Антибіотики, вітаміни та їх біосинтез

ПЛАН

Вступ

1.Синтез амінокислот за допомогою  біотехнологій і їх застосування.

2.Мікробіологічний синтез антибіотиків  і алкалоїдів.

3.Виробництво і застосування  вітамінів.

Список використаної літератури.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

вступ

Захоплюючий процес в біотехнології веде до росту  кількості біотехнологічної продукції, яка використовується в різних галузях промисловості, особливо в фармацевтиці, сільському господарстві. Біологічні процеси іноді витісняють традиційні етапи хімічного синтезу розчинників, органічних кислот, антибіотиків і інших речовин, що значно понижує вартість їх виробництва і несприятливу дію на навколишнє середовище. А це в свою чергу сприяє застосуванню біопроцесів в виробництві. Біотехнологічні прийоми і методи грають головну роль при створенні нових біологічно активних речовин і лікарських препаратів, призначених для ранньої діагностики і лікування різноманітних захворювань. Антибіотики — найбільший клас фармацевтичних сполук, одержання яких здійснюється за допомогою мікробіологічного синтезу. Створено геноінженерні штами кишкової палички, дріжджів, що культивуються клітин ссавців та комах, використовувані для одержання ростового гормону, інсуліну й інтерферону людини, різноманітних ферментів і противірусних вакцин.

1.Синтез амінокислот за допомогою біотехнологій і їх застосування.

Всі амінокислоти, з яких складаються білки, являються L-α-амінокислотами. Вони знаходять застосування як харчові добавки, приправи, посилювачі смаку, як сировина в парфумерній та фармацевтичній промисловості.Їх можна добувати з інших природних продуктів, головним чином при гідролізі білків рослин, так і шляхом хімічного мікробіологічного ,або ферментативного синтезу. Якщо хімічний синтез дає продукт-рацемат, який потребує дальшої обробки, то останні два дають можливість оптично чисті амінокислоти. В цьому і полягає перевага біотехнологічних методів над хімічними.Особливістю більшості виробничих процесів за участі мікроорганізмів, являється зміна умов середовища. За рахунок цього досягається синтез надлишкової кількості бажаного продукту.

Бактерії  для виробництва амінокислот  стали застосовуватись з початку 50-х років 20 ст. Утворювати амінокислоти здатні бактерії багатьох родів, наприклад Corynebacterium, Brevibacterium, Bacillus, Escherichia, Aerobacter. Вони настільки продуктивні, що виробництво є рентабельним, що в наш час дуже важливо. Corynebacterium або Brevibacterium, які вирощують на вуглеводному середовищі, ацетаті, етанолі, при наявності певної кількості біотину, здатні синтезувати до 30 грам на літр глутамату.Різними методами впливу можливо змінювати вихід амінокислот. Наприклад, шляхом зміни умов середовища, процес ферментації, у ході якого утворюється L-глутамат, може бути переключений на синтез L-глутамiну або L-проліну.

Синтез амінокислот за допомогою ферментів.

Процеси застосування ферментів при синтезі амінокислот бувають одно- і багатостадійними, а методи, які використовуються, різноманітними. В залежності від цього виділяють 5 класів ферментів:

1.Гідролітичні ферменти (гідролази). Наприклад 2-аміно-тіазолін-4-карбоксигідролаза яка відповідає за синтез L-цистеїну. Для використання неочищених ферментів, цілі клітини обробляють поверхнево-активними речовинами, що викликають зміни проникності і можуть використовувати мутантні штами, в яких продукт не використовується в обміні речовин.

2.Ліази. Відповідають за реакції дезамінування. Для утворення L-аспартату із фумарату амонію може використовуватись аспартаза або L-аспартат–аміак-ліаза.

3.Ферменти, що містять пірідоксальфосфат. Це звичайні коферменти, що беруть участь в метаболізмі амінокислот. Вони каталізують багато реакцій: рацемалізацію, трансамінування, реакції заміщення і елімінації. Мабуть роль цих коферментів полягає в активації амінокислот, що полегшує їх взаємодію з апоферментом.

4.Дегідрогенази амінокислот, наприклад лейциндегідрогеназа і аланіндегідрогеназа. Каталізують оборотні реакції синтезу амінокислот з кето-аналогів.

5.Глутамінсинтетаза. Каталізує АТФ-залежну реакцію амінування глутамату, яка спряжена з зброджуванням цукру дріжджами. Енергія, що звільняється йде на синтез глутаміну. АТФ, яка утворюється при розпаді фруктозо-6-дифосфату, необхідна для забезпечення енергією ендоергічної реакції, яка каталізується синтетазою.

 

2.Мікробіологічний синтез антибіотиків і алкалоїдів.

Антибіотики – група речовин мікробного походження, застосовуються як протимікробні й  протипухлинні препарати.Нині відомо більше 3000 речовин антибіотиків, виділених з різних організмів. Їх поділяють на класи згідно з хімічною структурою: пеніциліни, цефалоспорини, тетрацикліни, антрацикліни, аміноглікозиди, макролідні антибіотики тощо. З їх допомогою контролюється ріст рослин і ведеться боротьба з хворобами. Майже всі антибіотики спроможні придушувати широке коло патогенів: гриби, бактерії і мікоплазми. Проводяться пошуки і антивірусних антибіотиків. Всі антибіотики були виділені за рахунок мікроорганізмів, число їх було суттєво збільшено шляхом хімічної модифікації.

Цілі модифікації:

Розширення спектра дії і  підвищення ефективності антибіотиків.

Зниження токсичності і позбавлення  їх побічної дії.

Створення аналогів, які стійкі до розщеплення мікробами.

Удосконалення способів їх введення.

Для налагодження виробництва антибіотиків за допомогою  біотехнологій, потрібно знати про  генетичну детермінацію утворення  антибіотиків. Інформація про генетичний контроль біосинтезу важлива для  розробки технологій, які дозволяють людині впливати на утворення антибіотиків на генетичному рівні. Відомо, що в утворенні антибіотиків може бути включено до 1% генів продуцента (наприклад в роду Streptomyces) і ця частина ДНК не втрачається під час селекції в природних умовах, хоч її експресія може затримуватись на тривалі періоди. Цим підкреслюється еволюційне значення антибіотиків. Також за синтез антибіотиків відповідають деякі плазміди.

Перейдемо до розгляду біотехнології виробництва  антибіотиків. Існує декілька способів отримання нових антибіотиків. Вони базуються на модифікації антибіотиків ферментами мікроорганізмів.

Особливо  успішно модифікація антибіотиків мікроорганізмами проходить в наступних процесах.

При ферментативному  гідролізі пеніциліну з утворенням 6-амінопеніцмлланової кислоти (6-АПК), яка являється цінним вихідним продуктом  при виробництві деяких напівсинтетичних, важливих для медицини аналогів пеніциліну. На основі 6-АПК дістали біля 40000 напівсинтетичних пеніцилінів. Можливий також процес перетворення бензилпеніциліну в ампіцилін. При цьому спочатку проводять гідроліз бензилпеніциліну здійснюють за допомогою мутантного штаму Kluyvera citrophila, після чого в ферментер вносять мутант Pseudomonas melanogenum і метиловий ефір DL-фенілгліцину. В ролі каталізатора виступає ацилаза, яка утворюється мутантом P. Melanogenum.

Синтез ампіциліну

У медицині широко застосовуються аміноглікозидні  антибіотики (стрептоміцин, неоміцин, канаміцин, гентаміцин). Бактерії, які  здатні їх інактивувати, були виділені не тільки від хворих, але й як самостійні штами, що утворюють антибіотики. Їх ферментативна активність може бути частиною механізму детоксикації, за допомогою якого продуценти захищають себе від шкідливої дії вироблених ними антибіотиків.

В випадку  прямої ферментації використовуються мікроорганізми, які використовують антибіотик для синтезу біологічно активних сполук в присутності деяких попередників або інгібіторів метаболізму. Наприклад, Penicillium chrysogenum не тільки синтезує пеніцилін, але й включає феніл оцтову кислоту в бензилпеніцилін, а інші попередники – в аналоги пеніциліну. Цей принцип знаходить широке застосування, наприклад, при отриманні нових блеоміцинів шляхом додавання амінів до культури S. verticillus і нових актиноміцинів – шляхом додавання 4-метилпроліну до середовища для вирощування S. parvulus.

Крім антибіотиків, важливе значення для медицини та різних галузей народного господарства має біосинтез алкалоїдів. Алкалоїди  представляють собою дуже важливу  групу біологічно активних речовин, основу багатьох лікарських препаратів. До алкалоїдів відносять речовини природного походження, які, як правило, містять азот і мають достатньо складну структуру.

Алкалоїди синтезуються в основному рослинами, грибами, бактеріями і актиноміцетами. Велика увага приділяється саме мікроорганізмам, як джерелам цих речовин..Найбільший інтерес в якості продуцентів в зв'язку з перспективою їх використання в промисловості представляють гриби, і в першу чергу аскоміцети з родів Сlaviceps i Penicillum, які мають здатність синтезувати ергоалкалоїди. Все більший інтерес до ергоалкалоїдів пояснюється унікальним спектром їх біологічної активності, який може різко змінюватись в залежності від структури. Якщо спочатку для в медицині використовували неочищені грубі екстракти алкалоїдів, то тепер все більш широке застосування знаходять напівсинтетичні похідні, в якості вихідних для яких виступають природні ергоалкалоїди. Такі похідні характеризуються меншою токсичністю, простотою синтезу і є більш ефективними.Ергоалкалоїди і їх похідні використовують для профілактики і лікування мігрені, в якості препаратів, які регулюють кров'яний тиск, для лікування різних порушень гормонального обміну, наприклад хвороби Паркінсона.

В промисловості  застосовують глибинне культивування Claviceps purpurea (ріжки). Цей спосіб вперше був здійснений Абе з співробітниками і розвинений Чейном і іншими групами дослідників із різних країн.

Типовими представниками ергоалкалоїдів є єрголін; лізергінова кислота; агроклавін.

3.Виробництво і застосування вітамінів.

Вітаміни  поставляються у організм з їжею чи його призначають у вигляді лікарських засобів за певних патологічних процесах. Зжиро-и водорозчинних вітамінів відомі біотехнологічні процеси виробництва вітамінів чи D, рибофлавіну, аскорбінової кислоти,цианкобаламіна (В12).

Каротаноиди - цеизопреноидние сполуки,синтезирующиеся  багатьма пігментними мікроорганізмами з цієї родини Aleuria, Blakeslea, Corynebacterium, Flexibacter ,Fusarium ,Halobacterium ,Phycomyces, Pseudomonas, Rhodotorula, Sarcina, Sporobolomyces та інших. Усього описано близько 500 каротиноїдів. З самої лише молекули -каротину при гідролізі утворюються дві молекули вітаміну A. Це має місце, наприклад, в кишечнику людини. Як продуцентів каротиноїдів можна використовувати бактерії, дріжджі, міцеліальні гриби. Більш часто застосовують зиготі цети Blakesleatrispora і Choanephoraconjuncta. Спаривающиеся ( + ) і (-) штами цих видів при спільному культивуванні спроможні створити 3-4 р каротину на 1 л середовища.

Спочатку штами вирощують роздільно при26 С і посиленій аерації з наступним перенесенням в основний ферментатор. Тривалість ферментації - 6-7 днів.

Вітамін D - це група родинних сполук, основу яких міститьсяергостерин, який виявлений  у клітинних мембранах еукаріот. Крім дріжджів продуцентамиерогостерина може бутимицелиальние гриби -аспергилли і пеницилли, які містять 1,2-2,2%ергостерина. Помічено, щополиеновие антибіотики, які діють клітинну мембрану дріжджів, помітно стимулюють уміст їх у біомасу.

 

Одержанняергостерина в виробничих умов підрозділити ми такі етапи: розмноження вихідної культури, ферментація,сепарирование клітин, опромінення клітин ультрафіолетовими променями, висушування й упаковки цільового продукту. Облученние сухі дріжджі застосовують у тваринництві; у промисловості їх випускають під назвою "кормовігидролизние дріжджі, збагачені вітаміномD2". У цьому препараті міститься щонайменше 46% сирого білка, незамінні амінокислоти (лізин, метіонін, триптофан) і 5000ME вітамінуD2 /р.

Рибофлавин, чи вітамін В2 - міститься у клітинах різних мікроорганізмів, будучи коферментом у складі флавопротеїнов  Тож у ролі продуцентів рибофлавіну може бути бактерії, дріжджі і нитчасті гриби. До таких організмам ставлятьсяAshbyiigossypii,Eremotheciumashbyii і Candidaguilliermondii..

Аскорбінова кислота, чи вітамін З - цепротивоцинготний вітамін, наявний в усіх вищих  рослин та тварин.

Біологічна стадія процесу каталізується мембраносвязанной полыолдегыдрогеназой, а остання (хімічна) включає послідовно такі етапи: конденсація сорбози здиадетоном й одержаннядиацетон -L-сорбози, окислювання диацетон -->L-сорбози додиацетон-2-кето-Ь-гулоновой кислоти,подвергаемой потімгидролизу із отриманням2-кето-1,-гулоновой кислоти; останню піддають енолізації із наступною трас формацією вL-аскорбиновую кислоту.

Цианкобаламин, чи вітамін В12- можна отримати лише мікробіологічними синтезом. Його продуцентами є прокаріоти і,пропіонові бактерії, які у природних умовах утворюють цей вітамін. З огляду на важливу функцію вітаміну в людини , світову виробництво досягло 10 тонн на рік, у тому числі 6,5 т витрачають на медичні потреби, а 3,5 т - у тваринництві.

Вітчизняне виробництвоцианкобаламина  виходить з використанні культуриP.freudenreichiivar.shermanii, культивованої в періодичному режимі без доступу кисню.Ферментаційне середовище зазвичай містить глюкозу, кукурудзяний екстракт, солі амонію і кобальту, рН близько 7,0 підтримують додаваннямNH4OH; тривалість ферментації 6 діб; через 3 доби додають5,6-диметилбензимидазол - попередник вітамінуБ12 і продовжує ферментацію ще 3 діб.Цианкобаламин накопичується у клітинах бактерій, тому з надання вітаміну зводяться до цого:сепарування клітин,екстрагирование водою при рН 4,5-5,0 і температурі 85-90 С, у присутності стабілізатора (0,25% розчин натрію нітриту),Экстракція відбувається у протягом години, після цого водний розчин охолоджують, нейтралізують розчином їдкого натра, додають коагулянти білка - хлорид заліза трьохвалентного і алюмінію сульфат з наступним фільтруванням.Фильтрат випарюють і додатково очищають, використовуючи методи іонного обміну і хроматографії, після чого проводять кристалізацію вітаміну при3-4С з ацетонового розчину.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Література

Биотехнология / отв. ред. академик А.А. Баев – М: Наука, 1984, - 311с.

Сассон Альбер, Біотехнологія: Свершения  и надежды, - М: Мир,1987, 411с.

http://www.rccnews.ru/Rus/FinancialInstitution/?ID=46499

http://www.rccnews.ru/Rus/Pharmaceuticals/?ID=8062

В.Т. Емцов, Рубежи биотехнологии, - М: Агропромиздат,1986,159с.

Бест Д., Химия и биотехнология. В кн. Биотехнология. Принципы и применение. / под. ред. И. Хиггинса, Д. Баста, Дж. Джонса, - М: Мир, 1988, 479 ст.

http://www.allmetal.ru/info/dict/view.php?i=149

http://www.lol.org.ua/ukr/showart.php