Procesy biotransformacji

Transkrypt

1 Procesy biotransformacji

2 Charakterystyczne cechy procesów biotransformacji Biotransformacja enzymatyczne przekształcenie różnorodnych egzogennych związków chemicznych (ksenobiotyków) do strukturalnie podobnych produktów, które przeważnie nie wykazują żadnej funkcji metabolicznej i są gromadzone pozakomórkowo.

3 Proces nie dostarcza energii ani prekursorów dla szlaków metabolicznych. Zachodzi niejako przy okazji normalnej aktywności metabolicznej. Przyczyna: niezbyt selektywna swoistość substratowa szeregu enzymów

4 Podstawowe cechy procesów biotransformacji Specyficzność w zakresie typu reakcji Regiospecyficzność Stereospecyficzność

5 Przykłady reakcji występujących w procesach biotransformacji mikrobiologicznych Typy reakcji Utlenianie Redukcja Reakcje epoksydacja, hydroksylacja, odwodornienie, utlenienie alkoholi do aldehydów i ketonów, oksydacyjna degradacja łańcuchów alkilowych, oksydacyjne rozszczepienie układów pierścieniowych, oksydacyjna deaminacja redukcja kwasów organicznych, aldehydów, ketonów i alkoholi, uwodornienie wiązania C =C

6 Hydroliza Izomeryzacja Kondensacja Rozerwanie wiązania C - C hydroliza amidów, amin, estrów, eterów, laktamów i laktonów przemieszczenie wiązania podwójnego, przemieszczenie grupy hydroksylowej lub innych ugrupowań, racemizacja, transglikozylacja formowanie połączeń C -C lub wiązań z heteroatomami, np. halogenacja, aminacja, O-i i N-acylacja, estryfikacja, fosforylacja, glikozylacja, laktonizacja dekarboksylacja, dealkilacja

7 Problemy do rozwiązania Poszukiwanie szczepów selekcja Podwyższanie efektywności przemian zwiększenie poziomu pewnych enzymów- np. mutagenizacja Zniesienie barier na drodze przenoszenia substratu i produktu przez błonę cyoplazmatyczną lub wydzielania enzymu do podłoża

8 Charakterystyka technologiczna biokatalizatorów unieruchomionych Analizując aktywność biologiczną można wyróżnić pięć podstawowych typów biokatalizatorów unieruchomionych: 1. Preparaty pojedynczych enzymów katalizujących proste reakcje biochemiczne np.hydrolizę, kondensację czy izomeryzację. 2. Kompleksy dwóch lub więcej enzymów, umożliwiające prowadzanie reakcji bardziej złożonych, np. utleniania połączonego z regeneracją kofaktorów.

9 3. Całe komórki bez zachowania ich funkcji życiowych, często ze wstępną obróbką pozwalającą na zwiększenie transportu substratów i produktów przez, błonę komórkową. 4. Żywe komórki z zachowaniem i wykorzystaniem ich aktywności metabolicznej, często również zdolności do rozmnażania: układy takie stosowane są zarówno w odniesieniu do komórek drobnoustrojów, jak i komórek zwierzęcych in vitro 5. Struktury subkomórkowe (organelle) z zachowaną aktywnością do przeprowadzenia określonych procesów, często wieloetapowych.

10 Podstawowe sposoby unieruchamiania i formy biokatalizatorów unieruchomionych A - adsorpcja, B - wiązania kowalencyjne, C - pułapkowanie w membranie, D - pułapkowanie w kuleczkach żelu, E - pułapkowanie we włóknach, Wg A Chmiel F - kapsułkowanie, G - zamykanie pomiędzy membranami lub w wężach półprzepuszczalnych, H - sieciowanie przestrzenne, I powstawanie naturalnych kuleczek i kłaczków biomasy

11 Zalety i wady stosowania biokatalizatorów unieruchomionych 1. możliwość wielokrotnego użycia lub wykorzystania w procesach ciągłych 2. prosta technologia i aparatura do procesów z ich użyciem Zalety 3. łatwość wydzielania produktu i biokatalizatora z mieszaniny poreakcyjnej 5. przedłużona stabilność katalityczna enzymu 6. obniżone koszty technologiczne procesów z ich użyciem

12 Dla unieruchomionych komórek 1. pominięcie kosztownych i pracochłonnych metod izolacji i oczyszczania białek enzymatycznych 2. zachowanie wyższej reaktywności i stabilności enzymów 3. możliwość prowadzenia procesów bardziej złożonych, np. wymagających regeneracji kofaktorów 4. większa oporność na działanie czynników zewnętrznych 5. możliwość zwiększenia gęstości zawiesiny komórek w porównaniu z hodowlą klasyczną

13 Wady W czasie procesu złoże biokatalizatora stopniowo traci swoją produktywność, co spowodowane jest : 1. wymywaniem enzymu lub komórek ze złoża oraz rozpuszczaniem się lub ścieraniem złoża 2. utratą aktywności na skutek zatruwania lub denaturacji enzymu bądź lizy komórek 3. pogorszeniem się warunków kontaktu substratu z enzymem w wyniku zanieczyszczenia i zatkania się złoża oraz zmiany charakterystyki przepływu roztworu substratu

14 4. zakażeniami mikrobiologicznymi, które mogą wystąpić szczególnie w przypadku użycia roztworu reakcyjnego zawierającego składniki umożliwiające rozwój drobnoustrojów 5. trudnościami związanymi z użyciem zawiesin i klasycznych kompleksowych podłoży fermentacyjnych

15 Ważniejsze zastosowania procesów biotransformacji (przykłady) Biotransformacja związków sterydowych Biotransformacja antybiotyków (b-laktamy) Biotransformacja sorbitolu do sorbozy ( otrzymywanie vit C) Izomeryzacja glukozy do fruktozy Biogeochemia (ługowanie minerałów i zatężanie metali)

16

17 Wybrane biotransformacje (reakcje utleniania) z udziałem bakterii kwasu octowego Substrat etanol propanol izopropanol 2-fenyloetanol glicerol kwas mlekowy 2,3-butandiol 1,2-butandiol D-mannitol D-sorbitol D-glukoza kwas D-glukonowy 1,5-pentadiol Produkt kwas octowy kwas propionowy aceton kwas fenylooctowy dihydroksyaceton acetoina acetoina kwas g-hydroksymasłowy D-fruktoza L-sorboza kwas D-glukonowy kwas 2-ketoglukonowy kwas glutarowy

18 Utlenianie D-sorbitolu do L-sorbozy przy użyciu Gluconobacter suboxydans:

19 1-G.oxydans subsp. suboxydans 2 i 8-G.oxydans subsp. melanogenes 3 - Pseudomonas putida, 4 -G.oxydans, 5 - Pseudomonas mildenbergii 6 - Pseudomonas fragi 7 i 9 - Pseudomonas spp., Gluconobacter spp Brevibaclterium sp. H 2 uwodornienie metodą chemiczną

20 E. Coli Enzymatyczna i chemiczna hydroliza penicyliny G do kwasu 6-aminopenicylanowego Bacillus megaterinum Proteus rettgeri

21 Biotransformacje cefalosporyn Bacillus subtilis (cefalosporyny modyfikowane przy C3)

22 Biotransformacja związków steroidowych

23 Podstawowe reakcje biotransformacji związków steroidowych 1- izomeryzacja połączona z utlenieniem grupy hydroksylowej 2 - uwodornienie podwójnego wiązania 3 - odwodornienie 4 - aromatyzacja 5 -utlenienie połączone z rozerwaniem pierścienia A 6 11-b-hydroksylacja 7 - utlenienie grupy metylenowej do grupy ketonowej 8- epoksydacja 9 - odszczepienie łańcucha bocznego z wytworzeniem grupy hydroksylowej lub ketonowej(10) 11 - odszczepienie łańcucha połączone z wprowadzeniem atomu tlenu do pierścienia D i jego laktonizacja 12 - utlenienie grupy hydroksylowej do grupy ketonowej 13 - redukcja grupy ketonowej do grupy hydroksylowej

24 11-a-hydroksylacja progesteron - 11-a-hydroksyprogesteron 36 etapów syntezy 11 etapów Rhisopus nigricans 11-b-hydroksylacja korteksolon - kortyzol Curvularia lunata

25 Wg A Chmiel