Biokatalyse en enzymtechnologie
Hoofdstuk 1: Inleiding
1.1 Definities
Biokatalyse = Het gebruik van enzymen om chemische reacties te katalyseren, vaak
met ecologische of economische voordelen
Fermentatie = proces waarbij levende MO een C/N bron metaboliseren om via
metabolische pathways een product te vormen
Biotransformatie = proces waarbij cellen zonder celgroei een specifiek intermediair
om zetten naar een product, zonder C/N bron
1.2 Geschiedenis
- Payen: ontdekte gerst-extract (= diastase) dat zetmeel enzymatisch afbreekt
- Buchner: toonde aan dat alcohol fermentatie mogelijk is met gistextract (=
zymase) , zonder levende cellen
- Oropon = protease voor leder
- BioTex = protease voor waspoeder
1.3 Voordelen van werken met enzymes
- Selectief
• Chemo-selectief = 1 bepaalde reactie (vb zuur-base)
• Regio-selectief = 1 bepaalde groep afsplitsen, andere met rust laten
• Enantio-selectief = onderscheid tussen D en L vormen
- Zeer efficiënt
- Milde reactiecondities
- Biodegradeerbaar ipv toxisch
1.4 Nadelen (eerder vooroordelen)
- Duur
- Onstabiel
• Enzymen verliezen soms werkzaamheid na een tijdje
• Stabieler maken door vb te immobiliseren
- lage productiviteit
• klopt niet!
• Biotransformaties: hoog, fermentaties: laag
- beperkt aantal enzymen beschikbaar
- Enkel natuurlijk substraat
• Enzym kan met engineering worden aangepast aan nieuw substraat
- vereisen cofactoren
,Hoofdstuk 2: enzymologie
2.1 Classificatie van enzymen
2.1.1 Op basis van structuur/ eiwitopvouwing (SCOP)
Eiwit bestaat uit α-helix en/of β- sheet
- All α
- All β
- α/β
• vb. TIM barrel opvouwing
o 1/10 eiwitten hebben deze structuur
o TIM = Triosefosfaat IsoMerase
o (β/α)8 → 8 herhalingen van β en α
o Buitenste laag : α-helices , binnenste laag : β-sheets
o Structuur bepaald functie niet
- α +β
• wanneer de elementen niet verbonden zijn met elkaar
2.1.2 Op basis van reactietype
Indeling van enzymen op basis van welke reactie het enzym katalyseert door EC (=
enzyme commission)
- EC1: Oxidoreductasen !!!
• Katalyseren redoxreactie
• Vb. EC 1.1.1.1: Alcoholdehydrogenase.
- EC2: Transferases !!!
• Verplaatsen functionele groep van ene molecule naar andere
- EC3: Hydrolases !!!
• Splitsen binding mbv water
- EC4: Lyases
• Splitsen binding
- EC5: Isomerases
• Verplaatsen functionele groep binnen 1 molecule
- EC6: Ligases
• Maken binding mbv energie (ATP)
2
, 2.2 Mechanisme
2.2.1 Basis van specificiteit: complementariteit
Kenmerken biokatalyse:
- Efficient
- Milde condities
- Specifiek
- Reguleerbaar: inhibitie en activatie
→ katalytisch centrum vormt optimale micro-omgeving waarbinnen een specifiek
substraat kan reageren
Basis van specificiteit: complementariteit tussen Enzym en Substraat
- Vorm
• Sleutel/slot: katalytisch centrum voorgevormd
• Induced fit: enzym past zich aan aan substraat
o Hydrolyse vermijden (want bij water werkt dit niet)
- Lading
• substraat en enzym moeten complementair zijn qua lading
• Electrostatische interacties en H-bruggen
• Hydrofoob effect en VDW-interacties
2.2.2 Basis van katalyse
Katalysator:
- Verhoogt snelheid door Ea te verlagen
• Werkt in op snelheid, niet op evenwicht!
- Stabiliseren transitietoestand
• Katalysator niet perfect complementair met substraat in
grondtoestand, maar wel wanneer deze dichtbij transitietoestand (TS)
is → substraatdistorsie
• ABzymen = katalytische antilichamen
o Laten reageren op een TS analoog van een reactie
o Antilichamen kunnen zo TS stabiliseren → snellere reactie
- Binden S verhoogt kans op juiste botsingen
• Proximiteit (Z) = aantal botsingen
• Oriëntatie (p) = aantal botsingen met juiste oriëntatie
- Actieve deelname aan reactie
• Zuur/base katalyse: uitwisseling H+
o H+: reactiviteit van aminozuren
o Histidine kan zowel protonen opnemen als
afstaan
3
Hoofdstuk 1: Inleiding
1.1 Definities
Biokatalyse = Het gebruik van enzymen om chemische reacties te katalyseren, vaak
met ecologische of economische voordelen
Fermentatie = proces waarbij levende MO een C/N bron metaboliseren om via
metabolische pathways een product te vormen
Biotransformatie = proces waarbij cellen zonder celgroei een specifiek intermediair
om zetten naar een product, zonder C/N bron
1.2 Geschiedenis
- Payen: ontdekte gerst-extract (= diastase) dat zetmeel enzymatisch afbreekt
- Buchner: toonde aan dat alcohol fermentatie mogelijk is met gistextract (=
zymase) , zonder levende cellen
- Oropon = protease voor leder
- BioTex = protease voor waspoeder
1.3 Voordelen van werken met enzymes
- Selectief
• Chemo-selectief = 1 bepaalde reactie (vb zuur-base)
• Regio-selectief = 1 bepaalde groep afsplitsen, andere met rust laten
• Enantio-selectief = onderscheid tussen D en L vormen
- Zeer efficiënt
- Milde reactiecondities
- Biodegradeerbaar ipv toxisch
1.4 Nadelen (eerder vooroordelen)
- Duur
- Onstabiel
• Enzymen verliezen soms werkzaamheid na een tijdje
• Stabieler maken door vb te immobiliseren
- lage productiviteit
• klopt niet!
• Biotransformaties: hoog, fermentaties: laag
- beperkt aantal enzymen beschikbaar
- Enkel natuurlijk substraat
• Enzym kan met engineering worden aangepast aan nieuw substraat
- vereisen cofactoren
,Hoofdstuk 2: enzymologie
2.1 Classificatie van enzymen
2.1.1 Op basis van structuur/ eiwitopvouwing (SCOP)
Eiwit bestaat uit α-helix en/of β- sheet
- All α
- All β
- α/β
• vb. TIM barrel opvouwing
o 1/10 eiwitten hebben deze structuur
o TIM = Triosefosfaat IsoMerase
o (β/α)8 → 8 herhalingen van β en α
o Buitenste laag : α-helices , binnenste laag : β-sheets
o Structuur bepaald functie niet
- α +β
• wanneer de elementen niet verbonden zijn met elkaar
2.1.2 Op basis van reactietype
Indeling van enzymen op basis van welke reactie het enzym katalyseert door EC (=
enzyme commission)
- EC1: Oxidoreductasen !!!
• Katalyseren redoxreactie
• Vb. EC 1.1.1.1: Alcoholdehydrogenase.
- EC2: Transferases !!!
• Verplaatsen functionele groep van ene molecule naar andere
- EC3: Hydrolases !!!
• Splitsen binding mbv water
- EC4: Lyases
• Splitsen binding
- EC5: Isomerases
• Verplaatsen functionele groep binnen 1 molecule
- EC6: Ligases
• Maken binding mbv energie (ATP)
2
, 2.2 Mechanisme
2.2.1 Basis van specificiteit: complementariteit
Kenmerken biokatalyse:
- Efficient
- Milde condities
- Specifiek
- Reguleerbaar: inhibitie en activatie
→ katalytisch centrum vormt optimale micro-omgeving waarbinnen een specifiek
substraat kan reageren
Basis van specificiteit: complementariteit tussen Enzym en Substraat
- Vorm
• Sleutel/slot: katalytisch centrum voorgevormd
• Induced fit: enzym past zich aan aan substraat
o Hydrolyse vermijden (want bij water werkt dit niet)
- Lading
• substraat en enzym moeten complementair zijn qua lading
• Electrostatische interacties en H-bruggen
• Hydrofoob effect en VDW-interacties
2.2.2 Basis van katalyse
Katalysator:
- Verhoogt snelheid door Ea te verlagen
• Werkt in op snelheid, niet op evenwicht!
- Stabiliseren transitietoestand
• Katalysator niet perfect complementair met substraat in
grondtoestand, maar wel wanneer deze dichtbij transitietoestand (TS)
is → substraatdistorsie
• ABzymen = katalytische antilichamen
o Laten reageren op een TS analoog van een reactie
o Antilichamen kunnen zo TS stabiliseren → snellere reactie
- Binden S verhoogt kans op juiste botsingen
• Proximiteit (Z) = aantal botsingen
• Oriëntatie (p) = aantal botsingen met juiste oriëntatie
- Actieve deelname aan reactie
• Zuur/base katalyse: uitwisseling H+
o H+: reactiviteit van aminozuren
o Histidine kan zowel protonen opnemen als
afstaan
3
