Biokataliza

Bioreaktor (fermentor) w skali laboratoryjnej

Ponieważ biokataliza jest implementacją i przyspieszeniem lub sterowaniem reakcjami chemicznymi ( katalizą ) wyznaczonymi w enzymach jako katalizatory biologiczne . Enzymy składają się w całości lub głównie z jednego lub większej liczby białek, a czasami także z kofaktora . Większość reakcji biochemicznych w organizmach żywych jest katalizowana przez określone enzymy.

W zastosowaniach technicznych na początku biokatalizy ( Biotechnology ) to enzymy , albo samodzielnie albo w żywej komórce do katalizy z chemiczne reakcje stosowane. To młoda dziedzina z pogranicza biotechnologii i chemii .

Terminy biokonwersja i biotransformacja są czasami używane jako synonimy terminu biokataliza . Czasami jednak dokonuje się rozróżnienia między biokatalizą jako terminem parasolowym dla wszystkich katalizowanych enzymatycznie reakcji biochemicznych, podczas gdy pozostałe dwa terminy są używane do reakcji katalizowanych enzymatycznie w zastosowaniach technicznych (biotechnologia).

historia

Zbiorniki fermentacyjne do produkcji wina

Jednym z przykładów biokatalizy podczas warzenia piwa jest jeden z najstarszych znanych procesów chemicznych zachodzących w ludzkości. Procesy biokatalityczne z wykorzystaniem bakterii , drożdży czy grzybów są znane od wieków , zwłaszcza w produkcji wina, piwa, serów i innych produktów spożywczych. Procesy biokatalityczne od dawna są również wykorzystywane w przemyśle farmaceutycznym .

Chodzi po części o realizację niemożliwych w innym przypadku reakcji, a po części o zastąpienie już istniejących syntez toksycznymi odczynnikami i rozpuszczalnikami. W trosce o zrównoważony rozwój zastępuje się je łagodniejszymi metodami, ponieważ biokatalizatory często pracują w wodzie i temperaturze od 20 do 40 ° C.

Przykłady gospodarczo ważnych procesów biokatalitycznych jest wytwarzanie witaminy C The aspartam -produkcja, scukrzania skrobi, syrop glukozowy oraz antybiotyki -Produkcja przez enzymatyczne rozszczepienie penicylin G .

Zalety biokatalizy

Bioreaktor do bakteryjnej produkcji szczepionek

Zalety biokatalizy do syntezy organicznej polegają przede wszystkim na selektywności, która jest warunkiem wstępnym uzyskania wysokiej wydajności. Enzymy oferują korzyści w zakresie chemoselektywności , regioselektywności , diastereoselektywności i enancjoselektywności .

Enzymy często reagują w łagodnych warunkach, tak że tylko jedna grupa funkcyjna reaguje w danych warunkach reakcji. Oznacza to również, że produkty procesów biokatalitycznych są często czystsze, a oddzielanie produktów ubocznych jest mniej problematyczne.

Ze względu na złożoną strukturę enzymów często katalizują reakcje regio- i diastereoselektywne. Często obecna chiralność enzymu może zostać przeniesiona na prochiralny substrat w celu wytworzenia enancjomerycznie czystych składników w różnych reakcjach . Składniki te są szczególnie popularne jako chiralne bloki budulcowe do produkcji farmaceutyków i składników aktywnych w środkach agrochemicznych.

Łagodne warunki reakcji, zastosowanie wody jako rozpuszczalnika w wielu reakcjach oraz podatność na biodegradację są powodem intensywnych badań nad biokatalizą.

Ukierunkowana ewolucja i racjonalne projektowanie białek to skuteczne metody ulepszania enzymów do biokatalizy .

Asymetryczna biokataliza

W biokatalizie asymetrycznej można wyróżnić dwie podstawowe metody; z jednej strony rozdzielczość kinetyczna i biokatalityczna synteza asymetryczna.

Podczas rozdziału kinetycznego racemat przekształca się za pomocą enzymów. Ze względu na chiralność enzymów jeden enancjomer w mieszaninie racemicznej szybciej reaguje z biokatalizą na docelowy produkt, podczas gdy drugi nie reaguje.

Biokatalityczna synteza asymetryczna jest reakcją, w której składnik prochiralny jest przekształcany enancjoselektywnie w chiralny, na przykład w enancjoselektywnej redukcji ketonów przez drożdże.

literatura

linki internetowe

Indywidualne dowody

  1. ^ T. Anthonsen: Reakcje katalizowane przez enzymy. W P. Adlercreutz. P. and AJJ Straathof (red.): Applied Biocatalysis , wydanie 2, Harwood Academic Publishers 1999, str. 18–53.
  2. ^ K. Faber: Biotransformations in Organic Chemistry , wydanie 4, Springer-Verlag Berlin 2000.
  3. ↑ Jayasinghe LY, Smallridge AJ i Trewhella MA: Redukcja acetooctanu etylu w eterze naftowym za pośrednictwem drożdży . W: Tetrahedron Letters . 34, nr 24, 1993, str. 3949. doi : 10,1016 / S0040-4039 (00) 79272-0 .
  4. ↑ Manfred T. Reetz : Biokataliza w chemii organicznej i biotechnologii: przeszłość, teraźniejszość i przyszłość , J. Am. Chem. Soc. 135 (2013) str. 12480-12496.