1.A konverziók általános lefolyása:

Átírás

1 Szteroidkonverziók Az emberi szervezetben a szteránvázas hormonoknak a víz- és sóháztartás szabályozásában (mineralo-kortikoidok), az anyagcserében (pl. glükokortikoidok - glükoneogenezis), a nemi működésekben (ösztrogének, gesztagének, tesztoszteron) és a gyulladásos folyamatok szabályozásában van szerepük. A gyógyszeripar sok szteroid hormont és hormon-analógot állít elő, e gyártások egy része biotechnológiai lépéseket tartalmaz. Előállításuk általában soklépéses folyamat, amelyben a biokémiai és szintetikus lépések egyaránt előfordulnak. A biokémiai lépések rendszerint egyetlen enzimes átalakítást jelentenek, azaz biokonverziókról van szó. Az átalakítások során leggyakrabban nyugvósejtes fermentációt (olyan elszaporított sejttömeg, melynek nincs szénforrása, nem szaporodik) alkalmaznak. Az alkalmazott törzsek nagyon sokfélék, lehetnek baktériumok, élesztők, fonalas gombák. A bennük azonosított, és a technológiában kihasznált enzimek eredeti szubsztrátja nem az átalakítandó szteroid, hanem valamilyen más molekula, csak a szerkezeti hasonlóság miatt az enzim felismeri, megköti és átalakítja a szteránváz bizonyos régióját. 1.A konverziók általános lefolyása: Számos különböző technológia létezik, ezek tipikus, közös lépéseit a következőképpen foglalhatjuk össze: nyugvó sejttömeg előállítása enzimtermelés konverzió induktor hozzáadása szubsztrát (szteroid v. analóg bevitele molekula) A folyamat lépései tehát: ltás Sejtszaporítás a törzs igényeinek megfelelő tápoldaton. A sejtek elszaporodása és a táptalaj részleges kimerülése után a konverzióhoz szükséges enzimet indukálják - induktor anyagot adagolnak. Ez lehet a szteroid szubsztrát kis adagja, vagy olcsóbb szintetikus molekula, pl. naftol-származék. Az indukció hatékonyságát enzimaktivitás méréssel lehet ellenőrizni. Az aktivitás általában óra alatt eléri a kívánt szintet. A szteroid szubsztrát beadagolása. Komoly problémát jelent, hogy a szteroidok rosszul oldódnak vízben, ezért azokat különböző technikákkal viszik be a fermentlébe: - A szubsztrátot felveszik oldószerben (pl.: etanol, mert az nem nagyon károsítja a tenyészetet), és lassan a fermentorba engedik. A szteroid a vizes fázisban kikristályosodik, megfelelő kivitelezéssel igen apró, nagy felületű kristályokat kapunk. - lajokkal, tenzidekkel és detergensekkel megolvasztják a szteroidot (lesterilezik), és az olvadt anyag apró cseppekre diszpergálható (emulzió képzés). Lehűtve az apró cseppekből apró szemcsék/kristályok lesznek, nagy fajlagos felülettel. - A ciklodextrinek molekulája alkalmas apoláris jellegű molekulák befogadására, így a szteroidokkal is zárványvegyületet képez. Ez egy reverzibilis folyamat, a szabad és kötött molekulák kémiai egyensúlyban vannak. Ahogy az átalakulás során a szabad szubsztrát molekulák fogynak, a komplexből felszabadulva folyamatosan pótlódnak. A rosszul oldódó szubsztrát tehát apró, nagy fajlagos felületű kristá- BME Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudomány Tanszék 1

2 lyok formájában van jelen a lében, a vizes fázis telített oldatnak tekinthető. A mikroba az oldatból felveszi a szubsztrátot, átalakítja, és leadja a terméket. A termék is rosszul oldódó szteroid, koncentrációja gyorsan eléri az oldhatósági határt, és ez is kikristályosodik a fermentléből. Ezt a jelenséget kristályfermentációnak nevezik. Látszólag nem történik semmi, a folyadékban a kristályok mennyisége nem változik, a szubsztrát és a termék koncentrációja állandó (telítési), a konverzió mégis megtörténik. Végtermékgátlás nem lép fel, hátránya viszont, hogy tömegátadási problémák léphetnek fel. Feldolgozás. A szteroid egy része oldott, a másik része szilárd fázisban van, ilyenkor rendszerint teljes/totál extrakciót végeznek erősen apoláris oldószerrel, pl. diklór-metánnal, mely minden apoláris anyagot kiold. Az oldószer lehajtása után vegyes anyag marad vissza (pl. szubsztrát, termék és melléktermékek együtt). A következő lépésben olyan oldószert alkalmaznak, mely szelektíven old ki egy komponenst = ez a szelektív-, vagy differenciál-extrakció. A szterán alapváz: R 2 R 3 Ahol R 2 metilcsoport, R 1 metil vagy H, az R 3 variábilis szubsztituens. R 1 A különböző szteroidok előállításához alapanyagként növényi, állati és szintetikus szteroidokat használnak fel. Növényi eredetű szteroid a szitoszterin, mely a szójaolajban és egyes fafajták anyagában található, illetve a sztigmaszterin, amely a babfélékben fordul elő. A koleszterint állatok epeváladékából nyerik, míg szintetikus úton hasonló vegyületeket pl. β-naftol és borostyánkősav-anhidrid reakciójával állíthatunk elő. Az egyes konverziókat az alapanyagokból kiindulva, lépésről lépésre tárgyaljuk, így jutunk el az egyes funkcionális csopotokhoz. 2. Szitoszterolból előállított vegyületek: 2.1 Androsztén-dion (AD) Az átalakítást Mycobacterium phlei-vel végzik. A konverzió hatásfoka kb. 70%-os: 24 g/l szitoszterinből 10g/l AD + 3g/l szitoszterin + 1g/l egyéb anyag keletkezik A teljes fermentlevet extrahálják diklór-metánnal, majd szűrik. A szelektív extrakciót 85%-os metanollal végzik, amely az androsztén-diont oldja, a szitoszterint viszont nem. A reakció második lépése kémiai szintézis, vízmentes THF-ben hajtják végre fém kálium és acetilén gáz jelenlétében. A keletkezett etiszterol maga is gyógyszerhatóanyag (progeszteron hatású) de további progeszteron származékokat (két szénatomos egység a D gyűrűn) és spironolaktont (vízhajtó) állítanak elő belőle. BME Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudomány Tanszék 2

3 2.2. 9α-hidroxi-androsztén-dion (9αH-AD) Mikroorganizmus: Mycobacterium smegmatis A biokonverzióban 30 g/l-es koncentrációban bevitt szitoszterinből a mólsúly csökkenést és a melléktermék képződést figyelembe véve 14,5 g/l elméleti konverzió érhető el. Az üzemi fermentációnál g/l-es átlagszint érhető el. (Konverziós fok ~ 70%). Feldolgozás: szelektív oldószerként di-izopropil-étert alkalmaznak, amely a szitoszterolt oldja, a 9-H-AD-t nem. A második lépés itt is kémiai, a vízelvonáshoz 85%-os H 3 P 4 -ban főzik, melynek hatására a 9. és a 11. szénatom között kettős kötés alakul ki, erre később könnyen addícionáltathatunk pl. vizet, vagy HF-ot. Mindkét esetben az elektronszívó csoport a 11 C atomra orientálódik, a kialakuló szerkezet a gyulladásgátló szteroidok alapja BME Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudomány Tanszék 3

4 Víz addíciónál az H csoport a 11-es szénatomra kötődik. A 11-H-AD-hez fém káliumot és acetilént adva 11-H etiszterol keletkezik, melynek C2 oldalláncát több lépésben átalakítva hidrokortizon állítható elő. 3. Gyulladásgátlók HF-ot addícionáltatva fluorid származékokat, szuperkortikoidokat (nagyhatású gyulladásgátlókat ) kapunk. A hidrokortizon gyulladásgátló és további gyulladásgátlók alapanyaga, amelyet a klasszikus úton REICHSTEIN-S acetátból állítottak elő, de a 11H-etiszteronból is kialakítható. H Ac H H H Curvularia lunata REICHSTEIN-S acetát H H H hidrokortizon Arthrobacter simplex prednizolon A hidrokortizon is hatékony gyulladásgátló, de kedvezőtlenül hat a só és vízháztartás- BME Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudomány Tanszék 4

5 ra, ezért kis módosítással prednizolont állítanak elő belőle, amely szintén jó gyulladásgátló, azonban kevesebb a mellékhatása. A prednizolon vízoldhatósága különböző szubsztituensek hozzákapcsolásával növelhető: H H N N CH 3 Depersolon A prednizolonból állítják elő a FTRCRT kenőcs hatóanyagát, a triamcinolon-acetonidot: 4. Nemi hormonok: 4.1. Androgén szteroid hormonok Az androgén szteroidok hatása kettős: 1. Androgén hatás - A férfi nemi szervek kifejlődése és növekedése - A normális férfi szexuális működés fenntartása - A másodlagos nemi jellegek kialakítása - Szükségesek a hímivarsejtek éréséhez 2. Anabolikus hatás - Izomtömeg növelése - Fékezik a katabolizmust és a lebontó folyamatokat rvosilag csak az anabolikus hatás a cél (roborálás). BME Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudomány Tanszék 5

6 lyan származékokat keresnek, amelynél az anabolikus hatás nagyobb, az androgén pedig kisebb. Ezeket egyes sportolók és a testépítők doppingszerként is alkalmazzák (Sztanozolol, Nandrolon). A korábban bemutatott gyártású androszténdion tehát a férfi nemi hormonok közé tartozik. Az emberi szervezetben végbemenő bioszintetikus utak és az ipari gyártás reakciósora nem esik egybe. A humán út a koleszterinből indul, az ipari gyártásnál az AD a megfelelő kiindulási anyag. A bioszintézis: Tesztoszteron A tesztoszteron egy lépésben ketoredukcióval állítható elő az androszténdionból, azaz közvetve szitoszterolból. A konverziót szelektált Saccharomyces cerevisiae élesztő törzzsel BME Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudomány Tanszék 6

7 végzik. Magyarországon gyártott anabolikus jellegű tesztoszteron származék a Nerobol, melyet az orvosi gyakorlatban roborálásra fejlesztettek ki, egyes sportolók és testépítők viszont doppingszerként használják. Gyártása: Metilezés metil-tesztoszteron Dehidrogénezés, ugyanolyan, mint a hidrokortizon prednizolon átalakításnál. Az A gyűrű a három konjugált kötés miatt síkba merevedik. Eredmény: anabolikus hatás marad, androgén hatás csökken Női szteroid hormonok A női szteroid hormonok két, eltérő szerkezetű és hatású csoportba sorolhatók: 1. A természetes ösztrogének fiziológiai szerepe - A női nemi szervek kifejlődése - A másodlagos nemi jellegek kialakítása (női, férfi) - A peteérésben és a fogamzásban - A csontsűrűség szabályozásában (női, férfi) - Anyagcserében 2. A természetes gesztagének fiziológiai szerepe - A terhesség megtartása - A peteérés és ovuláció gátlása - A spontán méhösszehúzódások gátlása BME Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudomány Tanszék 7

8 Bioszintézisük ráépül a férfi szteroid hormonokéra: A progeszteron a terhességet megtartó hormon. Ennek szintetikus szerkezet-analógjait alkalmazzák hormonális fogamzásgátlásra: BME Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudomány Tanszék 8

9 A NR szteroidok előállítása: 5. Szintetikus nor-szteroidok Nor-szteroidok: a nor jelző a szerves kémiában arra utal, hogy a molekulában egy szénatom hiányzik. Ebben az esetben a 19-es metil csoport hiányzik Szeko-szteroidok: a szeko- előtag felnyitott gyűrűre utal, itt a C gyűrű nyitott, a 8-14 kötés hiányzik Szintetikus gyártás: β-naftol és borostyánkősav-anhidrid alapanyagból. A termékek fontos fogamzásgátlók H B-naftol CH 3 tetralin CH 3 CH 3 metil-szekodion borostyánkõsav-anhidrid metil-ciklopentán-dion H CH 3 Molon Az első lépések szintetikusak: a naftolból részleges hidrogénezéssel tetralint, a borostyánkősav-anhidridből metil-ciklopentán-diont állítanak elő. A két molekula összekapcsolásával jön létre a metil-szekodion. Ezután következik a biokonverzió, a két egyenértékű keto-csoport egyikét redukálják. A reakció analóg az androszténdion tesztoszteron átalakítással, ugyanazokkal a szelektált élesztőtörzsekkel végzik. A terméket rövid néven molonnak nevezik. Feldolgozás: a kivált terméket és a sejteket leszűrik, majd a szűrőlepényt etilacetáttal BME Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudomány Tanszék 9

10 extrahálják. Az etil származék (etolon) gyártása teljesen analóg a módon történik. BME Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudomány Tanszék 10