Биокатализ

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 . как ферменты, которые были более или менее изолированы , так и ферменты, все еще находящиеся внутри живых клеток . Для этой задачи используются ^{[ 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:

Хемоселективность : поскольку целью фермента является воздействие на один тип функциональной группы , другие чувствительные функциональные группы, которые обычно реагируют в определенной степени при химическом катализе, сохраняются. В результате биокаталитические реакции становятся «более чистыми», и можно в значительной степени отказаться от трудоемкой очистки продукта(ов) от примесей, возникающих в результате побочных реакций.
Региоселективность и диастереоселективность . Благодаря своей сложной трехмерной структуре ферменты могут различать функциональные группы, которые химически расположены в разных областях молекулы субстрата.
Энантиоселективность : поскольку почти все ферменты состоят из L- аминокислот , ферменты являются хиральными катализаторами. Как следствие, любой тип хиральности, присутствующий в молекуле субстрата, «распознается» при образовании фермент-субстратного комплекса. Таким образом, прохиральный субстрат может трансформироваться в оптически активный продукт, и оба энантиомера рацемического субстрата могут реагировать с разной скоростью.

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:

Кинетическое разрешение рацемической смеси
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.

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, то весь субстрат теоретически 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 восстановления кетонов энантиоселективного .

Схема 2. Редукция дрожжей — Scheme 2. Yeast reduction

Окисление Байера-Виллигера является еще одним примером биокаталитической реакции. В одном исследовании было обнаружено, что специально созданный мутант Candida antarctica является эффективным катализатором Михаэлю акролеина присоединения по 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 пары аммиак - боран восстанавливающей , 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 — Scheme 3. Enantiomerically pure cyclic tertiary amines

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:

кофермента/ кофактора Внутренний фотокатализатор
Внешний фотокатализатор

Некоторые распространенные кофакторы переноса атома водорода ( HAT ) ( НАДФН и флавин ) могут действовать как переноса одиночного электрона ( SET ). реагенты ^{[ 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

Мортисон, доктор юридических наук; Шерман, Д.Х. (2010). «Границы и возможности химиоферментного синтеза» . J Орг. хим . 75 (21): 7041–51. дои : 10.1021/jo101124n . ПМЦ 2966535 . ПМИД 20882949 .
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. doi:10.1126/sciadv.aax0501 . ^{[ 17 ]}

См. также

Ссылки

^ 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 .
^ Фабер, Курт (2011). Биотрансформации в органической химии (6-е изд.). Спрингер. ISBN 9783642173936 . ^{[ нужна страница ]}
^ Джаясингхе, Леонард Ю.; Смоллридж, Эндрю Дж.; Труэлла, Мори А. (1993). «Дрожжи опосредуют восстановление этилацетоацетата в петролейном эфире». Буквы тетраэдра . 34 (24): 3949–3950. дои : 10.1016/S0040-4039(00)79272-0 .
^ Лизе, Андреас; Зильбах, Карстен; Вандри, Кристиан, ред. (2006). Промышленные биотрансформации (2-е изд.). Джон Уайли и сыновья. п. 556. ИСБН 978-3527310012 .
^ Ротенберг, Гади (2008). Катализ: концепции и экологические приложения . Уайли. ISBN 9783527318247 . ^{[ нужна страница ]}
^ Уэйд, Л.Г., 1947- (2013). Органическая химия (8-е изд.). Бостон: Пирсон. ISBN 978-0-321-76841-4 . OCLC 752068109 . {{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
^ Shviadas, V. Iu; Галаев, И. Iu; Galstian, NA; Березин, IV (Август 1980). "[Substrate specificity of acylase I from pig kidney]". Биокхимия (Москва, Россия) . 45 (8): 1361-1364. ISSN 0320-9725 . PMID 7236787 .
^ 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 .
^ 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 .
^ 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 .
^ Jump up to: ^а ^б 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 .
^ 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. дои : 10.1021/jacs.7b05468 . ISSN 0002-7863 . ПМИД 28780870 .
^ 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 .
^ 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 . ПМИД 27974767 . S2CID 205252473 .
^ Бегасевич, Кайл Ф.; Купер, Саймон Дж.; Гао, Синь; Облинский, Даниил 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 .
^ 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 : 2018НатЧ..10..770Б . дои : 10.1038/s41557-018-0059-y . ISSN 1755-4330 . ПМИД 29892028 . S2CID 48360817 .
^ 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

[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 опосредуют 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, Л.Г., 1947- (2013). Органическая химия (8-е изд.). Бостон: Пирсон. 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] Shviadas, V. Iu; Галаев, И. Iu; Galstian, NA; Березин, IV (Август 1980). "[Substrate specificity of acylase I from pig kidney]". Биокхимия (Москва, Россия) . 45 (8): 1361-1364. ISSN 0320-9725 . PMID 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 .

[:0-11] Jump up to: ^а ^б 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. дои : 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 . ПМИД 27974767 . S2CID 205252473 .

[15] Бегасевич, Кайл Ф.; Купер, Саймон Дж.; Гао, Синь; Облинский, Даниил 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 : 2018НатЧ..10..770Б . дои : 10.1038/s41557-018-0059-y . ISSN 1755-4330 . ПМИД 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 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]

[ 17 ]

v т и Концепции энантиоселективного синтеза
Типы киральности	Хиральность Стерео Центр Планарная хиральность С ₂ -симметричные лиганды Осевая хиральность Супрамолекулярная хиральность Присущая хиральность
Хиральные молекулы	Стереоизомер Энантиомер Диастереомер Мезосоединение Рацемическая смесь Энантиомерный избыток (э.и.) Диастереомерный избыток (de)
Анализ	Оптическое вращение Хиральные дериватизирующие агенты ЯМР-спектроскопия стереоизомеров Ультрафиолетово-видимая спектроскопия стереоизомеров
Хиральное разрешение	Рекристаллизация Кинетическое разрешение Хиральная колоночная хроматография Диастереомерная рекристаллизация
Реакции	Асимметричная индукция Синтез хирального пула Хиральные вспомогательные вещества Асимметричный катализ Органокатализ Биокатализ