Глава 12. Биотехнология гормональных препаратов

Использование современных биотехнологических методов открывает новые пути получения гормональных препаратов. Ранее в качестве источников гормонов применяли органы и ткани животных и человека. Для получения небольшого количества препарата требовалось очень много сырьевого материала. Разработки и внедрение биотехнологических способов производства гормонов позволили решить одну из самых остро стоящих проблем — дефицит гормональных препа­ратов.

Наибольшее значение биотехнологии отмечено при производстве стероидных гормонов. Стероиды — полициклические соединения липидной природы; различают гормоны коры надпочечников — минералокортикоиды (альдостерон), глюкокортикоиды (кортизол) и половые гормоны — андрогены, гестагены и эстрогены.

Сравнивая структуру основных стероидных гормонов, можно обнаружить, что они содержат в молекуле специфический циклический скелет — циклопентапергидрофенантрен, состоящий из четырех колец [(трех шестичленных (А, В и С) и одного пятичленного (D)].

Структурная формула циклопентапергидрофенантрена

Глюкокортикоиды, андрогены и прогестагены в положении С-3 содержат кетогруппу, тогда как эстрогены — ароматическое кольцо. В положении С-17 глюкокортикоиды имеют гидроксизамещенную ацетильную группу и у 11-го углеродного атома — кислородную группу. Андрогены и эстрогены в положении С-17 содержат карбонильную или гидроксильную группу. Производные этого циклического ядра, имеющие в положении С-3 гидроксильную группу, называются стерины или стеролы.

В организме животных и человека прогестины, половые гормоны и глюкокортикоиды образуются из холестерина. Основные пути биосинтеза гормонов из холестерина показаны на рис. 12.1.

Рис. 12.1. Основные пути биосинтеза гормонов из холестерина

На начальном этапе синтеза стероидных гормонов в митохондриях из холестерина образуется промежуточный продукт — прегненолон, который является предшественником стероидных гормонов.

Образование глюкокортикоидов происходит в пучковой зоне надпочечников и включает дегидрирование 3b-гидроксильной группы пре­гненолона с образованием в последующем прогестерона. В результате нескольких реакций гидроксилирования прогестерон превращается в 17b-оксипрогестерон, затем в 17b,21-диоксипрогестерон и в кортизол в ходе 11-гидроксилирования.

В коре надпочечников человека продуцируется небольшое коли­чество минералокортикоидов, синтез которых идентичен синтезу кортизола. В клетках клубочковой зоны надпочечников из прегненолона образуется альдостерон через образование 18-оксикортикостерона под действием 18-гидроксилазы.

Небольшое количество андрогенов образуется в надпочечниках из 17-оксипрегненолона и затем превращается в тестостерон. Из тестостерона могут образовываться небольшие количества эстрогена и 17b-эстрадиола.

Стероидные гормоны не только регулируют все значимые функции организма, но и применяются в качестве лекарственных препаратов, проявляющих широкий спектр фармакологической активности. На фармацевтическом рынке присутствуют такие стероидные препараты, как глюкокортикоиды (гидрокортизон, преднизолон и др.), гестагены (прогестерон, оксипрогестерон и др.), андрогены (тестостерон, метилтестостерон и др.) и эстрогены (эстрон и др.).

По способу получения стероидные гормоны делят на две группы: химически синтезированные и полученные методом микробиологической трансформации.

Как отмечено выше, предшественником всех стероидных гормонов является холестерин, который считался специфическим для животных организмов до тех пор, пока не доказали его присутствие в растениях, водорослях и дрожжевых клетках.

Структурная формула холестерина

В настоящее время стерины растений (фитoстерины) являются источником получения многих стероидных препаратов. Так, например, эргостерин по своей структуре близок к холестерину, отличаясь дополнительной метильной группой в С-24 и двумя дополнительными двойными связями при С-7 и при 22- и 23-углеродных атомах. Промышленное получение эргостерина основано на использовании пекарских дрожжей.

Структурная формула эргостерина

Еще одним распространенным фитостерином является стигмастерин, содержащийся в большом количестве в соевом масле и сахарном тростнике. От холестерина стигмастерин отличается присутствием двойной связи между углеродными атомами и наличием этильной группы в положении С-24.

Структурная формула стигмастерина

Структура â-ситостерина отличается от стигмаcтерина лишь отсутствием двойной связи в боковой цепи. Основными источниками ситостеринов являются хлопковое масло, зародыши пшеницы, натуральный каучук, сахарный тростник.

Структурная формула â-ситостерина

На сегодняшний день ситостерин и стигмастерин считают наиболее перспективными и дешевыми сырьевыми продуктами для получения стероидных гормонов.

Исходным сырьем для синтеза гормонов и их аналогов служат и сапогенины, наибольшее значение среди которых имеет диосгенин. Для получения диосгенина используют корневища диоскорей как дикорастущих, так и культивируемых видов. Наиболее перспективным источником является диоскорея дельтовидная и ее высокопродуктивные штаммы суспензионной культуры клеток, содержащие до 10% стероидных гликозидов.

В основе синтеза стероидных гормонов лежат методы микробиологической трансформации или биотрансформации, в результате применения которых под влиянием микробных клеток, как носителей активных полиферментных систем, происходит превращение метаболитов в гормональные соединения. Еще в конце ХIХ в. исследователи доказали, что микрофлора кишечника млекопитающих способна превращать холестерин в капростерин. В начале ХХ в. была исследована способность Escherichia coli окислять гидроксильные группы стероидных соединений. Позже, в 30-х годах прошлого века, выявлена структура основных стероидов. И только в 1949 г. впервые была введена гидроксильная группа в молекулу стероидного гормона микробиологическим путем; тогда же был синтезирован ацетат кортизона из 13-дезоксихолевой кислоты. В 1952 г. был получен 11á-гидроксипрогестерон из прогестерона культурой Rhizopus nigricans, после чего начался период использования микроорганизмов в синтезе стероидов в промышленных масштабах. Наряду с вышеупомянутым применение микробиологической трансформации позволило значительно упростить синтез гормональных лекарственных средств. Появилась возможность осуществления тех реакций, которые были неосуществимы при использовании химического синтеза гормонов. Применение биотрансформации позволило получать более чистый, без примесей конечный продукт (табл. 12.1).