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:
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:
Поможем написать любую работу на аналогичную тему