ENZYMY W CHEMII
Michał Rachwalski
Uniwersytet Łódzki, Wydział Chemii, Katedra Chemii Organicznej i Stosowanej
Plan wykładu
- pojęcie enzymu;
- enzymy izolowane a całe komórki - enzymy jako katalizatory reakcji
chemicznych
- wybrane przykłady działania enzymów w organizmach żywych
Czym są enzymy ?
Enzymy są białkami zawierającymi od 60 do 1000 reszt aminokwasów;
Enzymy są katalizatorami reakcji chemicznych
zachodzących w układach biologicznych (in vivo).
Klasyfikacja białek
Białka proste – te które w wyniku hydrolizy dają jedynie aminokwasy
Białka złożone – dają po hydrolizie także inne związki ( np.: węglowodany, tłuszcze, kwasy nukleinowe)
Ze względu na strukturę przestrzenną
Białka fibrylarne (włókienkowe) składają się z łańcuchów polipeptydowych ułożonych obok siebie w długie włókna. Są one odporne i nierozpuszczalne w
wodzie, w naturze używane do budowy tkanek konstrukcyjnych, takich jak ścięgna, kopyta, rogi i mięśnie.
Białka globularne (kłębuszkowe) zwykle są zwinięte w zwarty, w przybliżeniu kulisty kształt. Białka te są z reguły dobrze rozpuszczalne w wodzie i swobodnie przemieszczają się w obrębie komórki. Większość z ok. 2000 znanych enzymów jest globularna.
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. OKSYDOREDUKTAZY – katalizują reakcje redox.
2. TRANSFERAZY – katalizują transfer odpowiednich grup funkcyjnych.
3. HYDROLAZY – katalizują tworzenie lub zrywanie wiązań 4. C-O, C-N, C-S, P-O.
4. LIAZY – katalizują rozerwanie wiązań C-C, C-O, C-N poprzez eliminację.
5. IZOMERAZY – katalizują geometryczne lub strukturalne przegrupowania wewnątrz cząsteczki.
6. 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, pepsyna 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
C6H12O6 zymaza 2CH3CH2OH + 2CO2 Fermentacja alkoholowa
Chemoselektywna hydroliza estrów
HO
COOMe COOMe
1
4
HO
COOMe COOH PLE
bufor
Enzymatyczny rozdział estrów aminokwasów
R OOC R
NHR R HN
COOH R
R OOC R
NHR
esteraza lub proteaza
L D
1 1
2 2
bufor
R = alkil, aryl, R1 = Me, Et, R2 = H, acyl
Metody otrzymywania związków optycznie czynnych
R + S
szybko
P +
powoli Q
R, S - enancjomery racemicznego substratu P, Q - enancjomery produktu
A
szybko P
+ Q
powoli
P, Q - enancjomery produktu A - substrat prochiralny lub mezo
R + S
retencja
P
R, S - enancjomery racemicznego substratu P - enancjomer produktu
inwersja
KINETYCZNY ROZDZIAŁ DESYMETRYZACJA DERACEMIZACJA
Wydajność
50% i 50% SP
Wydajność 100% P
Wydajność 100% P
Dynamiczny kinetyczny rozdział
R
S
szybko
P
Q
powoli kR
kS krac
Dynamiczny kinetyczny rozdział
P. Kiełbasiński, M. Rachwalski, M. Mikołajczyk, M. Moelands, B.
Zwanenburg, F. Rutjes, Tetrahedron: Asymmetry 2005, 16, 2157 S
OH R
AcOR1 Lipaza Ru-kat.
S
OAc R
rac-1
a: Ar = Ph, R = Me b: Ar = p-Tol, R = Me c: Ar = p-Tol, R = Et
R1 = p-ClC6H4 (4), CH=CH2 (5) O
O O
O Ar Ar
Pirydyna-kat. (R)-2
Katalizator rutenowy
O H O
Ru H
Ru Ph
Ph Ph
Ph Ph
Ph Ph
OC
OC CO
CO
Enzymy hydrolizujące nitryle
R C N
R OH
R NH2 O
nitrylaza O
hydrataza
nitryli amidaza
Synteza prochiralnego sulfotlenku
bis(cyjanometylowego)
1(75%) 2 (60%)
Cl CN
Na2S DME
S CN
NC NC S CN
NaIO4 O EtOH/H2O
Możliwe produkty hydrolizy sulfotlenku
bis(cyjanometylowego)
2
S CN NC
O
S NC
O O
NH2
S NC
O O
OH
S
O O
OH H2N
O
S
O O
OH HO
O 3
5
6 7
S
O O
NH2 H2N
O
4 enzym
bufor
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
Strzel łoskotnik (bombardier)
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 (?) i nowotwory
mózgu
amfinaza, onkonaza
