Rola enzymów w przyrodzie i technologii (04-2011r.).pdf

Kształcenie nauczycieli chemii

Rola enzymów

w przyrodzie i technologii

KRZYSZTOF W. SZEWCZYK, KATARZYNA DĄBKOWSKA

biologicznych. Zasadniczym ele-

mentem budowy cząsteczek enzy-

mów są białka. Dodatkowo w cząsteczkach

enzymów mogą występować składniki nie-

białkowe, np. koenzymy, aktywatory, inhi-

bitory, metale stanowiące centra koordy-

nacyjne. Złożona struktura przestrzenna

cząsteczek enzymów określa zarówno mo-

żliwości katalityczne, jak i wrażliwość

na wiele czynników środowiska. Podstawo-

wy mechanizm działania enzymów związa-

ny jest z przestrzennym dopasowaniem

substratu do centrum katalitycznego enzy-

mu (Rys. 1.).

być katalaza rozkładająca nadtlenek wo-

doru;

l transferazy – katalizują przenoszenie

grup atomów lub atomu z jednej czą-

steczki do drugiej, np. aminotransferaza

asparaginowa katalizuje przeniesienie

grupy aminowej z kwasu asparaginowe-

go na

-ketoglutaran, w wyniku czego

powstaje kwas szczawiooctowy i kwas

L-glutaminowy;

l hydrolazy – katalizują reakcje hydroli-

zy, np. amylazy katalizują hydrolizę

skrobi, natomiast proteazy – białek;

l liazy – katalizują odszczepianie grup bez

udziału wody, np. dekarboksylaza piro-

gronianowa katalizuje przemianę kwasu

pirogronowego w aldehyd octowy z odłą-

czeniem cząsteczki ditlenku węgla;

l izomerazy – katalizują reakcje izomery-

zacji, np. izomeraza glukozowa katalizu-

je izomeryzację glukozy do fruktozy;

l ligazy – katalizują powstawanie wiązań

chemicznych, np. ligazy DNA katalizują

łączenie nici kwasu deoksyrybonukle-

inowego.

Rys. 1. Mechanizm działania enzymów. Substrat przyłą-

cza się do centrum aktywnego, a następnie ulega prze-

kształceniu w produkty

Struktura centrum aktywnego decyduje

o rodzaju katalizowanej reakcji. Tę cechę

określa się mianem specyficzności funkcjo-

nalnej . Ukształtowanie przestrzenne decy-

duje o tym, które związki pasujące do cen-

trum aktywnego na zasadzie zamek-klucz,

mogą być substratami przemiany. Tę cechę

określa się mianem specyficzności substra-

towej . Z uwagi na specyficzność funkcjo-

nalną enzymy podzielone są na sześć za-

sadniczych grup:

l oksydoreduktazy – katalizują reakcje

utleniania i redukcji, przykładem może

Enzymy w żywych organizmach

Enzymy odgrywają bardzo ważne funkcje

w każdym żywym organizmie. Poszczególne

przemiany wewnątrzkomórkowe katalizo-

wane są przez wyspecjalizowane enzymy.

Aktywność enzymów w komórce kontrolo-

wana jest na różne sposoby. Wytwarzanie

białek katalitycznych związane jest z aktyw-

nością odpowiednich genów. Ponadto w or-

ganizmie mogą być wytwarzane zarówno

związki aktywujące, jak i hamujące aktyw-

ność enzymów. Podobne działanie mogą

mieć substraty lub produkty różnych prze-

Chemia w Szkole

E nzymy są katalizatorami przemian

Kształcenie nauczycieli chemii

mian metabolicznych. Brak genów kodują-

cych wytwarzanie odpowiedniego białka ka-

talitycznego stanowi podłoże niektórych

chorób. Dla przykładu fenyloketonuria

jest wywołana przez defekt genu odpowie-

dzialnego za aktywność enzymu hydroksyla-

zy fenyloalaninowej, który katalizuje prze-

kształcenie L-fenyloalaniny w L-tyrozynę.

Brak hydroksylazy fenyloalaniny powoduje

gromadzenie się w organizmie fenyloalani-

ny, co prowadzi do zaburzeń neurologicz-

nych i znacznego upośledzenia rozwoju.

Chorzy muszą dbać o odpowiednią dietę

ograniczającą ilość białek zawierających fe-

nyloalaninę.

Pojawienie się właściwych enzymów

w odpowiedniej chwili jest często warun-

kiem rozwoju. W ziarnach zbóż podczas

kiełkowania zwiększa się aktywność enzy-

mów amylolitycznych, katalizujących hy-

drolizę skrobi. Skrobia jest powszechnie

występującym w świecie roślinnym mate-

riałem zapasowym. Jej hydroliza do cu-

krów prostych dostarcza substratów nie-

zbędnych do dalszego rozwoju rośliny.

Obecność enzymów amylolitycznych

w skiełkowanych ziarnach zbóż (tzw. sło-

dzie ) była od wieków wykorzystywana

przez ludzi do zacierania, czyli scukrzania

surowców skrobiowych, np. w produkcji pi-

wa. Z surowców roślinnych można pozy-

skać nie tylko enzymy hydrolizujące skro-

bię, ale także hemicelulozę czy białka.

Enzymy można także pozyskać z surowców

zwierzęcych. Długą tradycję ma również

wykorzystywanie w serowarstwie pod-

puszczki , enzymu hydrolizującego białka,

otrzymywanego ze ścian żołądków cieląt.

Służy on do wytrącania skrzepu kazeiny

w produkcji serów dojrzewających.

Najbogatszym źródłem enzymów dla

produkcji przemysłowych preparatów są

drobnoustroje. Największy udział wśród

preparatów enzymatycznych produkowa-

nych w dużej skali stanowią hydrolazy,

a wśród nich prym dzierżą enzymy prote-

olityczne, wykorzystywane w proszkach

do prania. Preparaty zawierające enzymy

amylolityczne również produkowane są

na masową skalę i wykorzystywane do mo-

dyfikowania skrobi w przemyśle spożyw-

czym czy scukrzania skrobi w gorzelniach

zbożowych.

Enzymy w przemyśle spożywczym

Niezwykłe właściwości katalityczne enzy-

mów nie mogły ujść uwadze chemików.

Wiele reakcji chemicznych łatwiej jest prze-

prowadzić wykorzystując katalizę enzyma-

tyczną niż tradycyjne techniki chemii orga-

nicznej. Za przykład niech posłuży

izomeryzacja glukozy do fruktozy (Rys. 2).

W obecności enzymu – izomerazy glukozo-

wej reakcja przebiega bardzo sprawnie. Sta-

ła równowagi reakcji jest równa ok. 1, za-

tem uzyskuje się prawie równomolowe

ilości glukozy i fruktozy. Taki słodki syrop

glukozowo-fruktozowy jest powszechnie

wykorzystywany w przemyśle spożywczym.

Glukoza jest tanim cukrem prostym, który

otrzymuje się w wyniku hydrolizy (najczę-

ściej enzymatycznej) skrobi. Wadą glukozy,

z punktu widzenia zastosowań w wyrobie

słodyczy, jest to, że jest ona mało „słodka”.

Fruktoza ma kilkukrotnie większą „moc

słodzącą” od glukozy. Z tego względu za-

miana mało słodkiej glukozy na słodką

fruktozę jest tak wartościowa.

Coraz szersze wykorzystanie enzymów

jako katalizatorów przemian w technologii

Rys. 2. Izomeryzacja glukozy do fruktozy

4/2011

Kształcenie nauczycieli chemii

H 2 C=CH–CN

Brevibacterium imperialis

H 2 C=CH–CONH 2

(hydrolaza nitrylowa)

Rys. 3. Enzymatyczne przekształcenie akrylonitrylu do akryloamidu

organicznej związane jest z kilkoma cha-

rakterystycznymi cechami enzymów: dzia-

łają one w warunkach umiarkowanych, nie

wymagają wysokich temperatur i ciśnień,

a przede wszystkim wykazują bardzo wyso-

ką selektywność, często trudną do uzyska-

nia tradycyjnymi metodami. Te cechy kata-

lizatorów enzymatycznych powodują, że

dzięki ich zastosowaniu można zmniejszyć

liczbę przemian prowadzących do produk-

tu, zmniejszyć zużycie surowców i ilość wy-

twarzanych odpadów. Wszystko to prowa-

dzi do obniżenia kosztów produkcji.

Przykładem może być produkcja akrylo-

amidu . Związek ten jest substratem

do syntezy poliakryloamidów stosowanych

do produkcji tworzyw sztucznych, tkanin

syntetycznych, barwników, papieru i ko-

smetyków, a także wykorzystywanych do

oczyszczania ścieków. W tradycyjnej che-

micznej technologii wytwarzania akrylo-

amidu z akrylonitrylu stosuje się dwustop-

niową hydrolizę: początkowo wobec kwasu

siarkowego, a następnie z udziałem katali-

zatora miedziowego. Proces enzymatyczny

opracowany przez Mitsubishi Rayon Co.

Ltd przebiega jednoetapowo [5] (Rys 3.).

Wykorzystuje się hydrolazę nitrylową

z unieruchomionych komórek bakterii Bre-

vibacterium imperialis. Uzyskuje się 100%

wydajność biotransformacji i wysokie stęże-

nia akryloamidu w cieczy, dzięki czemu nie

jest konieczne jej zatężanie. W efekcie zu-

życie energii na 1 kg produktu w technolo-

gii enzymatycznej wynosi 0,4 MJ/kg pro-

duktu wobec 1,9 MJ/kg w tradycyjnej

technologii. W konsekwencji emisja CO 2

na jeden kg produktu w technologii enzy-

matycznej wynosi 0,3 kg, natomiast w tech-

nologii tradycyjnej 1,5 kg CO 2 /kg produktu.

Enzymy w farmacji

Innym przykładem ilustrującym zalety

katalizy enzymatycznej jest hydroliza peni-

cyliny G . Antybiotyk ten jest wytwarzany

przez szczepy grzybów strzępkowych Peni-

Rys. 4. Enzymatyczna i chemiczna hydroliza penicyliny G do kwasu 6-aminopenicylanowego

Chemia w Szkole

Kształcenie nauczycieli chemii

cillium chrysogenum . Stanowi także sub-

strat wyjściowy do produkcji licznych peni-

cylin półsyntetycznych. Pierwszym etapem

jest hydroliza penicyliny G do kwasu 6-ami-

nopenicylanowego (6-APA). Proces ten

można przeprowadzić zarówno na drodze

chemicznej, jak i enzymatycznej (Rys. 4.).

Metoda chemiczna wymaga zastosowa-

nia dużych ilości rozpuszczalników orga-

nicznych (n-butanolu i dichlorometanu)

oraz toksycznych reagentów (dimetylo-

chlorosilanu – DMS, N , N -dimetyloalaniny

DMA i chlorku fosforu(V)). Powstają du-

że ilości toksycznych, trudnych do zago-

spodarowania ścieków. Metoda enzyma-

tyczna jest jednoetapowa i zapewnia

wydajność ok. 90%. Ponadto z mieszaniny

poreakcyjnej można wydzielić kwas feny-

looctowy. Jest on zawracany do etapu ho-

dowli P. chrysogenum , gdzie stanowi pre-

kursor biosyntezy penicyliny G. Z tych

względów metoda enzymatycznej hydroli-

zy jest powszechne stosowana w przemyśle

farmaceutycznym.

Większość enzymów działa w środowisku

wodnym. Jednakże są enzymy wykazujące

aktywność katalityczną także w rozpuszczal-

nikach organicznych, co pozwala na wyko-

rzystanie ich w przekształcaniu substratów

nierozpuszczalnych w wodzie. Okazało się,

że w środowisku niewodnym enzymy wyka-

zują wiele ciekawych właściwości, które nie

są spotykane w ich natywnym środowisku.

Podważona została klasyczna hipoteza

stwierdzająca, że jeden enzym katalizuje

jedną reakcję jednego substratu. W środo-

wisku niewodnym enzymy mogą katalizo-

wać transformacje całkowicie odmienne

od tych przebiegających w żywych organi-

zmach. Lipazy mogą katalizować syntetyzę

estrów i pokrewnych związków, proteinaz

nie tylko peptydów, ale także estrów, gliko-

zydaz – oligo-, a nawet polisacharydów.

l polikondensację hydroksykwasów lub

kwasów dikarboksylowych z diolami,

l polimeryzację bezwodników cyklicznych

dikwasów z diolami lub oksiranami,

l polimeryzację polibezwodników z diolami,

l transestryfikację polikaprolaktonu i poli

(dikarboksylanów alkilenowych),

l otwarcie pierścienia w polimeryzacji

laktonów,

l kopolimeryzację laktonów z alifatyczny-

mi poliestrami,

l polikondensację węglanu dialkilu i dioli.

Szczególnym obszarem, w którym wyko-

rzystanie katalizatorów enzymatycznych

jest bardzo efektywne, jest otrzymywanie

czystych enancjomerów . Wiele związków

występuje w dwóch formach stanowiących

wzajemne odbicie lustrzane. Enancjomery

tego samego związku biologicznie czynne-

go mogą w zasadniczy sposób różnić się

między sobą pod względem właściwości

farmakokinetycznych, farmakodynamicz-

nych, skuteczności bądź też profilu działań

niepożądanych. Większość substancji lecz-

niczych ciągle produkowana jest w formie

mieszanin racemicznych. Wiele danych

przemawia jednak za tym, że zastąpienie

mieszanin racemicznych enancjomerami

pozwala na stosowanie mniejszych dawek

leków, zwiększenie skuteczności terapeu-

tycznej pojedynczej dawki oraz uniknięcie

wielu szkodliwych interakcji lekowych.

W przypadku niektórych substancji, któ-

rych tylko jeden stereoizomer wykazuje

pożądaną aktywność biologiczną, nato-

miast drugi ma działanie toksyczne, nie-

zbędne jest zastosowanie wyłącznie czy-

stych enancjomerów.

Rozdzielanie enancjomerów za pomocą

klasycznych technik jest często niemożliwe.

Można wykorzystać specyficzność enzy-

mów bądź do syntezy odpowiednich związ-

ków, bądź do rozdzielania enancjomerów.

Ponieważ enancjomery różnią się między

sobą przestrzennym rozmieszczeniem pod-

stawników wokół węgla chiralnego, enzy-

my mogą rozróżniać poszczególne enan-

cjomery. Wszak aktywność katalityczna

enzymów zależy od dopasowania substratu

Enzymy w przemyśle tworzyw sztucznych

Wiele reakcji tworzenia estrów, wyko-

rzystywanych w przemyśle tworzyw sztucz-

nych, może być katalizowanych przez enzy-

my. Można tu wymienić:

4/2011

Kształcenie nauczycieli chemii

Rys. 5. Enancjomery kwasu migdałowego

do centrum aktywnego. Tę cechę (stereo-

selektywność) wykorzystuje się w tzw. roz-

dziale kinetycznym. Przedstawimy to na

przykładzie procesu badanego i rozwijane-

go w Zakładzie Biotechnologii i Inżynierii

Bioprocesowej PW. Chodzi w nim o roz-

dzielenie enancjomerów kwasu migdało-

wego (Rys. 5.).

Kwas migdałowy nie jest szczególnie

wartościowym substratem w przemyśle far-

maceutycznym, za to jego czyste enancjo-

mery (zarówno S jak i R ) mają szerokie za-

stosowanie w produkcji m.in. antybio-

tyków, leków przeciwko otyłości, leków on-

kologicznych oraz stanowią ważne reagen-

ty w procesach rozdzielania związków

optycznie czynnych.

Opracowany sposób rozdzielania enan-

cjomerów kwasu migdałowego polega

na wykorzystaniu enzymatycznej transe-

stryfikacji octanem winylu (Rys. 6.). Reak-

cja katalizowana jest przez lipazę z Bur-

kholderia cepacia .Jako rozpuszczalnik

zastosowano eter izopropylowy . Na Rys. 7.

przedstawiono zmiany stężenia poszcze-

gólnych reagentów w czasie reakcji prowa-

dzonej w reaktorze okresowym. Enancjo-

mer R praktycznie nie reaguje, natomiast

enancjomer S ulega przekształceniu do

kwasu O -acetylomigdałowego. Produkty,

Rys. 7. Zmiany stężenia reagentów podczas enzymatycz-

nej transestryfikacji kwasu migdałowego

tzn. kwas ( R )-migdalowy i kwas ( S )- O -ace-

tylomigdałowy można łatwo rozdzielić

przez ekstrakcję wodą.

Enzymy w analityce

Enzymy coraz powszechniej wykorzysty-

wane są w analityce. Dzięki wykazywanej

specyficzności substratowej umożliwiają

dokonywanie oznaczeń w złożonych mie-

szaninach związków. Oznaczanie metoda-

mi enzymatycznymi metabolitów, takich

jak cukry, cholesterol, mocznik itp. odgry-

wa bardzo dużą rolę w diagnostyce me-

dycznej oraz w analizie produktów spożyw-

czych. W niektórych oznaczeniach w diag-

nostyce medycznej używa się enzymów ja-

ko znaczników połączonych z odpowiedni-

mi specyficznymi przeciwciałami, co umo-

żliwia szybkie i łatwe oznaczanie hor-

monów, immunoglobulin itp. Przykładem

może być peroksydaza chrzanowa , czę-

sto stosowana do wykrywania chorób za-

kaźnych, nowotworowych oraz zbadania

zgodności tkankowej w przypadku doboru

dawców i biorców przeszczepów.

Rys. 6. Enzymatyczna transestryfikacja kwasu migdałowego

Chemia w Szkole

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: