ГОСы Все предметы / Биотехнология / 18.6 белковые ак

35. 6. Получение аминокислот может быть осуществлено химическим, химико-энзиматическим путем, гидролизом белоксодержащих субстратов, а также прямым микробиологическим синтезом.

Предложите и обоснуйте выбор метода, если этой аминокислотой является лизин, глицин, метионин.

Аминокислоты широко применяют в медицине для терапии послеоперационных больных, при лечении заболеваний ЦНС, язвенной болезни желудка и двенадцатиперстной кишки, печени (серотонин, аспарагин, валин, гистидин, глицин, глутамин и глутаминовая кислота, изолейцин, лейцин, метионин, пролин, тирозин, триптофан, фенилаланин, цистеин); в пищевой промышленности в качестве усилителей вкуса и аромата, антиоксидантов и пищевых добавок (аланин, аспарагиновая кислота, глицин, глутаминовая кислота, лизин, цистеин); в сельском хозяйстве - в качестве кормовых добавок (лизин, треонин); в химической промышленности - как исходные вещества при синтезе полимеров и производстве косметических средств.

Ежегодно в мире производится более 800000 т аминокислот стоимостью более 5 млрд долларов; при этом больше половины общего объемапроизводства приходится на долю L-глутаминовой кислоты, которую используют для получения широко известного усилителя вкуса и аромата - натрия глутамата.

В промышленных масштабах белковые аминокислоты получают:

1) гидролизом природного белоксодержащего сырья;

2) химическим синтезом;

3) микробиологическим синтезом

4) биотрансформацией предшественников аминокислот с помощью микроорганизмов или выделенных из них ферментов (химико-ферментативный метод).

Условия гидролиза природного белок-содержащего сырья достаточно «жесткие». Отходы пищевой и молочной промышленности выдерживают при 105 ^оС 24-48 ч в вакууме в присутствии 20%-ной соляной кислоты. При кислотном гидролизе полностью разрушаются триптофан и достаточно значительны потери цистеина, метионина и тирозина (до 30%). Белковые гидролизаты сегодня применяют в животноводстве, пищевой и микробиологической промышленности.

При химическом синтезе аминокислоты получаются в виде оптически неактивных рацемических смесей D и L-форм. Эти формы абсолютно одинаково химически активны. Известно, что подавляющее большинство природных аминокислот относится к L-ряду. Стереоспецифичны транспорт и метаболизм аминокислот, проницаемость аминокислот для клеток и другие функции. Исключением в этом отношении является только метионин, метаболизм которого не избирателен. Поэтому метионин преимущественно получается методом химического синтеза. Химическим синтезом можно получать и глицин, который не имеет оптически активного центра. Разделение D и L–форм аминокислот – трудная и трудоемкая задача, первым этапом которой является получение диастереомеров – производных аминокислот с двумя оптически активными центрами. Диастереомеры отделяют друг от друга методами дробной кристаллизации или избирательной экстракции и т. п.

Наиболее перспективен и экономически выгоден микробиологический метод получения аминокислот. Известно, что белковые аминокислоты являются первичными метаболитами. Однако, микробные клетки обычно не производят избытка первичных метаболитов, это было бы расточительно и уменьшало способность к выживанию. Методами направленной мутации, генной инженерии и селекции были получены мутанты с измененной генетической программой и регуляторными свойствами. Эти штаммы оказались способны к сверхпродукции аминокислот. Наиболее распространены микроорганизмы родов Brevibacterium, Micrococcus, Corynebacterium, Arthrobacter.

Продуценты L-лизина — Brevibacterium flavum и Corynebacterium glutamicum превращают более трети сахаров, содержащихся в среде в лизин. Так получается более 75 г лизина на 1 л среды. В клетках микроорганизмов лизин служит конечным продуктом разветвленного метаболического пути биосинтеза, общего для трех аминокислот – лизина, метионина и треонина (рис. 3.3).

Эффекта накопления в среде всего одной целевой аминокислоты добиваются путем блокирования процессов, ведущих к синтезу побочных аминокислот, возникающих в связи с разветвлением метаболического пути.

Образование лизина в клетке бактерии осуществляется под строгим метаболическим контролем Аспартаткиназа открывает метаболический путь. Этот фермент ингибируется по принципу обратной связи при совместном и согласованном действии побочных продуктов L-треонина и L-лизина

При накоплении треонина и лизина в избыточной концентрации ингибируется аспартаткиназа и их синтез останавливается, при пониженной концентрации любой из двух аминокислот процесс активизируется.

Для получения лизина используются мутанты 2-х типов.

1) мутанты, у которых нет гомосериндегидрогеназы, в результате чего блокируется синтез метионина и треонина. У них существенно снижена внутриклеточная концентрация треонина, что снимает блокаду с аспартаткиназы. В среде, где присутствуют лимитирующие концентрации метионина и треонина, образуются избыточные количества лизина

2) Мутанты, дефектные по гену, определяющему конформацию аспартаткиназы. Такой мутантный фермент теряет чувствительность к высоким концентрациям аллостерического ингибитора — лизина.

Химико-энзиматический способ производства аминокислот можно проиллюстрировать на примере получения L-лизина из нефтепродукта – циклогексена.

Сначала из циклогексена получают D,L-a-амино-e-капролактама химическим методом:

А затем проводят ферментативную реакцию получения L-лизина из капролактама. В этой реакции участвуют иммобилизованные формы ферментов: лактамаза дрожжей Candida laurentii и рацемаза бактерий Alcaligenes obae.