ENZYMY W CHEMII. Michał Rachwalski. Uniwersytet Łódzki, Wydział Chemii, Katedra Chemii Organicznej i Stosowanej

Transkrypt

1 ENZYMY W CHEMII Michał Rachwalski Uniwersytet Łódzki, Wydział Chemii, Katedra Chemii rganicznej i Stosowanej

2 - pojęcie enzymu; Plan wykładu - enzymy izolowane a całe komórki - enzymy jako katalizatory reakcji chemicznych - wybrane przykłady działania enzymów w organizmach żywych

3 Czym są enzymy? Enzymy są białkami zawierającymi od 60 do 1000 reszt aminokwasów; Enzymy są katalizatorami reakcji chemicznych zachodzących w układach biologicznych (in vivo).

4 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 znanych enzymów jest globularna.

5 Struktury enzymów

6 Czym charakteryzują się enzymy? są bardzo wydajnymi i skutecznymi katalizatorami (przyspieszają reakcje 10 8 do razy; są nieszkodliwe dla środowiska; działają w łagodnych warunkach (ph 5-8, temperatura 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

7 Klasyfikacja enzymów 1. KSYDREDUKTAZY katalizują reakcje redox. 2. TRANSFERAZY katalizują transfer odpowiednich grup funkcyjnych. 3. HYDRLAZY katalizują tworzenie lub zrywanie wiązań 4. C-, C-N, C-S, P-. 4. LIAZY katalizują rozerwanie wiązań C-C, C-, C-N poprzez eliminację. 5. IZMERAZY katalizują geometryczne lub strukturalne przegrupowania wewnątrz cząsteczki. 6. LIGAZY syntetyzują cząsteczki ważne zwłaszcza w biologii molekularnej.

8 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. PRTEAZY: Chymotrypsyna, subtylizyna, papaina, pepsyna i inne. AMIDAZY, NITRYLAZY. FSFATAZY, NUKLEAZY, FSFLIPAZY

9

10 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

11 Izolowane enzymy a całe komórki Całe komórki Zalety: Tanie becność wymaganych kofaktorów Wady: Skomplikowana aparatura Utrudniona obróbka reakcji Możliwość wystąpienia reakcji ubocznych

12 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.

13 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.

14 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.

15 Typy selektywności wykazywane przez enzymy Chemoselektywność Regioselektywność; Diastereoselektywność; Enancjoselektywność.

16 Chemoselektywność

17 Regioselektywność

18 Przykłady różnych właściwości enancjomerów

19 Enzymy w syntezie Fermentacja alkoholowa C 6 H 12 6 zymaza 2CH 3 CH 2 H + 2C 2

20 Chemoselektywna hydroliza estrów H 1 CMe PLE H CH 4 CMe bufor CMe

21 Enzymatyczny rozdział estrów aminokwasów 1 R C R NHR R HN esteraza lub proteaza CH R L 1 R C D R NHR 2 2 bufor R = alkil, aryl, R1 = Me, Et, R2 = H, acyl

22 Metody otrzymywania związków optycznie czynnych KINETYCZNY RZDZIAŁ DESYMETRYZACJA DERACEMIZACJA R szybko P szybko P R retencja P + S powoli + Q A powoli + Q + S inwersja R, S - enancjomery racemicznego substratu P, Q - enancjomery produktu Wydajność 50% P i 50% S P, Q - enancjomery produktu A - substrat prochiralny lub mezo Wydajność 100% P R, S - enancjomery racemicznego substratu P - enancjomer produktu Wydajność 100% P

23 Dynamiczny kinetyczny rozdział k rac R S szybko k R powoli k S P Q

24 Dynamiczny kinetyczny rozdział Ar S R AcR 1 Lipaza Ar S R H Ru-kat. Ac rac-1 Pirydyna-kat. (R)-2 a: Ar = Ph, R = Me b: Ar = p-tol, R = Me c: Ar = p-tol, R = Et R 1 = p-clc 6 H 4 (4), CH=CH 2 (5) P. Kiełbasiński, M. Rachwalski, M. Mikołajczyk, M. Moelands, B. Zwanenburg, F. Rutjes, Tetrahedron: Asymmetry 2005, 16, 2157

25 Katalizator rutenowy H Ph Ph Ph Ph Ph Ru Ru C C C H C Ph Ph

26 Enzymy hydrolizujące nitryle R C N nitrylaza R H hydrataza nitryli amidaza R NH 2

27 Synteza prochiralnego sulfotlenku bis(cyjanometylowego) Cl CN Na 2 S DME NaI 4 NC S CN NC S CN EtH/H 2 1(75%) 2 (60%)

28 Możliwe produkty hydrolizy sulfotlenku bis(cyjanometylowego) NC S 2 CN NC enzym bufor H 2 N S 3 S NC NH 2 S 5 H H 2 N H H S 4 S NH 2 H 6 7 P. Kiełbasiński, M. Rachwalski, M. Mikołajczyk, M. Szyrej, M. W. Wieczorek, R. Wijtmans, F. Rutjes, Adv. Synth. Catal. 2007, 349, 1387

29 Enzymatyczne utlenianie lucyferyny

30 Enzymatyczna reakcja nadtlenku wodoru i hydrochinonu Strzel łoskotnik (bombardier)

31 Anhydraza węglanowa 1 sekunda cząsteczek C 2

32 Katalaza 1 sekunda cząsteczek H 2 2

33 Polimeraza DNA Błąd raz na par zasad nukleinowych

34 Żabi enzym antidotum na białaczkę (?) i nowotwory mózgu amfinaza, onkonaza