МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)» Направление подготовки 19.04.01 Биотехнология Направленность Биотехнология Факультет Химической и биотехнологии Кафедра Молекулярная биотехнология Учебная дисциплина Фармацевтическая биотехнология Курс 2 Группа 224м РЕФЕРАТ Тема: Технология получения и стандартизация аминокислот на примере лизина Студент (подпись, дата) А. В. Тимофеева (инициалы, фамилия) (подпись, дата) Д.С. Новикова (инициалы, фамилия) Руководитель, Санкт-Петербург 2023 ОГЛАВЛЕНИЕ Введение ................................................................................................................... 3 1 Общая информация о лизине .............................................................................. 4 1.1 Классы и формы лизина ............................................................................... 6 2 Технология производства лизина ....................................................................... 9 2.1 Микробиологический синтез ....................................................................... 9 2.1.1 Характеристика продуцента................................................................ 9 2.1.2 Этапы синтеза ..................................................................................... 10 2.1.3 Технологическая схема ...................................................................... 14 2.2 Химико-энзиматический способ получения лизина................................ 17 3 Лизин в фармацевтической промышленности ................................................ 18 3.1 Стандартизация ........................................................................................... 18 3.2 Значение лизина .......................................................................................... 19 3.3 Рынок лизина ............................................................................................... 23 Заключение............................................................................................................. 24 Список использованных источников ................................................................... 25 2 ВВЕДЕНИЕ Работа собой исследовательский анализ ключевых аспектов производства и качественного контроля аминокислот, а именно лизина – одной из важнейших аминокислот, необходимой для поддержания жизненно важных функций организма человека и животных. Аминокислоты играют ключевую роль в биохимических процессах организма, а их применение охватывает широкий спектр сфер, включая фармацевтику, пищевую промышленность и сельское хозяйство. Целью данной работы является понимание технологических процессов, лежащих в основе производства лизина, а также роли стандартизации в обеспечении безопасности и эффективности аминокислотных продуктов. 3 1 ОБЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЛИЗИНЕ Производство аминокислот относится к одной из наиболее передовых областей биотехнологии. Это очень важное биотехнологическое направление, так как незаменимые аминокислоты необходимы для нормального роста и развития организма, который не может вырабатывать их самостоятельно, поэтому они называются незаменимыми и должны регулярно поступать с пищей. При отсутствии даже одной из незаменимых аминокислот организм не может производить достаточно белка для сохранения своих тканей. Например, недостаток незаменимой аминокислоты – лизина приводит к раздражительности и усталости, так как лизин выполняет роль основного строительного материала для всех протеинов, его роль велика в сохранении мышечной ткани и в облегчении восстановления после стресса, лизин способствует поддержанию уровня энергии и сохранению здоровья сердца, снабжая организм сырьем для выработки карнитина, повышает жизнеспособность иммунной системы, способствует, что особенно важно для людей занимающихся спортом, росту и восстановлению тканей, в т.ч. мышечных, а так же выработке гормонов. Лизин – алифатическая незаменимая аминокислота. Лизин относится к числу соединений, которые живые организмы не производят самостоятельно, и должны получать в готовом виде для синтеза собственных структурных и функциональных белков. Лизин существует в двух «вариантах»: L и D. Для человеческого тела подходит только L-лизин. Но для того, чтобы ассимиляция была полной, аминокислота должна использоваться в сочетании с витаминами А, В1, С, а также с железом и биофлавоноидами. Во-вторых, лизин может «работать» в организме только в присутствии другой аминокислоты – аргинина. Идеальными продуктами, объединяющими оба вещества, являются разные виды сыров и ферментированные молочные продукты. Безопасная дневная норма лизина составляет дозу от 1 до 3 г. Но 4 обычно норма определяется индивидуально, исходя из возраста, а также состояния здоровья Известно, что лучшими источниками протеинов являются пищевые продукты животного происхождения. Список продуктов, богатых лизином, огромен. Но стоит помнить, что зерновые после обработки и даже в сочетании с сахаром теряют почти все запасы лизина. И в то же время среди растительных продуктов наибольшая концентрация аминокислот содержится в бобовых. Овощи: листовые, такие как шпинат и капуста, цветная капуста, сельдерей, бобовые, соя, чечевица. Фрукты: груши, папайя, абрикосы, бананы, яблоки. Орехи: миндаль, кешью. Молочные продукты: сыр (творог, сыр, пармезан), йогурты, молоко, яйца. Мясо: красный, свинина, баранина, птица (индейка, курица). Рыба: треска, сардины. Основные потребители аминокислот – сельское хозяйство и пищевая промышленность. Аминокислоты, чаще всего лизин, применяют в качестве обогатителей кормов и пищевых продуктов растительного происхождения для повышения их питательной ценности и сбалансирования пищи по незаменимым аминокислотам. При производстве комбикорма 1 т лизина позволяет экономить от 40 до 50 т фуражного зерна. [1] Мировой уровень производства аминокислот достигает в настоящее время нескольких миллионов тонн в год. В наибольших объемах в мире вырабатываются L-глутаминовая кислота, L-лизин, DL-метионин, L- аспарагиновая кислота, глицин. [1] Источником лизина являются микроорганизмы и растения. Лизин образуют многие микроорганизмы: бактерии, актиномицеты, синезеленые водоросли, некоторые виды микроскопических грибов. В нашей стране в качестве продуцентов лизина используют бактерии родов Corinebacterium (С. 5 glutamicum), Micrococcus, Brevibacterium. [1] Но нормально растущая клетка «вырабатывает» очень немного лизина, только для собственных нужд. В начале 50-х гг. японские ученые С. Киносита, К. Накаяма и С. Китада получили мутантные штаммы бактерий, способных к сверхсинтезу лизина; они вырабатывали немного больше аминокислоты, чем нужно им самим. Поначалу максимальная концентрация ее достигла 20 г в 1 л культуральной жидкости, а сейчас получены штаммы, способные вырабатывать до 60 г/л и более аминокислоты. В настоящее время высокопродуктивные штаммы научились получать во многих лабораториях мира. Нормальные ультрафиолетовым светом, быстрыми микроорганизмы нейтронами или облучают обрабатывают этиленимином, а затем из возникших под действием этих агентов мутантных штаммов селекционеры отбирают наиболее «работоспособные». Установлено, что лизин в организме является не только структурным элементом белка. Данная аминокислота выполняет и другие важные биохимические функции – является предшественником карнитина и оксилизина, способствует секреции пищеварительных ферментов и транспорту кальция и стронция в клетки, улучшает общий азотный баланс в организме. 1.1 Классы и формы лизина Лизин производится фармацевтического и кормового класса. Производство лизина фармацевтического класса и кормового класса имеет некоторые общие этапы, но также есть существенные различия, связанные с требованиями к чистоте, стандартами качества и допустимым уровнем примесей в продукте. Лизин фармацевтического класса обязательно должен соответствовать высоким стандартам качества, установленным фармацевтической индустрией и регулирующими органами. Это требует более строгого контроля чистоты, содержания и отсутствия примесей. Лизин кормового класса может иметь 6 более широкие допустимые пределы примесей и чистоты, так как он используется в кормах для животных, и его требования к чистоте менее строгие, чем у медицинских и фармацевтических продуктов. Производство лизина фармацевтического класса подвергается более строгим регуляторным и документационным требованиям. Производители обязаны соблюдать GMP и предоставлять подробную документацию о процессах и контроле качества. Производство лизина кормового класса также может подвергаться регуляторным проверкам и требованиям, но они менее строгие и более ориентированы на обеспечение безопасности корма для животных. Оба класса лизина подвергаются контролю качества, и производители должны соблюдать стандарты безопасности и требования к чистоте, но уровень требований различается в зависимости от цели использования продукта. В фармацевтике используются различные формы лизина в зависимости от конкретного применения и целей лекарственных препаратов. Ниже приведены некоторые формы лизина, которые могут использоваться в фармацевтике: 1. Лизин гидрохлорид может использоваться в фармацевтической промышленности в качестве соли лизина. Он может использоваться в производстве таблеток, капсул, сиропов и других форм лекарственных препаратов. Лизин гидрохлорид также может быть частью состава инъекционных растворов и местных анестетиков. 2. Лизин ацетилсалицилат – это соединение, в котором лизин связан с ацетилсалициловой кислотой (аспирином). Оно может использоваться в некоторых фармацевтических препаратах, предназначенных для облегчения боли, воспаления и жаропонижения. 3. Лизин сульфат может использоваться в фармацевтической промышленности как источник лизина. Он может быть частью пищевых добавок и фармацевтических препаратов. 7 4. Лизин эсцинат может использоваться в некоторых фармацевтических препаратах для лечения венозных заболеваний и улучшения кровообращения. Лизин может быть включен в состав некоторых вакцин для усиления иммунного ответа организма на антигены. Лизин может быть одним из компонентов комплексных препаратов, например, витаминов или минеральных добавок, предназначенных для поддержания здоровья. Лизин, как аминокислота, в природе существует в виде свободной аминокислоты, то есть в чистом виде. Однако в промышленном и фармацевтическом производстве лизин может производиться и использоваться в виде солей по нескольким причинам: 1. Улучшение стабильности: Соли лизина могут обеспечить лучшую стабильность и долгосрочное хранение в сравнении с чистой лизиновой аминокислотой. Это важно для производства продуктов с длительным сроком годности, включая лекарственные препараты и пищевые добавки. 2. Более легкая обработка: Соли лизина обычно имеют лучшую растворимость в воде и могут быть легче обработаны и включены в различные формулировки, такие как таблетки, капсулы и растворы. 3. Улучшение биодоступности: Некоторые соли могут обеспечить лучшую биодоступность лизина, что означает, что он лучше усваивается организмом после приема. 4. Коммерческие и производственные соображения: Производство и хранение солей лизина могут быть более экономически эффективными и практичными с точки зрения производства и распределения массовых продуктов, таких как пищевые добавки и медицинские препараты. Хотя чистая лизиновая аминокислота также доступна и может использоваться в некоторых контекстах, соли лизина широко используются в промышленности из-за их практичности и удобства в обработке и применении. 8 2 ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ЛИЗИНА Наиболее дешевым и освоенным способом получения лизина является микробиологический метод. Впервые такое производство было налажено в Японии в середине 50-х гг.; затем в Голландии, потом в США, хотя эта страна меньше других нуждается в синтетической аминокислоте, т.к. выращивает много богатой лизином сои. Именно чтобы освободится от засилья американской промышленную сои, фирму страны «Евролизин». ЕЭС В организовали нашей стране крупную лизиновая промышленность родилась в 70-х гг. ХХ в. Лизин можно получать и химическим путем – из капролактама, но этот процесс является сложным, многостадийным и дорогим; кроме того, он недостаточно эффективен еще и потому, что половина готового продукта – не L-лизин, а его оптический D-изомер, который не усваивается организмами, а разделить их очень трудно и дорого [2,5]. 2.1 Микробиологический синтез 2.1.1 Характеристика продуцента Corynebacterium glutamicum (рисунок 1), грамположительная почвенная бактерия, впервые выделенная в ходе поисков природного продуцента Lглутамата, в настоящее время стала важным микроорганизмом крупномасштабной промышленной биотехнологии. C. glutamicum является ценным объектом для промышленности, поскольку сочетает в себе уникальные преимущества: гибкий клеточный метаболизм, высокая стрессустойчивость к источнику углерода и целевому продукту, способность к поддержанию метаболической активности в условиях задержки роста, устойчивость к ингибиторам ферментации, генетическая стабильность. Этот микроорганизм признан безопасным и имеет статус «generally recognized as safe» (GRAS). 9 Рисунок 1 – Corynebacterium glutamicum C. glutamicum, как и все представители рода Corynebacterium – это неподвижные некислотоустойчивые неспорообразущие грамположительные бактерии, клетки которых окрашиваются неравномерно, и иногда содержат гранулы. Клетки коринебактерий представляют собой полиморфные палочки – от тонких слегка изогнутых до овальных укороченных, иногда с заостренными булавовидными концами, что и послужило основанием для названия рода (коринеформная означает «булавовидная»). Средний размер клетки коринебактерий составляет 0,3-0,8×1,5-8,0 мкм. 2.1.2 Этапы синтеза В клетках бактерий лизин синтезируется из аспарагиновой кислоты через ряд промежуточных этапов, связанных с образованием альдегида аспарагиновой кислоты (рисунок 2). Альдегид аспарагиновой кислоты является также одним из предшественников в синтезе аминокислот – треонина, метионина и изолейцина. Процесс синтеза аминокислоты 10 начинается фосфорилированием аллостерического фермента аспарагиновой аспартаткиназы, кислоты с участием активность которого ингибируется совместным действием двух аминокислот – лизина и треонина, если они накапливаются в клетках бактерий в избыточной концентрации (feedback-регуляция). Feedback-регуляция (обратная связь) – это механизм управления и контроля биологическими процессами с помощью информации, которая возвращается (обратно) к системе для регулирования ее активности. Если понизить концентрацию одной из этих аминокислот, то синтез другой будет осуществляться даже при условии, когда она накапливается в довольно высокой концентрации. Поэтому для снятия регуляции синтеза лизина необходимо прекратить образование треонина на стадии превращения альдегида аспарагиновой кислоты в гомосерин, катализируемое гомосериндегидрогеназой, что достигается путем мутагенеза. Опыты показывают, что мутантные клетки, не образующие гомосериндегидрогеназы, при их культивировании на искусственной питательной среде обеспечивают высокий выход лизина. Дефицитные аминокислоты, которые не синтезируются мутантными клетками (гомосерин, треонин, метионин), вводятся в состав питательной среды в таком количестве, чтобы они не были регуляторами синтеза лизина. 11 Рисунок 2 – Схема синтеза лизина микробиологическим синтезом В процессе приготовления питательной среды в качестве источника углерода используют смеси, включающие уксусную кислоту и свекловичную мелассу. Небольшие добавки сахара в среду (около 1 %) повышают выход лизина на 30–50 %; в качестве источника азота используют соли аммония, мочевину, кукурузный экстракт в качестве источника биологически активных веществ (1,2–1,5 % по содержанию сухих веществ), гидролизаты дрожжей. Кроме дефицитных аминокислот, которые не синтезируются клетками мутантов, в питательную среду также добавляют необходимые для жизнедеятельности микроорганизмов микро- и макроэлементы, витамины (биотин и др.). Среда должна содержать в одном литре: 200 мг метионина, 800 12 мг треонина, 15–20 мкг биотина. Соотношение углерода и азота в среде оптимально как 11 : 1. В процессе культивирования микроорганизмов обеспечивается подача стерильного воздуха с помощью специальных турбинных мешалок, для предотвращения вспенивания субстрата и клеточной суспензии в среду культивирования добавляют пеногасители. Посевной материал вначале выращивается в посевных аппаратах при 28–32°C, рН 7,0–7,2 в течение 18–24 ч, полученная суспензия клеток подается в производственные ферментеры, в которых поддерживается постоянный режим аэрации, избыточное давление 20–30 кПа, непрерывное перемешивание, контроль за всеми параметрами среды. Культивирование осуществляется в строго стерильной глубинной аэробной периодической культуре. Время ферментации составляет 55–72 ч. Накопление в культуральной жидкости лизина начинается через 25–30 ч после начала выращивания промышленной культуры и к концу ферментации достигает 4050 г/л. Культуральную жидкость отделяют от культуры клеток продуцента фильтрованием и используют для получения лизина. На основе промышленной культуры бактерий, синтезирующих лизин, организовано производство нескольких видов товарной продукции: жидкий концентрат лизина (ЖКЛ), сухой высококонцентрированные кормовой кормовые концентрат и лизина высокоочищенные (ККЛ), препараты кристаллического лизина. ЖКЛ получают выпариванием культуральной жидкости на вакуумвыпарной установке до концентрации 40%. Для предотвращения деградации лизина при нагревании в культуральную жидкость добавляют бисульфит натрия и соляную кислоту до рН 4,5–5,0, в результате образуется соль – монохлоргидрат лизина. Готовый препарат – ЖКЛ не замерзает при температуре до –18C и сохраняет свои свойства в течение 3 месяцев. 13 Для получения сухого ККЛ жидкий концентрат сушат горячим воздухом на распылительной сушилке при 90С до влажности 4–8%. Высушенный препарат содержит 15–20% монохлоргидрата лизина, 15–17% белков, 14% аминокислот, витамины группы В, минеральные вещества. В целях снижения гигроскопичности препарата в него вводят наполнители: мясокостную муку, негашеную известь, бентонит, пшеничные отруби. Полученную пасту высушивают на вальцово-ленточной сушилке и гранулируют. Гранулированный препарат ККЛ негигроскопичен, содержит 7–10% лизина. 21 Для получения высокоочищенного препарата кристаллического лизина культуральную жидкость после фильтрования подкисляют соляной кислотой до рН 1,6–2. Образовавшийся в результате взаимодействия с соляной кислотой раствор моногидрохлорида лизина направляют на колонки с катионитом, где происходит связывание аминокислоты. Затем проводят десорбцию аминокислоты элюированием 0,5–5% раствором аммиака. Элюат выпаривают под вакуумом при 60°C до концентрации 30–50%, после подкисленный соляной кислотой раствор моногидрохлорид высушивают. Путем перекристаллизации полученной соли можно получить препараты с содержанием моногидрохлоридлизина в количестве 97–98% 2.1.3 Технологическая схема Технологическая схема состоит из стадий (рисунок 3) [3]: приготовление посевного материала; приготовление и стерилизация питательной среды, всей аппаратуры и коммуникаций; культивирование продуцента в промышленных ферментаторах (ферментация); выделение L-лизина. В настоящее время периодическая ферментация с подпиткой является широко используемой стратегией промышленной ферментации L -лизина, и ее 14 суть заключается в добавлении свежей среды или добавок во время периодического культивирования. Методы периодической ферментации с подпиткой преодолевают ингибирование субстрата и ингибирование обратной связи продукта при периодической ферментации , тем самым избегая потерь производительности. Кормление источниками углерода или азота на разных стадиях культивирования может задерживать продолжительность логарифмической и стационарной фаз бактерий, продуцирующих L -лизин, и увеличивать накопление биомассы и клеточных метаболитов. После 45 часов ферментации L-лизин может накапливать в ферментере конечный титр 170 г/л Во время ферментации L-лизина выделяется тепло за счет метаболической активности и механического перемешивания. Поэтому необходимо контролировать стабильную и подходящую температуру, чтобы обеспечить активность различных ферментов C. Glutacumum. Большая часть ферментации и продукции L-лизина C. Glutamicum осуществляется при температуре 30–33 °C. Чрезмерная температура культивирования может снизить скорость роста или продуктивность штамма. Уровень pH ферментационного бульона напрямую влияет на диссоциацию некоторых важных питательных веществ и промежуточных метаболитов в среде, тем самым влияя на рост и размножение штаммов, продуцирующих L-лизин, и на образование метаболитов. Следовательно, во время ферментации L-лизина метаболической pH является активности. pH L -лизина, важным полученного показателем в результате ферментации C. Glutacumum, обычно составляет около 7,0–7,5. Важной частью промышленного производства является разделение и очистка лизина. Создание подходящего процесса разделения и экстракции имеет жизненно важное значение для увеличения выхода продукта и снижения производственных затрат Традиционно для очистки лизина в основном используется метод хроматографической очистки. Общая процедура заключается в удалении клеток центрифугированием или ультрафильтрацией , затем использовании 15 ионообменной смолы для получения гидрохлорида лизина и, наконец, проведении кристаллизации или распылительной сушки Рисунок 3 – промышленное производство L-лизина. (а): Основные стратегии разработки штаммов с высокой продукцией L -лизина; среди них цель системной метаболической инженерии (б) включает усиление основных путей, блокирование конкурентных путей, рациональную оптимизацию потока углерода, содействие регенерации НАДФН, поддержание энергетического баланса и улучшение транспортной системы; (c): L лизин в процессе производства непрерывной ферментации; (d): Разделение и очистка ферментационного бульона L лизина. Ферментационный бульон центрифугируют или ультрафильтруют для удаления клеток, раствор контактируют с катионообменником. Смолу для ионного обмена, а затем лизин, адсорбированный на катионообменной смоле, элюируют с получением элюата. Альтернативно, pH раствора для удаления клеток доводят до 6–9,7, а затем для получения стоков используют анионообменную смолу. Наконец, раствор, содержащий лизин, кристаллизуют или сушат распылением. 16 2.2 Химико-энзиматический способ получения лизина В ряде стран (Японии, США и др.) для получения лизина применяется химико-энзиматический метод (рисунок 4), позволяющий создать высокоэффективные технологии, основанные на ферментативной конверсии в лизин α-амино-ε-капролактама, который получают химическим методом из циклогексана: Рисунок 4 – Получение L-лизина химико-ферментативным методом: 1 – циклогексен; 2 – 2-хлор-циклогексаноноксим; 3 – 2-амино-циклогексаноноксим; 4 – D, L-α-амино-ε-капролактам; 5 – L-лизин В результате химического синтеза образуется рацемическая смесь D- и L-капролактама, направляющаяся в реактор с гидролазой α-амино-εкапролактама, который катализирует превращение L-капролактама в L-лизин. D-изомер капролактама затем превращается в L-изомер с помощью специфической рацемазы. При такой технологии получения лизина его содержание в реакционной смеси по завершении рабочего цикла достигает свыше 150 г/л. Продуценты гидролазы α-амино-ε-капролактама – некоторые штаммы дрожжей из рода Cryptococcus, Candida, Trichosporon, которые выращивают в 17 щелочной оптимизированной для синтеза фермента питательной среде, содержащей активаторы – ионы магния, марганца и цинка. Для ферментативной реакции превращения капролактама в лизин может использоваться клеточная суспензия дрожжевых клеток с активным ферментом, клеточный экстракт (после разрушения и отделения клеток) или очищенный фермент. Продуценты рацемазы – бактерии Achromobacter, Flavobacterium и др. 3 ЛИЗИН В ФАРМАЦЕВТИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ 3.1 Стандартизация Стандартизация аминокислот, таких как лизин, включает в себя контроль содержания и чистоты продукта (таблица 1). Стандарты качества обычно устанавливаются соответствующими регулирующими органами и организациями, такими как Европейская фармакопея, Фармакопея США и другие, а также международными организациями, такими как Фармакопея Европейской фармацевтической индустрии (Ph. Eur.) и др. Производство лизина требует строгого соблюдения стандартов безопасности и качества, а также регуляторных требований. Технологии и методы могут меняться в зависимости от производителя, но все они направлены на обеспечение высокой чистоты и безопасности продукта для его использования в различных отраслях, включая фармацевтику и пищевую промышленность. 18 Таблица 1 – Стандарты качества лизина фармацевтического класса Продукт Лизин гидрохлорид Фармацевтический класс Lysine Hcl, гидрохлорид L-лизина, L-лизин Hcl, Синонимы лизингидрохлорид Pharma Grade, лизиновый гидрохлорид CAS 657-27-2 Белый кристаллический порошок или бесцветные Внешний вид кристаллы Содержание 98,5% ~ 101,5% Легко растворим в воде, муравьиной кислоте, мало Растворимость растворим в спирте 96 %. Стандарт BP, EP, USP Формула C6H15ClN2O2; C6H14N2O2, HCl, Формула Применение Как фармацевтические наполнители или как пища в продуктах для здоровья человека. 3.2 Значение лизина Препараты лизина (рисунок 5) применяется в качестве биологически активной добавки к пище – источника лизина. Способствует: синтезу коллагена, улучшению эластичности кожи, предотвращению процессов преждевременного старения; улучшению состояния волос и ногтей; повышению устойчивости организма к вирусным инфекциям; заживлению ран, нормальному функционированию иммунной системы. 19 Рисунок 3 – Препарат лизина Использование фармакологических аналогов натуральной аминокислоты не рекомендуется для людей с почечной недостаточностью или заболеваниями печени. Отравление может вызвать тошноту, диарею, боль в животе, а также усугубить нефрит или заболевания печени. Дефицит лизина происходит крайне редко. Дефицит вещества может проявлять симптомы, напоминающие нормальный грипп. Кроме того, возможны тошнота, рвота, усталость, головокружение, камни в почках. Женское бесплодие также может быть вызвано дефицитом лизина. Тяжелая форма дефицита проявляется гормональным дисбалансом, который влияет на репродуктивную систему, останавливает рост у детей. Последствием недостатка вещества считается анемия, склонность к вирусным заболеваниям, проблемы с работоспособностью мужской репродуктивной системы, нарушения менструального цикла у женщин, выпадение волос, покраснение глаз. Лизин – это аминокислота, которая играет важную роль в создании белков в нашем организме. Она помогает в формировании структуры белков. У лизина есть особенность: один конец его молекулы положительно заряжен, 20 а другой имеет длинный углеродный "хвост". Это делает лизин немного "амфипатическим", что означает, что он может быть найден как внутри белков, так и на их поверхности, где он взаимодействует с водой. Лизин также помогает белкам оставаться стабильными, потому что его часть молекулы может участвовать в различных химических связях и взаимодействиях, которые укрепляют структуру белков. Это включает в себя образование водородных связей, солевых мостиков и даже особого типа химических связей, называемых "основание Шиффа". Все это помогает белкам выполнять свои функции в организме. Вторая важная роль лизина заключается в эпигенетической регуляции посредством модификации гистонов. Существует несколько типов ковалентных модификаций гистонов, которые обычно включают остатки лизина, обнаруженные в выступающем хвосте гистонов. Эти изменения гистонов могут включать добавление или удаление некоторых химических групп к лизину на гистонах. Эти химические изменения могут влиять на то, как работают гены. Например, они могут сделать ген активным или, наоборот, выключить его. Это важно для контроля, какие гены включены или выключены в наших клетках, и какие белки производятся. Важно отметить, что существует несколько видов этих химических изменений на гистонах, и лизин играет роль в различных процессах, которые контролируют активность наших генов. Считается, что лизин также играет ключевую роль в других биологических процессах, включая; структурные белки соединительных тканей, гомеостаз кальция и метаболизм жирных кислот. Было показано, что лизин участвует в сшивании между тремя спиральными полипептидами в коллагене, что приводит к его стабильности и прочности на растяжение. Этот механизм сродни роли лизина в бактериальных клеточных стенках, в которых лизин (и мезо-диаминопимелат) имеют решающее значение для образования поперечных связей и, следовательно, стабильности клеточной стенки. Эта концепция ранее изучалась как средство 21 обхода нежелательного высвобождения потенциально патогенных генетически модифицированных бактерий. Также было высказано предположение, что лизин участвует во всасывании кальция в кишечнике и задержке в почках и, таким образом, может играть роль в гомеостазе кальция. Наконец, было показано, что лизин является предшественником карнитина, который транспортирует жирные кислоты в митохондрии, где они могут окисляться с выделением энергии. Карнитин синтезируется из триметилизина, который является продуктом распада определенных белков, поскольку такой лизин сначала должен быть включен в белки и подвергнут метилированию перед превращением в карнитин. Однако у млекопитающих основным источником карнитина являются пищевые источники, а не превращение лизина. Долгое время обсуждалось, что лизин при внутривенном или пероральном введении может значительно увеличить высвобождение гормонов роста. Это привело к тому, что спортсмены стали использовать лизин в качестве средства, способствующего росту мышц во время тренировок, однако на сегодняшний день не было найдено существенных доказательств в поддержку такого применения лизина. Поскольку белки вируса простого герпеса (ВПГ) богаче аргинином и беднее лизином, чем клетки, которые они инфицируют, в качестве лечения были опробованы добавки с лизином. Поскольку две аминокислоты всасываются в кишечнике, восстанавливаются в почках и перемещаются в клетки одними и теми же переносчиками аминокислот, избыток лизина теоретически ограничивал бы количество аргинина, доступного для репликации вируса. Клинические исследования не дают убедительных доказательств эффективности в качестве профилактического средства или при лечении вспышек ВПГ. В ответ на заявления о том, что лизин может улучшать иммунные реакции на ВПГ, проверка, проведенная Европейским органом по безопасности пищевых продуктов, не обнаружила доказательств причинно22 следственной связи. В том же обзоре, опубликованном в 2011 году, не было найдено доказательств, подтверждающих утверждения о том, что лизин может снижать уровень холестерина, повышать аппетит, способствовать синтезу белка в какой-либо иной роли, кроме как в качестве обычного питательного вещества, или увеличивать усвоение или удержание кальция [4]. 3.3 Рынок лизина Был проведен анализ ассортимента препаратов лизина. Установлено, что на отечественном рынке 7 видов препаратов L-лизина, из которых 6 являются пероральными формами (90 %), 1 – парентеральной формой (10 %). Ниже приведен список некоторых производителей API лизина: 1. CJ CheilJedang Corporation – Корея. CJ CheilJedang – одна из крупнейших компаний, производящих аминокислоты, включая лизин. 2. Ajinomoto Co., Inc. – Япония. Ajinomoto – крупный производитель аминокислот, включая лизин, и один из ведущих игроков на мировом рынке. 3. Evonik Industries AG – Германия. Evonik также производит активную фармацевтическую субстанцию лизина высокого качества. 4. Meihua Holdings Group Co., Ltd. – Китай. Meihua – китайская компания, которая производит API лизина и другие аминокислоты. 5. Global Bio-Chem Technology Group Company Limited – Гонконг, Китай. Эта компания производит не только фармацевтический лизин, но и другие биохимические продукты. 6. Kyowa Hakko Bio Co., Ltd. – Япония. Компания Kyowa Hakko Bio также производит API лизина. 7. ADM (Archer Daniels Midland Company) – США. ADM – американская компания, производящая лизин и другие ингредиенты для фармацевтической и пищевой промышленности. 23 ЗАКЛЮЧЕНИЕ В ходе выполнения данной работы были рассмотрены ключевые аспекты технологии получения и стандартизации аминокислот, на примере лизина. Лизин, как одна из важнейших аминокислот, играет важную роль в биохимических процессах организма и находит широкое применение в фармацевтике, пищевой промышленности и животноводстве. Мы изучили различные методы производства лизина, включая ферментацию и химические процессы, а также обратили внимание на разнообразные формы лизина, используемые в различных отраслях. Было рассмотрено, каким образом лизин может быть получен в фармацевтическом качестве, и какие стандарты качества применяются для обеспечения безопасности и эффективности продуктов, содержащих лизин. Мы также рассмотрели важные аспекты эпигенетической регуляции генов с помощью лизина, что подчеркивает его роль в биологических процессах и генетической регуляции. В заключение, данная работа подчеркивает важность аминокислот, особенно лизина, в нашей жизни и в различных отраслях промышленности. Понимание технологии получения и стандартизации аминокислот является ключевым для обеспечения качества продуктов и их безопасности для потребления. Данный исследовательский анализ предоставляет базовое понимание процессов, связанных с лизином, и может служить основой для дальнейших исследований и применений этой важной аминокислоты. 24 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 1. Новиков, Д. А. Фармацевтическая биотехнология : пособие / Д. А. Новиков. – Минск : БГУ, 2018. – 343 с. ISBN 978-985-566-571-8. 2. Моисеев, Д.В., Лукашов, Р.И., Веремчук, О.А., Моисеева, А.М. Фармацевтическая биотехнология : пособие / Д.В. Моисеев, Р.И. Лукашов, О.А. Веремчук, А.М. Моисеева // под ред. Д.В. Моисеева. – Витебск: ВГМУ, 2019. – 293 с. 3. Liu J, Xu JZ, Rao ZM, Zhang WG. Industrial production of L-lysine in Corynebacterium glutamicum: Progress and prospects // Microbiol Res. 2022. – p.262. – DOI : 10.1016/j.micres.2022.127101. 4. Scientific Opinion on the substantiation of health claims related to Llysine and immune defence against herpes virus, maintenance of normal blood LDLcholesterol concentrations, increase in appetite leading to an increase in energ. EFSA Journal. 9 (4): 2063. 2011. – DOI : 10.2903/j.efsa.2011.2063. ISSN 1831-4732. 5. Леонтьев, В. Н. Химия и технология биологически активных веществ : электронный курс лекций для студентов специальности 1-48 02 02 «Технология лекарственных препаратов» специализации 1-48 02 02 01 «Промышленная технология лекарственных препаратов» / В. Н. Леонтьев. – Минск : БГТУ, 2014. – 94 с. 25
