Использование органического синтеза и биосинтеза в получении БАВ

2

Содержание

Введение

1. Понятие органического и биологического синтеза

2. Органический синтез БАВ. Его отличие от биосинтеза

3. Биосинтез в получении БАВ. Особенности технологического процесса

Заключение

Список литературы

Введение

Биологически активные вещества (БАВ) - общее название веществ, имеющих выраженную физиологическую активность.

Термин объединяет вещества, оказывающее заметное стимулирующее, либо подавляющее воздействие на биохимические процессы in vivo или in vitro. К биологически активным веществам относятся ферменты, гормоны, фитогормоны, ингибиторы обменных процессов, иногда -- токсические вещества (яды) и др. Это жизненно важные и необходимые соединения, каждое из которых выполняет незаменимую и очень важную роль в жизнедеятельности организма.

Переваривание и усвоение пищевых продуктов происходит при участии ферментов. Синтез и распад белков, нуклеиновых кислот, липидов, гормонов и других веществ в тканях организма представляет собой также совокупность ферментативных реакций.

Любое функциональное проявление живого организма - дыхание, мышечное сокращение, нервно-психическая деятельность, размножение и т.д. - все это непосредственно связано с действием соответствующих ферментных систем. Без ферментов нет жизни. Их значение для человеческого организма не ограничивается рамками нормальной физиологии. В основе многих заболеваний человека лежат нарушения ферментативных процессов. [3]

Витамины могут быть отнесены к группе биологически активных соединений, оказывающих свое действие на обмен веществ в ничтожных концентрациях.

Это органические соединения различной химической структуры, которые необходимы для нормального функционирования практически всех процессов в организме. Они повышают устойчивость организма к различным экстремальным факторам и инфекционным заболеваниям, способствуют обезвреживанию и выведению токсических веществ и т.д.

Гормоны - это продукты внутренней секреции, которые вырабатываются специальными железами или отдельными клетками, выделяются в кровь и разносятся по всему организму в норме вызывая определенный биологический эффект.

Сами гормоны непосредственно не влияют на какие-либо реакции клетки. Только связавшись с определенным, свойственным только ему рецептором вызывается определенная реакция.

Основными их свойствами являются следующие:

- действие на расстоянии от места продукции;

- специфичность действия - эффект каждого из них не адекватен эффекту другого гормона;

- высокая скорость образования и инактивации, с чем и связана кратковременность их действия;

- высокая биологическая активность - нужный эффект достигается при очень малой концентрации вещества;

- роль посредника (месенджера) в передаче информации от нервной системы к клетке.

Помимо гормонов известны еще гормоноиды или гормоноподобные вещества. Они синтезируются не железами внутренней секреции, а клетками желудочно-кишечного тракта, тучными клетками соединительной ткани, клетками почек и т.д. Их особенность - они не секретируются в кровь, а действуют в месте образования. Нередко гормонами называют и некоторые другие продукты обмена веществ, образующиеся во всех (углекислота) или лишь в некоторых (ацетилхолин) тканях, обладающие в большей или меньшей степени физиологической активностью и принимающие участие в регуляции функций организма животных. Термином «гормоны» следует обозначать только те активные продукты обмена веществ, которые образуются в специальных образованиях - железах внутренней секреции. Биологически активные продукты обмена веществ образуются и в растениях, но относить эти вещества к гормонам совершенно не правильно. [1]

1. Понятие органического и биологического синтеза

Органический синтез - раздел органической химии и технологии, изучающий различные аспекты (способы, методики, идентификация, аппаратура и др.) получения органических соединений, материалов и изделий, а также сам процесс получения веществ.

Цель оргсинтеза - получение веществ с ценными физическими, химическими и биологическими свойствами или проверка предсказаний теории. Современный органический синтез многогранен и позволяет получать практически любые органические молекулы. [5]

Стремительный рост числа синтезов привел к оформлению отдельных его самостоятельных направлений, характеризующихся специфическими признаками: нефтесинтез, кислотный катализ, плазмосинтез, синтез биологически активных веществ, тонкий оргнанический синтез и т. д.

Реализация органического синтеза включает следующие научные, организационные и технологические этапы:

- задание структуры целевой молекулы;

- рассмотрение возможных схем синтеза;

- подбор продуктов, аппаратуры;

- проведение химических реакций, выделение промежуточных и целевых продуктов, их анализ и очистку;

- модифицирование, принятие мер безопасности, экологический контроль, экономический анализ и др.

Окончательный выбор метода синтеза происходит после всестороннего комплексного анализа этих этапов и их оптимизации.

Биосинтез или микробиологический синтез - это образование необходимых организму веществ в живых клетках с участием биокатализаторов - ферментов. Обычно в результате биосинтеза из простых исходных веществ образуются более сложные соединения вплоть до гигантских молекул белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов. В промышленности используют микробиологический синтез - биосинтез микроорганизмами антибиотиков, гормонов, витаминов, аминокислот и др.

При биосинтезе, как и любом органическом синтезе, сложные вещества образуются из более простых соединений. Биосинтез следует отличать от брожения, в результате которого тоже получаются различные продукты микробного обмена (например, спирты, органические кислоты), но преимущественно за счёт распада органического вещества. Значительная часть продуктов, образующихся, в ходе биосинтеза обладает физиологической активностью и представляет практическую ценность.

К биосинтезу относят широкий круг процессов:

- накопление микробной массы для использования её:

а) в качестве белково-витаминных добавок к кормам;

б) как источника получения белков, липидов, ферментов, токсинов, витаминов, антибиотиков;

в) для борьбы с паразитами животных и растений;

г) в качестве носителя ферментативной активности в реакциях микробиологической (энзиматической) трансформации органических соединений;

- получение накапливающихся вне микробной клетки метаболитов, в том числе ферментов, токсинов, антибиотиков, аминокислот, витаминов, нуклеотидов и т.п. [10]

Биосинтез осуществляется внутри клетки при активации низкомолекулярных компонентов (например, коферментом А) и участии нуклеотид фосфатов, чаще всего адениловых производных. Затем многие метаболиты выводятся из клетки в среду. Характерная особенность микроорганизмов - их способность к сверхсинтезу, то есть избыточному образованию некоторых продуктов обмена веществ (многих аминокислот, нуклеотидов, витаминов), превышающему потребность микробной клетки. Так, глутаминовая кислота при сверхсинтезе может накапливаться в количестве свыше 10 мг/мл среды (культура Micrococcus glutamicus), витамин B2 - до 1-2 мг/мл (грибы Eremothecium ashbyii u Ashbya gossipii), вместо обычных сотых и даже тысячных долей мг.

Способность к сверхсинтезу того или иного соединения свойственна определённым видам микроорганизмов, которыми, как правило, и пользуются в качестве продуцентов при производстве соответстветствующих метаболитов путём биосинтеза.

При этом применяют не только культуры, отобранные из природных источников, но и специально выведенные искусственным путём мутанты - штаммы, у которых сверхсинтез - следствие нарушений обмена веществ под воздействием мутагенов.

Применение мутантов позволяет значительно увеличить выход ряда продуктов. Например, выведены культуры с высоким уровнем сверхсинтеза лизина, инозиновой кислоты, некоторых витаминов. При помощи мутантов удалось в 100-150 раз поднять активность биосинтеза пенициллина, мутантные штаммы используются при производстве и других антибиотиков.

2. Органический синтез БАВ. Его отличие от биосинтеза

В промышленном масштабе наибольшее значение имеют химический микробиологический методы. Химический метод синтеза БАВ носит название тонкого органического синтеза, отличительными особенностями которого являются:

- многостадийность получения веществ;

- необходимость тщательной очистки;

- небольшие объемы производства;

- большой ассортимент;

- высокая стоимость продуктов синтеза.

В основу выбора способа синтеза БАВ должны быть положены знания механизме химических реакций, свойствах, используемых для синтеза химических предшественников, сведения о рациональных методах их получения и очистки. Обычно в каждом синтезе можно выделить четыре части:

- выбор источников сырья (соединений - предшественников);

- разработка химической схемы синтеза БАВ;

- выбор метода очистки целевого соединения;

- идентификация БАВ.

Методы, используемые в тонком органическом синтезе, обеспечивают получение сложных органических соединений из более простых предшественников. Для промышленного производства продуктов тонкого органического синтеза очень важно найти наиболее удобный, безопасный и дешевый способ получения таких предшественников. [4]

Правильный выбор источников сырья является одним из определяющих моментов в синтезе. Наиболее важными источниками сырья являются продукты первичной переработки угля, нефти и природного газа, при химической переработке которых получают ароматические углеводороды и газообразные оксиды углерода. Последующих превращениях первичных продуктов угле-, нефте- и газопереработки приводят к таким веществам, как спирты, фенолы, альдегиды, кетоны, кислоты.

Для получения БАВ используются также растительные и животные материалы. Очень важный вклад в сырьевую базу внесло производство синтез - газа, из которого получают метанол, высшие углеводороды (синтез Фишера - Тропша). Из монооксида углерода получают фосген, муравьиную кислоту, из метана - циановодородную кислоту, сероуглерод и хлорпроизводные.

Более сложные исходные соединения получают переработкой сельскохозяйственного, лесохимического и микробиологического сырья (жиры, масла, крахмал, белки и т. д.).

При разработке химической схемы синтеза наиболее сложным является создание химической схемы получения вещества, подборе химической реакции или сочетания нескольких химических реакций, которые могут привести к данному соединению. [8]

При выборе промышленного способа синтеза необходимо учитывать доступность реагентов, их стоимость, состав образующихся продуктов, возможность утилизации отходов. При использовании реакции окисления более предпочтительны каталитические методы. При синтезе более сложных веществ трудности возрастают. Особенно сложны синтезы оптически активных веществ.

Все многообразие химических превращений, с которыми приходится иметь дело в процессах тонкого органического синтеза, можно объединить в несколько групп, каждая из которых характеризуется общими приемами проведения химических реакций:

- превращения имеющихся в молекуле заместителей;

- введение новых заместителей;

- элиминирование заместителей;

- циклизация;

- перегруппировки;

- проведение регио- и энантиоселективных реакций.

Выбор метода очистки целевого соединения зависит от агрегатного состояния полученных целевых соединений, которые могут содержать примеси, снижающие качество полученного продукта. Для жидких соединений очистку проводят путем перегонки, ректификации, молекулярной дистилляции. Кристаллические соединения подвергают кристаллизации из растворителей.[2]

Для более тщательной очистки используют хроматографические методы (ионообменные, на твердых адсорбентах).

Идентификация целевого продукта проводят для оценки его качества. С этой целью сначала определяют физико-химические константы (температуру кипения, температуру плавления, показатель преломления, плотность и т.д.), а затем подтверждают структуру целевого соединения спектральными методами (УФ-, ИК-, ЯМР), масс-спектроскопией, рентгеноструктурным анализом.

3. Биосинтез в получении БАВ. Особенности технологического процесса

В процессе биосинтеза получают ряд продуктов, причём за счёт самых разных соединений углерода и азота. Это обусловливается большим разнообразием ферментных систем микроорганизмов. Подбор соответствующих культур даёт возможность получать путём биосинтеза желаемые вещества из дешёвого и доступного сырья. Эти особенности делают биосинтез весьма эффективным способом производства многих соединений. Часть из них (например, многие антибиотики) экономически выгодно получать ныне только таким путём.[11]

Широкое промышленное применение биосинтез получил, начиная с 40-50-х гг. 20 века. Прогресс в этой области связан, прежде всего, с открытием пенициллина, что побудило начать детальные исследования у микроорганизмов продуктов обмена веществ, обладающих физиологической активностью.

Технологически современный процесс биосинтеза состоит из ряда последовательных этапов:

- подготовка необходимой культуры микроорганизма-продуцента;

- подготовка питательной среды;

- выращивание посевного материала;

- культивирование продуцента в заданных условиях, в ходе которого и осуществляется биосинтез, часто называемый ферментацией;

- фильтрация и отделение биомассы;

- выделение и очистка требуемого продукта, когда это необходимо;

- сушка.

Процессы выделения и очистки, часто занимающие важное место среди других технологических операций, определяются химической природой получаемого вещества и могут включать экстракционные и хроматографические методы, кристаллизацию, осаждение и др.

Наиболее прогрессивным способом культивирования считается непрерывный - с непрерывными подачей питательной среды и выводом продуктов биосинтеза. Так производят, например, микробную биомассу (кормовые дрожжи). Однако непрерывный способ разработан далеко ещё не для всех процессов биосинтеза, и большинство метаболитов (аминокислоты, антибиотики, витамины) получают периодическим способом - с выводом продукта в конце процесса.

В некоторых случаях (например, при производстве ряда ферментов) продуценты выращивают не в ферментёрах с аэрацией и перемешиванием (глубинный способ), а на поверхности питательной среды - поверхностным способом. Для производства разнообразных продуктов биосинтезе создана микробиологическая промышленность, уже выпускающая большой ассортимент соединений разных классов.[6]

Антибиотики - один из первых продуктов биосинтеза, которые широко производят для медицины и сельского хозяйства. Большинство антибиотиков накапливается вне клеток микроорганизма-продуцента, которыми в основном являются актиномицеты, некоторые грибы и бактерии, главным образом их мутантные формы. Антибиотические препараты, употребляемые преимущественно в медицине, отличаются высокой степенью чистоты.