TRANSFORMACJE MIKROBIOLOGICZNE STEROIDÓW – HYDROKSYLOWANIE PROGESTERONU
STEROIDY – grupa związków organicznych, które zawierają w swojej budowie charakterystyczne ugrupowanie czterech połączonych ze sobą pierścieni cykloalkanów – 17-węglowy szkielet, zwany układem cyklopentanoperhydrofenantrenowym ( steranem).
STERAN
Steroidy:
- różne rodzaje grup funkcyjnych
- różne położenie grup funkcyjnych
- różny stan utlenienia pierścieni
- obecność asymetrycznych atomów węgla – różne odmiany stereoizomeryczne
- związki o aktywności biologicznej – nazwy zwyczajowe 18,11-Hemiacetal-11β,21-dihydroksy
Aldosteron
-3,20-dioksy-4-pregen-18-alu
Cholesterol
5-Cholesten-3β-ol
Kortyzol
11β,17,21-Trihydroksy-4-pregnen-3,20-dion
Kortyzon
17,21-Dihydroksy-4-pregnen-3,11,20-trion
Progesteron
4-Pregnen-3,20-dion
Testosteron
17β-Hydroksy-4-androsten-3-on
Związki steroidowe występują u zwierząt, roślin i grzybów.
Związki steroidowe kręgowców:
• sterole – w błonach komórkowych i krwi
• hormony płciowe – odpowiadają za zachowania seksualne
• kortykosteroidy – mineralokortykoidy i glukokortykoidy; metabolizm i gospodarka elektrolityczna
• sterydy anaboliczne – sterują anabolizmem, wykorzystywane w dopingu wydolnościowym
• prohormony – syntetyczne sterydy anaboliczne Owady:
• ekdysteroidy – rola w metamorfozie owadów Rośliny:
• brasinosteroidy
• fitosterole
Biotransformacje związków steroidowych – wprowadzanie modyfikacji niemożliwych lub trudnych do przeprowadzenia na drodze chemicznej; poszukiwanie coraz bardziej efektywnych substancji o działaniu terapeutycznym.
• modyfikacje układu pierścieniowego
• modyfikacje łańcucha bocznego przy C-17
• degradacja łańcucha bocznego przy C-17
Najistotniejsze dla przemysłu kierunki biotransformowania steroidów:
• degradacja łańcucha bocznego połączona z utlenianiem w układzie pierścieniowym
• degradacja łańcucha bocznego połączona z laktonizacją w pierścieniu D
• 11α- ,11β-,17α-, 21- hydroksylacja
• redukcja grupy ketonowej w pozycji 17
• odwodornienie w pozycji ∆1 pierścienia A
• utlenienie grupy 3β-hydroksylowej połączone z izomeryzacją układu ∆5 do ∆4
O
O
A
B
D
O
HO
H
D
(1 i 12)
(10)
(9)
(11)
(12)
A
O
(2)
R
OH
(8)
C
D
D
(3)
A
A
B
O
(7)
O
(4)
(5)
A
O
C
(6)
HO
HO
O
(12)
A
C
C
HOOC O
1. izomeryzacja Δ5 do Δ4 połączona z utlenieniem grupy hydroksylowej; 2. utworzenie podwójnego wiązania;
3. odwodornienie;
4. aromatyzacja;
5. utlenienie połączone z rozerwaniem pierścienia A; 6. 11β- hydroksylacja;
7. epoksydacja;
8. biodegradacja łańcucha bocznego z wytworzeniem grupy hydroksylowej; 9. biodegradacja łańcucha bocznego z wytworzeniem grupy ketonowej; 10. biodegradacja łańcucha bocznego z wprowadzeniem atomu tlenu do pierścienia D i jego laktonizacja; 11. redukcja grupy ketonowej do hydroksylowej 12. utlenienie grupy hydroksylowej do ketonowej
Progesteron – hormon steroidowy z grupy progestagenów; 21 atomów węgla; wytwarzany przez jądra, ciałko żółte w jajnikach i przez łożysko; stężenie zależne od fazy cyklu płciowego; pozwala na implantację zapłodnionego jajeczka w macicy i utrzymanie ciąży, bierze udział w embriogenezie; wykazuje synergię z estrogenami – proces laktacji; prekursor innych związków steroidowych (m. in. kortyzonu).
CH3
C
O
OH
O
O
progesteron
testosteron
Hydroksylowanie progesteronu
• oksygenazy – wprowadzenie atomu tlenu
• najpowszechniejsze – w pozycji C-11α ( Rhizopus nigricans, Rhizopus arrhizus, Aspergillus olivaceus, Curvularia lunata, Streptomyces fradiae) i C-17α ( Trichoderma viridae, Cephalothecium roseum)
CH3
CH
C
3
O
C O
HO
Rhizopus nigricans
O
O
progesteron
progesteron
11α - hydroksyprogesteron
11-α-hydroksyprogeteron
CH3
CH
C
3
O
C O
OH
O
O
progesteron
17α - hydroksyprogesteron
B.subtilis
20α – hydroksyprogesteron, 6α - hydroksyprogesteron
A.niger
11α – hydroksyprogesteron, 11α, 6α – dihydroksyprogesteron A.ochraceus
11α – hydroksyprogesteron, 6β, 11α – dihydroksyprogesteron R.stolonifer
11α – hydroksyprogesteron
R.nigricans
11α – hydroksyprogesteron, 17α – hydroksyprogesteron
• cytochrom P450 – aktywność monooksygenazy (hem jako kofaktor)
RH + NADPH + H+ + O →
2
ROH + NADP+ + H2O
• hydroksylazy
Od czego zależy proces hydroksylacji progesteronu:
• rodzaj mikroorganizmu
• budowa cząsteczki substratu
• stężenie substratu podawanego mikroorganizmowi
• ilość rozpuszczonego tlenu
• pH hodowli
• obecność innych związków, np. soli metali
Fusarium oxysporum
• grzyby strzępkowe
• biała, później fioletowa grzybnia
• pasożyty roślinne
• optimum temperaturowe wzrostu - 28˚C
• chemoorganoheterotrof
• biotransformacje: pregnenolon, testosteron, kortyzon, estron, limonen, 2,4,6 – trinitrotoluen, kwas salwianolowy