Презентация стероиды и вит. биотехн.

Стероиды
Циклопентанпергидрофенантрен
К стеринам (стеролам) относятся стероиды, несущие в положении С-3 гидроксильную группу.

Гормоны – это БАВ, выделяемые железами внутренней секреции и являющиеся регуляторами обмена веществ.
По химической природе:
Полипептидные (белковые): поджелудочная железа, гипофиз, паращитовидные железы
Аминокислотные: щитовидная железа
Стероиды – производные холестерина
По способу получения:
Рекомбинантные (генно-инженерные)
Химически синтезированные
Микробиологическая трансформация
Действие:
Противовоспалительное, анаболическое, диуретическое, контрацептивное (КОК), противоопухолевое, противошоковое

Холестерин (класс зоостеринов), С27Н46О. Обнаруживается почти во всех органах и тканях животных и человека. Желчные камни человека на 99% состоят из холестерина, богаты этим соединением надпочечники и другие органы. Спинной мозг и мозг рогатого скота представляет собой наилучший материал для промышленного получения холестерина. Он считался специфическим животным стерином до тех пор, пока он не был обнаружен в некоторых растениях и в морских красных водорослях. Структурная формула была установлена в 1932 г., хотя впервые он был выделен из желчных камней в 1782 г.
Другие стерины, встречающиеся в природе, отличаются от холестерина или по длине боковой цепи, или по степени насыщенности.

Стерины растений (фитостерины)
Эргостерин по структуре отличается от холестерина дополнительной метильной группой в боковой цепи при С-24, а также имеет две дополнительные двойные связи: одна из них при С-7, другая в боковой цепи при 22- и 23-углеродных атомах. Эргостерин является провитамином витамина D. Строение эргостерина было установлено в 1934 г.
Пекарские дрожжи, содержание эргостерина в них колеблется в зависимости от расы, питательной среды и культивирования от 0,2 до 15% на сухую массу.

Стигмастерин С29H48О содержится в большом количестве в соевом масле и сахарном тростнике. По структуре стигмастерин отличается от холестерина наличием двойной связи между 22 и 23-углеродными атомами и наличием этильной группы в положении 24.

Ситостерин С29Н50О. В хлопковом и соевом маслах, в зародышах пшеницы и натуральном каучуке, в сахарном тростнике и другом растительном материале. Коммерческим источником ситостеринов чаще всего являются тростник и хлопковое масло. Ситостерины и стигмастерин – наиболее перспективные и дешевые исходные продукты для получения стероидных гормонов.
Стерины необходимы для осуществления физиологических и биохимических функций живого организма. Предполагается, что стерины требуются для образования мембранных систем, клеточных оболочек и других структурных образований клетки. Есть данные о том, что стерины являются защитным фактором против токсического действия многих природных соединений.

В основе истории синтеза стероидных гормонов лежат методы биотрансформации, результатом применения которых является превращение метаболитов в структурно родственные соединения под влиянием микроорганизмов или микробных клеток. В этом процессе весьма существенно, что микроорганизмы могут влиять только на отдельные (единичные) стадии довольно сложных и длительных процессов химического синтеза.

Применение микроорганизмов в качестве носителей активных полиферментных систем, способных переводить экзогенные органические соединения в разнообразные полезные продукты и физиологически активные вещества основано на том, что они могут осуществлять в одну стадию важнейшие превращения, требующие при синтезе 20 химических стадий. Кроме того, удается легко проводить реакции, трудно или пока совсем не осуществимые методами чисто химического синтеза.

Микробиологическая трансформация – использование ферментативной активности жизнеспособных клеток микроорганизмов, результатом чего является некоторое изменение молекулярной структуры трансформируемого субстрата. В области превращений стероидных соединений достоинства биологических катализаторов проявляются наиболее ярко. Долгое время микробиологическая трансформация считалась специфическим методом химии стероидов.

Еще в конце XIX в. было известно, что бактериальная флора кишечника млекопитающих превращает холестерин в копростерин, а холевую кислоту – в дезоксихолевую. К 1913 г. относится открытие полного расщепления холестерина микобактериями. И лишь в 30-х годах, когда была установлена структура основных стероидных гормонов, известных к тому времени, начались попытки применять трансформирующую способность микроорганизмов для препаративного получения этих соединений. В 1948 г. впервые осуществлено введение гидроксильной группы в молекулу стероида микробилогическим путем. Но только после получения 11-гидроксипрогестерона из прогестерона при ферментации последнего с культурой Rhizopus nigricans микробиологические трансформации стероидов привлекли широкое внимание.

В настоящее время принята классификация микробиологических трансформаций по типу возникновения и отщепления функциональных групп.
окисление,
восстановление,
декарбоксилирование,
дезаминирование,
образование гликозидов,
гидролиз,
метилирование,
этерификация,
дегидрирование,
диспропорционирование,
аминирование,
конденсация,
ацетилирование,
амидирование,
деметоксилирование,
нуклеотидация,
галогенирование,
деметилирование,
ассимметризация,
рацемизация,
изомеризация

Микробиологическое гидроксилирование
Наличие гидроксильных групп в 3, 11, 16, 17 положениях молекулы стероида, как правило, обусловливает физиологическую активность большинства гормональных стероидных препаратов.
Гидроксилирование стероидов осуществляется очень многими микроорганизмами, чаще всего грибами, даже конидии некоторых грибов обладают гидроксилирующей активностью. Гидроксилирование стероидов при помощи гриба Rh. Nigricans – яркий пример сочетания, специфичности и разнообразия действия микроорганизмов.
11-Гидроксилирование как один из важнейших путей получения кортизона изучено наиболее детально и давно применяется в промышленности, выходы продуктов трансформации очень высоки. Многие микроорганизмы образуют смесь 11- и 11-эпимеров, соотношение которых существенно зависит от фазы развития культуры.

Наличие в молекуле стероидов 11-гидроксильной группы обусловливает физиологическую активность гидрокортизона (кортизола) и преднизолона. Гидроксилированию подвергаются субстраты от производных эстрана до сложных молекул стеринов, сапогенинов. Причина этого – очень широкая субстратная специфичность гидроксилаз, которую демонстрируют многие микроорганизмы. Например, штамм Cunninghamella blakesleeana, который вводит оксигруппу в 11-положение обширного набора стероидов – различных производных эстрана, тестостерона, кортексолона, прогестерона и т.д.
Получение 14-гидроксипрогестерона при помощи Bacillus cereus является одним из немногих примеров гидроксилирования при помощи бактерий. 15-гидроксилирование осуществляется также многими микроорганизмами, основное место среди которых занимают Fusarium и Penicillium.

Дегидрогенизация стероидов
Преднизолон из кортизона и гидрокортизона, дианабол из метилтестостерона.
Чаще всего микроорганизмы дегидрируют положения 1,2 и 4,5, но описано и введение двойной связи в положения 7,8; 8,9; 9,11; 16,17; 17,20. Реакции дегидрогенизации осуществляют бактерии и актиномицеты, особенно часто это микоформы Arthrobacter, Corynebacterium, Nocardia. Широкая субстратная специфичность дегидрогеназ показана на большом экспериментальном материале; она позволяет использовать в качестве субстратов ацетаты стероидов, которые являются полупродуктами во многих технологических схемах получения стероидов. Например, Mycobacterium globiforme 193, дегидрирующая 1,2 – связь в кортизоне, так же эффективно превращает и кортизонацетат в преднизонацетат с выходом 86%. Для этой культуры характерна максимальная удельная трансформирующая активность в период снижения удельной скорости роста.

Микробиологическое восстановление
Этот процесс используется в меньшей степени, чем дегидрирование. Он осуществляется главным образом дрожжами и анаэробными бактериями, представителями микрофлоры кишечника млекопитающих, осуществляющими превращение холестерина в копростерин.
Описаны процессы насыщения двойных связей также и аэробными культурами, широко известными как окислители – актиномицетами, микоформами и даже грибами. Например, культура Aspergillus flavus восстанавливает ароматическое кольцо некоторых стероидов.

Окисление гидроксильной группы в кетогруппу
Одна из наиболее частых реакций, осуществляемых микроорганизмами (бактериями, актиномицетами, грибами). Наибольший практический интерес представляют окислительные превращения гидроксильных групп у 3, 17 и 20-го атомов стероидной молекулы. Окисление гидроксила в третьем положении легко осуществляется у соединений с ненасыщенным кольцом А, а также при наличии двойной связи в положении 4. К этому же типу окислительных превращений относят введение кетогруппы в молекулу стероида.

Гидролиз эфиров стероидов
Открыт в 1938 г. Практическая ценность этой реакции определяется тем, что ацилированные стероиды являются обычными промежуточными продуктами химического синтеза, в котором используется ацильная защита функциональных групп. Хотя гидролиз ацильной группы легко осуществим химическим путем, он часто приводит к побочным нежелательным продуктам.
Микробиологическое расщепление эфирной связи осуществляется представителями различных таксономических групп, в частности флавобактериями. Культура Вас. Megaterium обладает специфической активностью по отношению к 21-ацетатам стероидов с диоксиацетоновой цепочкой.

Дезацилирующая способность часто встречается среди микоформ, мукоровых и несовершенных грибов, актиномицетов. Особенность приведенной реакции состоит в том, что она проводится обычно одновременно с другими процессами – гидроксилированием, дегидрогенизацией и др. Ценность представляют как культуры, избирательно отщепляющие ацильную группу, так и микроорганизмы, способные наряду с гидролизом эфирной связи осуществлять еще какую-либо практически важную реакцию.
Культуры, гидролизующие эфирные связи без побочных реакций, обнаружены в разных таксономических группах. Очень интенсивно проводят реакцию дезацетилирования представители видов Actinomucor corymbosus, Mucor lamprosporus, Actinomyces flavis, A. pheochromogenes, Nocardia sp. и Arthrobacter simplex. Выход реакций достигает 95%.

Отщепление боковых цепей стероидов
Проблема расщепления боковой цепи стеринов с сохранением стероидного скелета может быть решена следующими способами:
1) синтезом модифицированных стеринов, заместители в кольце А или В которых не позволяют микроорганизмам осуществлять 1,2 – дегидрирование или 9-гидроксилирование;
2) инкубацией стеринов в присутствии соединений, ингибирующих действие ферментов 9-гидроксилазы или 1,2 – дегидрогеназы;
3) получением мутантных штаммов, не способных осуществлять определенные стадии расщепления самого стероидного ядра.

Технологические особенности получения стероидных гормонов
Преимущества иммобилизации
Особенности подачи субстрата
Получение целевого продукта
Основные пути усовершенствования процессов трансформации стероидов

Получение гидрокортизона (кортизола) из вещества S
1. Выращивание трансформирующей культуры (I стадия) производят путем трех последовательных генераций на питательной среде, содержащей сахарозу, дрожжевой автолизат и сложный набор неорганических солей:
Крышку инокулятора перед засевом обрабатывают водным раствором формалина, аппарат и все помещение облучают бактерицидной лампой и весь процесс выращивания трансформирующей культуры проводят в стерильных условиях. Далее полученная трансформирующая культура поступает в сепаратор, откуда отделенный мицелий в виде водной суспензии передается в ферментер для проведения основной реакции трансформации вещества S.

2. Трансформация вещества S
также начинается со стерилизации ферментера и воздушного фильтра водным раствором формалина. Размол стероида на микромельнице и получению суспензии его в стерильной воде с содержанием стероида 1 г/л. Для предотвращения развития посторонней микрофлоры используется добавка антибиотика. Перемешивание и аэрация осуществляются, как и на предыдущей стадии, так же используются и пеногасители.

3. Выделение гидрокортизона.
Культуральная жидкость вместе с мицелием поступает на сепарацию. Отделенный мицелий промывается, промывные воды присоединяются к основной культуральной жидкости. Далее - экстракция продукта трансформации из водной среды органическим растворителем. Осветленный активированным углем экстракт подвергается многократному упариванию с различными растворителями, осветлению, снова упариванию досуха и промывке подходящим растворителем.

Витамины
Жизненно важные низкомолекулярные органические соединения, необходимые для человека в ничтожных количествах, но имеющие огромное значение. Они являются естественными компонентами ферментативных систем и катализируют широкий круг биохимических реакций, обеспечивающих жизнедеятельность организма.

История открытия
В сентябре 1880 г. при защите своей докторской диссертации Лунин утверждал, что для сохранения жизни животного, помимо белков, жиров, углеводов, солей и воды, необходимы ещё и другие, дополнительные вещества. Придавая им большое значение, Н. И. Лунин писал: «Обнаружить эти вещества и изучить их значение в питании было бы исследованием, представляющим большой интерес». Вывод Лунина был принят в штыки научным сообществом, так как другие ученые не смогли воспроизвести его результаты. Одна из причин была в том, что Лунин в своих опытах использовал тростниковый сахар, в то время как другие исследователи использовали молочный — плохо очищенный и содержащий некоторое количество витамина B.
В 1895 г. В. В. Пашутин пришел к выводу, что цинга является одной из форм голодания и развивается от недостатка в пище какого-то органического вещества, создаваемого растениями, но не синтезируемого организмом человека. Автор отметил, что это вещество не является источником энергии, но необходимо организму и что при его отсутствии нарушаются ферментативные процессы, что приводит к развитию цинги. Тем самым В. В. Пашутин предсказал некоторые основные свойства витамина C.

В 1906 году Фредерик Хопкинс предположил, что помимо белков, жиров, углеводов и т. д., пища содержит ещё какие-то вещества, необходимые для человеческого организма, которые он назвал «accessory food factors». Последний шаг был сделан в 1911 году польским учёным Казимиром Функом, работавшим в Лондоне. Он выделил кристаллический препарат, небольшое количество которого излечивало бери-бери. Препарат был назван «Витамайн».
В 1929 году Хопкинс и Эйкман за открытие витаминов получили Нобелевскую премию, а Лунин и Функ — не получили. Лунин стал педиатром, и его роль в открытии витаминов была надолго забыта. В 1934 году в Ленинграде состоялась Первая всесоюзная конференция по витаминам, на которую Лунин (ленинградец) не был приглашён.
В 1910-х, 1920-х и 1930-х годах были открыты и другие витамины. В 1940-х годах была расшифрована химическая структура витаминов.
В 1970 году Лайнус Полинг, дважды лауреат Нобелевской премии, потряс медицинский мир своей первой книгой «Витамин С, обычная простуда и грипп».

Функции и свойства витаминов:
1. Биостимуляция ферментативных процессов
2. Составная часть коферментов (не всегда)
3. Антимутагенная
4. Поступают в организм алиментарно
5. Малотоксичны
6. Отсутствие приводит к различным заболеваниям
7. Не включаются в структуру тканей
8. Не используются организмом в качестве источника энергии.
Преимущества биотехнологических методов получения витаминов:
1. Доступное и дешёвое сырьё
2. Относительно простое оборудование
3. Отсутствие вредных выбросов в окружающую среду
4. Возможность получения витаминов и коферментов в течение одной технологической стадии.

Поскольку бактерии для своего роста и размножения нуждаются в присутствии многих витаминов для синтеза коферментов, введение в организм структурных аналогов витаминов – антивитаминов – приводит к гибели микроорганизмов. Антивитамины обычно блокируют активные центры ферментов, вытесняя из них соответствующее производное витаминов (кофермент), и вызывают конкурентное ингибирование ферментов. К антивитаминам относят вещества, способные вызывать после введения в организм животных классическую картину гипо- и авитаминоза.
Гиповитаминоз - болезненное состояние, возникающее при нарушении соответствия между расходованием витаминов и поступлением их в организм; то же, что витаминная недостаточность. Может быть обусловлено как недостаточным поступлением витаминов извне, так и неполным их усвоением.
Авитаминоз – болезнь, вызванная полным отсутствием в пище какого-либо витамина или полном нарушении его усвоения.

Получение витамина В2 (рибофлавина)
Для рибофлавина характерно функционирование в коэнзимных формах:
-флавиномононуклеотид (ФМН)
-флавинадениндинуклеотид (ФАД).
К источникам рибофлавина относятся
-высшие растения
-дрожжи
-мицелиальные грибы.

Активным продуцентом рибофлавина являются культуры дрожжеподобных грибов Eremothecium ashbyii и Ashbya gossipii, синтезирующих до 3,8 и 6,4 г/л рибофлавина соответственно. Недостатком этих культур является их нестабильность при хранении на твёрдых средах независимо от температурного режима. Чтобы обойти эту проблему и сохранить активность штамма, требуется систематически в течение 8 – 10 мес. пересевать культуру на твёрдую среду, отбирая колонии с высокой продуктивностью по интенсивности оранжевой окраски.

После выращивания в инокуляторе в течение 21 – 26 часов культуру переводят в ферментёр с питательной средой, содержащей: кукурузную муку, соевую муку, свекловичный сахар, кукурузный экстракт, КН2РО4 СаСО3, NaCl и технический жир. Среду стерилизуют при 120 – 122 °С в течение 1 часа. Культивирование в ферментёре ведут до начала лизиса клеток и появления спор (определяют микроскопически) при t = 28 - 30 °С.
скошенный агар в пробирке рН 6,8
в жидкую среду – в колбы рН 6,8
в бутыли
в инокулятор
подготовка инокулята
а) Соевая мука, агар и свекловичный сахар; б) дрожжевой экстракт, пептон, глюкоза, агар. Время выращивания 5 – 7 сут.
а) Соевая мука и свекловичный сахар; б) пептон, свекловичный сахар, кукурузный экстракт, КН2РО4, MgSO4, подсолнечное масло. Время выращивания - 48 ч.
Свекловичный сахар, кукурузный экстракт, КН2РО4, технический жир

Именно на примере выделения рибофлавина в культуральную жидкость было открыто явление сверхсинтеза. Сверхсинтез рибофлавина можно получить, если действовать на дикие штаммы мутагенами, нарушающими механизм ретроингибирования синтеза витамина В2, флавиновыми нуклеотидами, а также изменением состава культуральной среды.
Перед подачей в ферментер среду стерилизуют с помощью антибиотиков и антисептиков во избежание ее инфицирования. По завершении процесса ферментации культуральную жидкость концентрируют, высушивают.

Bacillus subtilis
В 1983 году в институте генетики был сконструирован рекомбинантный штамм продуцента Bacillus subtilis, способный синтезировать в три раза больше по сравнению с Eremothecium ashbyii и этот продуцент более устойчив к экзогенной контаминации. Ещё одно достоинство этого продуцента – устойчивость к наиболее сильному антиметаболиту рибофлавина – его аминоаналогу розеофлавину и обладает способностью к сверхсинтезу витамина В2. При культивировании его на среде с мелассой и дрожжевым экстрактом в культуральной жидкости накапливается 3,5 – 4,5 г/л рибофлавина. При этом время ферментации сократилось в 3 раза.

Меласса (чёрная патока, фр. Mélasse)
Кормовая патока, побочный продукт сахарного производства; сиропообразная жидкость тёмно-бурого цвета со специфическим запахом.
В США и Канаде меласса используется в кулинарии как сироп и довольно популярна в этом качестве. Это один из немногих подсластителей, богатых микроэлементами и витаминами. Веганы ценят чёрную тростниковую патоку (blackstrap) как растительный источник кальция.
В Европе и России используется в кормлении сельскохозяйственных животных. Меласса — углеводистый корм. Содержит 20–25 % воды, около 9 % азотистых соединений, преимущественно амидов, 58–60 % углеводов, главным образом сахара, и 7–10 % золы. При гранулировании кормов её используют как связывающий ингредиент.
Является ценным сырьём для биотехнологических производств, из мелассы путём её сбраживания получают: при анаэробном брожении — этиловый спирт, молочную, масляную, пропионовую и другие кислоты; при аэробном брожении — глюконовую, лимонную, фумаровую, щавелевую и уксусную кислоты.
Меласса используется для производства низкокачественного самогона (малясовка, «паточный» самогон) и наряду с рисом является сырьём для изготовления «тайского виски»

Розеофлавин
8-диметиламино(нор)-рибофлавин – антибиотик, образуемый Streptomyces davawensis. Показано, что розеофлавин ингибирует синтез 6,7-диметил-8- рибитиллюмазина и рибофлавинсинтетазу Bacillus subtilis. Выделены мутанты, устойчивые к розоефлавину и синтезирующие высокие количества рибофлавина.

Получение витамина В12
Этот витамин был открыт одновременно в США и в Англии. В 1972 г. В Гарвадском университете был осуществлен химический синтез витамина В12, включающий 37 стадий его получения, что лишало возможности организовать промышленное производство этого витамина.
Он регулирует углеводный и липидный обмен, участвует в метаболизме незаменимых аминокислот, пуриновых и пиримидиновых оснований, стимулирует образование гемоглобина, применяется для лечения злокачественной анемии, лучевой болезни, заболеваний печени и в других случаях.
Обнаружение витамина В12 как побочного продукта при производстве антибиотиков стимулировало поиск продуцентов этого витамина.

Продуцентом витамина В12 являются пропионовокислые бактерии из рода Propionibacterium. Продуктивность – более 50 мг на 1 л среды. Применение мутантов и добавление в среду предшественника витамина В12 - 5,6 диметилбензимидазола (5,6 ДМБ) резко повышает продуктивность продуцента – до 200 мг. Этому способствует также добавление в питательные среды кукурузного и мясного экстракта, соевой муки, рыбной муки. Выращивание пропионовых бактерий производится периодическим методом в анаэробных условиях на среде с кукурузным экстрактом, глюкозой, солями кобальта и сульфатом аммония. Образующиеся кислоты нейтрализуются щелочью. Через 72 часа после начала ферментации вносят предшественники - 5,6 ДМБ. Длительность ферментации – 3 - 6 суток по разным данным.

По окончании ферментации витамин остаётся в клетках, поэтому полученную массу сепарируют, стабилизируют нитритом натрия, охлаждают, нейтрализуют, коагулируют белки и фильтруют. Очищают на ионообменной смоле, кристаллизуют и проводят химическую очистку продукта. Далее следует получение различных лекарственных форм поливитаминных препаратов. Для увеличения производства витамина В12 перспективным является применение генной инженерии при получении гибридных штаммов и использовании методов иммобилизации на полимерах.
Создан перспективный штамм P. ari, способный выделять синтезированный витамин в среду. Для предотвращения образования коферментной формы добавляют в качестве стабилизатора нитрит натрия.

Витамин С
Одним из классических примеров промышленного использования микроорганизмов в получении витамина С является превращение D-сорбита в L-сорбозу бактериями Gluconobacter oxydans.
L-сорбоза является промежуточным продуктом синтеза аскорбиновой кислоты по методу Рейхштейна. Процесс получения L-сорбозы биотехнологическим способом основан на способности различных штаммов бактерий к селективному окислению сорбита.
В отличие от химического процесса, где в результате окисления сорбита получается смесь продуктов, окислительная трансформация с помощью бактерий характеризуется предельно точным воздействием на определённые функциональные группы в молекулах этих веществ.
Эти бактерии превращают многоатомные спирты в сахара, дегидрируя вторичную спиртовую группу полиола в соответствии с правилом Бертрана-Хадсона:
«Из двух вторичных спиртовых групп, находящихся в цис-положении, дегидрируется та, которая примыкает к первичной спиртовой группе».

Наиболее сильной окислительной способностью обладают штаммы Acetobacter melanogenum и Gluconobacter oxydans.
Для получения сорбозы Gluconobacter oxydans выращивают в питательных средах, содержащих высокие концентрации сорбита и дрожжевой или кукурузный экстракт, которые служат источниками азота, витаминов и других веществ, обеспечивающих рост бактерий.
Для роста продуцента и окисления сорбита в сорбозу необходимо постоянное поступление кислорода в культуральную жидкость.
При высоких концентрациях сорбита лишь небольшая его часть затрачивается на наращивание биомассы бактерий.
Основное количество трансформируется в сорбозу со степенью конверсии 96 – 98%.

Эргокальциферол