biotechn_cwicz_2009_09_30.pdf
(
794 KB
)
Pobierz
MATERIAŁY DO ĆWICZEŃ
Z PRZEDMIOTÓW
TECHNOLOGIA CHEMICZNA ŚRODKÓW LECZNICZYCH Z BIOTECHNOLOGIĄ
INŻYNIERIA BIOPROCESOWA II
Wersja 2009-09-30
Katedra Technologii Chemicznej Środków Leczniczych
Poznań 2009
1
I. Komentarz do ćwiczeń
II. Preparaty
1. Biosynteza Etanolu z Sacharozy z Wykorzystaniem Drożdży
Saccharomyces cerevisiae
2. Hydroliza Sacharozy do Glukozy i Fruktozy na Podłożu Stałym Zawierającym
Immobilizowane Komórki Drożdzy
Saccharomyces cerevisiae
w Żelu Alginianowym
3. Biosynteza Etanolu z Wykorzystaniem Komórek Saccharomyces cerevisiae
Unieruchomionych w Żelu Alginianowym
4. Redukcja 1,3-Dintrobenzenu do 1-Amino-3-nitrobenzenu z Wykorzystaniem Komórek
Drożdży
Saccharomyces cerevisiae
5. Synteza Salicylanu Sorbitylu z Użyciem Lipazy z
Candida antarctica
6. Biosynteza (S)-(+)-3-Hydroksybutanianu Etylu (metoda w roztworze wodnym) z
Wykorzystaniem Komórek Drożdży
Saccharomyces cerevisiae
7. Biosynteza (S)-(+)-3-Hydroksybutanianu Etylu (metoda w eterze naftowym) z
Wykorzystaniem Komórek Drożdży
Saccharomyces cerevisiae
III. Protokół
IV. Literatura
2
I. Komentarz do ćwiczeń
Kroki milowe w rozwoju biotechnologii:
6000 p.n.e. Babilończycy i Sumerowie – produkcja piwa
1823 – przemysłowa produkcja octu winnego (bakterie octowe)
1858 – rozdział racemicznego winianu amonu przy użyciu grzyba
Penicillium glaucum
(Pasteur)
1821 – pierwsza asymetryczna reakcja organiczna (kondensacja acyloinowa benzaldehydu i
aldehydu octowego) katalizowana drożdżami (od 1930 r. wdrożona przez Knoll’a do syntezy
przemysłowej)
1943 – przemysłowa produkcja penicyliny
1955 – wykorzystanie mikrobiologicznego hydroksylowania przy syntezie steroidów
1983 – biosynteza barwnika indygo w modyfikowanych genetycznie komórkach
E. coli
Przemysłowa roczna produkcja związków chemicznych przy użyciu biokatalizatorów:
100 ton – (-)-fenyloalanina – β-tyrozynaza
100 ton – (-)-dopa – lipaza
100 ton – (-)-karnityna – hydroksylaza
1000 ton – aspartam – termolizyna
1000 ton – kwas (+)-pantotenowy – aldonolaktonaza
1000000 ton – fruktoza – izomeraza glukozy
Atrakcyjność metod „bio” w stosunku do klasycznych:
- wysoka stereo-, regio-, i chemoselektywność
- dobra wydajność
- możliwość znalezienia biokatalizatora do żądanej reakcji (niemal wszystkie reakcje
chemiczne mają swoje odpowiedniki enzymatyczne)
- mała energochłonność
- możliwość zastosowania wody jako rozpuszczalnika jak i tanich rozpuszczalników
organicznych
- możliwość uniknięcia niebezpiecznych i szkodliwych substratów
- możliwość pracy na dużą skalę
- możliwość immobilizacji mikroorganizmów i enzymów celem ich wielokrotnego
wykorzystania, pracy w trybie ciągłym
Wady metod „bio” w stosunku do klasycznych:
- Metody fermentacyjne mają małą produktywność objętościową (mało produktu w stosunku
do objętości reaktora)
- Żmudna izolacja produktów mieszaniny z uwagi na jej dużą objętość
- Optymalizacja czasu i warunków reakcji enzymatycznych wymaga więcej czasu niż w
przypadku metod klasycznych
Klasy enzymów:
Oksydoreduktazy
– kataliza reakcji utleniania i redukcji
Transferazy
– kataliza reakcji przenoszenia grup z donora do akceptora
Hydrolazy
– kataliza hydrolizy wiązań estrowych, amidowych, eterowych, glikozydowych
Liazy
– kataliza addycji małych cząsteczek (woda, amoniak, dwutlenek węgla) do wiązań
podwójnych oraz reakcje odwrotne
Izomerazy
– kataliza reakcji przekształcania izomerów optycznych, konstytucyjnych,
stereoizomerów i form tautomerycznych
Ligazy
– kataliza syntezy wiązań C-C, C-O, C-N, C-S z udziałem ATP
3
Redukcja 1,3-Dintrobenzenu do 1-Amino-3-nitrobenzenu z Wykorzystaniem Komórek
Drożdży
Saccharomyces cerevisiae
Redukcja aromatycznych związków nitrowych charakteryzuje się wysoką
regioselektywnością i chemoselektywnością. Pozwala to na selektywne otrzymanie 1-amino-
3-nitrobenzenu z 1,3-dinitrobenzenu oraz aminojodoerenów z nitrojodoarenów bez reakcji
ubocznych, które towarzyszą przemianom jodoarenów.
Biosynteza (S)-(+)-3-Hydroksybutanianu Etylu (metoda w roztworze wodnym) z
Wykorzystaniem Komórek Drożdży
Saccharomyces cerevisiae
Biosynteza (S)-(+)-3-Hydroksybutanianu Etylu (metoda w eterze naftowym) z
Wykorzystaniem Komórek Drożdży
Saccharomyces cerevisiae
Redukcja prochiralnych ketonów do racemicznych alkoholi jest prowadzona za pomocą
różnych borowodorków metali. Natomiast redukcja prochiralnych ketonów do
nieracemicznych alkoholi może być przeprowadzona za pomocą enzymów. Drożdże są
ogólnie dostępnymi i tanimi mikroorganizmami posiadającymi szereg enzymów, które można
do redukcji wykorzystać, m.in. enzymy procesu fermentacji glukozy do etanolu. Drożdże są
szeroko wykorzystywane w procesie redukcji w odniesieniu do szeregu związków
karbonylowych: β-ketoestrów, α-ketoestrów, α-ketoalkoholi i ketonów. Warto zauważyć, że
izomer (S) jest otrzymywany za pomocą drożdży, natomiast izomer (R) za pomocą grzyba
Geotrichum candidum.
Redukcje z użyciem drożdży piekarskich
Pierwszą historycznie opisaną syntezą organiczną z udziałem biokatalizy była
asymetryczna kondensacja acyloinowa. Była ona katalizowana dorżdżami (Rys. 1).
O
OH
OH
CH
3
CH
3
drożdże
MeNH
2
+ CH
3
CHO
H
2
/Pt
H
O
CH
3
D-(-)-efedryna
1930 produkcja przemysłowa
(Knoll)
Rys. 1
Drożdże piekarskie (
Saccharomyces cerevisiae
) są używane jako biokatalizator w
takich reakcjach jak asymetryczna redukcja grupy karbonylowej i wiązania C=C, synteza
wiązania C-C oraz hydroliza estrów (Rys. 2).
O
O
OH
O
H
3
C
O
CH
3
H
3
C
O
CH
3
H
3
C
CH
3
H
3
C
CH
3
O
O
O
OH
H
3
C
CH
3
H
3
C
CH
3
O
O
O
CH
3
O
CH
3
S
O
S
OH
S
CH
3
S
CH
3
Rys. 2
Reakcje te wykonuje się w warunkach fermentacyjnych w środowisku wodnym lub w
rozpuszczalniku organicznym. W warunkach wodnych drożdże na bieżąco syntezują i
4
regenerują enzymy i kofaktory niezbędne do prowadzenia reakcji, co umożliwia zmniejszenie
ilości drożdży dodawanych do reakcji. Wadą stosowania środowiska wodnego jest trudność
w izolacji produktu. Nie można również stosować w w/w warunkach substancji
nierozpuszczalnych w wodzie. W środowisku organicznym wykorzystuje się jedynie zawarte
w komórkach enzymy i kofaktory bez możliwości ich regeneracji, co narzuca konieczność
zwiększenia ilości drożdży.
Komórki mikroorganizmów zawierają pełen zestaw biokofaktorów o różnej aktywności
i specyficzności, co obniża ogólną wydajność i selektywność reakcji. Taką
niekompatybilność enzymatyczną można usunąć poprzez selektywne "wyłączenie"
przeszkadzającego enzymu na drodze inhibicji, denaturacji lub modyfikacji genetycznej.
Asymetyczna redukcja
-oksoestrów jest jedną z szeroko badanych reakcji z uwagi
na znaczenie chiralnych
-hydroksyestrów w syntezie. Szczególnie ważną z punktu
widzenia farmacji jest redukcja pochodnych kwasu 4-fenylo-2-oksobutanowego, której
produkty stanowia cenne bloki budulcowe do syntezy inhibitorów enzymu konwertazy
angiotensyny (ACE) (Rys. 3).
OH
O
drożdże
O
O
Et
2
O, H
2
O
30
o
C, 24h
Inhibitory ACE
OR
OR
R=Et,
n
-Bu
Rys. 3
Kolejną reakcją katalizowaną przez drożdże jest redukcja grupy nitrowej w związkach
aromatycznych. Jest to reakcja wysoce regio- i chemoselektywna. Przykładem tej reakcji jest
otrzymywanie 1-amino-3-nitrobebzenu z pochodnej 1,3-dinitrowej bez reakcji ubocznych
(Rys. 4).
R
R
drożdże
NaOH
H
2
O-MeOH
R=NO
2
, I
NO
2
NH
2
70-80
o
C
Rys. 4
5
Plik z chomika:
michooo
Inne pliki z tego folderu:
chromatografia.pdf
(6701 KB)
goslinski.pdf
(5462 KB)
biotechn_cwicz_2009_09_30.pdf
(794 KB)
Anestezyna metoda 1.pdf
(214 KB)
DULCYNA.pdf
(147 KB)
Inne foldery tego chomika:
egzamin
wykłady
Zgłoś jeśli
naruszono regulamin