stringtranslate.com

Биокатализ

Трехмерная структура фермента. Биокатализ использует эти биологические макромолекулы для катализа преобразований малых молекул.

Биокатализ – это использование 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, направленная на эволюцию , сделала возможным производство модифицированных или неприродных ферментов. Это позволило разработать ферменты, которые могут катализировать новые преобразования малых молекул, которые могут быть трудными или невозможными с использованием классической синтетической органической химии. Использование природных или модифицированных ферментов для осуществления органического синтеза называется химиоферментативным синтезом ; Реакции, осуществляемые ферментом, относят к химиоферментативным реакциям .

История

Биокатализ лежит в основе некоторых из старейших химических превращений, известных человечеству, поскольку пивоварение предшествует письменной истории. Самым древним записям о пивоварении около 6000 лет, и они относятся к шумерам .

Использование ферментов и целых клеток на протяжении веков было важно для многих отраслей промышленности. 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 химических превращений неприродных искусственных органических соединений , а за последние 30 лет наблюдался значительный рост применения биокатализа для производства тонких химикатов , особенно для фармацевтической промышленности . [4]

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

Преимущества химиоферментативного 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 химиоферментативного синтеза, можно иммобилизовать 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, чтобы обеспечить необычную реактивность. Модификации также могут обеспечить более широкий диапазон субстратов, повысить скорость реакции или оборачиваемость катализатора.

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

Эти причины, и особенно последняя, ​​являются основными причинами интереса химиков-синтетиков к биокатализу. Этот интерес, в свою очередь, обусловлен главным образом необходимостью синтеза энантиочистых соединений в качестве хиральных строительных блоков для фармацевтических препаратов и агрохимикатов .

Асимметричный биокатализ

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

  1. Кинетическое разрешение рацемической смеси
  2. Биокаталитический асимметричный синтез

При кинетическом разрешении 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 превратилась в смесь двух разных соединений, что позволяет разделить их обычными методами.

Схема 1. Кинетическое разрешение
Схема 1. Кинетическое разрешение

Биокаталитическое кинетическое разделение широко используется при очистке рацемических смесей синтетических аминокислот. Многие популярные пути синтеза аминокислот, такие как синтез Стрекера , приводят к получению смеси энантиомеров R и S. Эту смесь можно очистить путем (I) ацилирования амина с использованием ангидрида и затем (II) селективного деацилирования только L-энантиомера с использованием ацилазы из почек свиньи. [6] Эти ферменты обычно чрезвычайно селективны в отношении одного энантиомера, что приводит к очень большим различиям в скорости, что позволяет осуществлять селективное деацилирование. [7] Наконец, эти два продукта теперь можно разделить с помощью классических методов, таких как хроматография .

Максимальный выход при таком кинетическом разрешении составляет 50%, поскольку выход более 50% означает, что часть неправильного изомера также прореагировала, что дает меньший энантиомерный избыток . Поэтому такие реакции должны быть прекращены до достижения равновесия. Если возможно осуществить такое разделение в условиях, когда два субстрата-энантиомера непрерывно рацемизуются, теоретически весь субстрат может быть превращен в энантиочистый продукт. Это называется динамическим разрешением .

При биокаталитическом асимметричном синтезе нехиральная единица становится хиральной таким образом, что различные возможные стереоизомеры образуются в разных количествах. Хиральность привносится в субстрат под действием фермента, который является хиральным. Дрожжи являются биокатализатором энантиоселективного восстановления кетонов .

Схема 2. Редукция дрожжей

Окисление Байера -Виллигера является еще одним примером биокаталитической реакции. В одном исследовании было обнаружено , что специально созданный мутант Candida antarctica является эффективным катализатором присоединения по Михаэлю акролеина к ацетилацетону 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 с помощью однореакторной процедуры с использованием моноаминоксидазы, выделенной из Aspergillus niger , которая способна окислять только аминный S-энантиомер до имина. 2 и с участием восстанавливающей пары аммиак - боран , которая может восстановить имин 2 обратно до амина 1 . [9] Таким образом, S-энантиомер будет постоянно 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

Биокатализ с использованием фоторедокса

Недавно фотоокислительно-восстановительный катализ был применен к биокатализу, что позволило осуществить уникальные, ранее недоступные преобразования. Фотоокислительно-восстановительная химия использует свет для генерации промежуточных продуктов свободных радикалов . [10] Эти радикальные промежуточные соединения являются ахиральными, поэтому рацемические смеси продуктов получаются без внешнего хирального окружения. Ферменты могут обеспечить эту хиральную среду внутри активного центра и стабилизировать определенную конформацию, способствуя образованию одного энантиочистого продукта. [11] Реакции биокатализа с использованием фоторедокса делятся на две категории:

  1. Внутренний фотокатализатор кофермента/ кофактора
  2. Внешний фотокатализатор

Некоторые распространенные кофакторы переноса атома водорода ( HAT ) ( НАДФН и флавин ) могут действовать как реагенты переноса одиночного 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 енредуктазами ). Это явление использовалось химиками для разработки методологий энантиоселективного восстановления. Например, лактамы среднего размера могут быть синтезированы в хиральном окружении ен-редуктазы посредством восстановительной, предпочтительной по Болдуину , радикальной циклизации , завершаемой энантиоселективной HAT из НАДФН. [15]

Вторая категория фотоокислительно-восстановительных реакций позволяет проводить биокаталитические реакции с использованием внешнего фотокатализатора (ПК). Можно использовать многие типы ПК с большим диапазоном окислительно-восстановительных потенциалов, что обеспечивает большую возможность настройки реактивной реакции по сравнению с использованием кофактора. Бенгальский розовый и внешний ПК использовались в тандеме с оксидоредуктазой для энантиоселективного деацилирования альфа-ацилкетонов среднего размера . [16]

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

Сельскохозяйственное использование

Биоферменты также являются биокатализаторами. Их готовят путем ферментации органических отходов, неочищенного пальмового сахара и воды в соотношении 3:1:10 в течение трех месяцев. Он увеличивает популяцию почвенных микробов, ускоряет компостирование и разложение и поэтому входит в состав катализаторов. Он лечит почву. Это одно из лучших органических жидких удобрений. Его разбавляют водой.

дальнейшее чтение

Смотрите также

Рекомендации

  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.). Спрингер. ISBN 9783642173936.[ нужна страница ]
  3. ^ Джаясингхе, Леонард Ю.; Смоллридж, Эндрю Дж.; Труэлла, Мори А. (1993). «Дрожжи опосредованное восстановление этилацетоацетата в петролейном эфире». Буквы тетраэдра . 34 (24): 3949–3950. дои : 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 экологические приложения . Уайли. ISBN 9783527318247.[ нужна страница ]
  6. ^ Уэйд, LG, 1947- (2013). Органическая химия (8-е изд.). Бостон: Пирсон. ISBN 978-0-321-76841-4. ОСЛК  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. ^ Сведендал, Мария; Хульт, Карл; Берглунд, Пер (декабрь 2005 г.). «Быстрое образование углерод-углеродной связи с помощью беспорядочной липазы». Журнал Американского химического общества . 127 (51): 17988–17989. дои : 10.1021/ja056660r. ПМИД  16366534.
  9. ^ Дансмор, Колин Дж.; Карр, Рубен; Флеминг, Тони; Тернер, Николас Дж. (2006). «Хемо-ферментативный путь к энантиомерно чистым циклическим третичным аминам». Журнал Американского химического общества . 128 (7): 2224–2225. дои : 10.1021/ja058536d. ПМИД  16478171.
  10. ^ Приер, Кристофер К.; Ранкич, Даника А.; Макмиллан, Дэвид У.К. (10 июля 2013 г.). «Фотоокислительно-восстановительный катализ в видимом свете с комплексами переходных металлов: применение в органическом синтезе». Химические обзоры . 113 (7): 5322–5363. дои : 10.1021/cr300503r. ISSN  0009-2665. ПМК 4028850 . ПМИД  23509883. 
  11. ^ аб Накано, Юджи; Бегасевич, Кайл Ф; Хистер, Тодд К. (апрель 2019 г.). «Биокаталитический перенос атома водорода: бодрящий подход к свободнорадикальным реакциям». Современное мнение в области химической биологии . 49 : 16–24. дои : 10.1016/j.cbpa.2018.09.001. ПМК 6437003 . ПМИД  30269010. 
  12. ^ Сандовал, Брэддок А.; Мейхан, Эндрю Дж.; Хистер, Тодд К. (23 августа 2017 г.). «Энантиоселективный перенос атома водорода: открытие каталитической беспорядочности во флавин-зависимых 'ен'-редуктазах». Журнал Американского химического общества . 139 (33): 11313–11316. doi : 10.1021/jacs.7b05468. ISSN  0002-7863. ПМИД  28780870.
  13. ^ Ли, Чжинин; Ван, Цзэсюй; Мэн, Ге; Лу, Хун; Хуанг, Зеду; Чен, Фенер (апрель 2018 г.). «Идентификация еноредуктазы из дрожжей Kluyveromyces Marxianus и ее применение в асимметричном синтезе (R)-профеновых эфиров». Азиатский журнал органической химии . 7 (4): 763–769. дои : 10.1002/ajoc.201800059.
  14. ^ Эммануэль, Меган А.; Гринберг, Норман Р.; Облинский, Даниэль Г.; Хистер, Тодд К. (14 декабря 2016 г.). «Доступ к неприродной реактивности путем облучения никотинамид-зависимых ферментов светом». Природа . 540 (7633): 414–417. Бибкод : 2016Natur.540..414E. дои : 10.1038/nature20569. ISSN  1476-4687. PMID  27974767. S2CID  205252473.
  15. ^ Бегасевич, Кайл Ф.; Купер, Саймон Дж.; Гао, Синь; Облинский, Даниэль Г.; Ким, Джи Хе; Гарфинкл, Сэмюэл Э.; Джойс, Лео А.; Сандовал, Брэддок А.; Скоулз, Грегори Д.; Хистер, Тодд К. (21 июня 2019 г.). «Фотовозбуждение флавоферментов обеспечивает стереоселективную радикальную циклизацию». Наука . 364 (6446): 1166–1169. Бибкод : 2019Sci...364.1166B. дои : 10.1126/science.aaw1143. ISSN  0036-8075. ПМК 7028431 . ПМИД  31221855. 
  16. ^ Бегасевич, Кайл Ф.; Купер, Саймон Дж.; Эммануэль, Меган А.; Миллер, Дэвид С.; Хистер, Тодд К. (июль 2018 г.). «Каталитическая распущенность, вызванная фотоокислительно-восстановительным катализом в никотинамид-зависимых оксидоредуктазах». Природная химия . 10 (7): 770–775. Бибкод :2018NatCh..10..770B. дои : 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, Франк; Пак, Чан Бом (5 июля 2019 г.). «Никотинамидадениндинуклеотид как фотокатализатор». Достижения науки . 5 (7): eaax0501. Бибкод : 2019SciA....5..501K. doi : 10.1126/sciadv.aax0501. ПМК 6641943 . ПМИД  31334353. 

Внешние ссылки