Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Трехмерная структура фермента. Биокатализ использует эти биологические макромолекулы для катализа превращений малых молекул.

Биокатализ относится к использованию живых (биологических) систем или их частей для ускорения ( катализирования ) химических реакций. В биокаталитических процессах природные катализаторы, такие как ферменты , осуществляют химические превращения органических соединений . Для этой задачи используются как ферменты, которые были более или менее изолированы, так и ферменты, все еще находящиеся внутри живых клеток . [1] [2] [3] Современная биотехнология, конкретно направленная эволюция, сделал возможным производство модифицированных или ненатуральных ферментов. Это позволило разработать ферменты, которые могут катализировать новые превращения малых молекул, которые могут быть трудными или невозможными при использовании классической синтетической органической химии. Использование природных или модифицированных ферментов для осуществления органического синтеза называется химиоферментным синтезом ; реакции, выполняемые ферментом, классифицируются как химиоферментные реакции .

История [ править ]

Биокатализ лежит в основе некоторых из старейших химических превращений, известных человеку, для пивоварения, предшествовавшего зарегистрированной истории. [4] Самым древним источникам пивоварения около 6000 лет, они относятся к шумерам .

Использование ферментов и целых клеток было важным для многих отраслей на протяжении веков. Наиболее очевидное применение - производство продуктов питания и напитков, где производство вина, пива, сыра и т. Д. Зависит от воздействия микроорганизмов .

Более ста лет назад биокатализ применялся для химических превращений неприродных искусственных органических соединений , и за последние 30 лет наблюдалось значительное увеличение применения биокатализа для производства тонких химикатов , особенно для фармацевтической промышленности . [5]

Поскольку биокатализ имеет дело с ферментами и микроорганизмами, его исторически классифицируют отдельно от «гомогенного катализа» и «гетерогенного катализа». Однако, говоря механически, биокатализ - это просто частный случай гетерогенного катализа. [6]

Преимущества химико-ферментативного синтеза [ править ]

-Ферменты экологически безвредны, полностью разлагаются в окружающей среде.

-Большинство ферментов обычно функционируют в мягких или биологических условиях, что сводит к минимуму проблемы нежелательных побочных реакций, таких как разложение, изомеризация , рацемизация и перегруппировка , которые часто мешают традиционной методологии.

-Ферменты, выбранные для химико-ферментативного синтеза, можно иммобилизовать на твердой подложке. Эти иммобилизованные ферменты демонстрируют очень высокую стабильность и возможность повторного использования и могут использоваться для проведения реакций в непрерывном режиме в микрореакторах. [7] [8]

- Благодаря развитию белковой инженерии , в частности сайт-направленного мутагенеза и направленной эволюции, ферменты можно модифицировать, чтобы обеспечить неприродную реактивность. Модификации также могут позволить расширить диапазон субстратов, повысить скорость реакции или оборачиваемость катализатора.

-Ферменты проявляют чрезвычайную селективность по отношению к своим субстратам. Обычно ферменты проявляют три основных типа селективности:

  • Хемоселективность : поскольку цель фермента - действовать на один тип функциональной группы , выживают другие чувствительные функциональные группы, которые обычно в определенной степени реагируют при химическом катализе. В результате биокаталитические реакции имеют тенденцию быть «более чистыми», и трудоемкая очистка продукта (ов) от примесей, появляющихся в результате побочных реакций, в значительной степени может быть исключена.
  • Региоселективность и диастереоселективность : благодаря своей сложной трехмерной структуре ферменты могут различать функциональные группы, которые химически расположены в разных областях молекулы субстрата.
  • Энантиоселективность : поскольку почти все ферменты состоят из L- аминокислот , ферменты являются хиральными катализаторами. Как следствие, любой тип хиральности, присутствующий в молекуле субстрата, «распознается» при образовании комплекса фермент-субстрат. Таким образом, прохиральный субстрат может быть преобразован в оптически активный продукт, и оба энантиомера рацемического субстрата могут реагировать с разными скоростями.

Эти причины, и особенно последние, являются основными причинами, по которым химики-синтетики заинтересовались биокатализом. Этот интерес, в свою очередь, в основном связан с необходимостью синтеза энантиочистых соединений в качестве хиральных строительных блоков для фармацевтических препаратов и агрохимикатов .

Асимметричный биокатализ [ править ]

Использование биокатализа для получения энантиочистых соединений можно разделить на два разных метода:

  1. Кинетическое разрешение рацемической смеси
  2. Биокатализируемый асимметричный синтез

При кинетическом разделении рацемической смеси присутствие хирального объекта (фермента) превращает один из стереоизомеров реагента в его продукт с большей скоростью реакции, чем для другого стереоизомера реагента. Стереохимическая смесь теперь преобразована в смесь двух различных соединений, что делает их разделяемыми по обычной методике.

Биокатализируемое кинетическое разрешение широко используется при очистке рацемических смесей синтетических аминокислот. Многие популярные способы синтеза аминокислот, такие как синтез Штрекера , приводят к смеси энантиомеров R и S. Эта смесь может быть очищена (I) ацилированием амина с использованием ангидрида и затем (II) селективным деацилированием только L-энантиомера с использованием ацилазы почки свиньи. [9] Эти ферменты обычно чрезвычайно селективны в отношении одного энантиомера, что приводит к очень большим различиям в скорости, что позволяет проводить селективное деацилирование. [10] Наконец, эти два продукта теперь можно разделить классическими методами, такими как хроматография .

Максимальный выход при таком кинетическом разрешении составляет 50%, поскольку выход более 50% означает, что некоторое количество неправильного изомера также прореагировало, давая более низкий энантиомерный избыток . Следовательно, такие реакции должны быть прекращены до достижения равновесия. Если возможно выполнить такое разделение в условиях, когда два субстрата-энантиомера рацемизируются непрерывно, весь субстрат теоретически может быть превращен в энантиочистый продукт. Это называется динамическим разрешением .

В биокатализируемом асимметричном синтезе нехиральное звено становится хиральным таким образом, что различные возможные стереоизомеры образуются в разных количествах. Хиральность вносится в субстрат под действием хирального фермента. Дрожжи является биокатализатором для энантиоселективного сокращения из кетонов .

Окисления по Байеру-Филлигер является еще одним примером биокаталитической реакции. В одном исследовании специально разработанный мутант Candida Антарктиды был обнаружено, что эффективный катализатор для присоединения Михаэля из акролеина с ацетилацетоном при 20 ° С в отсутствии дополнительного растворителя. [11]

Другое исследование демонстрирует, как рацемический никотин (смесь S- и R-энантиомеров 1 на схеме 3 ) может быть дерацемизирован в однореакторной процедуре с использованием моноаминоксидазы, выделенной из Aspergillus niger, которая способна окислять только S-энантиомер амина до имина. 2 и при участии аммиака - боран восстановительной пары , которые могут уменьшить имин 2 назад к амина 1 . [12] Таким образом, S-энантиомер будет непрерывно потребляться ферментом, в то время как R-энантиомер накапливается. Можно дажестереоинвертировать чистый S в чистый R.

Биокатализ с поддержкой Photoredox [ править ]

Недавно фоторедокс-катализ был применен к биокатализу, что позволило осуществить уникальные, ранее недоступные преобразования. Химия фотоокислительного восстановления основана на использовании света для образования промежуточных свободных радикалов . [13] Эти радикальные промежуточные соединения являются ахиральными, поэтому рацемические смеси продуктов получаются без внешнего хирального окружения. Ферменты могут обеспечивать эту хиральную среду в активном центре и стабилизировать конкретную конформацию и способствовать образованию одного энантиочистого продукта. [14] Реакции биокатализа, активируемые Photoredox, делятся на две категории:

  1. Внутренний кофермент / кофактор фотокаталитический
  2. Внешний фотокатализатор

Некоторые распространенные кофакторы переноса атома водорода ( HAT ) ( NADPH и Flavin ) могут работать как реагенты одноэлектронного переноса ( SET ). [14] [15] [16] Хотя эти разновидности способны к HAT без облучения, их окислительно-восстановительные потенциалы увеличиваются почти на 2,0 В при облучении видимым светом. [17] В сочетании с соответствующими ферментами (обычно енредуктазами ). Этот феномен был использован химиками для разработки методик энантиоселективного восстановления. Например, лактамы среднего размера могут быть синтезированы в хиральной среде енредуктазы посредством восстановительной, предпочтительной по Болдуину., радикальная циклизация завершается энатиоселективной HAT от NADPH. [18]

Вторая категория фотореактивных биокаталитических реакций с использованием внешнего фотокатализатора (ПК). Можно использовать многие типы ПК с большим диапазоном окислительно-восстановительных потенциалов, что обеспечивает большую настраиваемость реактивной мощности по сравнению с использованием кофактора. Бенгальский розовый и внешний ПК, был использован в тандеме с oxioreductase к энантиоселективно deacylate средних альфа-ацил- кетонов . [19]

Использование внешнего ПК имеет некоторые недостатки. Например, внешние ПК обычно усложняют дизайн реакции, поскольку ПК может реагировать как со связанным, так и с несвязанным субстратом. Если между несвязанным субстратом и ПК происходит реакция, энантиоселективность теряется, и могут возникнуть другие побочные реакции.

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Mortison, JD; Шерман, Д.Х. (2010). «Границы и возможности химико-ферментативного синтеза» . J Org Chem . 75 (21): 7041–51. DOI : 10.1021 / jo101124n . PMC  2966535 . PMID  20882949 .

См. Также [ править ]

  • Список ферментов
  • Промышленные ферменты

Ссылки [ править ]

  1. ^ Anthonsen, Thorlief (2000). «Реакции, катализируемые ферментами» . В Адлеркрейце, Патрик; Straathof, Адри JJ (ред.). Прикладной биокатализ (2-е изд.). Тейлор и Фрэнсис. С. 18–59. ISBN 978-9058230249.
  2. ^ Фабер, Курт (2011). Биотрансформации в органической химии (6-е изд.). Springer. ISBN 9783642173936.[ требуется страница ]
  3. ^ Jayasinghe, Леонард Y .; Смоллридж, Эндрю Дж .; Тревелла, Мори А. (1993). «Восстановление этилацетоацетата в петролейном эфире, опосредованное дрожжами». Буквы тетраэдра . 34 (24): 3949–3950. DOI : 10.1016 / S0040-4039 (00) 79272-0 .
  4. ^ Srinivasan, Бхарат (2020-09-27). «Совет: обучение кинетике ферментов» . Журнал FEBS . DOI : 10.1111 / febs.15537 . ISSN 1742-464X . 
  5. ^ Лизе, Андреас; Зилбах, Карстен; Wandrey, Christian, eds. (2006). Промышленные биотрансформации (2-е изд.). Джон Вили и сыновья. п. 556. ISBN. 978-3527310012.
  6. ^ Ротенберг, Гади (2008). Катализ: концепции и зеленые приложения . Вайли. ISBN 9783527318247.[ требуется страница ]
  7. ^ Бхангале, Атул; Кэтрин Л. Бирс; Ричард А. Гросс (2012). «Катализируемая ферментами полимеризация полимеров с концевыми функциональными группами в микрореакторе». Макромолекулы . 45 (17): 7000–7008. Bibcode : 2012MaMol..45.7000B . DOI : 10.1021 / ma301178k .
  8. ^ Бхангале, Атул; Сантану Кунду; Уильям Э. Уоллес; Кэтлин М. Флинн; Чарльз М. Гуттман; Ричард А. Гросс; Кэтрин Л. Бирс (2010). "Катализируемая ферментами полимеризация в непрерывном потоке в микрореакторе". JACS . 133 (15): 6006–6011. DOI : 10.1021 / ja111346c . PMID 21438577 . 
  9. ^ Wade, LG, 1947- (2013). Органическая химия (8-е изд.). Бостон: Пирсон. ISBN 978-0-321-76841-4. OCLC  752068109 .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  10. ^ Швиадас, В. Ю; Галаев И.Ю; Галстян, Н. А.; Березин И.В. (август 1980 г.). «[Субстратная специфичность ацилазы I из почек свиньи]». Биохимия (Москва, Россия) . 45 (8): 1361–1364. ISSN 0320-9725 . PMID 7236787 .  
  11. ^ Svedendahl, Мария; Халт, Карл; Берглунд, Пер (декабрь 2005 г.). «Формирование быстрой углерод-углеродной связи беспорядочной липазой». Журнал Американского химического общества . 127 (51): 17988–17989. DOI : 10.1021 / ja056660r . PMID 16366534 . 
  12. ^ Дансмор, Колин Дж .; Карр, Рувим; Флеминг, Тони; Тернер, Николас Дж. (2006). «Химио-ферментативный путь к энантиомерно чистым циклическим третичным аминам». Журнал Американского химического общества . 128 (7): 2224–2225. DOI : 10.1021 / ja058536d . PMID 16478171 . 
  13. ^ Приер, Кристофер К .; Ранкич, Даника А .; Макмиллан, Дэвид WC (10.07.2013). "Фоторедокс-катализ в видимом свете с комплексами переходных металлов: применение в органическом синтезе" . Химические обзоры . 113 (7): 5322–5363. DOI : 10.1021 / cr300503r . ISSN 0009-2665 . PMC 4028850 . PMID 23509883 .   
  14. ^ a b Накано, Юдзи; Бегасевич, Кайл Ф; Хистер, Тодд К. (апрель 2019 г.). «Биокаталитический перенос атома водорода: бодрящий подход к свободнорадикальным реакциям» . Текущее мнение в химической биологии . 49 : 16–24. DOI : 10.1016 / j.cbpa.2018.09.001 . PMC 6437003 . PMID 30269010 .  
  15. ^ Сандовал, Брэддок А .; Meichan, Andrew J .; Хистер, Тодд К. (23.08.2017). "Энантиоселективный перенос атома водорода: открытие каталитической неразборчивости во флавин-зависимых 'энэ'-редуктазах". Журнал Американского химического общества . 139 (33): 11313–11316. DOI : 10.1021 / jacs.7b05468 . ISSN 0002-7863 . PMID 28780870 .  
  16. ^ Ли, Чжинин; Ван, Зексу; Meng, Ge; Лу, Хун; Хуанг, Зеду; Чен, Фенер (апрель 2018 г.). «Идентификация энэредуктазы дрожжей Kluyveromyces Marxianus и применение в асимметричном синтезе эфиров (R) -Профена». Азиатский журнал органической химии . 7 (4): 763–769. DOI : 10.1002 / ajoc.201800059 .
  17. ^ Эммануэль, Меган А .; Greenberg, Norman R .; Облинский, Даниил Г .; Хистер, Тодд К. (14 декабря 2016 г.). «Доступ к неприродной реакционной способности путем облучения никотинамид-зависимых ферментов светом». Природа . 540 (7633): 414–417. Bibcode : 2016Natur.540..414E . DOI : 10,1038 / природа20569 . ISSN 1476-4687 . PMID 27974767 .  
  18. ^ Biegasiewicz, Кайл Ф .; Купер, Саймон Дж .; Гао, Синь; Облинский, Даниил Г .; Ким, Джи Хе; Garfinkle, Samuel E .; Джойс, Лео А .; Сандовал, Брэддок А .; Скоулз, Грегори Д.; Хистер, Тодд К. (21.06.2019). «Фотовозбуждение флавоферментов делает возможной стереоселективную радикальную циклизацию» . Наука . 364 (6446): 1166–1169. Bibcode : 2019Sci ... 364.1166B . DOI : 10.1126 / science.aaw1143 . ISSN 0036-8075 . PMC 7028431 . PMID 31221855 .   
  19. ^ Biegasiewicz, Кайл Ф .; Купер, Саймон Дж .; Эммануэль, Меган А .; Миллер, Дэвид С .; Хистер, Тодд К. (июль 2018 г.). «Каталитическая неразборчивость, обеспечиваемая фоторедокс-катализом в никотинамид-зависимых оксидоредуктазах». Химия природы . 10 (7): 770–775. Bibcode : 2018NatCh..10..770B . DOI : 10.1038 / s41557-018-0059-у . ISSN 1755-4330 . PMID 29892028 .  

Внешние ссылки [ править ]

  • Австрийский центр промышленной биотехнологии - acib
  • Центр передового опыта в области биокатализа - CoEBio3
  • Университет Эксетера - Центр биокатализа
  • Центр биокатализа и биопроцессинга - Университет Айовы
  • TU Delft - Биокатализ и органическая химия (BOC)
  • KTH Stockholm - Исследовательская группа биокатализа
  • Институт технического биокатализа Гамбургского технологического университета (TUHH)
  • Биокаскадный проект