Глава 10. Биотехнология аминокислот

Аминокислоты относятся к группе карбоновых кислот, содержащих одну или несколько аминогрупп —NH₂. Общая формула аминокислот — RCH(NH₂)COOH (за исключением пролина и оксипролина).

Аминокислоты играют большую роль в здравоохранении, животноводстве, легкой промышленности. Аминокислоты являются основой всех природных белков и служат составной частью пищи человека и кормовых рационов животных.

Природные белки состоят из 20 аминокислот. Физиологическое значение аминокислот неодинаково. Одни из них не синтезируются с достаточной скоростью и в необходимом количестве в организме человека и животных, а потому должны поступать вместе с продуктами питания. Это так называемые незаменимые аминокислоты. К ним относятся валин, аргинин, гистидин, лизин, лейцин, изолейцин, метионин, треонин, триптофан, фенилаланин. Нормальный обмен веществ в организме человека и животных протекает только при поступлении в него незаменимых аминокислот в достаточном количестве и определенном соотношении. Недостаток даже одной из незаменимых аминокислот может привести к серьезному нарушению обмена веществ в организме, к замедлению его роста и развития.

Суточная потребность человека в незаменимых аминокислотах:

• триптофан — 0,5 г;
• лизин — 1,6 г;
• валин — 1,6 г;
• лейцин — 2,2 г;
• фенилаланин — 2,2 г;
• треонин — 1,0 г;
• метионин — 2,2 г;
• изолейцин — 1,4 г.

Заменимые аминокислоты синтезируются in vivo из аммиака и различных источников углерода.

Аминокислоты широко используются во многих отраслях промышленности, что определяет высокий уровень их производства — порядка 500 тыс. тонн в год.

Наибольшее количество производимых аминокислот (около 66%) используется в сельском хозяйстве в качестве добавки к кормам.

Кроме сельского хозяйства, одним из главных потребителей аминокислот является пищевая промышленность — около 31%. Аминокислоты используются как обогатители пищевых растительных продуктов для повышения их питательной ценности, а также в качестве приправ, так как они обладают вкусовыми свойствами и могут придавать продукту определенный аромат и вкус.

Как питательную добавку в пищу чаще всего вносят лизин и метио­нин. Глутамат натрия и глицин употребляют как ароматические вещества для усиления и улучшения вкуса пищи. У глицина освежающий, сладкий вкус. Его добавляют при изготовлении сладких напитков, там он проявляет бактериостатические свойства. Цистеин предотвращает подгорание пищи, улучшает выпечку в хлебопечении, придает вкус и запах мяса искусственной пище.

Кроме того, аминокислоты используют при синтезе ПАВ и жиров, как добавки к некоторым видам топлива, в электрохимии, медицине, косметологии и в лабораторных исследо­ваниях.

По объему производства и по значимости первое место в мире среди кормовых аминокислот занимает L-метионин. Во многих странах его добавляют к соевой муке — белковой добавке кормов, дефицитной по L-метионину.

В медицине используют аргинин. В сочетании с аспартатом и глутаматом он помогает при заболевании печени. Под действием аргинина повышается активность иммунологической системы у послеоперационных больных. К-Na-аспартат снимает усталость и назначается для облегчения боли в сердце, его рекомендуют при заболевании печени и сахарном диабете. Цистеин защищает SH-ферменты в печени и других тканях от окисления и оказывает детоксицирующее действие. Он проявляет также защитные свойства при повреждениях, вызываемых облуче­нием. Триптофан — антидепрессант, его используют при лечении алкоголизма и бессонницы. Глицин является регулятором обмена веществ, нормализует процессы возбуждения и торможения в центральной нервной системе, обладает антистрессорным эффектом, повышает умственную работоспособность. Дегидроксифенилаланин и фенилаланин эффективны при болезни Паркинсона. Их аналог — 5-гидрокси-L-триптофан используют как психотерапевтическое средство. Из полиаминокислот получают материал для хирургии, применяемый для замены человеческой кожи при лечении ожогов.

Из аминокислот готовят искусственный подсластитель — аспартам, который в 150 раз слаще, чем глюкоза. Аминокислоты также применяют в косметике. Для поддержания нормальной функции кожи их добавляют в кремы. В шампуни вносят цистеин. Таким образом, аминокислоты находят многообразное применение.

Микроорганизмы сами синтезируют все необходимые им аминокислоты из аммиака и нитратов, а углеродные «скелеты» — из соответствующих ингредиентов. Исходя из такой оценки аминокислот, ученые давно стремятся использовать способности микроорганизмов продуцировать заменимые и незаменимые аминокислоты в ощутимых количествах.

Способы получения аминокислот

В настоящее время существуют четыре способа получения аминокислот:

1) выделение из гидролизатов природного белоксодержащего ­сырья;

2) химический синтез;

3) химико-энзиматический синтез;

4) микробиологический синтез.

Первый способ в настоящее время почти не используется, поскольку имеет ряд недостатков: дефицит природного белкового сырья и трудоемкость процесса разделения смеси аминокислот.

При химическом синтезе образуются в основном рацемические смеси L- и D-форм аминокислот, которые сложно разделить на отдельные соединения.

Химико-энзиматический метод — в результате химических реакций получают предшественники аминокислот, затем проводят трансформацию с помощью ферментных систем соответствующих микроорганизмов. Однако субстратная специфичность ферментов, их ограниченная доступность, сложность их выделения и очистки ограничивают их применение для этих целей. Несмотря на то что ферментативные синтезы преодолевают все вышеперечисленные проблемы, низкий выход очищенных ферментов лимитирует использование хими­ко-ферментативных реакций.