Кіріспе

Химиялық түрлендірулерді жүзеге асыру үшін табиғи катализаторларды қолдану. Химиялық түрлендірулерді жүзеге асыру үшін қолданылатын табиғи катализаторлар.

Биокатализ – химиялық реакцияларды жылдамдату (катализдей) үшін тірі (биологиялық) жүйелерді немесе олардың бөліктерін пайдалану. Биокатализдік процестерде ферменттер сияқты табиғи катализаторлар органикалық қосылыстарда химиялық түрлендірулерді жүзеге асырады. Бұл үшін белгілі бір деңгейде оқшауланған ферменттер де, тірі жасушалардың ішінде қалып отырған ферменттер де қолданылады. Қазіргі заманғы биотехнология, әсіресе бағытталған эволюция, модификацияланған немесе табиғи емес ферменттерді өндіруге мүмкіндік берді. Бұл классикалық синтетикалық органикалық химия қолдануы қиын немесе мүмкін емес жаңаша шағын молекулалық түрлендірулерді катализдейтін ферменттерді жасауға мүмкіндік берді. Органикалық синтезді жүзеге асыру үшін табиғи немесе модификацияланған ферменттерді пайдалану химиоэнзималық синтез деп аталады; ферменттер жүзеге асыратын реакциялар химиоэнзималық реакциялар ретінде жіктеледі.

Тарих

Биокатализ – адамзат таныған ең көне химиялық өзгерістердің негізі, себебі сыра жасау жазба тарихынан бұрын пайда болған. Сыра жасаудың ең көне жазбалары шамамен 6000 жыл бұрынғы және олар шумерлерге қатысты. Ферменттер мен толық жасушаларды қолдану ғасырлар бойы көптеген салалар үшін маңызды болды. Ең айқын қолданылуы – тағам және сусын өнеркәсібінде, мысалы, шарап, сыра, ірімшік сияқты өнімдердің өндірісі микроорганизмдердің әсеріне байланысты. Бір жүз жылдан астам бұрын биокатализ табиғи емес, адам жасаған органикалық қосылыстарда химиялық өзгерістер жасау үшін қолданылды, ал соңғы 30 жылда биокатализдің құрамындағы химиялық заттарды, әсіресе фармацевтикалық өнеркәсіп үшін өндіруде айтарлықтай өсім байқалды. Биокатализ ферменттер мен микроорганизмдермен жұмыс істейтіндіктен, тарихи тұрғыдан "гомогенді катализ" және "гетерогенді катализ" деп бөлек жіктеледі. Дегенмен, механизмдік тұрғыдан алғанда, биокатализ – гетерогенді катализдің ерекше бір түрі.

Химоферменттік синтездің артықшылықтары

Ферменттер қоршаған ортаға зиянсыз, олар қоршаған ортада толығымен ыдырайды. Көптеген ферменттер әдетте жеңіл немесе биологиялық жағдайларда жұмыс істейді, бұл ыдырау, изомеризация, рацемизация және қайта құрылымдану сияқты жағымсыз қосымша реакциялардың туындауына байланысты мәселелерді азайтады, бұл мәселелер көбінесе дәстүрлі әдістемелерге кедерес келтіреді. Химоферменттік синтез үшін таңдалған ферменттерді қатты дененің үстіне бекітуге болады. Бұл бекітілген ферменттер жақсартылған тұрақтылық пен қайта пайдалану мүмкіндігін көрсетеді. Протеин инженериясының дамуы, атап айтқанда, сайтқа бағытталған мутация және бағытталған эволюция арқылы ферменттерді табиғи емес реакцияларды жүзеге асыру үшін өзгертуге болады. Модификациялар сонымен қатар субстраттардың кең ауқымын, реакция жылдамдығын немесе катализатордың айналуын арттыруға мүмкіндік береді. Ферменттер өз субстраттарына ерекше таңдаулылық көрсетеді. Әдетте ферменттер таңдаулылықтың үш негізгі түрін көрсетеді:

Химоселективтілік: Ферменттің мақсаты функционалдық топтың бір түріне ғана әсер ету болғандықтан, химиялық катализ кезінде белгілі бір деңгейде реакцияға түсетін басқа сезімтал функционалдық топтар сақталады. Нәтижесінде, биокатализдік реакциялар "таза" болады және қосымша реакциялар арқылы пайда болатын қоспалардан өнімді тазартудың күрделі процесін көп жағдайда болдырмауға болады. Региоселективтілік және диастереоселективтілік: күрделі үш өлшемді құрылымының арқасында ферменттер субстрат молекуласының әртүрлі аймақтарында орналасқан функционалдық топтарды ажырата алады. Энантиоселективтілік: Барлық ферменттер дерлік L-аминқышқылдарынан жасалғандықтан, ферменттер хиральді катализаторлар болып табылады. Осының салдарынан, субстрат молекуласындағы кез келген хиральдық элемент фермент-субстрат кешенінің қалыптасуы кезінде "танылады". Осылайша, прохиральді субстрат оптикалық белсенді өнімге айналуы мүмкін, ал рацемиялық субстраттың екі энантиомері де әртүрлі жылдамдықпен реакцияға түсуі мүмкін. Осы себептер, әсіресе соңғысы, синтетикалық химиктердің биокатализге қызығушылығының басты себептері болып табылады. Бұл қызығушылықтың өзі фармацевтикалық препараттар мен агрохимиялық заттар үшін хиральді құрылыс блогы ретінде энантиотаза өнімдерді синтездеу қажеттілігіне байланысты.