирующий превращение полуальдегида аспарагиновой кислоты в гомосерин, то клетка может синтезировать необходимые для жизнедеятельности белки только при наличии готового гомосерна, внесенного в среду. Использование ауксотрофных мутантов сыграло большую роль в расшифровке последовательных стадий синтеза отдельных аминокислот. В настоящее время с их помощью раскрыты пути биосинтеза всех аминокислот у микроорганизмов.

Аминокислоты получают прямой ферментацией углеводсодержащих субстратов (меласс и т.д.) или биосинтетических предшественников, полученных химическим путем. Создание суперпродуцентов методами генетической инженерии сделало микробиологический способ получения аминокислот более эффективным. Этим методом могут быть сконструированы продуценты практически всех аминокислот.

Наиболее распространенные продуценты аминокислот - грамположительные бесспоровые бактерии из родов Corynebacterium, Micrococcus, Arthrobacter, Brevibacterium и некоторые другие из родов Bacillus, Pseudomonas, Achromobacter, Flavobacterium.