Zobacz slajdy z piątego wykładu

ENZYMY W CHEMII
Michał Rachwalski
Uniwersytet Łódzki, Wydział Chemii,
Katedra Chemii Organicznej i Stosowanej
Czym są enzymy ?
Enzymy są białkami zawierającymi od 60 do 1000
reszt aminokwasów;
Enzymy są katalizatorami reakcji chemicznych
zachodzących w układach biologicznych (in vivo).
Struktury enzymów
Czym charakteryzują się enzymy ?
są bardzo wydajnymi i skutecznymi katalizatorami
(przyspieszają reakcje 108 do 1012 razy;
są nieszkodliwe dla środowiska;
działają w łagodnych warunkach (pH 5-8,
temperatura 20-40°C);
są zdolne do katalizowania reakcji z użyciem zarówno
substratów naturalnych jak i nienaturalnych in vitro;
zarówno w wodzie jak i w rozpuszczalnikach
organicznych;
mogą katalizować szeroki zakres reakcji
Klasyfikacja enzymów
1.
2.
3.
4.
4.
5.
6.
OKSYDOREDUKTAZY – katalizują reakcje redox.
TRANSFERAZY – katalizują transfer odpowiednich
grup funkcyjnych.
HYDROLAZY – katalizują tworzenie lub zrywanie wiązań
C-O, C-N, C-S, P-O.
LIAZY – katalizują rozerwanie wiązań C-C, C-O, C-N poprzez
eliminację.
IZOMERAZY – katalizują geometryczne lub strukturalne
przegrupowania wewnątrz cząsteczki.
LIGAZY – syntetyzują cząsteczki ważne zwłaszcza w biologii
molekularnej.
Enzymy hydrolityczne
LIPAZY:
Lipaza z Pseudomonas cepacia, PFL (Lipaza z Pseudomonas
fluorescens), CAL (lipase z Candida antarctica), CRL (lipaza z
Candida rugosa) i inne.
ESTERAZY:
Esteraza z wątroby wieprzowej (PLE), cholinoesteraza i inne.
PROTEAZY:
Chymotrypsyna, subtylizyna, papaina, pepsina i inne.
AMIDAZY, NITRYLAZY.
FOSFATAZY, NUKLEAZY, FOSFOLIPAZY
Izolowane enzymy a całe
komórki
Izolowane enzymy
Zalety: Prosta aparatura
Prosta przeróbka reakcji
Specyficzne dla wybranych reakcji
Lepiej tolerowane dodatkowe rozpuszczalniki
Wady: Koszty
Wymagany dodatek kofaktora, częsta potrzeba odzysku
kofaktora
Izolowane enzymy a całe komórki
Całe komórki
Zalety: Tanie
Obecność wymaganych kofaktorów
Wady: Skomplikowana aparatura
Utrudniona obróbka reakcji
Możliwość wystąpienia reakcji ubocznych
Zalety i wady zastosowania
enzymów w syntezie organicznej
Zalety:
Możliwość reakcji stereo- i regioselektywnych;
Łagodne warunki reakcji, np. temperatura pokojowa, pH 7;
Rozpuszczalnik organiczny lub woda;
Katalizatory przyjazne środowisku;
Enzymy mogą być tanie, np. lipazy;
Można łatwo zwiększyć skalę reakcji.
Zalety i wady zastosowania
enzymów w syntezie organicznej
Wady :
Użycie ich może być ograniczone specyficznością
substratów;
Reakcje prowadzone z użyciem całych komórek
wymagają technik aseptycznych;
Reakcje mogą wymagać kofaktora;
Biokatalizatory i kofaktory mogą być drogie.
Reakcje enzymatyczne w
rozpuszczalnikach organicznych
Główna przyczyna: słaba rozpuszczalność wielu
substratów w wodzie.
Enzymy nawet po liofilizacji zawierają pewną ilość
wody;
Enzymy tracą swoją aktywność w całkowicie suchych
układach;
Enzymatyczne reakcje są szybsze w
rozpuszczalnikach hydrofobowych
„Pamięć pH” enzymów.
Typy selektywności wykazywane
przez enzymy
Chemoselektywność
Regioselektywność;
Diastereoselektywność;
Enancjoselektywność.
Chemoselektywność
Regioselektywność
Przykłady różnych właściwości
enancjomerów
Enzymy w syntezie
Fermentacja alkoholowa
C6H12O6
zymaza
2CH3CH2OH +
2CO2
Regioselektywna hydroliza
estrów
1
COOH
COOMe
HO
PLE
bufor
4
COOMe
HO
COOMe
Enzymatyczny rozdział estrów
aminokwasowych
1
R OOC
COOH
NHR 2
R HN
L
R
R
esteraza lub proteaza
bufor
R = alkil, aryl,
R1 = Me, Et,
R2 = H, acyl
R 1 OOC
NHR2
D
R
Metody otrzymywania związków
optycznie czynnych
KINETYCZNY ROZDZIAŁ
R
szybko
P
+
+
S
DESYMETRYZACJA
powoli
Q
szybko
A
powoli
DERACEMIZACJA
P
R
+
+
Q
S
retencja
P
inwersja
R, S - enancjomery racemicznego substratu
P, Q - enancjomery produktu
P, Q - enancjomery produktu
A - substrat prochiralny lub mezo
R, S - enancjomery racemicznego substratu
P - enancjomer produktu
Wydajność
Wydajność
Wydajność
100% P
100% P
50%
P
i 50% S
Dynamiczny kinetyczny rozdział
R
szybko
kR
P
krac
S
powoli
kS
Q
Dynamiczny kinetyczny rozdział
O
Ar S
O
R
OH
rac-1
a: Ar = Ph, R = Me
b: Ar = p-Tol, R = Me
c: Ar = p-Tol, R = Et
AcOR1
Lipaza
Ru-kat.
Pirydyna-kat.
O
Ar S
O
R
OAc
(R)-2
R1 = p-ClC6H4 (4), CH=CH2 (5)
P. Kiełbasiński, M. Rachwalski, M. Mikołajczyk, M. Moelands, B.
Zwanenburg, F. Rutjes, Tetrahedron: Asymmetry 2005, 16, 2157
Katalizator rutenowy
O
Ph
O
H
Ph Ph
Ru Ru
Ph
OC
CO
Ph OC H CO Ph
Ph
Enzymy hydrolizujące nitryle
O
nitrylaza
R
C
N
R
hydrataza
nitryli
amidaza
O
R
OH
NH2
Synteza prochiralnego
sulfotlenku
bis(cyjanometylowego)
Na2S
Cl
CN
NC
S
CN
NaIO4
O
NC
S
EtOH/H2O
DME
1(75%)
2 (60%)
CN
Możliwe produkty hydrolizy
sulfotlenku
bis(cyjanometylowego)
NC
O
O
S
O O
NH2
3
NC
O
S
CN
NC
S
H2N
S
bufor
NH2
4
O
O
enzym
O
OH
5
2
H2N
O O
S
6
O
OH
HO
O O
S
O
OH
7
P. Kiełbasiński, M. Rachwalski, M. Mikołajczyk, M. Szyrej, M. W. Wieczorek, R.
Wijtmans, F. Rutjes, Adv. Synth. Catal. 2007, 349, 1387
Enzymatyczne utlenianie
lucyferyny
Enzymatyczna reakcja nadtlenku
wodoru i hydrochinonu
Anhydraza węglanowa
1 sekunda – 1 000 000 cząsteczek CO2
Katalaza
1 sekunda – 40 000 000 cząsteczek H2O2
Polimeraza DNA
Błąd raz na 1 000 000 par zasad nukleinowych
Żabi enzym – antidotum na
białaczkę ??
Podsumowanie
- pojęcie enzymu;
- enzymy izolowane a całe komórki
- enzymy jako katalizatory reakcji
chemicznych
- wybrane przykłady działania enzymów
w organizmach żywych