Введение

Использование природных катализаторов для осуществления химических превращений. Природные катализаторы, используемые для осуществления химических превращений.

Биокатализ – это использование живых (биологических) систем или их частей для ускорения (катализа) химических реакций. В биокаталитических процессах природные катализаторы, такие как ферменты, осуществляют химические превращения органических соединений. Для этой цели используются как более или менее выделенные ферменты, так и ферменты, остающиеся внутри живых клеток. Современная биотехнология, в частности, направленная эволюция, сделала возможным производство модифицированных или неестественных ферментов. Это позволило разработать ферменты, способные катализировать новые превращения малых молекул, которые могут быть сложными или невозможными с использованием классической синтетической органической химии. Использование природных или модифицированных ферментов для проведения органического синтеза называется химиоэнзимным синтезом; реакции, катализируемые ферментом, классифицируются как химиоэнзимные реакции.

История

Биокатализ лежит в основе одних из самых древних химических превращений, известных человечеству, ведь пивоварение возникло еще до появления письменности. Самые ранние свидетельства пивоварения датируются 6000 лет назад и связаны с шумерами. Использование ферментов и целых клеток имеет важное значение для многих отраслей промышленности на протяжении веков. Наиболее очевидное применение – в пищевой и напиточной промышленности, где производство вина, пива, сыра и других продуктов зависит от действия микроорганизмов. Более ста лет назад биокатализ стали применять для проведения химических превращений не природных, синтетических органических соединений, а за последние 30 лет наблюдается существенный рост использования биокатализа для производства тонкой химии, особенно для фармацевтической промышленности. Поскольку биокатализ имеет дело с ферментами и микроорганизмами, он исторически классифицируется отдельно от "гомогенного катализа" и "гетерогенного катализа". Однако, с точки зрения механизма действия, биокатализ является лишь частным случаем гетерогенного катализа.

Преимущества химиоэнзимного синтеза

Ферменты безвредны для окружающей среды и полностью разлагаются в ней. Большинство ферментов обычно функционируют в мягких или биологических условиях, что минимизирует проблемы нежелательных побочных реакций, таких как разложение, изомеризация, рацемизация и перегруппировка, которые часто возникают при использовании традиционных методов. Ферменты, отобранные для хемоэнзимного синтеза, могут быть иммобилизованы на твердом носителе. Эти иммобилизованные ферменты демонстрируют повышенную стабильность и возможность повторного использования. Благодаря развитию белковой инженерии, в частности, сайт-направленного мутагенеза и направленной эволюции, ферменты можно модифицировать для обеспечения нетипичной реакционной способности. Модификации также могут расширить спектр субстратов, увеличить скорость реакции или оборот катализатора. Ферменты проявляют высокую селективность к своим субстратам. Обычно ферменты демонстрируют три основных типа селективности:

Химоселективность: Поскольку фермент предназначен для воздействия на один тип функциональной группы, другие чувствительные функциональные группы, которые обычно в определенной степени реагируют при химическом катализе, остаются нетронутыми. В результате биокаталитические реакции, как правило, "чище", и трудоемкая очистка продукта (ов) от примесей, образующихся в результате побочных реакций, может быть значительно упрощена. Региоселективность и диастереоселективность: благодаря своей сложной трехмерной структуре ферменты могут различать функциональные группы, расположенные в разных частях молекулы субстрата. Энантиоселективность: поскольку почти все ферменты состоят из L-аминокислот, ферменты являются хиральными катализаторами. Следовательно, любой тип хиральности, присутствующий в молекуле субстрата, "распознается" при образовании фермент-субстратного комплекса. Таким образом, прохиральный субстрат может быть превращен в оптически активный продукт, а оба энантиомера рацемического субстрата могут реагировать с разной скоростью. Эти причины, и особенно последняя, являются основными причинами, по которым синтетические химики заинтересовались биокатализом. Этот интерес, в свою очередь, в основном обусловлен необходимостью синтеза энантиочистых соединений в качестве хиральных строительных блоков для фармацевтических препаратов и агрохимикатов.