Преимущества биотрансформации стероидов перед химическими методами

Процессами биотрансформации называют реакции превращения исходных органических соединений (предшественников) в целевой продукт с помощью клеток живых организмов или ферментов, выделенных из них. Процессы биотрансформации это составные части метаболизма.

В последние годы высокая специфичность процессов биотрансформации и эффективность иммобилизованных ферментов нашли широкое применение для крупномасштабного производства аминокислот, антибиотиков, стероидов и других промышленно важных продуктов. В процессе биотрансформации в организме человека образовываются метаболиты, которые в дальнейшем либо используют для медицинских и фармацевтических целей, либо подвергают окончательной биотрансформации. Метаболимты— продукты метаболизма каких-либо соединений. Метаболиты бывают первичными, вторичными, промежуточными (подвергающимися дальнейшим биотрансформациям) и конечными, не подвергающимися дальнейшей биотрансформации и экскретируемыми из организма с мочой, калом, потом, выдыхаемым воздухом и др [1,6,9].

Первичными метаболитами называют молекулы, присутствующие во всех клетках организма и необходимые для жизнедеятельности. Они делятся на четыре категории:

• · Углеводы
• · Белки
• · Липиды
• · Нуклеиновые кислоты

Вторичные метаболиты — молекулы, встречающиеся не во всех клетках и не у всех видов живых организмов. Стероиды являются вторичными метаболитами.

Принципы получения вторичных метаболитов основаны на особенностях их образования клетками микроорганизмов. Биосинтез вторичных метаболитов фазоспецифичен и происходит по завершении стадии роста, в идиофазе, благодаря чему их еще называют идиолитами [4].

Прогестерон Способность клеток микроорганизмов к сложнейшим процессам биотрансформации наиболее полно реализовалась при получении промышленно важных стероидов. Использование абсолютной субстратной специфичности и стереоспецифичности биологических катализаторов, присущих целым клеткам микроорганизмов, позволило разработать условия осуществления множества химических реакций для структурных перестроек стероидов [4].

11-а-Гидроксипрогестерон В результате были получены новые соединения с лучшими фармакологическими свойствами. Биотрансформация стероидов обычно заключается в селективном воздействии на одно из положений стероидного скелета. Первый промышленный процесс микробной биотрансформации стероидов основывался на технологии направленного гидроксилирования (11-а-гидроксилирование) прогестерона [13,17].

Значимость разработанной микробной трансформации определяется тем, что процессы гидроксилирования кортикостерона и его производных лежат в основе промышленного получения многих ценных продуктов: противовоспалительных и противоопухолевых препаратов, трансквилизаторов, анестезирующих средств, половых гормонов и пр. Так, производство в промышленном масштабе важнейшего противовоспалительного препарата — преднизолона — осуществля ется путем микробного гидроксилирования кортикостерона (см. схему ниже).

Правильность преобразования стероидного субстрата контролируют, сочетая химический подход со специфичностью биологической системы. Например, образование уксуснокислого эфира по С-17-субстрата стереохимически препятствует другим побочным реакциям [6].

Важнейший источник стероидных гормонов — культура клеток растений. Так, культура клеток диоскореи дельтовидной (Dioscorea deltoidea) корневого происхождения продуцирует фитостерин диосгенин и его гликозидные производиые (сапонины). Существенно, что способность к сверхсинтезу фуростаноловых гликозидов ряда штаммов диоскореи, например штамма ДМ-ОГ, стабильно поддерживалась в течение 27 лет (Р. Г. Бутенко, 1999). Таким образом, культивирование клеток растений in vitro представляет собой новое решение проблемы промышленного получения вторичных метаболитов.

Дальнейшие успехи в производстве стероидных препаратов связывают с применением иммобилизованных клеток, использованием оптимального сочетания биологических и химических превращений, а также с совершенствованием технологии очистки получаемых соединений. Среды для биотрансформации имеют достаточно сложный состав, а реакция требует строгого контроля за каждым ее параметром (рН, время и т. д.). Так, среда для осуществления реакции окисления кортизола в преднизолон культурой клеток Arthrobacter simplex включает пептон, глюкозу и кукурузный экстракт. Через сутки к смеси добавляют вещество S Рейхштейна. Процесс ведут строго в нейтральной среде при температуре 28 °C в течение 120 ч. Выход преднизолона составляет 93% [4,18].

Разработка крупномасштабного производства преднизолона путем биотрансформации стероидов позволила снизить стоимость этого препарата в 200 раз [13].

Если говорить о химических преобразованиях стероидов, то большим минусом в данном вопросе является то что химическим путем невозможно преобразование определенных структур стероидов для получения необходимых веществ широкого применения т. е. процесс бесполезен. Так селективность действия микробных ферментов позволяет восстановить определенную кето-группу стероидов (химическим путем это невозможно). В синтезе стероидов эта особенность микроорганизмов используется очень широко, например, для восстановления 14аили 17 (3-кетогрупп) секостероидов ряда эстрана:

Данным примером подтверждаются преимущества биотрасформации стероидов перед химическими методами, которые либо не применимы для медицины либо имеют не совершенный механизм и конечный результат невозможно применить [3,17].