Криобиологические сосуды > Химия и биотехнология > Синтез аминокислот с помощью ферментов

Синтез аминокислот с помощью ферментов


Какова роль и ожидаемые преимущества применения ферментов при синтезе аминокислот. Эти процессы бывают одно- и много­стадийными, а используемые в них методы весьма разнообраз­ными от применения in situ интактных, но не растущих орга­низмов до иммобилизованных препаратов. В этой связи целе­сообразно рассмотреть пять классов ферментов.
Гидролитические ферменты (или гидролазы), например L-a-амино-е-капролактам-лиаза (синтез L-лизина) или 2-амино-тиазолин-4-карбоксилатгидролаза (синтез L-цистеина) (рис. 4.6). Чтобы можно было использовать неочищенные ферменты, целые жлетки обрабатывают поверхностно-активными веществами, вызывающими изменение проницаемости. Кроме того, могут быть получены мутанты, у которых искомый продукт не вовлекается более в обмен веществ.
 
Применение гидролитических ферментов при производстве аминокис­лот
 
Рис. 4.6. Применение гидролитических ферментов при производстве аминокис­лот.
 
Лиазы. Эта ферменты часто используются  в  реакциях дезаминирования. Так, для образования L-аспарта из фумарата аммония может использоваться (в обратной реакции) аспартаза, или L-аспартат — аммиак-лиаза. В качестве доноров аммо­ния могут, кроме того, выступать гидразин или гидроксиламин.
Сходным образом L-фенилаланин — аммиак-лиаза может ката­лизировать распад L-фенилаланина с образованием транс-ко­ричной кислоты и аммиака. Хотя обычно равновесие  в  этих реакциях сдвинуто в сторону реакций распада,   при   высоких концентрациях аммонийных ионов начинают преобладать про­цессы синтеза.
Ферменты, содержащие пиридоксальфосфат. Это обычные коферменты, участвующие в метаболизме аминокислот. Они ка­тализируют множество реакций: рацемизацию, трансаминирование, декарбоксилирование, реакции замещения и элиминации и являются своего рода универсальными. По-видимому, роль этих коферментов состоит в активации аминокислот, что облег­чает их взаимодействие с апоферментом. Мы рассмотрим здесь лишь несколько ферментов из этой группы. Так, L-тирозин — фенол-лиаза  (р-тирозиназа) катализирует реакцию [5-элиминации, в которой тирозин распадается с образованием пирувата, фенола и аммиака. При оптимальных условиях Erwinia herbicola может синтезировать очень много этого фермента (до 10% растворимого белка). Его используют для синтеза тирозина: & иммобилизованной форме он применялся для непрерывного его производства. Субстратная специфичность этого фермента такова, что он может также осуществлять реакцию ^-замещения между DL-серином и пирокатехолом, в результате которой об­разуется L-ДОФА (рис. 4.7). Примером широкого распростра­ненного в природе фермента, осуществляющего дезаминирова-«ие, может служить L-триптофан — индол-лиаза (триптофаназа).
Реакции синтеза, катализируемые пиридоксалевыми ферментами
 
Рис. 4.7. Реакции синтеза, катализируемые пиридоксалевыми ферментами.
 
Она катализирует реакции α, Я-элиминации и Я-замещения и также характеризуется широкой субстратной специфичностью (L-триптофан, L-цистеин, S-метил, L-цистеин, Я-хлор-L-аланин, L-серин). Действие ее может быть обращено, и тогда она будет способствовать синтезу L-триптофана из индола, пирувата и аммиака. Примером индуцибельного фермента является L-метионин — y-лиаза: она катализирует реакцию элиминации, где субстратами могут быть разнообразные аминокислоты, включая производные L-метионина и L-цистеина. L-метионин расщепля­ется с образованием метантиола, а-кетобутирата и аммиака. Когда фермент «работает на синтез», его можно применять для производства новых серусодержащих аминокислот на основе-алкантиолов и арилтиоспиртов. Фермент может также расщеп­лять селенметионин. Использование селенолов в обратных ре­акциях замещения, идущих с образованием гсмоцистеинов, содержащих селен вместо серы, — это первый случай, когда, селен удалось включить в состав аминокислот (рис. 4.7).
Эту лиазу можно применять для синтеза меченых аминокис­лот.
Дегидрогеназы аминокислот, например лейцин- и аланин-дегидрогеназы. Эти ферменты катализируют обратимые реак­ции дезаминирования. Их применяют в непрерывных процессах, синтеза   аминокислот   из   соответствующих   кето-аналогов.
В мембранном реакторе дегидрогеназы аминокислот удержива­ются ультрафильтрующей мембраной и используют в своей ра­боте один и тот же пул NADH, который сохраняется в реакторе, так как ковалентно связан с полиэтиленгликолем. Регенерация: его в ходе процесса осуществляется с помощью формиатдегид-
рогеназы (разд. 4.4.2).
Глутаминсинтаза. Этот фермент катализирует АТР-зависимую реакцию аминирования глутамата, которая была сопря­жена со сбраживанием сахара дрожжами. Высвобождающаяся при брожении энергия используется для синтеза   глутамина.
При распаде фруктозе- 1,6-дифосфата,   образовавшегося   при сбраживании глюкозы, продуцируется АТР, которая необходи­ма для энергоснабжения эндергонической реакции, катализи­руемой синтазой. При использовании бесклеточного экстракта пекарских дрожжей и глутаминсинтазы Gluconobacter suboxydans из глюкозы, глутамата и ионов аммония в качестве суб­стратов с высоким выходом (92 мол. %) был получен глутамин.