Микробиологическая трансформация стероидных соединений реферат

Обновлено: 02.07.2024

50 различных белков , многие из которых участвуют в переносе веществ .

Промежуток между плазматич еской мемб раной и внешней мембраной

грамотрицательных бактерий называется периплазматическим пространством

или периплазмой . Здесь находится около 100 различных белков , которые

участвуют в транспорте и катаболизме многих соединений .

Пассивная диффузия определяет поступление в клетку небольшой группы

веществ , в том случае , если концентрация их в среде выше , чем концентрация в

самой клетке . В этом случае , очевидно , они ( вещества ) не взаимодействуют со

специфическими к омпонентами клет очной мембраны . Таким путем обычно

поступают в клетку : вода , неполярные и малополярные молекулы газов

Облегченная д иффузия определяет поступление веществ в клетку с

помощью специфических мембранных переносчиков . Мембранные переносчики

являются мембран ными белками под общим названием пермеазы , которые

иногда индуцируются своими субстратами . Переносимое вещество связывается с

пермеазой снаружи и освобождается уже внутри клетки . При облегченной

диффузии аналогично пассивной диффузии , переносимый субстрат движется по

градиенту концентрации ( то есть от более высокой к более низкой

концентрации ). Очень важно , что ни один из этих процессов не требует

Системы активного транспорта могут обеспечить внутри клетки значительно

большие ( в тысячи раз ) концентрации растворенн ых веществ , чем их

концентрации во внешней среде . Такие системы обеспечивают возможность

развития микроорганизмов в условиях низкого содержания питательных

веществ . Активный транспорт специфичен по отношению к субстрату . Эта

специфичность обеспечивается мембранным переносчиком . Так , например ,

когда переносчик обращен к внешн ей поверхности мембраны , он имеет высокое

сродство к субстрату , а когда обращен к ее внутренней поверхности – низкое .

метаболической энергии , которая обеспечив ает диссоциацию субстрата и

переносчика на внутренней поверхности мембраны . Так , например , с помощью

механизма активного транспорта в клетку поступает лактоза ( ее перенос

происходит при участии бетагалактозидпермеазы ). Если блокировать

образование энерги и ( например , азидом натрия ), то активный транспорт лактозы

У микроорганизмов , в частности у E.coli., обнаружены также системы

активного транспорта , которые используют химическую энергию АТФ . Таки е

системы обычно функционируют с помощью расположенных в периплазме

связывающих белков . Это водорастворимые белки , обладающие высоким

сродством к некоторым аминокислотам , витаминам , пептидам , сахарам и

органическим кислотам . Сами они не могут транспортировать субстраты через

плазматическую мембрану , но способны стимулировать активност ь мембранных

Известно , что движение веществ через мембрану не является

однонаправленным . Микроорганизмы освобождаются от токсичных продуктов

собственного метаболизма , выделяют избыточные питательные вещества ,

многие виды микроорганизмов продуцируют антибиотики и экзоферменты .

Определенные низкомолекулярные соединения могут выводиться наружу с

помощью тех же механизмов пассивной и облегченной диффузии , когда

концентрация их в клетке превышает концентрацию во в нешней среде .

Изменение работы систем , обеспечивающих перенос веществ через мембраны ,

является важным методом повышения продуктивности промышленных штаммов

микроорганизмов . С этой целью используют физиологические факторы и

мутации , несп ецифически повышающие проницаемость плазматических

мембран , а также мутации , активирующие выделение метаболитов из клетки или

1. Традиционные источники получения стероидных гормонов.

2. Проблемы трансформации стероидных структур.

3. Преимущества биотрансформации перед химической трансформацией.

1. Несмотря на разнообразие биотрансформаций стероидов, методы проведения микробиологических реакций довольно единообразны. При поисковых работах, где не требуется или нет возможности применять большие количества вещества, ограничиваются проведением реакции в колбах на качалках, загрузка стероида в колбу составляет 100 - 200 мг. Для загрузок порядка 1-2 г стероида применяют стеклянные ферментеры. В промышленности и на опытных установках применяют стальные аппараты, оборудованные аэрирующими и перемешивающими устройствами.

Собранный стеклянный ферментер стерилизуют и загружают стерильной питательной средой с заранее внесенной в нее в асептических условиях трансформирующей культурой. Особое внимание уделяют наблюдению асептики во всех операциях. Стерилизацию в зависимости от объекта осуществляют автоклавированием питательной среды при 110 - 120 0 С в боксах, освещаемых бактерицидными лампами. Операции по загрузке, отбору проб проводят в пламени газовой горелки. Загрузка питательной среды в ферментер, как правило, осуществляется передавливанием стерильным сжатым воздухом. Время роста культуры микроорганизма-трансформатора определяется появлением максимальной трансформирующей активности и может колебаться от нескольких часов для одних культур до нескольких суток для других. Для многих культур-трансформаторов характерна максимальная трансформирующая активность в период снижения удельной скорости роста культуры.

Растворимость стерилов в воде очень низка. В настоящее время стерины, предназначенные для окисления, в небольшой концентрации (порядка 1 г/л) вносят растворенный в малотоксичном, смешивающемся с водой растворителе (ацетоне, спирте, диметилформамиде). При более высоких концентрациях стеринов (выше 1 г/л) их вносят в среду в виде мелкоизмельченной пудры; для этого кристаллы стерина растирают в специальной аппаратуре или разрушают ультразвуком.

Другой способ внесения стеринов для биотрансформации состоит в том, что стерин, например, рептостерин, растворяют в смеси гептан/этиленхлорид, добавляют при перемешивании воду и отгоняют растворитель нагреванием смеси до 95 0 С. При таком методе концентрация ситостерина в водной суспензии может достигать 140 г/л.

Трансформация стеринов микроорганизмами основана на их использовании в качестве источника углерода, поэтому стимуляция роста трансформирующих штаммов должна приводить к увеличению выхода продуктов расщепления стеринов. Процесс стимулируется насыщением среды кислородом. Добавление в питательную среду некоторых масел в количестве 1-3 мас.% (соевого, арахисового, рапсового, оливкового) повышает выход продукта трансформации. Аналогичные результаты получены с применением глицеридов животного и растительного происхождения (тристеарин, триолеин, трипальмитин). Механизм стимуляции роста глицеридами, вероятно, состоит в устранении гидрофобности стеринов, глицериды действуют так же, как истинные ПАВ, обычно применяемых для микробиологических процессов трансформации. Температурный режим микробиологических трансформаций стероидов не отличается от принятых для других микробиологических процессов и составляет 24 - 33 0 С. Условия рН определяются при отборе штамма культуры-трансформатора и колеблются в широком интервале.

После завершения трансформации культуральная жидкость, отделенная от мицелия (или другой биомассы), экстрагируется несмешивающимся с водой органическим растворителем, пригодным для растворения соответствуюшего стероида (этилацетат, метиленхлорид или хлороформ). Экстракт, отделенный от водной фазы, проходит требуемую очистку (окрашенные примеси обычно отделяют обработкой с активировинным углем, затем уголь отфильтровывают). Далее его концентрируют в вакууме и полученный осадок стероида перекристаллизовывают из подходящего растворителя. В препаративных целях при работе с небольшими количествами стероидов очистку продукта трансформации можно проводить методом колоничной хроматографии.

3. Специфической особенностью процесса микробиологических трансформаций является использование чистых культур микроорганизмов-трансформаторов. Поэтому необходимым условием технологического режима является соблюдение мер для предотвращения развития посторонней микрофлоры. Последняя постоянно присутствует в воздушных потоках, циркулирующих в производственных помещениях, и представлена в основном мезофильными микроорганизмами, оптимальная температура развития которых находится в пределах 24 - 30 о С. Такой же температурный оптимум характерен, как правило, и для микроорганизмов-трансформаторов.

Все операции по подготовке и выращиванию трансформирующих культур проводят в стерильных условиях с соблюдением правил и норм, разработанных и утвержденных для производста микробного синтеза. Однако внесение стероидного субстрата на трансформацию (в растущую на полноценной питательной среде культур при использовании бактерий или в водную суспензию неразмножающихся клеток в случае применения грибного мицелия) и сам процесс трансформации, как правило, проводят не стерильно. Для уменьшения вероятности загрязнения используют стерильную воду при приготовлении суспензии стероидных субстратов, поскольку сами стероиды обычно неустойчивы в условиях автоклавирования. Одним из вариантов решения этой проблемы может служить способ внесения стероидного субстрата в питательную среду и засева ее трансформирующей культурой в момент, когда температура среды после автоклавирования снизится до 80 о С и безопасна для субстрата. После выдержки в течение 30 мин. среду со стероидом охлаждают до 33 о С и в нее стерильно вносят трансформирующую культуру.

Используют культуру-трансформатор в стадии замедления роста, когда питательные компоненты среды в значительной степени израсходованы, а сильно разросшаяся культура подавляет рост других микроорганизмов. Однако и эти меры не полностью предохраняют трансформационную среду от загрязнения посторонней микрофлорой. В последней могут оказаться виды, способные отрицательно влиять на ход трансформации.

Применяемая в лабораторных условиях стерилизация суспензий стероидов ультразвуком неприемлема для промышленных масштабов.

Контрольные вопросы

1. Какие химические модификации стероидной молекулы осуществляются с помощью биотрансформации?

2. Биотрансформация, особенности процесса.

Лекция 25

Биотрансформация стероидных гормонов

Форма проведения лекции:проблемная

План лекции

1. Штаммы микроорганизмов, обладающие способностью к трансформации (биоконверсии) стероидов.

2. Конкретные реакции биоконверсии стероидов. Подходы к решению селективности процессов биоконверсии.

3. Микробиологический синтез гидрокортизона, получение из него путем биоконверсии преднизолона.

1. Специфической особенностью процесса микробиологических трансформаций является использование чистых культур микроорганизмов-трансформаторов. Поэтому необходимым условием технологического режима является соблюдение мер для предотвращения развития посторонней микрофлоры. Последняя постоянно присутствует в воздушных потоках, циркулирующих в производственных помещениях, и представлена в основном мезофильными микроорганизмами, оптимальная температура развития которых находится в пределах 24 - 30 о С. Такой же температурный оптимум характерен, как правило, и для микроорганизмов-трансформаторов.

2. Примеры промышленного ислользования микробиологических трансформаций. Получение гидрокортизона (кортизола) из вещества Sосуществляется с помощью С. lіnаtа.

Процесс включает следующие стадии:

1. Выращивание трансформирующей культуры (I стадия) производят путем трех последовательных генераций на питательной среде, содержащей сахарозу, дрожжевой автолизат и сложный набор неорганических солей:

лабораторный инокулят 1 – генерации, инокулят 2-й, инокулят 3-й генерации.

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 (II стадия) также начинается со стерилизации ферментера и воздушного фильтра водным раствором формалина. Особое внимание уделяется размолу 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 продукта трансформации - гидрокортизона (ІІІ стадия). Культуральная жидкость вместе с мицелием после ІІ-й стадии поступает на сепарацию. Отделенный мицелий промывается, промывные воды присоединяются к основной культуральной жидкости. Далее производится экстракция-сепарация 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. Последние приемы обработки готового технического продукта обычны для технологии получения многих органических веществ и лекарственных препаратов. Получение чистых лекарственных форм гидрокортизона проводится традиционными методами.

Трансформация гидрокортизона в преднизолон:

Выращивание трансформирующей культуры М. globiformeосуществляется такими же последовательными этапами и в тех же аппаратах при тех же условиях аэрации и перемешивания, далее проводится трансформация гидрокортизона с помощью названной дегидрирующей культуры. Выделение готового продукта, преднизолона, осуществляется также путем экстракции-сепарации из культуральной жидкости, отличаясь лишь набором растворителей.

В настоящее время интенсивно разрабатываются методы использования мелкокристаллических стероидных субстратов. Микронизация субстрата до размеров частиц в несколько микрометров и внесение в ферментационную среду без растворителя позволяет повысить исходную концентрацию стероидного субстрата до 20 - 50 г/л.

Описан процесс, получивший название псевдокристаллферментации: дегидрирование измельченного порошка кортизона с помощью культуры Аgrоbасtеr sіtlіехв течение 5 дней. Получен кристаллический преднизолон с выходом 93%. Загрузку стероидного субстрата удается при этом довести до 500 г/л. Дегидрирование микрокристаллического гидрокортизона происходит по схеме:

гидрокортизон (кристаллы) - гидрокортизон (раствор) - преднизолон (раствор) -преднизолон (кристаллы)

Одним из путей интенсификации процессов трансформации является предварительное индуцирование растущей культуры - трансформатора соответствующим субстратом или его аналогом. Этот прием связан с индуцированием биосинтеза соответствующих ферментных систем культуры и особенно широко применяется в процессах микробиологической дегидрогенизации.

Наиболее перспективным считается применение закрепленных (иммобилизованных) живых клеток микроорганизмов. Преимущества использования иммобилизованных клеток в технологии очевидно:

1. отсутствие затрат на выделение и очистку ферментов;

2. более высокая активность и стабильность по сравнению с иммобилизованными ферментами и свободными клетками;

3. уменьшение затрат на выделение и очистку продуктов реакции, ввил\ду их изолированности от биомассы и некоторых продуктов обмена;

4. появление возможности создания непрерывных автоматизированных процессов;

5. способность к длительному функционированию полиферментных систем и регенерации кофакторов.

Методы иммобилизации клеток:

2. ковалентное и поперечное связывание;

3. метод включения в различные полимеры;

Метод включения, в частности, в целлюлозные волокна мембраны весьма технологичен и является перспективным для проведения одностадийных процессов. Одним из наиболее экономичных носителей для иммобилизации клеток является капля-каррагинан, полисахарид изприменяемых как пищевая добавкаморских красных водорослей Rоdорусеае, Gіnаtrіnасeаe. Интектные клетки, введенные в гель, интенсивно размножаются на питательной среде и могуг многократно использоваться как полиферментные системы.

Включение в альгинатные гели относится к мягким методам иммобилизации, т.е. клетки после иммобилизации остаются жизнеспособными и могут осуществлять полиферментные процессы. Положительными качествами геля являются возможность размножения в нем клеток, а также его способность к растворению при изменении рН и температуры, что позволяет выделять жизнеспособные клетки и облегчает изучение их физиологии и морфологии. Во многих случаях включение клеток в альминат приводит к лучшим результатам по сравнению с карратизаном. Преимущества иммобилизованных клеток делают их весьма перспективными. В частности, трансформации стероидных соединений. Именно стероиды были одними из первых субстратов, которые удалось трансформировать с помощью иммобилизованных клеток. В настоящее время достаточно досконально изучены процессы трансформации стероидных соединений живыми иммобилизованными клетками, исследованы пути направленного изменения ферментативной активности и ее стабилизации.

Контрольные вопросы

3. Какие химические модификации стероидной молекулы осуществляются с помощью биотрансформации?

4. Что служит основным источником сырья для производства стероидных препаратов и почему?

5. На чем основан выбор микроорганизмов, способных трансформировать стероиды?

К фармацевтическим препаратам, в производстве которых используется биотехнология, принадлежат стероидные гормоны, к основным представителям которых относятся кортикостероиды, эстрогены и андрогены. Они не только участвуют практически во всех жизненно важных функциях организма, но и как лекарственные средства высоко избирательны, имеют большую широту спектра действия. В медицинской практике стероидные гормоны применяются в качестве противовоспалительных, диуретических, анаболических, контрацептивных, противораковых средств.

Содержание

Введение………………………………………………………………. …..3
1. Исходное сырье для получения стероидных гормонов……………. …..6
2. Основные микробиологические превращения стероидов………..…. …..9
2.1 Введение гидроксильной группы………………………. ……. ………9
2.2 Дегидрогенизация стероидов………………………………….……..….10
2.3 Микробиологическое восстановление……………………….…. …11
2.4 Окисление гидроксильной группы в кетогруппу……………….…. 12
2.5 Гидролиз эфиров стероидов……………………………………………..12
2.6 Отщепление боковых цепей стероидов………………………….…. 13
3. Методы проведения процессов микробиологических трансформаций…..15
4. Примеры промышленного использования микробиологических трансформаций…………………………………………..………………………19
Заключение………………………………………………………………. …….21
Список использованной литературы…………………………………………. 22

Прикрепленные файлы: 1 файл

РЕФЕРАТ ПО БИОТЕХНОЛОГИИ.doc

Государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Курский государственный медицинский университет

Кафедра фармацевтической технологии

Зав. кафедрой: Панкрушева Т. А.

Орехова Елена Михайловна

1 группа, 5 курс, фармацевтический факультет

Самостоятельная работа по биотехнологии на тему:

к.ф.н., ст. преподаватель

1. Исходное сырье для получения стероидных гормонов……………. …..6

2. Основные микробиологические превращения стероидов………..…. …..9

2.1 Введение гидроксильной группы………………………. ……. ………9

2.2 Дегидрогенизация стероидов………………………………….……..…. 10

2.3 Микробиологическое восстановление……………………….…. . …11

2.4 Окисление гидроксильной группы в кетогруппу……………….…. 12

2.5 Гидролиз эфиров стероидов……………………………………………..12

2.6 Отщепление боковых цепей стероидов………………………….…. 13

3. Методы проведения процессов микробиологических трансформаций…..15

4. Примеры промышленного использования микробиологических трансформаций…………………………………………. .………………………19

Список использованной литературы…………………………………………. 22

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.

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. [1,5]

Данная трансформация ярко продемонстрировала преимущества микробиологических методов перед химическими: введение кислородной функции в определенное положение молекулы стероида заменялось единственной стадией ферментативного гидроксилирования. Открытие в эти же годы терапевтической ценности кортизона наряду с указанными успехами микробиологического процесса гидроксилирования привлекло огромное внимание микробиологов, химиков и врачей к данной области.

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. [3,5,9]

Большинство процессов микробиологической трансформации приводит к незначительной перестройке молекулы субстрата, осуществляемой одним или несколькими ферментами. Однако имеются микробиологические процессы, существенно изменяющие структуру трансформируемого соединения. Общей чертой всех процессов микробиологической трансформации является то, что их результат - изменение молекулярной структуры трансформируемого вещества, а не синтез молекулы de novo.

К микробиологическим трансформациям относится также синтез метаболитов из предшественников, если при этом структура продукта реакции определяется, в основном, структурой молекул предшественников (например, синтез некоторых нуклеотидов из гетероциклических оснований, пентоз и фосфатов).

В настоящее время принята классификация микробиологических трансформаций по типу возникновения и отщепления функциональных групп.

Основные процессы микробиологической трансформации: окисление, восстановление, декарбоксилирование, дезаминирование, образование гликозидов, гидролиз, метилирование, этерификация, дегидрирование, диспропорционирование, конденсация, аминирование, ацетилирование, амидирование, деметоксилирование, нуклеотидация, галогенирование, деметилирование, асимметризация, рацемизация, изомеризация.

Рассмотрим данные процессы применительно к биотрансформации стероидных гормонов, а также коснемся сырьевых источников для получения стероидных гормонов и преимуществ микробиологического синтеза по сравнению с химическим. [2,4,7]

1. Исходное сырье для получения стероидных гормонов

Природные стерины - сырье для получения ценных лекарственных препаратов. [1]

Большой класс стероидов характеризуется наличием в молекуле специфического циклического скелета - циклопентанпергидрофенантрена, построенного из четырех колец, три из которых шестичленные (А, В и С) и одно - пятичленное (D). Для обозначения различных положений этого кольца принята следующая нумерация. К стеринам (стеролам) относятся стероиды, несущие в положении С-3 гидроксильную группу.

Одним из наиболее важных и хорошо изученных стеринов является холестерин (класс зоостеринов), имеющий бруттоформулу С₂₇Н₄₆О. Он обнаруживается почти во всех органах и тканях животных и человека. Холестерин принимает участие в физиологических процессах, происходящих в живой клетке, без его участия не может развиваться растущий организм. 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. Точная структурная формула этого соединения была установлена лишь 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. [6,8,10]

Стерины растений (фитостерины). Очень важный класс соединений, они служат источником получения многих ценных стероидных препаратов.

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.

Он встречается у многочисленных представителей растительного мира, а также у грибов, микроорганизмов и других представителей живого мира. Особенно велико содержание эргостерина у дрожжевых микроорганизмов. Для промышленного получения эргостерина чаще всего используются 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 - один из наиболее распространенных фитостеринов, он 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.

Другим широко распространенным растительным стерином является ситостерин С₂₉Н₅₀О. По строению он сходен со стигмастерином, отличаясь от него лишь отсутствием двойной связи в боковой цепи.

Ситостерины встречаются 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. [3,8]

Основные пути биосинтеза стероидных гормонов из холестерина. В организме животных и человека из холестерина образуются три важные группы гормонов: прогестины, половые гормоны и гормоны коры надпочечников (кортикостероиды).

При образовании стероидных гормонов из холестерина сначала образуется прегненолон - основной промежуточный продукт биосинтеза стероидов и кортикостероидов. Окисление ОН-группы прегненолона в С=0 сопровождается перемещением двойной связи; продуктом этой кетостероидизомеразной реакции является прогестерон - гормон плаценты и желтого тела.

Прегненолон является также предшественником мужских половых гормонов (тестостерона) и женских половых гормонов (эстрогенов - эстрона, эстрадиола). В коре надпочечников прогестерон превращается в кортикостерон и кортизол (гидрокортизон): секреция кортизола достигает у взрослого человека 15- 30 мг в день. Эти вещества были первоначально выделены из коры надпочечников в кристаллическом виде.

Кортизол (гидрокортизон) и его синтетические аналоги такие, как преднизолон или дексаметазон, принадлежит к числу современных средств экстренной терапии, благодаря их уникальному противовоспалительному, десенсибилизирующему и противошоковому действию. По своему химическому строению они могут быть разделены на 11-дезоксистероиды, 11-гидроксистероиды, 11,17-дигидрокснстероиды (к последним относятся кортизон и гидрокортизон). [2,7]

2. Основные микробиологические превращения стероидов

Промышленный синтез названных выше ценных лекарственных препаратов стал возможен только с развитием методов микробиологической химии и, в частности, метода микробиологической трансформации. В качестве сырья для получения указанных лекарственных средств используется диосгенин (из растения диоскореи), стигмастерин из соевых бобов, в последние годы интенсивно изучается ситостерин как потенциально дешевый и доступный источник.

Модифицированные тем или иным способом стероиды сами могут служить субстратами для проведения соответствующих целенаправленн ых трансформаций. [2]

2.1. Введение гидроксильной группы

Микробиологическое гидроксилирование - это наиболее важный и часто применяемый метод. 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. [1,9]

Способность клеток микроорганизмов к сложнейшим процессам биотрансформации наиболее полно реализовалась при получении промышленно важных стероидов. Использование абсолютной субстрактной специфичности биологических катализаторов, присущих целым клеткам микроорганизмов, позволило разработать условия осуществления множества химических реакций для структурных перестроек стероидов. В результате были получены новые соединения с лучшими фармакологическими свойствами. Микробиологические трансформации стероидов заключаются в селективном воздействии на одно из положений стероидного скелета. Первый промышленный процесс микробной биотрансформациистероидов основывался на технологии направленного гидроксилирования (11-альфа-гидроксилирование) прогестерона некоторыми видами грибов (Aspergillus ashraceus; рис. 11.1).

Рис. 11.1. Гидроксилирование прогестерона

Значимость другой, разработанной аналогичным методом, микробной трансформации определяется тем, что процессы гидроксилирования кортикостерона лежат в основе промышленного получения следующих ценных продуктов:

1.Противовоспалительных и противоопухолевых препаратов;

3. Анестезирующих средств;

4. Половых гормонов.

Производство ещё одного важного в промышленном масштабе противовоспалительного препарата преднизолона, осуществляется путём микробного гидроксилирования кортизола Arthrobacter simplecs (рис. 11. 2). Необходимо, чтобы среда для осуществления реакции окисления кортизола в преднизолон культурой клеток Arthrobacter simplex включа-ла пептон, глюкозу и кукурузный экстракт.

Правильность преобразования стероидного субстрата контролируют, сочетая химический подход со специфичностью биологической системы. Например, образование уксуснокислого эфира препятствует другим побочным реакциям.

Важнейший источник стероид- ных гормонов – культуры клеток растений. Так, культура клеток диоскореи дельтовиднойкорневого изготовления, продуцирует фитосте-рин диосгенин и его гликозидные производные (сапонины).

Существенно, что способность к сверхсинтезу гликозидов ряда штамммов диоскореи, например штаммма ДМ-ОГ, стабильно поддерживалась в течение 27 лет.

Таким образом, культивирование клеток растений in vitro представляет собой новое решение проблемы промышленного получения вторичных метаболитов.

Дальнейшие успехи в производстве стероидных препаратов связывают с:

1. Применением иммобилизованных клеток;

2.Использованием оптимального сочетания биологических и химических превращений;

3. Совершенствованием технологии очистки получаемых соединений.

Среды для биотрансформации стероидов имеют сложный состав, поэтому к технологии предъявляются требования:

1. Строгого контроля за каждым параметром применяемой среды (рН, время, температура и т. д.);

2.Требуется, чтобы через сутки к смеси добавлялось вещество S Рейхштейна.

3. Необходимо, чтобы процесс осуществлялся в строго нейтральной среде, при температуре 28°С, в течение 120 ч, при оптимальном выходе преднизолона - 93%.

4. Требуется, чтобы крупномасштабное производство преднизолона, путём биотрансформации стероидов, обеспечивало снижение стоимости этого препарата не менее чем в 200 раз.

В проблеме регуляции действия генов у млекопитающих наиболее изучено регулирование проявления действия генов с помощью стероидных гормонов. Общий механизм их действия состоит в активации транскрипции на геномном уровне. Стероидный гормон прикрепляется к молекулам белка рецептора в цитоплазме специфических клеток-мишеней, восприимчивых к стероиду. Образовавшийся в результате этого комплекс стероидного гормона с рецептором мигрирует в ядро, где он прикрепляется к специфическому сайту ДНК в пределах чувствительных к стероиду генов и значительно повышает активность транскрипции этих генов. Исходя из этого, действия стероидного гормона – один из наиболее вероятных путей регуляции проявления генов у трансгенных животных.

Микроорганизмы используются и на отдельных стадиях синтеза лекарственных веществ, который ранее осуществлялся путём многоступенчатых и дорогостоящих химических реакций. Так, один из штаммов хлебной плесени, Rhizopus arrhizus, на начальном этапе синтеза стероида кортизона может гидроксилировать прогестерон. Применение подобной стратегии биоконверсии наряду с традиционными химическими превращениями позволило получать многие стероиды более простыми и дешёвыми способами на основе стеролсодержащего растительного сырья. Именно благодаря этому такие стероиды, как преднизон, дексаметазон, тестостерон и эстрадиол, могут сегодня широко применяться в клинической практике. Некоторое представление об исключительной важности этих веществ в терапии можно получить, ознакомившись с данными таблицы 11.1., где перечислены основные области применения стероидов при заболеваниях.

Читайте также: