Laboratorium specjalistyczne – Biotransformacje Semestr VI 1 WYKORZYSTANIE METOD BIOTECHNOLOGICZNYCH DO OTRZYMYWANIA OPTYCZNIE CZYNNYCH ALKOHOLI 1. Wstęp Problem otrzymywania czynnych optycznie enancjomerów ma podstawowe znaczenie w wielu gałęziach przemysłu chemicznego, np.: spożywczym, kosmetycznym, a szczególnie w przemyśle farmaceutycznym, gdzie czystość optyczna związku bardzo często decyduje o możliwości stosowania go jako leku. Dlatego opracowano wiele różnych metod otrzymywania czystych enancjomerów, ale uzyskiwane wyniki są bardzo różne, często niezadowalające ze względu na konieczność stosowania drogich odczynników i zbyt małą czystość optyczną produktów. Ogromny postęp w otrzymywaniu optycznie czynnych związków nastąpił po opracowaniu metod biotechnologicznych i reakcji biotransformacji. Pod pojęciem produkcji biotechnologicznej rozumie się procesy wykorzystujące metabolizm organizmów żywych, które z prostego źródła węgla (glukoza) i ewentualnie odpowiedniego prekursora w trakcie skomplikowanych przemian biochemicznych wytwarzają bardziej złożony związek chemiczny np. penicylinę G. Biotransformacje natomiast obejmują pojedyncze, konkretne przekształcenia chemiczne katalizowane najczęściej przez izolowane enzymy, preparaty enzymatyczne lub mikroorganizmy np. redukcja grupy karbonylowej ketonu. O dużej atrakcyjności metod „bio” decydują następujące zalety: Wysoka chemo-, regio-, stereo- i enancjoselektywność Efektywność katalizy – reakcje przebiegają 10 8 -10 15 -razy szybciej, a wystarczy stężenie 10 -3 -10 -4 %mol (chemiczne: 0,1-1%mol) Możliwość sterowania parametrami biokatalizatorów dzięki zastosowaniu narzędzi biologii molekularnej Reakcje przebiegają w łagodnych warunkach (temp. pokojowa, pH neutralne) Reakcje mogą przebiegać w wodzie, jak i w rozpuszczalnikach organicznych Nie zachodzą reakcje uboczne Biodegradowalność katalizatorów Kompatybilność – enzym jest wybiórczy w stosunku do danego substratu – synteza „one- pot” Enzymy są katalizatorami produkowanymi przez organizmy żywe, wpływającymi na szybkość i specyficzność tysięcy reakcji chemicznych. Źródłem enzymów mogą być mikroorganizmy (bakterie, drożdże, grzyby makroskopowe), komórki roślinne i zwierzęce. Chociaż są syntetyzowane w komórkach, mogą także działać poza nimi. Wiele enzymów po wyekstrahowaniu zachowuje w pełni swoją aktywność, którą można jeszcze poprawić przez oczyszczanie, wysalanie, immobilizację czy modyfikację chemiczną lub metodami biologii molekularnej. Jak już wspomniano, enzymy są podstawowymi katalizatorami przemian chemicznych zachodzących w przyrodzie. Ich liczba jest ogromna, do tej pory sklasyfikowano kilka tysięcy różnych enzymów. Nazwy są tworzone przez dodanie końcówki –aza, np. ureaza, lipaza, kinaza. Najczęściej nazwa enzymu nawiązuje do przekształcanego substratu lub do typu reakcji, którą enzym katalizuje. Na przykład enzym rozkładający celulozę nazywa się celulazą. Bardzo często łączy się nazwę reakcji z nazwą substratu, np. dehydrogenaza alkoholowa, dekarboksylaza argininy, izomeraza retinalu. Niektóre enzymy posiadają tylko nazwy zwyczajowe, jak pepsyna (gr. pepsis – trawienie), papaina (izolowana z papai), bromelaina (izolowana z owoców ananasa).
11
Embed
Laboratorium - Biotransformacje VI sem. Technologia Chemiczna
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Laboratorium specjalistyczne – Biotransformacje Semestr VI
1
WYKORZYSTANIE METOD BIOTECHNOLOGICZNYCH DO OTRZYMYWANIA
OPTYCZNIE CZYNNYCH ALKOHOLI
1. Wstęp
Problem otrzymywania czynnych optycznie enancjomerów ma podstawowe znaczenie
w wielu gałęziach przemysłu chemicznego, np.: spożywczym, kosmetycznym, a szczególnie w
przemyśle farmaceutycznym, gdzie czystość optyczna związku bardzo często decyduje o
możliwości stosowania go jako leku. Dlatego opracowano wiele różnych metod otrzymywania
czystych enancjomerów, ale uzyskiwane wyniki są bardzo różne, często niezadowalające ze
względu na konieczność stosowania drogich odczynników i zbyt małą czystość optyczną
produktów. Ogromny postęp w otrzymywaniu optycznie czynnych związków nastąpił po
opracowaniu metod biotechnologicznych i reakcji biotransformacji.
Pod pojęciem produkcji biotechnologicznej rozumie się procesy wykorzystujące
metabolizm organizmów żywych, które z prostego źródła węgla (glukoza) i ewentualnie
odpowiedniego prekursora w trakcie skomplikowanych przemian biochemicznych wytwarzają
bardziej złożony związek chemiczny np. penicylinę G. Biotransformacje natomiast obejmują
pojedyncze, konkretne przekształcenia chemiczne katalizowane najczęściej przez izolowane
enzymy, preparaty enzymatyczne lub mikroorganizmy np. redukcja grupy karbonylowej ketonu.
O dużej atrakcyjności metod „bio” decydują następujące zalety:
Wysoka chemo-, regio-, stereo- i enancjoselektywność
Efektywność katalizy – reakcje przebiegają 108-1015-razy szybciej, a wystarczy stężenie
10-3-10-4 %mol (chemiczne: 0,1-1%mol)
Możliwość sterowania parametrami biokatalizatorów dzięki zastosowaniu narzędzi
biologii molekularnej
Reakcje przebiegają w łagodnych warunkach (temp. pokojowa, pH neutralne)
Reakcje mogą przebiegać w wodzie, jak i w rozpuszczalnikach organicznych
Nie zachodzą reakcje uboczne
Biodegradowalność katalizatorów
Kompatybilność – enzym jest wybiórczy w stosunku do danego substratu – synteza „one-
pot”
Enzymy są katalizatorami produkowanymi przez organizmy żywe, wpływającymi na
szybkość i specyficzność tysięcy reakcji chemicznych. Źródłem enzymów mogą być
mikroorganizmy (bakterie, drożdże, grzyby makroskopowe), komórki roślinne i zwierzęce.
Chociaż są syntetyzowane w komórkach, mogą także działać poza nimi. Wiele enzymów po
wyekstrahowaniu zachowuje w pełni swoją aktywność, którą można jeszcze poprawić przez
oczyszczanie, wysalanie, immobilizację czy modyfikację chemiczną lub metodami biologii
molekularnej.
Jak już wspomniano, enzymy są podstawowymi katalizatorami przemian chemicznych
zachodzących w przyrodzie. Ich liczba jest ogromna, do tej pory sklasyfikowano kilka tysięcy
różnych enzymów. Nazwy są tworzone przez dodanie końcówki –aza, np. ureaza, lipaza, kinaza.
Najczęściej nazwa enzymu nawiązuje do przekształcanego substratu lub do typu reakcji, którą
enzym katalizuje. Na przykład enzym rozkładający celulozę nazywa się celulazą. Bardzo często
łączy się nazwę reakcji z nazwą substratu, np. dehydrogenaza alkoholowa, dekarboksylaza
argininy, izomeraza retinalu. Niektóre enzymy posiadają tylko nazwy zwyczajowe, jak pepsyna (gr.
pepsis – trawienie), papaina (izolowana z papai), bromelaina (izolowana z owoców ananasa).
Laboratorium specjalistyczne – Biotransformacje Semestr VI
2
Można także spotkać się z nazwami enzymów o końcówce –zym np. lizozym (powoduje lizę
niektórych bakterii).
W celu ujednolicenia nazewnictwa wprowadzono międzynarodowy system nomenklatury
enzymów, który dzieli je na sześć klas w zależności od typu prowadzonej reakcji (tabela 3.1).
Każdemu enzymowi przypisuje się numer EC składający się z czterech liczb. Przykładowo
trypsyna sklasyfikowana jest jako 3.4.21.4, co oznacza:
a) 3 – hydrolaza
b) 4 – proteaza hydrolizująca wiązanie peptydowe
c) 21 – proteaza serynowa (seryna jest głównym aminokwasem w centrum aktywnym)
d) 4 – czwarty enzym przypisany do tej klasy
Pod numerami EC bardzo rzadko występuje tylko jeden enzym. Najczęściej jest to grupa
strukturalnie i funkcyjnie podobnych enzymów, które zostały wyizolowane z różnych
organizmów lub nawet tkanek. W taki sposób trypsyna izolowana z trzustki człowieka pod
względem sekwencji aminokwasowej, struktury przestrzennej i właściwości (punkt izoelektryczny,
optymalne pH) może różnić się od trypsyny produkowanej przez np. tygrysa. Enzymy takie
nazywane są izoenzymami, natomiast mechanizm działania i substrat jest ten sam.
Tabela 1. System międzynarodowej klasyfikacji enzymów
Klasa Nazwa Typ katalizowanej reakcji Przykład
1 Oksydoreduktazy Przenoszenie elektronów A- + B A + B- Dehydrogenaza