stringtranslate.com

Биокатализ

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 , выполняют 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, специально направленная эволюция , сделала возможным производство модифицированных или неприродных ферментов. Это позволило разработать ферменты, которые могут катализировать новые преобразования малых молекул, которые могут быть затруднены или невозможны с использованием классической синтетической органической химии. Использование природных или модифицированных ферментов для выполнения органического синтеза называется хемоферментативным синтезом ; реакции, выполняемые ферментом, классифицируются как хемоферментативные реакции .

История

Биокатализ лежит в основе некоторых из древнейших химических преобразований, известных людям, поскольку пивоварение существовало еще до письменной истории. Древнейшие записи о пивоварении насчитывают около 6000 лет и относятся к шумерам .

Использование ферментов и целых клеток было важным для многих отраслей промышленности на протяжении столетий. Наиболее очевидным применением является производство продуктов питания и напитков, где производство вина, пива, сыра и т. д. зависит от воздействия микроорганизмов .

Более ста лет назад биокатализ использовался для проведения химических превращений неприродных искусственных органических соединений , а за последние 30 лет наблюдается значительный рост применения биокатализа для производства тонких химикатов , особенно для фармацевтической промышленности . [4]

Поскольку биокатализ имеет дело с ферментами и микроорганизмами, он исторически классифицируется отдельно от «гомогенного катализа» и «гетерогенного катализа». Однако, с точки зрения механики, биокатализ — это просто частный случай гетерогенного катализа. [5]

Преимущества химико-ферментативного синтеза

-Ферменты экологически безопасны и 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 хемоферментативного синтеза, могут быть иммобилизованы на твердой подложке. Эти иммобилизованные ферменты демонстрируют улучшенную стабильность и возможность повторного использования.

-Благодаря развитию белковой инженерии , в частности сайт-направленного мутагенеза и направленной эволюции, ферменты могут быть модифицированы для обеспечения неестественной реактивности. Модификации также могут позволить расширить диапазон субстратов, повысить скорость реакции или оборот катализатора.

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

Эти причины, и особенно последняя, ​​являются основными причинами, по которым синтетические химики заинтересовались биокатализом. Этот интерес, в свою очередь, обусловлен в основном необходимостью синтезировать энантиочистые соединения в качестве хиральных строительных блоков для фармацевтических препаратов и агрохимикатов .

Асимметричный биокатализ

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

  1. Кинетическое разделение рацемической смеси
  2. Биокаталитический асимметрический синтез

При кинетическом разделении рацемической смеси присутствие хирального объекта (фермента) преобразует 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 с помощью обычной методологии.

Схема 1. Кинетическое разрешение
Схема 1. Кинетическое разрешение

Биокатализируемое кинетическое разделение широко используется при очистке рацемических смесей синтетических аминокислот. Многие популярные пути синтеза аминокислот, такие как синтез Штрекера , приводят к смеси R- и S-энантиомеров. Эту смесь можно очистить путем (I) ацилирования амина с использованием ангидрида, а затем (II) селективного деацилирования только L-энантиомера с использованием ацилазы свиных почек. [6] Эти ферменты, как правило, чрезвычайно селективны для одного энантиомера, что приводит к очень большим различиям в скорости, что позволяет проводить селективное деацилирование. [7] Наконец, два продукта теперь можно разделить классическими методами, такими как хроматография .

Максимальный выход в таких кинетических разделениях составляет 50%, поскольку выход более 50% означает, что часть неправильного изомера также прореагировала, дав более низкий энантиомерный избыток . Поэтому такие реакции должны быть прекращены до достижения равновесия. Если возможно выполнить такие разделения в условиях, когда два субстрата-энантиомера непрерывно рацемизируются, весь субстрат теоретически может быть преобразован в энантиомерный продукт. Это называется динамическим разделением .

В биокатализируемом асимметричном синтезе нехиральная единица становится хиральной таким образом, что различные возможные стереоизомеры образуются в разных количествах. Хиральность вводится в субстрат под воздействием фермента, который является хиральным. Дрожжи являются биокатализатором для энантиоселективного восстановления кетонов .

Схема 2. Восстановление дрожжей

Окисление Байера -Виллигера является еще одним примером биокаталитической реакции. В одном исследовании было обнаружено, что специально разработанный мутант Candida antarctica является эффективным катализатором для присоединения Михаэля акролеина с ацетилацетоном при 20 °C в отсутствие дополнительного растворителя. [8]

Другое исследование демонстрирует, как рацемический никотин (смесь S и R-энантиомеров 1 на схеме 3 ) может быть дерацемизирован в однореакторной процедуре с участием моноаминоксидазы, выделенной из Aspergillus niger , которая способна окислять только амин S-энантиомер до имина 2 , и с участием восстанавливающей пары аммиак - боран , которая может восстанавливать имин 2 обратно до амина 1. [9] Таким образом, S-энантиомер будет непрерывно потребляться ферментом, в то время как R-энантиомер накапливается. Возможно даже стереоинвертировать чистый S в чистый R.

Схема 3. Энантиомерно чистые циклические третичные амины
Схема 3. Энантиомерно чистые циклические третичные амины

Фоторедокс-активированный биокатализ

Недавно фоторедокс-катализ был применен к биокатализу, что позволило осуществить уникальные, ранее недоступные преобразования. Фоторедокс-химия опирается на свет для генерации свободных радикальных промежуточных продуктов. [10] Эти радикальные промежуточные продукты являются ахиральными, поэтому рацемические смеси продуктов получаются, когда не обеспечивается внешняя хиральная среда. Ферменты могут обеспечить эту хиральную среду в активном центре и стабилизировать определенную конформацию и способствовать образованию одного, энантиомерно чистого продукта. [11] Реакции биокатализа с участием фоторедокса делятся на две категории:

  1. Внутренний кофермент/ кофактор фотокатализатора
  2. Внешний фотокатализатор

Некоторые общие кофакторы переноса атома водорода ( HAT ) ( NADPH и Flavin ) могут действовать как реагенты переноса одного электрона ( SET ). [11] [12] [13] Хотя эти виды способны к HAT без облучения, их окислительно-восстановительный потенциал увеличивается почти на 2,0 В при облучении видимым светом. [14] В сочетании с соответствующими ферментами (обычно эноредуктазами ) это явление использовалось химиками для разработки энантиоселективных восстановительных методик. Например, лактамы среднего размера могут быть синтезированы в хиральной среде эноредуктазы через восстановительную, благоприятную для Болдуина , радикальную циклизацию , завершаемую энантиоселективной HAT из NADPH. [15]

Вторая категория фоторедокс-активированных биокаталитических реакций использует внешний фотокатализатор (PC). Можно использовать многие типы PC с большим диапазоном окислительно-восстановительных потенциалов, что позволяет большую настраиваемость реактива по сравнению с использованием кофактора. Бенгальский розовый и внешний PC использовались в тандеме с оксидоредуктазой для энантиоселективного деацилирования альфа-ацилкетонов среднего размера . [ 16]

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

Сельскохозяйственное использование

Биоферменты также являются биокатализаторами. Они готовятся путем ферментации органических отходов, пальмового сахара и воды в соотношении 3:1:10 в течение трех месяцев. Они увеличивают популяцию почвенных микробов и ускоряют компостирование и разложение, поэтому их включают в катализаторы. Они лечат почву. Это одно из лучших органических жидких удобрений. Разбавляется водой.

Дальнейшее чтение

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Антонсен, Торлиф (2000). «Реакции, катализируемые ферментами». В Адлеркройце, Патрик; Страатхоф, Адри Джей Джей (ред.). Прикладной биокатализ (2-е изд.). Тейлор и Фрэнсис. стр. 18–59. ISBN 978-9058230249.
  2. ^ Фабер, Курт (2011). Биотрансформации в органической химии (6-е изд.). Springer. ISBN 9783642173936.[ нужна страница ]
  3. ^ Джаясингхе, Леонард Ю.; Смолридж, Эндрю Дж.; Трюэлла, Мори А. (1993). «Восстановление этилацетоацетата в петролейном эфире под действием дрожжей». Tetrahedron Letters . 34 (24): 3949–3950. doi :10.1016/S0040-4039(00)79272-0.
  4. ^ Лизе, Андреас; Зильбах, Карстен; Вандри, Кристиан, ред. (2006). Промышленные биотрансформации (2-е изд.). Джон Уайли и сыновья. п. 556. ИСБН 978-3527310012.
  5. ^ Ротенберг, Гади (2008). Катализ: Концепции и зеленые приложения . Wiley. ISBN 9783527318247.[ нужна страница ]
  6. ^ Wade, LG, 1947- (2013). Органическая химия (8-е изд.). Бостон: Pearson. ISBN 978-0-321-76841-4. OCLC  752068109.{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
  7. ^ 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. ПМИД  7236787.
  8. ^ Сведендаль, Мария; Хульт, Карл; Берглунд, Пер (декабрь 2005 г.). «Быстрое образование углерод-углеродной связи беспорядочной липазой». Журнал Американского химического общества . 127 (51): 17988–17989. doi :10.1021/ja056660r. PMID  16366534.
  9. ^ Дансмор, Колин Дж.; Карр, Рубен; Флеминг, Тони; Тернер, Николас Дж. (2006). «Химико-ферментативный путь к энантиомерно чистым циклическим третичным аминам». Журнал Американского химического общества . 128 (7): 2224–2225. doi :10.1021/ja058536d. PMID  16478171.
  10. ^ Прайер, Кристофер К.; Ранчик, Даника А.; Макмиллан, Дэвид WC (2013-07-10). «Видимый световой фотоокислительно-восстановительный катализ с комплексами переходных металлов: применение в органическом синтезе». Chemical Reviews . 113 (7): 5322–5363. doi :10.1021/cr300503r. ISSN  0009-2665. PMC 4028850 . PMID  23509883. 
  11. ^ ab Nakano, Yuji; Biegasiewicz, Kyle F; Hyster, Todd K (апрель 2019 г.). «Биокаталитический перенос атома водорода: бодрящий подход к реакциям свободных радикалов». Current Opinion in Chemical Biology . 49 : 16–24. doi : 10.1016/j.cbpa.2018.09.001. PMC 6437003. PMID  30269010 . 
  12. ^ Сандовал, Брэддок А.; Мейчан, Эндрю Дж.; Хайстер, Тодд К. (2017-08-23). ​​«Энантиоселективный перенос атома водорода: открытие каталитической разнородности во флавинзависимых 'Ene'-редуктазах». Журнал Американского химического общества . 139 (33): 11313–11316. doi :10.1021/jacs.7b05468. ISSN  0002-7863. PMID  28780870.
  13. ^ Ли, Чжинин; Ван, Цзэсюй; Мэн, Ге; Лу, Хун; Хуан, Цзэду; Чэнь, Фенер (апрель 2018 г.). «Идентификация эне-редуктазы из дрожжей Kluyveromyces Marxianus и ее применение в асимметричном синтезе (R)-профеновых эфиров». Азиатский журнал органической химии . 7 (4): 763–769. doi :10.1002/ajoc.201800059.
  14. ^ Эммануэль, Меган А.; Гринберг, Норман Р.; Облински, Дэниел Г.; Хайстер, Тодд К. (14 декабря 2016 г.). «Доступ к неестественной реактивности путем облучения никотинамид-зависимых ферментов светом». Nature . 540 (7633): 414–417. Bibcode :2016Natur.540..414E. doi :10.1038/nature20569. ISSN  1476-4687. PMID  27974767. S2CID  205252473.
  15. ^ Бегасевич, Кайл Ф.; Купер, Саймон Дж.; Гао, Синь; Облински, Дэниел Г.; Ким, Джи Хе; Гарфинкл, Сэмюэл Э.; Джойс, Лео А.; Сандовал, Брэддок А.; Шоулз, Грегори Д.; Хайстер, Тодд К. (2019-06-21). «Фотовозбуждение флавоферментов обеспечивает стереоселективную радикальную циклизацию». Science . 364 (6446): 1166–1169. Bibcode :2019Sci...364.1166B. doi :10.1126/science.aaw1143. ISSN  0036-8075. PMC 7028431 . PMID  31221855. 
  16. ^ Бегасевич, Кайл Ф.; Купер, Саймон Дж.; Эммануэль, Меган А.; Миллер, Дэвид К.; Хайстер, Тодд К. (июль 2018 г.). «Каталитическая промискуитетность, обеспечиваемая фоторедокс-катализом в никотинамид-зависимых оксидоредуктазах». Nature Chemistry . 10 (7): 770–775. Bibcode :2018NatCh..10..770B. doi :10.1038/s41557-018-0059-y. ISSN  1755-4330. PMID  29892028. S2CID  48360817.
  17. ^ Ким, Джинхён; Ли, Сан Ха; Тивес, Флориан; Пол, Кэролайн Э.; Холлманн, Фрэнк; Пак, Чан Беум (5 июля 2019 г.). «Никотинамидадениндинуклеотид как фотокатализатор». Science Advances . 5 (7): eaax0501. Bibcode :2019SciA....5..501K. doi :10.1126/sciadv.aax0501. PMC 6641943 . PMID  31334353. 

Внешние ссылки