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 восстановлениеимеет 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 декарбоксилированияв основном относятся к декарбоксилированию а-кетокислот и аминокислот (кетоглутаровая кислота до янтарной, аспарагиновая кислота до аланина).

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

Аминированиеописано 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 амидированияредко встречаются в микробной химии. Один из таких примеров — образование биотинамида из биотина.

Реакции гидролизачрезвычайно 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 галогенированияредко 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 антипо­дышироко 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 изомеризацииимеют большое практическое значение. На их использовании основан, например, такой важный промыш­ленный процесс, как получение фруктозы из глюкозы: