Промышленное производство стероидных гормонов

1. Исходное сырье для получения стероидных гормонов

стероидный гормон гидролиз

Природные стерины — сырье для получения ценных лекарственных препаратов.

Большой класс стероидов характеризуется наличием в молекуле специфического циклического скелета — циклопентанпергидрофенантрена, построенного из четырех колец, три из которых шестичленные (А, В и С) и одно — пятичленное (D). Для обозначения различных положений этого кольца принята следующая нумерация. К стеринам (стеролам) относятся стероиды, несущие в положении С-3 гидроксильную группу.

Одним из наиболее важных и хорошо изученных стеринов является холестерин (класс зоостеринов), имеющий бруттоформулу С27Н46О.

Он обнаруживается почти во всех органах и тканях животных и человека. Холестерин принимает участие в физиологических процессах, происходящих в живой клетке, без его участия не может развиваться растущий организм. Желчные камни человека на 99% состоят из холестерина, богаты этим соединением надпочечники и другие органы. Спинной мозг и мозг рогатого скота представляет собой наилучший материал для промышленного получения холестерина. Он считался специфическим животным стерином до тех пор, пока он не был обнаружен в некоторых растениях и в морских красных водорослях. Точная структурная формула этого соединения была установлена лишь в 1932 г., хотя впервые он был выделен из желчных камней в 1782 г.

Другие стерины, встречающиеся в природе, отличаются от холестерина или по длине боковой цепи, или по степени насыщенности.

Стерины растений (фитостерины). Очень важный класс соединений, они служат источником получения многих ценных стероидных препаратов.

Эргостерин по структуре отличается от холестерина дополнительной метильной группой в боковой цепи при С-24, а также имеет две дополнительные двойные связи: одна из них при С-7, другая в боковой цепи при 22- и 23-углеродных атомах. Эргостерин является провитамином витамина D. Строение эргостерина было установлено в 1934 г.

Он встречается у многочисленных представителей растительного мира, а также у грибов, микроорганизмов и других представителей живого мира. Особенно велико содержание эргостерина у дрожжевых микроорганизмов. Для промышленного получения эргостерина чаще всего используются пекарские дрожжи, содержание эргостерина в них колеблется в зависимости от расы, питательной среды и культивирования от 0,2 до 15% на сухую массу.

Стигмастерин С29H48О — один из наиболее распространенных фитостеринов, он содержится в большом количестве в соевом масле и сахарном тростнике. По структуре стигмастерин отличается от холестерина наличием двойной связи между 22 и 23-углеродными атомами и наличием этильной группы в положении 24.

Другим широко распространенным растительным стерином является ситостерин С29Н50О. По строению он сходен со стигмастерином, отличаясь от него лишь отсутствием двойной связи в боковой цепи.

Ситостерины встречаются в хлопковом и соевом маслах, в зародышах пшеницы и натуральном каучуке, в сахарном тростнике и другом растительном материале. Коммерческим источником ситостеринов чаще всего являются тростник и хлопковое масло. Ситостерины и стигмастерин — наиболее перспективные и дешевые исходные продукты для получения стероидных гормонов.

Стерины необходимы для осуществления физиологических и биохимических функций живого организма. Предполагается, что стерины требуются для образования мембранных систем, клеточных оболочек и других структурных образований клетки. Есть данные о том, что стерины являются защитным фактором против токсического действия многих природных соединений.

Основные пути биосинтеза стероидных гормонов из холестерина. В организме животных и человека из холестерина образуются три важные группы гормонов: прогестины, половые гормоны и гормоны коры надпочечников (кортикостероиды).

При образовании стероидных гормонов из холестерина сначала образуется прегненолон — основной промежуточный продукт биосинтеза стероидов и кортикостероидов. Окисление ОН-группы прегненолона в С=0 сопровождается перемещением двойной связи; продуктом этой кетостероидизомеразной реакции является прогестерон — гормон плаценты и желтого тела.

Прегненолон является также предшественником мужских половых гормонов (тестостерона) и женских половых гормонов (эстрогенов — эстрона, эстрадиола). В коре надпочечников прогестерон превращается в кортикостерон и кортизол (гидрокортизон): секреция кортизола достигает у взрослого человека 15- 30 мг в день. Эти вещества были первоначально выделены из коры надпочечников в кристаллическом виде.

Кортизол (гидрокортизон) и его синтетические аналоги такие, как преднизолон или дексаметазон, принадлежит к числу современных средств экстренной терапии, благодаря их уникальному противовоспалительному, десенсибилизирующему и противошоковому действию. По своему химическому строению они могут быть разделены на 11-дезоксистероиды, 11-гидроксистероиды, 11,17-дигидрокснстероиды (к последним относятся кортизон и гидрокортизон).

Биотехнология стероидных гормонов. Традиционные источники получения стероидных гормонов. Проблемы трансформации стероидных структур

Стероидные гормоны являются производными стеролов, синтезируются в надпочечниках, семенниках, яичниках и некоторых других органах и тканях (печень, плацента). К стероидным гормонам относятся кортикостерон, кортизол, альдостерон, прогестерон, эстрадиол, эстриол, тестостерон, а также стерол витамина Д-кальцитриол.

Биосинтез стероидных гормонов

Существует два пути биосинтеза стероидных гормонов. Первый путь состоит в превращении холестерола в стероидные гормоны путём окисления его в прогестерон и, далее, в другие производные последнего. Этот путь реализуется в надпочечных железах под влиянием адренокортикотропного гормона. Второй путь заключается в биосинтезе гормонов из ацетил-КоА, минуя холестерол. Промежуточным продуктом биосинтеза является прогестерон.

Стероиды– производные полициклических спиртов – стеролов, у которых укорочена (окислена) боковая цепь (20-27атомы). Из биологических объектов выделено несколько десятков стероидов. Но только примерно двадцати из них свойственна гормональная функция. Так, в короковом веществе надпочечников продуцируется более 40 различных стероидов, которым присвоено общее название – кортикостероиды. Восемь из них являются гормонами. Наибольшее распространение и значение в организме имеют кортикостерон, 17-оксикортикостерон (кортизол) и альдостерон (в сумме они составляют 4/5 всех кортикостероидов коры надпочечников).

Кортикостерон– кристаллическое соединение с tпл.=220°С. Растворы препарата оптически активны. В течение суток в надпочечниках синтезируется от 4,9 до 7,9мг кортизола. В норме, содержание кортизола в периферической крови человека составляет 110мкг/л.

Альдостерон– кристаллическое вещество с tпл.=219°С. Растворы препарата оптически активны. В надпочечниках за сутки образуется 0,15-0,4мг альдостерона. На его долю приходится всего 1-2% от суммы кортикостероидов. При недостаточности альдостерона развивается бронзовая болезнь, характеризующаяся резким нарушением минерального обмена.

Тестостерон– кристаллы с tпл.=155°С. Оптически активен. Содержание у человека составляет 21,6мкг/л (сырой ткани).

Эстрадиолкристаллизуется в двух модификациях: в виде перистых листочков с tпл.=175-177°С и в форме призматических игл с tпл.=178,5-179,5°С. Вырабатывается в яичниках в количестве 1мг в сутки. При недостаточности эстрадиола у женщин нарушаются циклы менструации, происходят самопроизвольные выкидыши, развивается ожирение. Эстрадиол оказывает влияние на обмен углеводов, белков и нуклеиновых кислот.

Внедрение биотрансформации в процессы получения стероидных гормональных препаратов вызвало буквально переворот в фармацевтической промышленности, позволив многократно удешевить и сделать эти ценные лекарственные препараты доступными для большинства нужд Для синтеза указанных гормонов используют природные соединения, содержащие стероидную структуру, которую необходимо химически модифицировать перед введением функциональных заместителей того или иного гормона.

В качестве исходного сырья для производства этих препаратов используются стерины растений (класс фитостеринов). Прежде всего, это — эргостерин, обнаруженный у многочисленных представителей растительного мира, а также у грибов и микроорганизмов.

Особенно много эргостерина в дрожжевых микроорганизмах (для его промышленного получения используют пекарские дрожжи).

Следующий представитель фитостеринов — стигмастерин, который в значительных количествах присутствует в соевом масле и сахарном тростнике. Весьма близок к нему по структуре (i-сито-стерин, отличаясь лишь отсутствием двойной связи в боковой цепи .

Ситостерины присутствуют в больших количествах в хлопковом масле, в зародышах пшеницы, в натуральном каучуке, в сахарном тростнике. Получают ситостерин и при переработке древесины в целлюлозно-бумажном производстве.

В условиях промышленного производства из ситостерина получают андростендион (АД) путем окисления боковой цепи стерина с образованием 17-кетоандростана с помощью мутантных штаммов Mycobacterium vacca (штаммы, у которых блокированы системы, ответственные за полный распад стероидного скелета). В этой комплексной технологии помимо химических стадий используются методы микробиологической трансформации для введения гидроксильной группы в 1,1-положение стероидной структуры и двойной связи в 1,2-положение. Для этих групп известны альтернативные химические варианты, но они уступают по эффективности биотрансформации из-за многостадийности, более низкого выхода и по экологическим показателям. О высокой региосе-лективности микробиологического отщепления боковой цепи ситостерина (без затрагивания стероидного скелета) свидетельствует высокий выход (70 — 80%) продукта трансформации.

Кроме выхода целевого продукта важным показателем, определяющим экономичность процесса микробиологической трансформации стероидного субстрата, является концентрация стероида в культуральной жидкости. В данном процессе концентрация ситостерина составляет 10—15 г/л, при этом стерин вносится в культуральную жидкость в микронизированном виде. Поскольку стероиды трудно растворимы в воде, то и целевой продукт трансформации — АД на 99 % выделяется в виде кристаллов.

Это свойство стероида определяет метод его извлечения. Сначала методом фильтрации культуральную жидкость отделяют от биомассы и кристаллов АД. Затем последние растворяют в ацетоне и еще раз фильтруют для отделения от биомассы. Концентрированием ацетонового раствора выделяют АД, который на конечной стадии перекристаллизовывают. Аналитический контроль реакции трансформации ведут отбором проб через определенные временные интервалы и анализом их методом тонкослойной хроматографии на силуфоле в присутствии «свидетелей» — исходного стероида, целевого продукта трансформации и некоторых промежуточных и побочных продуктов, которые участвуют в данном процессе. Дальнейшей химической модификацией АД получают такие препараты, как тестостерон, метилтестостерон, оксипрогестерона капронат, спиронолактон и др.

Биотрансформация стероидов — аэробный процесс глубинной ферментации, для проведения которой используется оборудование, отвечающее высокой степени массообмена. Трансформация может осуществляться как растущей на среде культурой, так и отмытыми от питательной среды клетками микроорганизма. Последний вариант предпочтительнее, поскольку облегчает выделение и очистку целевого продукта. Но, как показала производственная практика, не все микроорганизмы переносят промышленное сепарирование без потери активности; так, представители мукоровых грибов очень чувствительны к сепарированию, тогда как представители несовершенных грибов теряют свою активность незначительно.

Способность трансформировать стероиды обнаружена в самых разных группах микроорганизмов. Используются, как правило, естественные штаммы, выделенные из почвы или из других объектов. Условно можно сказать, что процессы гидроксилирования наиболее распространены среди грибов. Так, процесс гидроксилирования способны осуществлять представители 300 видов микроорганизмов, причем 50 % из них — несовершенные грибы и 20 % — фикомицеты. Бактериальным культурам больше присущи процессы окисления гидроксильных групп до кетонов, восстановление кетонов до оксигрупп, введение в кольцо стероидной молекулы двойных связей.

Наиболее известные lα-гидроксилирующие культуры относятся к родам Absidia, Beanveria, Curvularia, Cunninghamella. Для дегидрирования в положении 1,2 в основном применяют Согупе-bacterium simplex. Для изомеризации с одновременным окислением 3-оксигруппы в 3-кетогруппу широко используются штаммы Corynebacterium mediolanum (sin. Flavobacterium dehydrogenans). Отметим важность этой реакции, поскольку источники сырья (диосгенин, соласодин) содержат 3-оксигруппу, тогда как активные стероидные препараты должны иметь 3-кетогруппу.

Специфическая особенность процесса биотрансформаций — использование чистых культур микроорганизмов. Поэтому все операции по подготовке и выращиванию трансформирующих культур проводят в стерильных условиях. Используют культуру-трансформатор в стадии замедления роста, когда питательные компоненты среды в значительной степени израсходованы, а сильно разросшаяся культура подавляет рост посторонней микрофлоры. Что касается микробиологического контроля, то он осуществляется только на стадии выращивания трансформирующей культуры.

Стероиды — малорастворимые в воде соединения: их растворимость колеблется от 0,3 г/л (гидрокортизон) до 0,01 г/л (ацетонид фторкортексолона). Важным аспектом эффективности процессов трансформации является выбор оптимальной концентрации субстрата, зависящий от биологической доступности последнего. Поэтому трансформационные процессы осуществляют обычно при концентрации субстрата в пределах 1 — 10 г/л, что предполагает нахождение основной массы стероида в твердой фазе. В этом случае необходимым условием является высокая степень предварительного измельчения стероидного субстрата (поступает в среду в микронизированном виде) с использованием ультразвуковых или механических измельчителей. В случае, когда растворимость стероидного субстрата слишком мала для проявления присущей микроорганизму ферментативной активности, задействуют методы, повышающие водорастворимость стероидов.

Первый — подача стероида в растворителе, смешивающемся с водой (ацетоне, метаноле, этаноле, диметилформамиде, диметилсульфоксиде и др.). Ограничением для применения этого метода является токсичность определенных концентраций растворителей.

Второй — использование водорастворимых форм стероидов в виде натриевых солей 2,1-гемисукцинатов или фосфатов. Осложняющим моментом для широкого использования таких модификаций является высокая степень избирательности по отношению к ним со стороны микроорганизмов, например для дегидрирующего микроорганизма Corynebacterium simplex эти формы стероидов оказались недоступны.

Третий метод — заключение стероидов в растворимый комплекс с циклодекстрином. Использование комплекса стероидов с циклодекстрином не имеет ограничений предыдущих методов.

Микробиологическое гидроксилирование — наиболее часто применяемый метод получения стероидных препаратов, так как присутствие гидроксильных групп в 3,11,16,17-положениях молекулы стероида обусловливает, как правило, физиологическую активность для большинства гормональных стероидных препаратов.

Дата добавления: 2018-04-04 ; просмотров: 3142 ; ЗАКАЗАТЬ РАБОТУ

Гормоны.

Биотехнология предоставляет медицине новые пути получения ценных гормональных препаратов. Особенно большие сдвиги произошли в последние годы в направлении синтеза пептидных гормонов.

Раньше гормоны получали из органов и тканей животных и человека (крови доноров, удаленных при операциях органов, трупного материала). Требовалось много материала для получения небольшого количества продукта. Так, человеческий гормон роста (соматотропин) получали из гипофиза человека, каждый гипофиз содержит его не более 4 мг. В то же время для лечения одного ребенка, страдающего карликовостью, требуется около 7 мг соматотропина в неделю; курс лечения должен продолжаться несколько лет. С применением генноинженерного штамма Е. coli в настоящее время получают до 100 мг гормона роста на 1 л среды культивирования. Открываются перспективы борьбы не только с карликовостью, но и с низкорослостью — более слабой степенью дефицита соматотропина. Соматотропин способствует заживлению ран и ожогов, наряду с кальцитонином (гормоном щитовидной железы) регулирует обмен Са 2+ в костной ткани.

Инсулин, пептидный гормон островков Лангерганса поджелудочной железы, представляет основное средство лечения при сахарном диабете. Эта болезнь вызвана дефицитом инсулина и проявляется повышением уровня глюкозы в крови. До недавнего времени инсулин получали из поджелудочной железы быка и свиньи. Препарат отличался от человеческого инсулина 1—3 аминокислотными заменами, так что возникала угроза аллергических реакций, особенно у детей. Широкомасштабное терапевтическое применение инсулина сдерживалось его высокой стоимостью и ограниченностью ресурсов. Путем химической модификации инсулин из животных удалось сделать неотличимым от человеческого, но это означало дополнительное удорожание продукта.

Компания EliLillyс 1982 г. производит генноинженерный инсулин на основе раздельного синтезаЕ. coli его А- и В-цепей. Стоимость продукта значительно снизилась, получаемый инсулин идентичен человеческому. С 1980 г. в печати имеются сообщения о клонировании уЕ. сой гена проинсулина — предшественника гормона, переходящего в зрелую форму при ограниченном протеолизе.

К лечению диабета приложена также технология инкапсулирования: клетки поджелудочной железы в капсуле, введенные однократно в организм больного, продуцируют инсулин в течение года.

Компания IntegratedGeneticsприступила к выпуску фолликулостимулирующего и лютенизирующего гормонов. Эти пептиды составлены из двух субъединиц. На повестке дня вопрос о промышленном синтезе олигопептидных гормонов нервной системы — энкефалинов, построенных из 5 аминокислотных остатков, и эндорфинов, аналогов морфина. При рациональном применении эти пептиды снимают болевые ощущения, создают хорошее настроение, повышают работоспособность, концентрируют внимание, улучшают память, приводят в порядок режим сна и бодрствования. Примером успешного применения методов генетической инженерии может служить синтез рэндорфина по технологии гибридных белков, описанной выше для другого пептидного гормона, соматостатина.

Значителен вклад биотехнологии и в промышленное производство непептидных гормонов, в первую очередь стероидов. Методы микробиологической трансформации позволили резко сократить число этапов химического синтеза кортизона, гормона надпочечников, применяемого для лечения ревматоидного артрита. При производстве стероидных гормонов широко используют иммобилизованные микробные клетки, например Arthrobacter globiformis, для синтеза преднизолона из гидрокортизона. Имеются разработки по получению гормона щитовидной железы тироксина из микроводорослей.

Биотехнология в животноводстве

Способность клеток микроорганизмов к сложнейшим процессам биотрансформации наиболее полно реализовалась при получении промышленно важных стероидов. Использование абсолютной субстрактной специфичности биологических катализаторов, присущих целым клеткам микроорганизмов, позволило разработать условия осуществления множества химических реакций для структурных перестроек стероидов. В результате были получены новые соединения с лучшими фармакологическими свойствами. Микробиологические трансформации стероидов заключаются в селективном воздействии на одно из положений стероидного скелета. Первый промышленный процесс микробной биотрансформации стероидов основывался на технологии направленного гидроксилирования (11-альфа-гидроксилирование) прогестерона некоторыми видами грибов (Aspergillus ashraceus; рис. 11.1).

Рис. 11. 2. Гидроксилирование кортизола

Значимость другой, разработанной аналогичным методом микробной трансформации, определяется тем, что процессы гидроксилирования кортикостерона лежат в основе промышленного получения следующих ценных продуктов:
1.Противовоспалительных и противоопухолевых препаратов;
2. Транквилизаторов;
3. Анестезирующих средств;
4. Половых гормонов.
Производство ещё одного важного в промышленном масштабе противовоспалительного препарата преднизолона, осуществляется путём микробного гидроксилирования кортизола Arthrobacter simplex (рис. 11. 2).
Необходимо, чтобы среда для осуществления реакции окисления кортизола в преднизолон культурой клеток Arthrobacter simplex включала пептон, глюкозу и кукурузный экстракт.
Правильность преобразования стероидного субстрата контролируют, сочетая химический подход со специфичностью биологической системы. Например, образование уксуснокислого эфира препятствует другим побочным реакциям.
Важнейший источник стероидных гормонов – культуры клеток растений. Так, культура клеток диоскореи дельтовидной корневого изготовления, продуцирует фитостерин диосгенин и его гликозидные производные (сапонины).
Существенно, что способность к сверхсинтезу гликозидов ряда штамммов диоскореи, например штаммма ДМ-ОГ, стабильно поддерживалась в течение 27 лет.
Таким образом, культивирование клеток растений in vitro представляет собой новое решение проблемы промышленного получения вторичных метаболитов.
Дальнейшие успехи в производстве стероидных препаратов связывают с:
1. Применением иммобилизованных клеток;
2.Использованием оптимального сочетания биологических и химических превращений;
3. Совершенствованием технологии очистки получаемых соединений.
Среды для биотрансформации стероидов имеют сложный состав, поэтому к технологии предъявляются требования:
1. Строгого контроля за каждым параметром применяемой среды (рН, время, температура и т. д.);
2.Требуется, чтобы через сутки к смеси добавлялось вещество S Рейхштейна.
3. Необходимо, чтобы процесс осуществлялся в строго нейтральной среде, при температуре 28 ° С, в течение 120 ч, при оптимальном выходе преднизолона — 93%.
4. Требуется, чтобы крупномасштабное производство преднизолона, путём биотрансформации стероидов, обеспечивало снижение стоимости этого препарата не менее чем в 200 раз.
В проблеме регуляции действия генов у млекопитающих наиболее изучено регулирование проявления действия генов с помощью стероидных гормонов. Общий механизм их действия состоит в активации транскрипции на геномном уровне. Стероидный гормон прикрепляется к молекулам белка рецептора в цитоплазме специфических клеток-мишеней, восприимчивых к стероиду. Образовавшийся в результате этого комплекс стероидного гормона с рецептором мигрирует в ядро, где он прикрепляется к специфическому сайту ДНК в пределах чувствительных к стероиду генов и значительно повышает активность транскрипции этих генов. Исходя из этого, действия стероидного гормона – один из наиболее вероятных путей регуляции проявления генов у трансгенных животных.
Микроорганизмы используются и на отдельных стадиях синтеза лекарственных веществ, который ранее осуществлялся путём многоступенчатых и дорогостоящих химических реакций. Так, один из штаммов хлебной плесени, Rhizopus arrhizus, на начальном этапе синтеза стероида кортизона может гидроксилировать прогестерон. Применение подобной стратегии биоконверсии наряду с традиционными химическими превращениями позволило получать многие стероиды более простыми и дешёвыми способами на основе стеролсодержащего растительного сырья. Именно благодаря этому такие стероиды, как преднизон, дексаметазон, тестостерон и эстрадиол, могут сегодня широко применяться в клинической практике. Некоторое представление об исключительной важности этих веществ в терапии можно получить, ознакомившись с данными таблицы 11.1., где перечислены основные области применения стероидов при заболеваниях.

Биотрансформации стероидных гормонов

Способность клеток микроорганизмов к сложнейшим процессам биотрансформации наиболее полно реализовалась при получении промышленно важных стероидов. Использование абсолютной субстрактной специфичности биологических катализаторов, присущих целым клеткам микроорганизмов, позволило разработать условия осуществления множества химических реакций для структурных перестроек стероидов. В результате были получены новые соединения с лучшими фармакологическими свойствами. Микробиологические трансформации стероидов заключаются в селективном воздействии на одно из положений стероидного скелета. Первый промышленный процесс микробной биотрансформациистероидов основывался на технологии направленного гидроксилирования (11-альфа-гидроксилирование) прогестерона некоторыми видами грибов (Aspergillus ashraceus; рис. 11.1).

Рис. 11.1. Гидроксилирование прогестерона

Значимость другой, разработанной аналогичным методом, микробной трансформации определяется тем, что процессы гидроксилирования кортикостерона лежат в основе промышленного получения следующих ценных продуктов:

1.Противовоспалительных и противоопухолевых препаратов;

Производство ещё одного важного в промышленном масштабе противовоспалительного препарата преднизолона, осуществляется путём микробного гидроксилирования кортизола Arthrobacter simplecs (рис. 11. 2). Необходимо, чтобы среда для осуществления реакции окисления кортизола в преднизолон культурой клеток Arthrobacter simplex включа-ла пептон, глюкозу и кукурузный экстракт.

Правильность преобразования стероидного субстрата контролируют, сочетая химический подход со специфичностью биологической системы. Например, образование уксуснокислого эфира препятствует другим побочным реакциям.

Важнейший источник стероид- ных гормонов – культуры клеток растений. Так, культура клеток диоскореи дельтовиднойкорневого изготовления, продуцирует фитосте-рин диосгенин и его гликозидные производные (сапонины).

Существенно, что способность к сверхсинтезу гликозидов ряда штамммов диоскореи, например штаммма ДМ-ОГ, стабильно поддерживалась в течение 27 лет.

Таким образом, культивирование клеток растений in vitro представляет собой новое решение проблемы промышленного получения вторичных метаболитов.

Дальнейшие успехи в производстве стероидных препаратов связывают с:

1. Применением иммобилизованных клеток;

2.Использованием оптимального сочетания биологических и химических превращений;

3. Совершенствованием технологии очистки получаемых соединений.

Среды для биотрансформации стероидов имеют сложный состав, поэтому к технологии предъявляются требования:

1. Строгого контроля за каждым параметром применяемой среды (рН, время, температура и т. д.);

2.Требуется, чтобы через сутки к смеси добавлялось вещество S Рейхштейна.

3. Необходимо, чтобы процесс осуществлялся в строго нейтральной среде, при температуре 28°С, в течение 120 ч, при оптимальном выходе преднизолона — 93%.

4. Требуется, чтобы крупномасштабное производство преднизолона, путём биотрансформации стероидов, обеспечивало снижение стоимости этого препарата не менее чем в 200 раз.

В проблеме регуляции действия генов у млекопитающих наиболее изучено регулирование проявления действия генов с помощью стероидных гормонов. Общий механизм их действия состоит в активации транскрипции на геномном уровне. Стероидный гормон прикрепляется к молекулам белка рецептора в цитоплазме специфических клеток-мишеней, восприимчивых к стероиду. Образовавшийся в результате этого комплекс стероидного гормона с рецептором мигрирует в ядро, где он прикрепляется к специфическому сайту ДНК в пределах чувствительных к стероиду генов и значительно повышает активность транскрипции этих генов. Исходя из этого, действия стероидного гормона – один из наиболее вероятных путей регуляции проявления генов у трансгенных животных.

Микроорганизмы используются и на отдельных стадиях синтеза лекарственных веществ, который ранее осуществлялся путём многоступенчатых и дорогостоящих химических реакций. Так, один из штаммов хлебной плесени, Rhizopus arrhizus, на начальном этапе синтеза стероида кортизона может гидроксилировать прогестерон. Применение подобной стратегии биоконверсии наряду с традиционными химическими превращениями позволило получать многие стероиды более простыми и дешёвыми способами на основе стеролсодержащего растительного сырья. Именно благодаря этому такие стероиды, как преднизон, дексаметазон, тестостерон и эстрадиол, могут сегодня широко применяться в клинической практике. Некоторое представление об исключительной важности этих веществ в терапии можно получить, ознакомившись с данными таблицы 11.1., где перечислены основные области применения стероидов при заболеваниях.

Таблица 11.1. Области применения стероидов при терапии

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Биотехнология стероидных гормонов

Исходное сырье для получения стероидных гормонов, основные требования к их качеству и содержанию. Главные микробиологические превращения стероидов: введение гидроксильной группы, дегидрогенизация, микробиологическое восстановление, гидролиз эфиров.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Биотехнология стероидных гормонов

стероид эфир гормон гидролиз

К фармацевтическим препаратам, в производстве которых используется биотехнология, принадлежат стероидные гормоны, к основным представителям которых относятся кортикостероиды, эстрогены и андрогены. Они не только участвуют практически во всех жизненно важных функциях организма, но и как лекарственные средства высоко избирательны, имеют большую широту спектра действия. В медицинской практике стероидные гормоны применяются в качестве противовоспалительных, диуретических, анаболических, контрацептивных, противораковых средств.

В основе истории синтеза стероидных гормонов лежат методы биотрансформации, результатом применения которых является превращение метаболитов в структурно родственные соединения под влиянием микроорганизмов или микробных клеток. В этом процессе весьма существенно, что микроорганизмы могут влиять только на отдельные (единичные) стадии довольно сложных и длительных процессов химического синтеза.

Микробиологическая трансформация — использование ферментативной активности жизнеспособных клеток микроорганизмов, результатом чего является некоторое изменение молекулярной структуры трансформируемого субстрата. В области превращений стероидных соединений достоинства биологических катализаторов проявляются наиболее ярко. Долгое время микробиологическая трансформация считалась специфическим методом химии стероидов. [1,5]

Первые сообщения о трансформации стероидов микроорганизмами появились задолго до того, как было установлено строение основных представителей стероидов. Еще в конце XIX в. было известно, что бактериальная флора кишечника млекопитающих превращает холестерин в копростерин, а холевую кислоту — в дезоксихолевую. К 1913 г. относится открытие полного расщепления холестерина микобактериями. И лишь в 30-х годах, когда была установлена структура основных стероидных гормонов, известных к тому времени, начались попытки применять трансформирующую способность микроорганизмов для препаративного получения этих соединений. В 1948 г. впервые осуществлено введение гидроксильной группы в молекулу стероида микробилогическим путем. Но только после получения 11-гидроксипрогестерона из прогестерона при ферментации последнего с культурой Rhizopus nigricans микробиологические трансформации стероидов привлекли широкое внимание.

Данная трансформация ярко продемонстрировала преимущества микробиологических методов перед химическими: введение кислородной функции в определенное положение молекулы стероида заменялось единственной стадией ферментативного гидроксилирования. Открытие в эти же годы терапевтической ценности кортизона наряду с указанными успехами микробиологического процесса гидроксилирования привлекло огромное внимание микробиологов, химиков и врачей к данной области.

Применение микроорганизмов в качестве носителей активных полиферментных систем, способных переводить экзогенные органические соединения в разнообразные полезные продукты и физиологически активные вещества основано на том, что они могут осуществлять в одну стадию важнейшие превращения, требующие при синтезе 20 химических стадий. Кроме того, удается легко проводить реакции, трудно или пока совсем не осуществимые методами чисто химического синтеза. [3,5,9]

Большинство процессов микробиологической трансформации приводит к незначительной перестройке молекулы субстрата, осуществляемой одним или несколькими ферментами. Однако имеются микробиологические процессы, существенно изменяющие структуру трансформируемого соединения. Общей чертой всех процессов микробиологической трансформации является то, что их результат — изменение молекулярной структуры трансформируемого вещества, а не синтез молекулы de novo.

К микробиологическим трансформациям относится также синтез метаболитов из предшественников, если при этом структура продукта реакции определяется, в основном, структурой молекул предшественников (например, синтез некоторых нуклеотидов из гетероциклических оснований, пентоз и фосфатов).

В настоящее время принята классификация микробиологических трансформаций по типу возникновения и отщепления функциональных групп.

Основные процессы микробиологической трансформации: окисление, восстановление, декарбоксилирование, дезаминирование, образование гликозидов, гидролиз, метилирование, этерификация, дегидрирование, диспропорционирование, конденсация, аминирование, ацетилирование, амидирование, деметоксилирование, нуклеотидация, галогенирование, деметилирование, асимметризация, рацемизация, изомеризация.

Рассмотрим данные процессы применительно к биотрансформации стероидных гормонов, а также коснемся сырьевых источников для получения стероидных гормонов и преимуществ микробиологического синтеза по сравнению с химическим. [2,4,7]

1. Исходное сырье для получения стероидных гормонов

Природные стерины — сырье для получения ценных лекарственных препаратов. [1]

Одним из наиболее важных и хорошо изученных стеринов является холестерин (класс зоостеринов), имеющий бруттоформулу С₂₇Н₄₆О. Он обнаруживается почти во всех органах и тканях животных и человека. Холестерин принимает участие в физиологических процессах, происходящих в живой клетке, без его участия не может развиваться растущий организм. Желчные камни человека на 99% состоят из холестерина, богаты этим соединением надпочечники и другие органы. Спинной мозг и мозг рогатого скота представляет собой наилучший материал для промышленного получения холестерина. Он считался специфическим животным стерином до тех пор, пока он не был обнаружен в некоторых растениях и в морских красных водорослях. Точная структурная формула этого соединения была установлена лишь в 1932 г., хотя впервые он был выделен из желчных камней в 1782 г.

Другие стерины, встречающиеся в природе, отличаются от холестерина или по длине боковой цепи, или по степени насыщенности. [6,8,10]

Стерины растений (фитостерины). Очень важный класс соединений, они служат источником получения многих ценных стероидных препаратов.

Стигмастерин С₂₉H₄₈О — один из наиболее распространенных фитостеринов, он содержится в большом количестве в соевом масле и сахарном тростнике. По структуре стигмастерин отличается от холестерина наличием двойной связи между 22 и 23-углеродными атомами и наличием этильной группы в положении 24.

Другим широко распространенным растительным стерином является ситостерин С₂₉Н₅₀О. По строению он сходен со стигмастерином, отличаясь от него лишь отсутствием двойной связи в боковой цепи.

Прегненолон является также предшественником мужских половых гормонов (тестостерона) и женских половых гормонов (эстрогенов — эстрона, эстрадиола). В коре надпочечников прогестерон превращается в кортикостерон и кортизол (гидрокортизон): секреция кортизола достигает у взрослого человека 15 — 30 мг в день. Эти вещества были первоначально выделены из коры надпочечников в кристаллическом виде.

Кортизол (гидрокортизон) и его синтетические аналоги такие, как преднизолон или дексаметазон, принадлежит к числу современных средств экстренной терапии, благодаря их уникальному противовоспалительному, десенсибилизирующему и противошоковому действию. По своему химическому строению они могут быть разделены на 11-дезоксистероиды, 11-гидроксистероиды, 11,17 — дигидрокснстероиды (к последним относятся кортизон и гидрокортизон). [2,7]

2. Основные микробиологические превращения стероидов

Промышленный синтез названных выше ценных лекарственных препаратов стал возможен только с развитием методов микробиологической химии и, в частности, метода микробиологической трансформации. В качестве сырья для получения указанных лекарственных средств используется диосгенин (из растения диоскореи), стигмастерин из соевых бобов, в последние годы интенсивно изучается ситостерин как потенциально дешевый и доступный источник.

Модифицированные тем или иным способом стероиды сами могут служить субстратами для проведения соответствующих целенаправленных трансформаций. [2]

2.1 Введение гидроксильной группы

Микробиологическое гидроксилирование — это наиболее важный и часто применяемый метод. Наличие гидроксильных групп в 3, 11, 16, 17 положениях молекулы стероида, как правило, обусловливает физиологическую активность большинства гормональных стероидных препаратов.

Гидроксилирование стероидов осуществляется очень многими микроорганизмами, чаще всего грибами, даже конидии некоторых грибов обладают гидроксилирующей активностью. Гидроксилирование стероидов при помощи гриба Rh. Nigricans — яркий пример сочетания, специфичности и разнообразия действия микроорганизмов.

11-Гидроксилирование как один из важнейших путей получения кортизона изучено наиболее детально и давно применяется в промышленности, выходы продуктов трансформации очень высоки. Многие микроорганизмы образуют смесь 11- и 11-эпимеров, соотношение которых существенно зависит от фазы развития культуры. [1,9]

Наличие в молекуле стероидов 11-гидроксильной группы обусловливает физиологическую активность гидрокортизона (кортизола) и преднизолона. Гидроксилированию подвергаются субстраты самого различного строения — от производных эстрана до сложных молекул стеринов, сапогенинов. Причина этого — очень широкая субстратная специфичность гидроксилаз, которую демонстрируют многие микроорганизмы. Например, штамм Cunninghamella blakesleeana, который вводит оксигруппу в 11-положение обширного набора стероидов — различных производных эстрана, тестостерона, кортексолона, прогестерона и т.д.

Получение 14-гидроксипрогестерона при помощи Bacillus cereus является одним из немногих примеров гидроксилирования при помощи бактерий. 15-гидроксилирование осуществляется также многими микроорганизмами, основное место среди которых занимают Fusarium и Penicillium.

Главным препятствием, стоящим на пути дальнейшего развития промышленного микробиологического гидроксилирования стероидов, так же как и вообще микробиологических трансформаций этих соединений, является низкая производительность ферментаций, несмотря на высокий процентный выход по субстрату. Это обусловлено, с одной стороны, нерастворимостью стероидных субстратов в воде, с другой — токсичностью растворителей, применяемых при внесении стероида и невозможностью использования высоких концентраций субстрата. [7,10]

2.2 Дегидрогенизация стероидов

Наличие двойных связей коренным образом влияет на физиологическую активность препаратов. Используя эту реакцию, получают такие эффективные препараты, как преднизолон. Чаще всего микроорганизмы дегидрируют положения 1,2 и 4,5, но описано и введение двойной связи в положения 7,8; 8,9; 9,11; 16,17; 17,20. Реакции дегидрогенизации осуществляют бактерии и актиномицеты, особенно часто это микоформы Arthrobacter, Corynebacterium, Nocardia. Широкая субстратная специфичность дегидрогеназ показана на большом экспериментальном материале; она позволяет использовать в качестве субстратов ацетаты стероидов, которые являются полупродуктами во многих технологических схемах получения стероидов. Например, Mycobacterium globiforme 193, дегидрирующая 1,2 — связь в кортизоне, так же эффективно превращает и кортизонацетат в преднизонацетат с выходом 86%. Исследование показало, что для этой культуры характерна максимальная удельная трансформирующая активность в период снижения удельной скорости роста.

Реакция дегидрогенизации позволяет получать преднизолон из кортизона, дианабол из метилтестостерона, преднизолон из гидрокортизона. Продукты 1,2 — дегидрирования образуются с высокими выходами — до 86%. Распространенность этой реакции объясняется не только наличием соответствующих дегидрогеназ у большого числа микроорганизмов, но и химическими свойствами данного участка стероидной молекулы, ее нестабильностью, особенно при наличии кетогруппы в 3-м положении и (или) двойной связи 4,5. Этими свойствами стероидной молекулы объясняется и доступность связи 1,2 для микробных оксидоредуктаз. Во многих случаях показана обратимость реакций дегидрогенизации и восстановления.

2.3 Микробиологическое восстановление

Этот процесс используется в меньшей степени, чем дегидрирование. Он осуществляется главным образом дрожжами и анаэробными бактериями, представителями микрофлоры кишечника млекопитающих, осуществляющими превращение холестерина в копростерин.

Описаны процессы насыщения двойных связей также и аэробными культурами, широко известными как окислители — актиномицетами, микоформами и даже грибами. Например, культура Aspergillus flavus восстанавливает ароматическое кольцо некоторых стероидов. [5]

2.4 Окисление гидроксильной группы в кетогруппу

Одна из наиболее частых реакций, осуществляемых микроорганизмами (бактериями, актиномицетами, грибами). Наибольший практический интерес представляют окислительные превращения гидроксильных групп у 3, 17 и 20-го атомов стероидной молекулы. Окисление гидроксила в третьем положении легко осуществляется у соединений с ненасыщенным кольцом А, а также при наличии двойной связи в положении 4. К этому же типу окислительных превращений относят введение кетогруппы в молекулу стероида.

2.5 Гидролиз эфиров стероидов

Микробиологический гидролиз эфиров стероидов был открыт в 1938 г. Практическая ценность этой реакции определяется тем, что ацилированные стероиды являются обычными промежуточными продуктами химического синтеза, в котором используется ацильная защита функциональных групп. Хотя гидролиз ацильной группы легко осуществим химическим путем, он часто приводит к побочным нежелательным продуктам.

Микробиологическое расщепление эфирной связи осуществляется представителями различных таксономических групп, в частности флавобактериями. Культура Вас. Megaterium обладает специфической активностью по отношению к 21-ацетатам стероидов с диоксиацетоновой цепочкой.

Дезацилирующая способность часто встречается среди микоформ, мукоровых и несовершенных грибов, актиномицетов. Особенность приведенной реакции состоит в том, что она проводится обычно одновременно с другими процессами — гидроксилированием, дегидрогенизацией и др. Ценность представляют как культуры, избирательно отщепляющие ацильную группу, так и микроорганизмы, способные наряду с гидролизом эфирной связи осуществлять еще какую-либо практически важную реакцию. [8]

Культуры, гидролизующие эфирные связи без побочных реакций, обнаружены в разных таксономических группах. Очень интенсивно проводят реакцию дезацетилирования представители видов Actinomucor corymbosus, Mucor lamprosporus, Actinomyces flavis, A. pheochromogenes, Nocardia sp. и Arthrobacter simplex. Выход реакций достигает 95%. [3]

2.6 Отщепление боковых цепей стероидов

Представляет огромный интерес как путь получения ценных продуктов из относительно дешевых природных стероидов животного и растительного происхождения — стеринов, желчных кислот, сапогенинов.

Возрастающая потребность в производстве стероидных препаратов, а также истощение сырьевой базы делает все более актуальным поиск новых источников сырья. Стоимость диосгенина, получаемого из различных видов диоскореи, за последние годы возросла более чем в 10 раз в результате истощения запасов этих растений. В связи с этим возрос интерес к более доступным природным стеринам.

Основная трудность при использовании фитостеринов заключается в необходимости селективного удаления насыщенной алифатической боковой цепи с сохранением целостности стероидного скелета. Удовлетворительных методов химического расщепления до сих пор не удалось разработать, перспективными считаются лишь микробиологические способы. Однако промышленный интерес представляют только процессы расщепления боковой цепи, не затрагивающие стероидного ядра.

Проблема расщепления боковой цепи стеринов с сохранением стероидного скелета может быть решена следующими способами:

1) синтезом модифицированных стеринов, заместители в кольце А или В которых не позволяют микроорганизмам осуществлять 1,2 — дегидрирование или 9-гидроксилирование;

2) инкубацией стеринов в присутствии соединений, ингибирующих действие ферментов 9-гидроксилазы или 1,2 — дегидрогеназы;

3) получением мутантных штаммов, не способных осуществлять определенные стадии расщепления самого стероидного ядра.

Эти три способа, а иногда и их комбинации в сочетании с оптимальными условиями режима ферментации позволили получить из ряда стеринов большой спектр промежуточных соединений, применяемых для химического синтеза высокоактивных стероидных препаратов. [3,6,7]

3. Методы проведения процессов микробиологических трансформаций

Несмотря на разнообразие биотрансформаций стероидов, методы проведения микробиологических реакций довольно единообразны. При поисковых работах, где не требуется или нет возможности применять большие количества вещества, ограничиваются проведением реакции в колбах на качалках, загрузка стероида в колбу составляет 100 — 200 мг. Для загрузок порядка 1 — 2 г стероида применяют стеклянные ферментеры. В промышленности и на опытных установках применяют стальные аппараты, оборудованные аэрирующими и перемешивающими устройствами.

Собранный стеклянный ферментер стерилизуют и загружают стерильной питательной средой с заранее внесенной в нее в асептических условиях трансформирующей культурой. Особое внимание уделяют соблюдению асептики во всех операциях. Стерилизацию в зависимости от объекта осуществляют автоклавированием питательной среды при 110-120°С в боксах, освещаемых бактерицидными лампами. Операции по загрузке, отбору проб проводят в пламени газовой горелки. Загрузка питательной среды в ферментер, как правило, осуществляется передавливанием стерильным сжатым воздухом. Время роста культуры микроорганизма-трансформатора определяется появлением максимальной трансформирующей активности и может колебаться от нескольких часов для одних культур до нескольких суток для других. Для многих культур-трансформаторов характерна максимальная трансформирующая активность в период снижения удельной скорости роста культуры. [9]

Растворимость стеринов в воде очень низка. В настоящее время стерины, предназначенные для окисления, в небольшой концентрации (порядка 1 г/л) вносят растворенными в малотоксичном, смешивающемся с водой растворителе (ацетоне, спирте, диметилформамиде). При более высоких концентрациях стеринов (выше 1 г/л) их вносят в среду в виде мелкоизмельченной пудры; для этого кристаллы стерина растирают в специальной аппаратуре или разрушают ультразвуком.

Другой способ внесения стеринов для биотрансформации состоит в том, что стерин, например, ситостерин, растворяют в смеси гептан / этиленхлорид, добавляют при перемешивании воду и отгоняют растворитель нагреванием смеси до 95°С. При таком методе концентрация ситостерина в водной суспензии может достигать 140 г./л.

Трансформация стеринов микроорганизмами основана на их использовании в качестве источника углерода, поэтому стимуляция роста трансформирующих штаммов должна приводить к увеличению выхода продуктов расщепления стеринов. Процесс стимулируется насыщением среды кислородом. Добавление в питательную среду некоторых масел в количестве 1-3 мас.% (соевого, арахисового, рапсового, оливкового) повышает выход продукта трансформации. Аналогичные результаты получены с применением глицеридов животного и растительного происхождения (тристеарин, триолеин, трипальмитин). Механизм стимуляции роста глицеридами, вероятно, состоит в устранении гидрофобности стеринов, т.е. глицериды действуют так же, как неионные ПАВ (твин), обычно применяемые для микробиологических процессов трансформации. Температурный режим микробиологических трансформаций стероидов не отличается от принятых для других микробиологических процессов и составляет 24-33°С. Условия рН определяются при отборе штамма культуры-трансформатоа и колеблются в широком интервале.

Микробиологический контроль осуществляется только на стадии выращивания трансформирующей культуры. Аналитический контроль реакции трансформации ведется путем отбора проб через определенные временные интервалы и анализа их методом тонкослойной хроматографии на силуфоле в присутствии «свидетелей» — исходного стероида, целевого продукта трансформации и некоторых промежуточных и побочных продуктов, если они участвуют в данном процессе. [6]

После завершения трансформации культуральная жидкость, отделенная от мицелия (или другой биомассы), экстрагируется несмешивающимся с водой органическим растворителем, пригодным для растворения соответствующего стероида (этилацетат, метиленхлорид или хлороформ). Экстракт, отделенный от водной фазы, проходит требуемую очистку (окрашенные примеси обычно отделяют обработкой с активированным углем, затем уголь отфильтровывают); далее его концентрируют в вакууме и полученный осадок стероида перекристаллизовывают из подходящего растворителя. В препаративных целях при работе с небольшими количествами стероидов очистку продукта трансформации можно проводить методом колоночной хроматографии.

Специфической особенностью процесса микробиологических трансформаций является использование чистых культур микроорганизмов-трансформаторов. Поэтому необходимым условием технологического режима является соблюдение мер для предотвращения развития посторонней микрофлоры. Последняя постоянно присутствует в воздушных потоках, циркулирующих в производственных помещениях, и представлена в основном мезофильными микроорганизмами, оптимальная температура развития которых находится в пределах 24 — 30°С. Такой же температурный оптимум характерен, как правило, и для микроорганизмов-трансформаторов.

Все операции по подготовке и выращиванию трансформирующих культур проводят в стерильных условиях с соблюдением правил и норм, разработанных и утвержденных для производств микробного синтеза. Однако внесение стероидного субстрата на трансформацию (в растущую на полноценной питательной среде культур при использовании бактерий или в водную суспензию неразмножающихся клеток — в случае применения грибного мицелия) и сам процесс трансформации, как правило, проводят не стерильно. Для уменьшения вероятности загрязнения используют стерильную воду при приготовлении суспензии стероидных субстратов, поскольку сами стероиды обычно неустойчивы в условиях автоклавирования. Одним из вариантов решения этой проблемы может служить способ внесения стероидного субстрата в питательную среду до засева ее трансформирующей культурой в момент, когда температура среды после автоклавирования снизится до 80°С и безопасна для субстрата. После выдержки в течение 30 мин среду со стероидом охлаждают до 33°С и в нее стерильно вносят трансформирующую культуру.

Используют культуру-трансформатор в стадии замедления роста, когда питательные компоненты среды в значительной степени израсходованы, а сильно разросшаяся культура подавляет рост других микроорганизмов. Однако и эти меры не полностью предохраняют трансформационную среду от загрязнения посторонней микрофлорой. В последней могут оказаться виды, способные отрицательно влиять на ход трансформации.

Применяемая в лабораторных условиях стерилизация суспензий стероидов ультразвуком неприемлема для промышленных масштабов. [4,8]

4. Примеры промышленного использования микробиологических трансформаций

Получение гидрокортизона (кортизола) из вещества S осуществляется с помощью С. linata.

Процесс включает следующие стадии:

1. Выращивание трансформирующей культуры (I стадия) производят путем трех последовательных генераций на питательной среде, содержащей сахарозу, дрожжевой автолизат и сложный набор неорганических солей:

Крышку инокулятора перед засевом обрабатывают водным раствором формалина, аппарат и все помещение облучают бактерицидной лампой и весь процесс выращивания трансформирующей культуры проводят в стерильных условиях. Далее полученная трансформирующая культура поступает в сепаратор, откуда отделенный мицелий в виде водной суспензии передается в ферментер для проведения основной реакции трансформации вещества S.

2. Трансформация вещества S (II стадия) также начинается со стерилизации ферментера и воздушного фильтра водным раствором формалина. Особое внимание уделяется размолу стероида на микромельнице и получению суспензии его в стерильной воде с содержанием стероида 1 г/л. Для предотвращения развития посторонней микрофлоры используется добавка антибиотика. Перемешивание и аэрация осуществляются, как и на предыдущей стадии, так же используются и пеногасители.

3. Выделение продукта трансформации — гидрокортизона (III стадия). Культуральная жидкость вместе с мицелием после II-й стадии поступает на сепарацию. Отделенный мицелий промывается, промывные воды присоединяются к основной культуральной жидкости. Далее производится экстракция-сепарация продукта трансформации из водной среды органическим растворителем. Осветленный активированным углем экстракт подвергается многократному упариванию с различными растворителями, осветлению, снова упариванию досуха и промывке подходящим растворителем. Последние приемы обработки готового технического продукта обычны для технологии получения многих органических веществ и лекарственных препаратов. Получение чистых лекарственных форм гидрокортизона проводится традиционными методами.

Трансформация гидрокортизона в преднизолон

Выращивание трансформирующей культуры М. gtobiforme осуществляется такими же последовательными этапами и в тех же аппаратах при тех же условиях аэрации и перемешивания, далее проводится трансформация гидрокортизона с помощью названной дегидрирующей культуры. Выделение готового продукта — преднизолона, осуществляется также путем экстракции-сепарации из культуральной жидкости, отличаясь лишь набором растворителей.

В настоящее время интенсивно разрабатываются методы использования мелкокристаллических стероидных субстратов. Микронизация субстрата до размеров частиц в несколько микрометров и внесение в ферментационную среду без растворителя позволяет повысить исходную концентрацию стероидного субстрата до 20-50 г./л. [7]

Внедрение микробиологического синтеза в процессы получения стероидных гормональных препаратов вызвало переворот в фармацевтической промышленности, позволив сразу во много раз удешевить ценные препараты.

Метод микробиологических превращений открывает возможность тонких перестроек сложных молекул, удобство технологических процессов. Дело в том, что сложность и громоздкость молекул стероидов затрудняет даже незначительные модификации их химическим путем. Микроорганизмы могут осуществлять уникальные реакции в синтезе лекарственных препаратов стероидной природы, а именно 1,2 — дегидрирование, 11-гидроксилирование.

Промышленный синтез таких важнейших лекарств, как гидрокортизон, преднизон, преднизолон, дексаметазон стал возможен только после разработки микробиологических способов их получения. Эти препараты широко применяются при лечении тяжелых ревматических заболеваний, бронхиальной астмы, воспалительных процессов и хронических кожных заболеваний.

В заключение отметим, что в промышленном производстве стероидных препаратов биотехнологические методы имеют конкретные преимущества перед методами химического синтеза: возможность химических реакций, недоступных для химического синтеза, превращение субстрата в биологически активную форму соединения в течение одной стадии процесса (в отличие от многостадийного и весьма затратного химического синтеза), а также экономичность и экологичность производства.

Список использованной литературы

1. Безбородов А.М. Биотехнология продуктов микробного синтеза. — М.: ВО Агропромиздат, 1991. — 354 с.

2. Биотехнология: учебное пособие для студентов высших учебных заведений / Ю.О. Сазыкин, С.Н. Орехов, И.И. Чакалева; под ред. А.В. Катлинского. — 3-е изд., стер. — М.: «Академия», 2008. — 256 с.

3. Биотехнология лекарственных средств: учебное пособие под ред. В.А. Быкова, М.В. Данилина. — М.: «Медбиоэкономика», 1991. — 303 с.

4. Биотехнология: принципы и применение / под ред. И. Хиггинса, Д. Беста, Дж. Джойса; пер. с англ. — М.: Мир, 1998. — 485 с.

5. Биотехнология / под ред. А.А. Баева. — М.: Наука, 1984. — 432 с.

6. Попова Т.Е. Развитие биотехнологии в СССР / Под ред. А. М Шамина. — М.: Наука, 1998. — 287 с.

7. Сассон А. Биотехнология: свершения и надежды. — М.: Мир, 1987. — 389 с.

Подобные документы

Гормональные препараты в продуктах питания. Инструкция по определению остаточных количеств гормонов в продуктах животноводства. Химические методы обнаружения и идентификации гормонов. Основные белковые и пептидные гормоны. Тривиальные названия стероидов.

реферат [509,9 K], добавлен 22.10.2011

Классификация, свойства, распространение в природе, основной способ получения эфиров карбоновых кислот путем алкилирования их солей алкилгалогенидами. Реакции этерификации и переэтерификация. Получение, восстановление и гидролиз сложных эфиров (эстеров).

лекция [151,9 K], добавлен 03.02.2009

Нуклеофильное замещение гидроксильной группы в спиртах, протонирование спиртов. Способы получения алкилгалогенидов: реакции с галогеноводородами, действием галогенидов фосфора, действием квазифосфониевых солей, описание их механизма. Реактив Лукаса.

реферат [165,7 K], добавлен 04.02.2009

Описание свойств хитозана, воздействие на макромолекулу различных химических реагентов. Виды химических реакций в которые она вступает: гидролиз, окисление. Способы получения эфиров, привитых сополимеров хитозана, взаимодействие с его основаниями.

курсовая работа [36,8 K], добавлен 13.12.2010

Гидролиз как реакция обменного разложения веществ водой. Гидролиз галогеналканов, сложных эфиров, дисахаридов, полисахаридов. Разложение веществ по аниону и катиону. Соли, образованные сильной кислотой и основанием. Способы усиления, подавления гидролиза.

презентация [60,5 K], добавлен 19.11.2013

Способы получения сложных эфиров. Основные продукты и области применения эфиров. Условия проведения реакции этерификации органических кислот со спиртами. Катализаторы процесса. Особенности технологического оформления реакционного узла этерификации.

реферат [440,1 K], добавлен 27.02.2009

Взаимодействие гормонов с 7-ТМС-R — интегральными мембранными белками с 7 трансмембранными спиральными сегментами. Сигнальные G-белки как универсальные посредники при передаче гормональных сигналов от рецепторов клеточной мембраны к эффекторным белкам.

презентация [254,5 K], добавлен 27.11.2013

Класс органических соединений, содержащих карбоксильные и аминогруппы, обладают свойствами и кислот, и оснований. Участвуют в обмене азотистых веществ всех организмов (исходное соединение при биосинтезе гормонов, витаминов, алкалоидов).

доклад [20,6 K], добавлен 06.10.2006

Свойства изоамилацетата. Практическое применение в качестве растворителя в различных отраслях промышленности. Методика синтеза (уксусная кислота и уксуснокислый натрий). Реакция этерификации и гидролиз сложных эфиров. Механизм реакции этерификации.

курсовая работа [634,2 K], добавлен 17.01.2009

Реакции ионного обменного разложения веществ водой. Использование качественных реактивов на крахмал, на белок и на глюкозу. Гидролиз сложных эфиров, белков, аденозинтрифосфорной кислоты. Условия гидролиза органических веществ пищи в организме человека.

разработка урока [206,5 K], добавлен 07.12.2013

Источник статьи: http://mupvirc.ru/gormony/promyshlennoe-proizvodstvo-steroidnyh-gormonov/

Механизм действия стероидных гормонов

Стероидные гормоны генерируют различные железы, которые относятся к эндокринной системе. Эти биологически активные элементы вырабатываются из холестерина и имеют между собой идентичное строение.

Но также они оказывают одинаковое воздействие на клетки-мишени, регулируют в человеческом организме процессы жизнедеятельности. К категории стероидных гормонов принято причислять: андрогены, эстрогены, гестагены.

Заключение

Гормоны принимают активное участие в жизнедеятельности человеческого организма.
Недостаток и избыток стероидных элементов приводит к развитию различных осложнений, многие из которых нуждаются в медикаментозной коррекции.
Стероидные гормональные препараты задействуют при лечении широкого спектра болезней, в разных сферах медицины.
Такие средства активно применяют спортсмены для наращивания мышечной массы, повышения выносливости.

Как действуют

Стероидные элементы нашли своё активное применение не только в медицине, но и в спорте, а именно в его силовых видах:

кросс-фите;
пауэрлифтинге;
бодибилдинге;
тяжёлой атлетике и т. д.

Синтетические гормоны активизируют синтез белка (биологический), что крайне необходимо для наращивания мышечных тканей. С их помощью спортсмены сокращают процесс восстановления после тренировок с 48-ми часов до суток.

Как влияют на человека

Гормоны, генерируемые надпочечниками, выполняют следующие функции:

Кортизол: регулирует давление, принимает участие в обменных процессах. Его повышенная концентрация вызвана стрессами, голодом, недосыпом, переживаниями.
Альдостерон: осуществляет контроль за уровнем натрия, калия, поддерживает в норме давление.
Кортикостерон: обеспечивает энергией.

Внимание! Андрогены отвечают за вторичные половые признаки, деторождение, сексуальное влечение, развитие мышечных тканей. Эстрогены несут ответственность на функционирование репродуктивной системы.

Избыток и недостаток

Чрезмерная или слишком малая генерация стероидных гормонов может привести к негативным последствиям:

Кортикостероиды: диабет, ожирение, васкулит, миопатия, язвенные очаги в желудке, остеопороз, аритмия. Нехватка – нарушение менструального цикла, появление угрей, отёков.
Эстрогены: эмоциональная нестабильность, болевой синдром в молочных железах, срыв менструального цикла. Нехватка – целлюлит, угри, пересыхание кожных покровов, недержание урины, разрушение костей.
Андрогены: появление лишней растительности на теле, грубый голос, сбой функциональности репродуктивной системы.

Заболевания

Если у человека до момента полового созревания в крови концентрации стероидных гормонов будет превышена, то у него могут развиться серьёзные патологии, в частности, синдром Олбрайта. Эта болезнь сопровождается характерной клинической картиной:

мышечными спазмами;
круглым лицом;
замедленным ростом зубов;
укорочёнными костями в пясти и плюсне;
низким ростом;
задержкой умственного развития;
изменениями (необратимыми) в скелете и т. д.

У такой категории больных часто диагностируют заболевания эндокринной системы. Но также у них может произойти гиперфункция гипофиза, развивается рахит. На фоне увеличения надпочечников прекращается рост, набирается масса, кожа становится хрупкой.

Биохимия и характеристика

Гормоны контролируются гипофизом и гипоталамусом. В крови их часть взаимодействует с альбуминами и белками.

Стероидные элементы обладают свойственным только живым организмам механизмом влияния – ядерным. Они способны без особых затруднений пробираться сквозь мембраны клеток и вступать в контакт с рецепторами.

Половые стероиды

Половые гормоны классифицируются следующим образом: женские и мужские. Они генерируются яичниками, надпочечниками, яичками.

Мужские

У мужской аудитории тестостерон выполняет функции главного андрогена. Далее, проходит его трансформация в тестикулах, печёнке, кожных покровах. В результате выполняется продуцирование дегидротестостерона.

Женские

У женщин половые гормоны представлены:

Внимание! Группу андрогенов следует пополнить: андростендиолом, тестостероном, дегидроэиандростероном, дигидротестостероном, андростендионом.

Стероидные

Такая категория медикаментов предназначена для наружной обработки очагов поражения, для перорального приёма и внутримышечного введения. Лекарства могут содержать разные производные и эфиры, например, их дополняют:

эстрогенами;
прогестероном;
тестостероном.

Стероидные гормоны бывают минералокортикоидными и глюкокортикоидными.

Содержащие тестостерон

В аптечных сетях можно приобрести медикаменты в разных фармакологических формах, в составе которых присутствует тестостерон. Ассортимент представлен: гелями/мазями, таблетками, растворами для инъекций, пластырями, защёчными формами.

В эту группу лекарств следует включить:

«Андрогель»;
«Сустанон250»
«Андродерм»;
«Провирон»;
«Андриол» и т. д.

Анаболические

Такие препараты повышают работоспособность, увеличивают интенсивность роста мышечных тканей, делают человека более выносливым. В аптеках анаболические стероиды представлены в виде инъекционных растворов: «Неробол»; «Ретаболил»; и т. д.

Важно! Многие анаболики запрещено продавать на территории Российской Федерации. Например» «Оксанадролон», «Данабол», «Тренболон» и т. д.

Препараты женских половых гормонов

Для терапии разных патологий в женской мочеполовой системе специалисты часто назначают пациенткам гормоносодержащие лекарства:

«Ярина»;
«Регулон»;
«Клайра»;
«Новинет»;
«Мирена»;
«Климодиен»;
«Овестин» и т. д.

Кортикостероиды

Такие препараты прописываются пациентам, проходящим реабилитацию после длительных и тяжёлых болезней. А также они задействуются спортсменами в качестве допинга.

Средства, входящие в эту группу, применяют при лечении патологий аутоиммунного, системного, аллергического, воспалительного плана. Их прописывают при терапии болезней органов кроветворения, ЛОР-заболеваний.

Кортикостероидные медикаменты оказывают следующее воздействие:

противовоспалительное;
глюкокортикоидное;
противоаллергическое;
иммуннодепресивное;
антишоковое.

К группе таких препаратов относятся:

«Аллергоферон»;
«Преднизолон»;
«Релиф Ультра»;
«Медрол» и т. д.

Виды стероидов

Синтетические стероидные элементы присутствуют в составе таких лекарственных средств:

«Преднизол»;
«Кортизон»;
«Дексаметазон» и т. д.

Внимание! Подобные медикаменты должны прописывать врачи, которые учтут все существующие противопоказания и возможные побочные эффекты. Лекарства назначаются больным после прохождения комплекса диагностических мероприятий.

Переизбыток и недостаток стероидов — чем грозит

Нехватка или избыток приводит к развитию различных осложнений. Чтобы избежать серьёзных патологий, людям надо следить за гормональным фоном и регулярно сдавать кровь в лабораторию для специфических обследований.

Где применяются

Синтетические стероидные вещества используются при лечении различных отклонений и активно применяются в следующих сферах:

пульмонологии;
дерматологии;
гинекологии;
проктологии;
офтальмологии;
урологии;
ревматологии и т. д.

Источник статьи: http://endometriy.com/sekret/steroidnye