Biotransformacje z udziałem drożdży(1).pdf

PRACE PRZEGL¥DOWE

Biotransformacje z udzia³em dro¿d¿y

Saccharomyces cerevisiae

Ewa Bia³ecka-Florjañczyk, Ewa Majewska

Katedra Chemii, Wydzia³ Technologii ¯ywnoœci,

Szko³a G³ówna Gospodarstwa Wiejskiego, Warszawa

Saccharomyces cerevisiae

in biotransformations

Summary

In the last decade, whole cells and enzymes have been used extensively in

organic synthesis to obtain homochiral products in a variety of organic reac-

tions. Baker’s yeast, which has a large potential as a catalyst in organic chemis-

try, owing to ease of handling and broad substrate acceptability, has been

widely used, mainly in the reduction of the carbonyl groups of prochiral ke-

tones, producing alcohols with high enantiomeric purity. This review describes

the most relevant recent papers not only on the reduction of carbonyl groups,

but also on other aspects of utilizing baker’s yeast.

Key words:

biotransformations, baker’s yeast.

Adres do korespondencji

Ewa Bia³ecka-Florjañczyk,

Katedra Chemii,

Wydzia³ Technologii

¯ywnoœci,

Szko³a G³ówna

Gospodarstwa Wiejskiego,

ul. Nowoursynowska 159c,

02-787 Warszawa;

e-mail:

ewa_bialecka_florjanczyk

@sggw.pl

Biotransformacje, czyli przekszta³canie zwi¹zków chemicz-

nych pod wp³ywem enzymów, stanowi¹ wa¿n¹ i dynamicznie

rozwijaj¹c¹ siê dziedzinê chemii organicznej, poniewa¿ dziêki

tej technice mo¿na przeprowadzaæ przemiany zwi¹zków orga-

nicznych z selektywnoœci¹ rzadko osi¹gan¹ innymi metodami

(1-5).

Biotransformacje mog¹ zachodziæ przy udziale wolnych enzy-

mów lub zawieraj¹cych je komórek czy tkanek, które spe³niaj¹

rolê biokatalizatora, a ulegaæ im mog¹ nie tylko substancje po-

chodzenia naturalnego, ale równie¿ zwi¹zki otrzymane w wyni-

ku syntezy chemicznej. Enzymy s¹ w stanie katalizowaæ reakcje

3 (74) 113–133 2006

Ewa Bia³ecka-Florjañczyk, Ewa Majewska

z udzia³em œciœle okreœlonych substratów, reakcja dotyczy wybranego fragmentu

cz¹steczki i ma dok³adnie okreœlony przebieg stereochemiczny. W zwi¹zku ze z³o-

¿on¹ przestrzenn¹ struktur¹ enzymy mog¹ rozró¿niaæ takie same grupy funkcyjne

znajduj¹ce siê w ró¿nym otoczeniu chemicznym – rezultatem tej w³aœciwoœci jest

selektywnoœæ lub specyficznoœæ reakcji enzymatycznych. Szczególnie istotna jest e-

nancjoselektywnoœæ reakcji katalizowanych przez enzymy, z czym wi¹¿e siê ich zna-

czenie w syntezie asymetrycznej, a co za tym idzie, w syntezie zwi¹zków naturalnych.

Enzymy s¹ jednak reagentami kosztownymi i trudno dostêpnymi. Tañszym i wy-

godniejszym rozwi¹zaniem jest zastosowanie ca³ych mikroorganizmów, a zw³asz-

cza dro¿d¿y piekarskich ( Saccharomyces cerevisiae) (6,7). W przeciwieñstwie do enzy-

mów dro¿d¿e s¹ surowcem tanim, dostêpnym i ³atwym w u¿yciu w laboratorium

chemicznym nie dysponuj¹cym z regu³y zapleczem mikrobiologicznym. Mo¿na je

stosowaæ w postaci prasowanej, suchej, liofilizowanej czy immobilizowanej, a reak-

cje z ich udzia³em zachodz¹ zarówno w wodzie jak i w rozpuszczalnikach organicz-

nych. ¯ywe komórki dro¿d¿y s¹ w stanie syntetyzowaæ wiele ró¿nych enzymów (8),

a tak¿e koenzymy niezbêdne, np. do przebiegu reakcji utleniania i redukcji, st¹d

najwiêksz¹ popularnoœci¹ cieszy siê ich wykorzystanie w reakcjach mikrobiologicz-

nej redukcji zwi¹zków karbonylowych (9). Ze wzglêdu na tak du¿¹ iloœæ produkowa-

nych enzymów dro¿d¿e mog¹ katalizowaæ równie¿ wiele innych reakcji, np. hydroli-

zê estrów czy redukcjê podwójnych wi¹zañ wêgiel-wêgiel. Zdarza siê, ¿e reakcje te

zachodz¹ równolegle, co prowadzi do obni¿enia ich wydajnoœci. Mo¿na jednak in-

gerowaæ w przebieg reakcji za pomoc¹ inhibitora konkretnych enzymów lub zasto-

sowanie odpowiednich modyfikacji genetycznych.

W opracowaniu omówiono wszystkie te aspekty wykorzystania dro¿d¿y. Poniewa¿

jednak w wiêkszoœci cytowanych artyku³ów przegl¹dowych g³ówn¹ uwagê poœwiêca siê

reakcjom redukcji zwi¹zków karbonylowych (2-7,9), w znaczniejszym stopniu uwagê

skoncentrowano na pozosta³ych dziedzinach zastosowania dro¿d¿y w biotransforma-

cjach ze szczególnym uwzglêdnieniem prac z ostatnich kilkunastu lat.

1. Redukcje zwi¹zków karbonylowych

Reakcja mikrobiologicznej redukcji zwi¹zków karbonylowych pozwala na otrzy-

manie chiralnych alkoholi, które s¹ cennym substratem dla wielu syntez zwi¹zków

naturalnych czy farmaceutyków (9). W systematycznie przeprowadzanych badaniach

redukcji ketonów alifatycznych (6,7) wykazano, ¿e ketony metylowe s¹ Ÿród³em dru-

gorzêdowych alkoholi o konfiguracji ( S ).

114

PRACE PRZEGL¥DOWE

Biotransformacje z udzia³em dro¿d¿y Saccharomyces cerevisiae

Oznacza to, ¿e zgodnie z regu³ami Preloga przeniesienie anionu wodorkowego

nastêpuje od strony Re ketonu.

Przebieg reakcji w du¿ym stopniu zale¿y od budowy przestrzennej substratu.

Ketony sterycznie zat³oczone nie s¹ redukowane w obecnoœci dro¿d¿y piekarskich,

a keton butylowo-etylowy daje w przewadze enancjomer ( R ) odpowiedniego alko-

holu. W redukcji 4-podstawionych aryloacetofenonów do ( S )-1-aryloetanoli osi¹ga-

no umiarkowane wydajnoœci i nadmiar enancjomeryczny rzêdu 80-96% (10). Chocia¿

podstawnik w pozycji 4 nie wp³ywa³ znacz¹co na stereochemiczny przebieg reakcji,

to obecnoœæ ugrupowania elektrodonorowego zmniejsza³a jej szybkoœæ. W pewnych

przypadkach uda³o siê osi¹gn¹æ zadowalaj¹ce rezultaty, np. mikrobiologiczn¹ reak-

cjê redukcji pochodnych (trifluoroacylo)bifenylu zastosowano w syntezie chiralnych

zwi¹zków ciek³okrystalicznych (11).

Kolejn¹ wa¿n¹ grup¹ zwi¹zków redukowanych w sposób enancjo, a tak¿e regio-

selektywny s¹ zwi¹zki dikarbonylowe – diketony i oksoestry. Najdok³adniej zo-

sta³a zbadana reakcja redukcji estrów kwasu acetylooctowego, prowadz¹ca do hy-

droksybutanianów, które s¹ chiralnymi pó³produktami w syntezie farmaceutyków

(np. karbapenem, daunozamina, benzotiazepina). W zale¿noœci od zastosowanych

warunków reakcja ta zachodzi z wydajnoœci¹ 30-80%, a nadmiar enancjomeryczny

produktu ( S ) wynosi 77-98% (6,12).

Aby wyjaœniæ mechanizm redukcji Nakamura i wsp. wydzielili i scharakteryzowali

cztery podstawowe oksydoreduktazy uczestnicz¹ce w tej reakcji, ró¿ni¹ce siê mas¹

cz¹steczkow¹, aktywnoœci¹ i specyficznoœci¹ dzia³ania (13). Dwie z nich katalizo-

wa³y powstawanie enancjomeru ( R ), dwie pozosta³e ( S ), przy czym ka¿da z osobna

dawa³a enancjoselektywnoœæ ponad 99%. Sumaryczne konkurencyjne dzia³anie tych

enzymów obni¿a stereoselektywnoœæ reakcji. Mo¿e byæ ona jednak zwiêkszona po-

przez dodatek substancji inhibituj¹cych dzia³anie konkretnej oksydoreduktazy.

BIOTECHNOLOGIA 3 (74) 113-133 2006

115

Ewa Bia³ecka-Florjañczyk, Ewa Majewska

W tym przypadku dodatek chlorooctanu etylu hamuje dzia³anie trzech enzymów;

aktywnoœæ zachowuje tylko jeden enzym, który katalizuje powstawanie enancjome-

ru ( S ). Natomiast w obecnoœci ketonu metylowo-winylowego tworzy siê stereoizo-

mer ( R).

Podobnie dzia³a inny zwi¹zek nienasycony – alkohol allilowy, zwiêkszaj¹c wy-

dajnoœæ ( R )-hydroksyestru (14). Komórki dro¿d¿y piekarskich s¹ w stanie produko-

waæ równie¿ inne oksydoreduktazy: Furuichi i wsp. (15) wydzielili z nich enzym ka-

talizuj¹cy powstanie ( S )-2-metylo-3-hydroksybutanianu benzylu, ale, w przeciwieñ-

stwie do enzymów scharakteryzowanych przez Nakamurê, nieaktywny w stosunku

do 2-metylo-3-oksobutanianu etylu. Z kolei porównuj¹c trzy oksydoreduktazy wy-

dzielone z dro¿d¿y piekarskich przez Shieha i wsp. (16) z enzymami opisanymi

przez Nakamurê (14), tylko w jednym przypadku mo¿na stwierdziæ zbie¿noœæ w³aœ-

ciwoœci.

Stereochemiczny przebieg redukcji -ketoestrów zale¿y w decyduj¹cym stopniu

od d³ugoœci ³añcucha wêglowodorowego znajduj¹cego siê w cz¹steczce kwasu b¹dŸ

alkoholu. Estry alkoholi o krótkim ³añcuchu (do czterech atomów wêgla) s¹ reduko-

wane do enancjomeru ( S ); natomiast d³u¿szy, hydrofobowy podstawnik sprzyja po-

wstawaniu enancjomeru ( R ). Jest to zatem metoda pozwalaj¹ca na otrzymanie do-

wolnych estrów obu enancjomerów, poniewa¿ po redukcji mo¿na przeprowadziæ

transestryfikacjê nie naruszaj¹c centrum chiralnoœci (18).

Obserwacje te zosta³y wykorzystane w syntezie aminokwasu L-karnityny:

Wyd³u¿enie ³añcucha w cz¹steczce kwasu tak¿e istotnie wp³ywa na rodzaj po-

wstaj¹cego stereoizomeru – o ile w wyniku redukcji 3-oksobutanianu metylu po-

wstaje enancjomer ( S ) to z 3-oksopentanianu metylu tworzy siê w przewadze ( R) hy-

droksyester (18). Natomiast w reakcji redukcji -alkoksykarbonylo- -ketoestrów po-

wstaj¹ chiralne -alkoksykarbonylo- -hydroksyestry, w wiêkszoœci przypadków

o konfiguracji ( S ) (19).

116

PRACE PRZEGL¥DOWE

Biotransformacje z udzia³em dro¿d¿y Saccharomyces cerevisiae

Selektywnoœæ redukcji mo¿na zwiêkszyæ stosuj¹c jako substraty sole potasowe

3-ketokwasów. W ten sposób otrzymano kwas ( R )-3-hydroksy-7-metylookt-6-enowy,

z którego w wyniku kolejnych przekszta³ceñ uzyskano enancjomerycznie czysty

( S )-citronellol (20). Obecnoœæ dodatkowej grupy hydroksylowej w pozycji w -ke-

toestrach wp³ywa na stereochemiczny przebieg reakcji, poniewa¿ przy³¹czenie

anionu wodorkowego zachodzi od bardziej dostêpnej strony p³aszczyzny pierœcie-

nia utworzonego z udzia³em wewn¹trzcz¹steczkowego wi¹zania wodorowego i w re-

zultacie powstaje diastereoizomer (2 S, 3 S ) (21).

Dro¿d¿e mog¹ byæ równie¿ skutecznym katalizatorem redukcji -oksoestrów,

np. kwasu 4-fenylo-2-oksobutanowego. Produkty tej reakcji znajduj¹ zastosowanie

w syntezie inhibitorów enzymu konwertuj¹cego angiotensynê (ACE) (22). Kayser,

Stewart i wsp. badaj¹c redukcjê -ketoestrów otrzymali ( R ) alkohole (23), przy czym

najwy¿sz¹ wydajnoœæ chemiczn¹ i enancjomeryczn¹ uzyskano dla estrów metylo-

wych. Reakcj¹ t¹ pos³u¿ono siê w jednym z etapów syntezy bocznego ³añcucha

w cz¹steczce paklitakselu (œrodek przeciwnowotworowy) (23).

Chiralne -hydroksyketony stanowi¹ wa¿ny blok budulcowy wielu biologicznie

czynnych substancji pochodzenia naturalnego. W pierwszych doniesieniach na te-

mat redukcji 1,2-diketonów za pomoc¹ dro¿d¿y wskazywano na redukcjê obu grup

karbonylowych i powstanie diolu (6). Jednak w póŸniejszych badaniach nad redukcj¹

aromatycznych -diketonów wobec dro¿d¿y piekarskich otrzymywano wy³¹cznie

-hydroksyketony (24). Reakcja redukcji symetrycznych -diketonów jest stereose-

lektywna, a dla niesymetrycznych ketonów ponadto regioselektywna. Wydajnoœci

oraz nadmiary enancjomeryczne s¹ umiarkowane. Zastosowanie buforu fosforano-

wego o pH = 7 wp³ynê³o korzystnie na poprawê wydajnoœci reakcji oraz czystoœci

optycznej produktów (24).

2-Alkilocyklopentano-1,3-diony daj¹ w wyniku reakcji mieszaninê diastereoizo-

merycznych -hydroksyketonów o konfiguracji (S) nowo powstaj¹cego centrum asy-

metrii (6). Gorsze, pod wzglêdem stereoselektywnoœci, wyniki otrzymano w przy-

padku 2-alkilocykloheksano-1,3-dionów (6). Natomiast z wysok¹ stereoselektywnoœ-

ci¹ biegnie reakcja redukcji cykloheksano-1,3-dionu, podstawionego w pozycji dru-

giej grup¹ benzyloksymetylenow¹ (25).

BIOTECHNOLOGIA 3 (74) 113-133 2006

117

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: