Informatie

Bestaan ​​er niet-enzymgekatalyseerde reactiepaden?


Kunnen ze een soort chemische reactieroute in een cel zijn, die wordt gekatalyseerd of gereguleerd, maar NIET noodzakelijk door enzymen? Ik kon niets vinden op Google.

Ik heb bijna geen achtergrond in biologie en bestudeer alleen bepaalde onderwerpen vanuit een wiskundig perspectief.


Als je met enzym "eiwit" bedoelt oftewel polypeptide, dan zijn er dingen als catalitische RNA's. Dat zijn moleculen van RNA die chemische reacties mogelijk maken, maar zelf niet veranderen (definitie van katalysator). Ik denk dat, op basis van de ontdekking van dergelijke RNA's, nu wordt aangenomen dat het leven misschien is begonnen met of met behulp van katalytische RNA's (vergeef me de speculatieve toon, zie zelfreplicerende RNA's).

Misschien vindt u dit artikel interessant: The Road to Non-Enzymatic Molecular Networks, waarin niet-enzymatische netwerken worden beschreven. Het probleem met het doorzoeken van dit onderwerp is dat de meeste huidige publicaties zich volgens mij concentreren op manieren om enzymatische reacties om te zetten in anorganische katalysesystemen - omdat die systemen schoner en gemakkelijker uit te breiden kunnen zijn - dan het zuiveren van enzymen voor biotech.


Cellulase

Cellulase is een van de verschillende enzymen die voornamelijk worden geproduceerd door schimmels, bacteriën en protozoën die cellulolyse, de afbraak van cellulose en van sommige verwante polysachariden katalyseren. De naam wordt ook gebruikt voor elk natuurlijk voorkomend mengsel of complex van verschillende van dergelijke enzymen, die serieel of synergetisch werken om cellulosemateriaal te ontleden.

Cellulasen breken het cellulosemolecuul af in monosachariden ("eenvoudige suikers") zoals bètaglucose, of kortere polysachariden en oligosachariden. Celluloseafbraak is van groot economisch belang, omdat het een belangrijk bestanddeel van planten beschikbaar maakt voor consumptie en gebruik in chemische reacties. De specifieke reactie die hierbij betrokken is, is de hydrolyse van de 1,4-beta-D-glycosidische bindingen in cellulose, hemicellulose, lichenine en bèta-D-glucanen van granen. Omdat cellulosemoleculen sterk aan elkaar binden, is cellulolyse relatief moeilijk in vergelijking met de afbraak van andere polysachariden zoals zetmeel. [2]

De meeste zoogdieren hebben slechts een zeer beperkt vermogen om zelf voedingsvezels zoals cellulose te verteren. Bij veel plantenetende dieren, zoals herkauwers zoals runderen en schapen en vergisters van de dikke darm zoals paarden, worden cellulasen geproduceerd door symbiotische bacteriën. Endogene cellulasen worden geproduceerd door enkele soorten metazoaire dieren, zoals sommige termieten, slakken, [3] [4] [5] en regenwormen.

Recent zijn ook cellulasen gevonden in groene microalgen (Chlamydomonas reinhardtii, Gonium borstspier en Volvox carteri) en hun katalytische domeinen (CD) die tot de GH9-familie behoren, vertonen de hoogste sequentiehomologie met endogene cellulasen van metazoa. Algencellulasen zijn modulair en bestaan ​​uit vermeende nieuwe cysteïne-rijke koolhydraatbindende modules (CBM's), proline/serine-(PS)-rijke linkers naast vermeende Ig-achtige en onbekende domeinen in sommige leden. Cellulase van Gonium borstspier bestond uit twee CD's gescheiden door linkers en met een C-terminale CBM. [6]

Er zijn verschillende soorten cellulasen bekend, die structureel en mechanisch van elkaar verschillen. Synoniemen, derivaten en specifieke enzymen geassocieerd met de naam "cellulase" omvatten endo-1,4-beta-D-glucanase (beta-1,4-glucanase, bèta-1,4-endoglucanhydrolase, endoglucanase D, 1,4 -(1,3,1,4)-beta-D-glucan 4-glucanohydrolase), carboxymethylcellulase (CMCase), avicelase, celludextrinase, cellulase A, cellulosine AP, alkalicellulase, cellulase A 3, 9.5 cellulase en pancellase SS . Enzymen die lignine splitsen, worden af ​​en toe cellulasen genoemd, maar dit oude gebruik wordt afgeraden, het zijn lignine-modificerende enzymen.


Bestaan ​​er niet-enzymgekatalyseerde reactiepaden? - Biologie

Figuur 1. Enzymen verlagen de activeringsenergie van de reactie, maar veranderen de vrije energie van de reactie niet.

Een stof die een chemische reactie helpt plaatsvinden, wordt een katalysator genoemd en de moleculen die biochemische reacties katalyseren, worden enzymen genoemd. De meeste enzymen zijn eiwitten en vervullen de cruciale taak van het verlagen van de activeringsenergieën van chemische reacties in de cel. De meeste reacties die cruciaal zijn voor een levende cel gebeuren te langzaam bij normale temperaturen om van enig nut te zijn voor de cel. Zonder enzymen om deze reacties te versnellen, zou het leven niet kunnen voortduren. Enzymen doen dit door zich te binden aan de reactantmoleculen en deze zo vast te houden dat de chemische bindingsverbrekende en -vormende processen gemakkelijker plaatsvinden. Het is belangrijk om te onthouden dat enzymen niet veranderen of een reactie exergoon (spontaan) of endergonisch is. Dit komt omdat ze de vrije energie van de reactanten of producten niet veranderen. Ze verminderen alleen de activeringsenergie die nodig is om de reactie door te laten gaan (Figuur 1). Bovendien is een enzym zelf onveranderd door de reactie die het katalyseert. Zodra een reactie is gekatalyseerd, kan het enzym deelnemen aan andere reacties.

De chemische reactanten waaraan een enzym bindt, worden de substraten van het enzym genoemd. Er kunnen een of meer substraten zijn, afhankelijk van de specifieke chemische reactie. Bij sommige reacties wordt een enkel reactantsubstraat afgebroken tot meerdere producten. In andere kunnen twee substraten samenkomen om één groter molecuul te creëren. Twee reactanten kunnen ook een reactie binnengaan en beide worden gemodificeerd, maar ze verlaten de reactie als twee producten. De locatie in het enzym waar het substraat bindt, wordt de actieve plaats van het enzym genoemd. De actieve site is waar de "actie" plaatsvindt. Omdat enzymen eiwitten zijn, is er een unieke combinatie van zijketens van aminozuren in de actieve plaats. Elke zijketen wordt gekenmerkt door verschillende eigenschappen. Ze kunnen groot of klein zijn, zwak zuur of basisch, hydrofiel of hydrofoob, positief of negatief geladen of neutraal. De unieke combinatie van zijketens creëert een zeer specifieke chemische omgeving binnen de actieve site. Deze specifieke omgeving is geschikt om te binden aan één specifiek chemisch substraat (of substraten).

Actieve sites zijn onderhevig aan invloeden van de lokale omgeving. Het verhogen van de omgevingstemperatuur verhoogt in het algemeen de reactiesnelheden, al dan niet door enzymen gekatalyseerd. Temperaturen buiten een optimaal bereik verminderen echter de snelheid waarmee een enzym een ​​reactie katalyseert. Hoge temperaturen zullen er uiteindelijk voor zorgen dat enzymen denatureren, een onomkeerbare verandering in de driedimensionale vorm en daarmee de functie van het enzym. Enzymen zijn ook geschikt om het beste te functioneren binnen een bepaald pH- en zoutconcentratiebereik, en net als bij temperatuur kunnen extreme pH- en zoutconcentraties ervoor zorgen dat enzymen denatureren.

Vele jaren dachten wetenschappers dat enzym-substraatbinding op een eenvoudige "slot-en-sleutel"-manier plaatsvond. Dit model beweerde dat het enzym en het substraat perfect bij elkaar passen in één onmiddellijke stap. Huidig ​​​​onderzoek ondersteunt echter een model dat geïnduceerde fit wordt genoemd (Figuur 2). Het model met geïnduceerde fit breidt het lock-and-key-model uit door een meer dynamische binding tussen enzym en substraat te beschrijven. Naarmate het enzym en het substraat samenkomen, veroorzaakt hun interactie een milde verschuiving in de structuur van het enzym die een ideale bindingsregeling tussen enzym en substraat vormt.

Wanneer een enzym zijn substraat bindt, wordt een enzym-substraatcomplex gevormd. Dit complex verlaagt de activeringsenergie van de reactie en bevordert de snelle voortgang ervan op een van de vele mogelijke manieren. Op een basisniveau bevorderen enzymen chemische reacties waarbij meer dan één substraat betrokken is door de substraten samen te brengen in een optimale oriëntatie voor reactie. Een andere manier waarop enzymen de reactie van hun substraten bevorderen, is door een optimale omgeving binnen de actieve plaats te creëren waarin de reactie kan plaatsvinden.

Figuur 2. Het model met geïnduceerde pasvorm is een aanpassing aan het lock-and-key-model en legt uit hoe enzymen en substraten tijdens de overgangstoestand dynamische wijzigingen ondergaan om de affiniteit van het substraat voor de actieve plaats te vergroten.

Carrières in actie: ontwikkelaar van farmaceutische geneesmiddelen

Figuur 3. Heb je je ooit afgevraagd hoe farmaceutische medicijnen worden ontwikkeld? (credit: Deborah Austin)

Enzymen zijn belangrijke componenten van metabole routes. Begrijpen hoe enzymen werken en hoe ze kunnen worden gereguleerd, zijn de belangrijkste principes achter de ontwikkeling van veel van de farmaceutische geneesmiddelen die momenteel op de markt zijn. Biologen die op dit gebied werken, werken samen met andere wetenschappers om medicijnen te ontwerpen.

Overweeg bijvoorbeeld statines - statines is de naam die wordt gegeven aan een klasse geneesmiddelen die het cholesterolgehalte kunnen verlagen. Deze verbindingen zijn remmers van het enzym HMG-CoA-reductase, het enzym dat cholesterol synthetiseert uit lipiden in het lichaam. Door dit enzym te remmen, kan het cholesterolgehalte dat in het lichaam wordt gesynthetiseerd, worden verlaagd. Evenzo is paracetamol, in de volksmond op de markt gebracht onder de merknaam Tylenol, een remmer van het enzym cyclo-oxygenase. Hoewel het wordt gebruikt om koorts en ontsteking (pijn) te verlichten, is het werkingsmechanisme nog steeds niet volledig begrepen.

Hoe worden drugs ontdekt? Een van de grootste uitdagingen bij het ontdekken van medicijnen is het identificeren van een medicijndoelwit. Een medicijndoelwit is een molecuul dat letterlijk het doelwit van het medicijn is. In het geval van statines is HMG-CoA-reductase het medicijndoelwit. Drugsdoelen worden geïdentificeerd door nauwgezet onderzoek in het laboratorium. Het identificeren van het doelwit alleen is niet genoeg. Wetenschappers moeten ook weten hoe het doelwit in de cel werkt en welke reacties misgaan bij ziekte. Zodra het doelwit en de route zijn geïdentificeerd, begint het eigenlijke proces van medicijnontwerp. In deze fase werken chemici en biologen samen om moleculen te ontwerpen en te synthetiseren die een bepaalde reactie kunnen blokkeren of activeren. Dit is echter nog maar het begin: als en wanneer een prototype van een medicijn zijn functie met succes uitoefent, wordt het onderworpen aan vele tests, van in vitro-experimenten tot klinische proeven voordat het goedkeuring kan krijgen van de Amerikaanse Food and Drug Administration. de markt.

Veel enzymen werken niet optimaal, of zelfs helemaal niet, tenzij ze gebonden zijn aan andere specifieke niet-eiwit-helpermoleculen. Ze kunnen tijdelijk binden via ionische of waterstofbruggen, of permanent via sterkere covalente bindingen. Binding aan deze moleculen bevordert de optimale vorm en functie van hun respectievelijke enzymen. Twee voorbeelden van dit soort helpermoleculen zijn cofactoren en co-enzymen. Cofactoren zijn anorganische ionen zoals ionen van ijzer en magnesium. Co-enzymen zijn organische hulpmoleculen, die met een atomaire basisstructuur bestaande uit koolstof en waterstof. Net als enzymen nemen deze moleculen deel aan reacties zonder zelf te worden veranderd en worden ze uiteindelijk gerecycled en hergebruikt. Vitaminen zijn de bron van co-enzymen. Sommige vitamines zijn de voorlopers van co-enzymen en andere werken direct als co-enzymen. Vitamine C is een direct co-enzym voor meerdere enzymen die deelnemen aan de opbouw van het belangrijke bindweefsel, collageen. Daarom wordt de enzymfunctie gedeeltelijk gereguleerd door de overvloed aan verschillende cofactoren en co-enzymen, die kunnen worden geleverd door het dieet van een organisme of, in sommige gevallen, door het organisme kunnen worden geproduceerd.


6.5 Enzymen

Een stof die helpt bij het ontstaan ​​van een chemische reactie, is een katalysator, en de speciale moleculen die biochemische reacties katalyseren, worden enzymen genoemd. Bijna alle enzymen zijn eiwitten, opgebouwd uit ketens van aminozuren, en ze vervullen de cruciale taak van het verlagen van de activeringsenergieën van chemische reacties in de cel. Enzymen doen dit door zich aan de reactantmoleculen te binden en ze zo vast te houden dat de chemische bindingsverbrekende en bindingsvormende processen gemakkelijker plaatsvinden. Het is belangrijk om te onthouden dat enzymen de ∆G van een reactie niet veranderen. Met andere woorden, ze veranderen niet of een reactie exergoon (spontaan) of endergonisch is. Dit komt omdat ze de vrije energie van de reactanten of producten niet veranderen. Ze verminderen alleen de activeringsenergie die nodig is om de overgangstoestand te bereiken (Figuur 6.15).

Enzym Active Site en substraatspecificiteit

De chemische reactanten waaraan een enzym bindt, zijn de substraten van het enzym. Er kunnen een of meer substraten zijn, afhankelijk van de specifieke chemische reactie. Bij sommige reacties wordt een substraat met één reagens afgebroken tot meerdere producten. In andere kunnen twee substraten samenkomen om één groter molecuul te creëren. Twee reactanten kunnen ook een reactie binnengaan, beide worden gemodificeerd en de reactie verlaten als twee producten. De locatie in het enzym waar het substraat bindt, wordt de actieve plaats van het enzym genoemd. De actieve site is waar de "actie" plaatsvindt, om zo te zeggen. Omdat enzymen eiwitten zijn, is er een unieke combinatie van aminozuurresiduen (ook zijketens of R-groepen genoemd) binnen de actieve plaats. Elk residu wordt gekenmerkt door verschillende eigenschappen. Resten kunnen groot of klein zijn, zwak zuur of basisch, hydrofiel of hydrofoob, positief of negatief geladen of neutraal. De unieke combinatie van aminozuurresiduen, hun posities, sequenties, structuren en eigenschappen, creëert een zeer specifieke chemische omgeving binnen de actieve plaats. Deze specifieke omgeving is geschikt om, zij het kort, te binden aan een specifiek chemisch substraat (of substraten). Vanwege deze puzzelachtige match tussen een enzym en zijn substraten (die zich aanpast om de beste pasvorm tussen de overgangstoestand en de actieve plaats te vinden), staan ​​enzymen bekend om hun specificiteit. De "beste pasvorm" is het resultaat van de vorm en de aantrekkingskracht van de functionele aminozuurgroep op het substraat. Er is een specifiek aangepast enzym voor elk substraat en dus voor elke chemische reactie is er echter ook flexibiliteit.

Het feit dat actieve sites zo perfect geschikt zijn om te voorzien in specifieke omgevingscondities, betekent ook dat ze onderhevig zijn aan invloeden van de lokale omgeving. Het is waar dat het verhogen van de omgevingstemperatuur in het algemeen de reactiesnelheid verhoogt, al dan niet door enzymen gekatalyseerd. Het verhogen of verlagen van de temperatuur buiten een optimaal bereik kan echter de chemische bindingen binnen de actieve plaats zodanig beïnvloeden dat ze minder goed geschikt zijn om substraten te binden. Hoge temperaturen zullen er uiteindelijk voor zorgen dat enzymen, net als andere biologische moleculen, denatureren, een proces dat de natuurlijke eigenschappen van een stof verandert. Evenzo kan de pH van de lokale omgeving ook de enzymfunctie beïnvloeden. Aminozuurresiduen op de actieve plaats hebben hun eigen zure of basische eigenschappen die optimaal zijn voor katalyse. Deze residuen zijn gevoelig voor veranderingen in pH die de binding van substraatmoleculen kunnen aantasten. Enzymen zijn geschikt om het beste te functioneren binnen een bepaald pH-bereik en, net als bij temperatuur, kunnen extreme pH-waarden (zuur of basisch) van de omgeving ervoor zorgen dat enzymen denatureren.

Geïnduceerde pasvorm en enzymfunctie

Vele jaren dachten wetenschappers dat enzym-substraatbinding op een eenvoudige "lock-and-key"-manier plaatsvond. Dit model beweerde dat het enzym en het substraat perfect bij elkaar passen in één onmiddellijke stap. Huidig ​​onderzoek ondersteunt echter een meer verfijnde visie die geïnduceerde fit wordt genoemd (Figuur 6.16). Het model met geïnduceerde pasvorm breidt het lock-and-key-model uit door een meer dynamische interactie tussen enzym en substraat te beschrijven. Als het enzym en het substraat samenkomen, veroorzaakt hun interactie een milde verschuiving in de structuur van het enzym die een ideale binding tussen het enzym en de overgangstoestand van het substraat bevestigt. Deze ideale binding maximaliseert het vermogen van het enzym om zijn reactie te katalyseren.

Link naar leren

Bekijk op deze website een animatie van inductiefit.

Wanneer een enzym zijn substraat bindt, wordt een enzym-substraatcomplex gevormd. Dit complex verlaagt de activeringsenergie van de reactie en bevordert de snelle voortgang ervan op een van de vele manieren. Op een basisniveau bevorderen enzymen chemische reacties waarbij meer dan één substraat betrokken is door de substraten in een optimale oriëntatie bij elkaar te brengen. Het juiste gebied (atomen en bindingen) van het ene molecuul wordt naast het juiste gebied van het andere molecuul geplaatst waarmee het moet reageren. Een andere manier waarop enzymen de reactie van hun substraten bevorderen, is door een optimale omgeving binnen de actieve plaats te creëren waarin de reactie kan plaatsvinden. Bepaalde chemische reacties kunnen het beste verlopen in een licht zure of niet-polaire omgeving. De chemische eigenschappen die voortkomen uit de specifieke rangschikking van aminozuurresiduen binnen een actieve plaats creëren de perfecte omgeving voor de specifieke substraten van een enzym om te reageren.

Je hebt geleerd dat de activeringsenergie die voor veel reacties nodig is, de energie omvat die betrokken is bij het manipuleren of licht verwringen van chemische bindingen, zodat ze gemakkelijk kunnen breken en anderen kunnen hervormen. Enzymatische werking kan dit proces ondersteunen. Het enzym-substraatcomplex kan de activeringsenergie verlagen door substraatmoleculen zodanig te verdraaien dat het breken van bindingen wordt vergemakkelijkt, waardoor de overgangstoestand wordt bereikt. Ten slotte kunnen enzymen ook de activeringsenergie verlagen door deel te nemen aan de chemische reactie zelf. De aminozuurresiduen kunnen bepaalde ionen of chemische groepen verschaffen die feitelijk covalente bindingen vormen met substraatmoleculen als een noodzakelijke stap van het reactieproces. In deze gevallen is het belangrijk om te onthouden dat het enzym altijd zal terugkeren naar zijn oorspronkelijke staat aan het einde van de reactie. Een van de kenmerkende eigenschappen van enzymen is dat ze uiteindelijk onveranderd blijven door de reacties die ze katalyseren. Nadat een enzym klaar is met het katalyseren van een reactie, geeft het zijn product(en) vrij.

Controle van het metabolisme door middel van enzymregulering

Het lijkt ideaal om een ​​scenario te hebben waarin alle enzymen die in het genoom van een organisme worden gecodeerd, overvloedig aanwezig waren en optimaal functioneerden onder alle cellulaire omstandigheden, in alle cellen, te allen tijde. In werkelijkheid is dit verre van het geval. Verschillende mechanismen zorgen ervoor dat dit niet gebeurt. Cellulaire behoeften en omstandigheden variëren van cel tot cel en veranderen in de loop van de tijd binnen individuele cellen. De benodigde enzymen en energetische eisen van maagcellen zijn anders dan die van vetopslagcellen, huidcellen, bloedcellen en zenuwcellen. Bovendien werkt een spijsverteringscel veel harder om voedingsstoffen te verwerken en af ​​te breken gedurende de tijd die op een maaltijd volgt in vergelijking met vele uren na een maaltijd. Aangezien deze cellulaire eisen en omstandigheden variëren, veranderen ook de hoeveelheden en functionaliteit van verschillende enzymen.

Aangezien de snelheden van biochemische reacties worden gecontroleerd door activeringsenergie, en enzymen verlagen en activeringsenergieën voor chemische reacties bepalen, bepalen de relatieve hoeveelheden en het functioneren van de verscheidenheid aan enzymen in een cel uiteindelijk welke reacties zullen verlopen en met welke snelheden. Deze bepaling wordt streng gecontroleerd. In bepaalde cellulaire omgevingen wordt de enzymactiviteit gedeeltelijk gecontroleerd door omgevingsfactoren, zoals pH en temperatuur. Er zijn andere mechanismen waardoor cellen de activiteit van enzymen regelen en de snelheid bepalen waarmee verschillende biochemische reacties zullen plaatsvinden.

Regulering van enzymen door moleculen

Enzymen kunnen worden gereguleerd op manieren die hun activiteit bevorderen of verminderen. Er zijn veel verschillende soorten moleculen die de enzymfunctie remmen of bevorderen, en er bestaan ​​verschillende mechanismen om dit te doen. In sommige gevallen van enzymremming, bijvoorbeeld, is een remmermolecuul vergelijkbaar genoeg met een substraat dat het aan de actieve plaats kan binden en eenvoudig de binding van het substraat kan blokkeren. Wanneer dit gebeurt, wordt het enzym geremd door competitieve remming, omdat een remmermolecuul concurreert met het substraat voor binding aan de actieve plaats (Figuur 6.17). Aan de andere kant, bij niet-competitieve remming, bindt een remmermolecuul aan het enzym op een andere locatie dan een allosterische plaats en slaagt het er nog steeds in om substraatbinding aan de actieve plaats te blokkeren.

Sommige remmermoleculen binden aan enzymen op een plaats waar hun binding een conformationele verandering induceert die de affiniteit van het enzym voor zijn substraat vermindert. Dit type remming wordt allosterische remming genoemd (Figuur 6.18). De meeste allosterisch gereguleerde enzymen bestaan ​​uit meer dan één polypeptide, wat betekent dat ze meer dan één eiwitsubeenheid hebben. Wanneer een allosterische remmer aan een enzym bindt, worden alle actieve plaatsen op de eiwitsubeenheden enigszins gewijzigd, zodat ze hun substraten met minder efficiëntie binden. Er zijn zowel allosterische activatoren als remmers. Allosterische activatoren binden aan locaties op een enzym weg van de actieve plaats, waardoor een conformationele verandering wordt geïnduceerd die de affiniteit van de actieve plaats(en) van het enzym voor zijn substraat(en) verhoogt.

Dagelijkse verbinding

Geneesmiddelontdekking door te zoeken naar remmers van sleutelenzymen in specifieke paden

Enzymen zijn belangrijke componenten van metabole routes. Begrijpen hoe enzymen werken en hoe ze kunnen worden gereguleerd, is een belangrijk principe achter de ontwikkeling van veel van de farmaceutische geneesmiddelen (Figuur 6.19) die momenteel op de markt zijn. Biologen die op dit gebied werken, werken samen met andere wetenschappers, meestal chemici, om medicijnen te ontwerpen.

Denk bijvoorbeeld aan statines, de naam die wordt gegeven aan de klasse geneesmiddelen die het cholesterolgehalte verlagen. Deze verbindingen zijn in wezen remmers van het enzym HMG-CoA-reductase. HMG-CoA-reductase is het enzym dat cholesterol synthetiseert uit lipiden in het lichaam. Door dit enzym te remmen, kunnen de niveaus van cholesterol die in het lichaam worden gesynthetiseerd, worden verlaagd. Evenzo is paracetamol, in de volksmond op de markt gebracht onder de merknaam Tylenol, een remmer van het enzym cyclo-oxygenase. Hoewel het effectief is bij het verlichten van koorts en ontsteking (pijn), is het werkingsmechanisme nog steeds niet volledig begrepen.

Hoe worden medicijnen ontwikkeld? Een van de eerste uitdagingen bij de ontwikkeling van geneesmiddelen is het identificeren van het specifieke molecuul waarop het geneesmiddel zich moet richten. In het geval van statines is HMG-CoA-reductase het medicijndoelwit. Drugsdoelen worden geïdentificeerd door nauwgezet onderzoek in het laboratorium. Het identificeren van het doelwit alleen is niet voldoende. Wetenschappers moeten ook weten hoe het doelwit in de cel werkt en welke reacties misgaan bij ziekte. Zodra het doelwit en de route zijn geïdentificeerd, begint het eigenlijke proces van medicijnontwerp. Tijdens deze fase werken chemici en biologen samen om moleculen te ontwerpen en te synthetiseren die een bepaalde reactie kunnen blokkeren of activeren. Dit is echter nog maar het begin: zowel als en wanneer een prototype van een geneesmiddel zijn functie goed uitoefent, moet het vele tests ondergaan, van in vitro-experimenten tot klinische proeven voordat het door de FDA kan worden goedgekeurd om op de markt te komen.

Veel enzymen werken niet optimaal of zelfs helemaal niet, tenzij ze gebonden zijn aan andere specifieke niet-eiwit-helpermoleculen, hetzij tijdelijk via ionische of waterstofbindingen of permanent via sterkere covalente bindingen. Twee soorten helpermoleculen zijn cofactoren en co-enzymen. Binding aan deze moleculen bevordert een optimale conformatie en functie voor hun respectievelijke enzymen. Cofactoren zijn anorganische ionen zoals ijzer (Fe++) en magnesium (Mg++). Een voorbeeld van een enzym dat een metaalion als cofactor nodig heeft, is het enzym dat DNA-moleculen bouwt, DNA-polymerase, dat gebonden zinkion (Zn++) nodig heeft om te kunnen functioneren. Co-enzymen zijn organische hulpmoleculen, met een atomaire basisstructuur bestaande uit koolstof en waterstof, die nodig zijn voor de werking van enzymen. De meest voorkomende bronnen van co-enzymen zijn voedingsvitaminen (Figuur 6.20). Sommige vitamines zijn voorlopers van co-enzymen en andere werken direct als co-enzymen. Vitamine C is een co-enzym voor meerdere enzymen die deelnemen aan de opbouw van de belangrijke bindweefselcomponent, collageen. Een belangrijke stap in de afbraak van glucose om energie op te leveren, is katalyse door een multi-enzymcomplex dat pyruvaatdehydrogenase wordt genoemd. Pyruvaatdehydrogenase is een complex van verschillende enzymen die in feite één cofactor (een magnesiumion) en vijf verschillende organische co-enzymen nodig hebben om de specifieke chemische reactie te katalyseren. Daarom wordt de enzymfunctie gedeeltelijk gereguleerd door een overvloed aan verschillende cofactoren en co-enzymen, die voornamelijk worden geleverd door de voeding van de meeste organismen.

Enzym Compartimentering

In eukaryote cellen zijn moleculen zoals enzymen gewoonlijk onderverdeeld in verschillende organellen. Dit zorgt voor nog een ander niveau van regulering van enzymactiviteit. Enzymen die alleen nodig zijn voor bepaalde cellulaire processen, kunnen apart worden gehuisvest samen met hun substraten, waardoor efficiëntere chemische reacties mogelijk zijn. Voorbeelden van dit soort enzymregulatie op basis van locatie en nabijheid zijn de enzymen die betrokken zijn bij de laatste stadia van cellulaire ademhaling, die uitsluitend plaatsvinden in de mitochondriën, en de enzymen die betrokken zijn bij de vertering van celafval en vreemde materialen, die zich in lysosomen bevinden.

Feedbackremming in metabole routes

Moleculen kunnen de enzymfunctie op vele manieren reguleren. Een grote vraag blijft echter: wat zijn deze moleculen en waar komen ze vandaan? Sommige zijn cofactoren en co-enzymen, ionen en organische moleculen, zoals je hebt geleerd. Welke andere moleculen in de cel zorgen voor enzymatische regulatie, zoals allosterische modulatie, en competitieve en niet-competitieve remming? Het antwoord is dat een grote verscheidenheid aan moleculen deze rollen kan vervullen. Sommige van deze moleculen omvatten farmaceutische en niet-farmaceutische geneesmiddelen, toxines en vergiften uit het milieu. Misschien wel de meest relevante bronnen van enzymregulerende moleculen, met betrekking tot cellulair metabolisme, zijn de producten van de cellulaire metabolische reacties zelf. Op een zeer efficiënte en elegante manier zijn cellen geëvolueerd om de producten van hun eigen reacties te gebruiken voor feedback-remming van enzymactiviteit. Feedbackremming omvat het gebruik van een reactieproduct om zijn eigen verdere productie te reguleren (Figuur 6.21). De cel reageert op de overvloed aan specifieke producten door de productie te vertragen tijdens anabole of katabole reacties. Dergelijke reactieproducten kunnen de enzymen remmen die hun productie hebben gekatalyseerd via de hierboven beschreven mechanismen.

De productie van zowel aminozuren als nucleotiden wordt gecontroleerd door feedbackremming. Bovendien is ATP een allosterische regulator van enkele van de enzymen die betrokken zijn bij de katabole afbraak van suiker, het proces dat ATP produceert. Op deze manier kan de cel, wanneer ATP overvloedig is, de verdere productie ervan voorkomen. Onthoud dat ATP een onstabiel molecuul is dat spontaan kan dissociëren in ADP. Als er te veel ATP in een cel aanwezig zou zijn, zou veel ervan verloren gaan. Aan de andere kant dient ADP als een positieve allosterische regulator (een allosterische activator) voor enkele van dezelfde enzymen die worden geremd door ATP. Dus wanneer de relatieve niveaus van ADP hoog zijn in vergelijking met ATP, wordt de cel getriggerd om meer ATP te produceren door het katabolisme van suiker.


1. Inleiding

In de afgelopen jaren worden krachtige bio-informatica-tools steeds meer geïntegreerd in systemen en pijpleidingen voor synthetische biologie (Carbonell et al., 2016). Synthetische biologie maakt gebruik van het technische principe van een iteratieve Design-Build-Test-Learn-cyclus. In het geval van het ontwikkelen van gemanipuleerde organismen voor de productie van hoogwaardige verbindingen, omvat de ontwerpfase de identificatie van de meest geschikte combinaties van uitgangssubstraten, enzymen, regulerende componenten en chassisorganisme voor de gewenste biosyntheseroute. Daarom voeren bioinformatica-tools die in dit stadium worden gebruikt meestal databasemining uit om te zoeken naar de beste kandidaat-onderdelen en apparaten. Sommige van deze tools zijn in staat om mogelijke routes naar een doelverbinding vast te stellen door sets van gecodeerde reactieregels te gebruiken, zoals RDM-patronen in PathPred ( Moriya et al., 2010) Bond-elektronenmatrices in BNICE ( Hadadi et al., 2016) of reactie SMARTS in RetroPath 2.0 (Delépine et al., 2018). Om kandidaatsequenties voor enzymen te selecteren bij elke stap van de geïdentificeerde routes, bieden verschillende hulpmiddelen verschillende oplossingen, waaronder antiSMASH voor biosynthetische genclusters (Weber et al., 2015), evenals tools gebaseerd op reactiehomologieën zoals EC-Blast (Rahman et al., 2014) of machine learning (Mellor et al., 2016). Hier breiden we dergelijke mogelijkheden uit via Selenzyme, sequentieselectie met de mogelijkheid om SMARTS-reactieregels te ontginnen. De tool maakt deel uit van de SYNBIOCHEM geautomatiseerde Design/Build/Test/Learn-pijplijn voor microbiële fijnchemische productie, die computer-, robotica-, assemblage-, analyse- en machine learning-platforms integreert. Selenzyme wordt gevoed vanuit de uitvoer van de workflow voor het ontdekken van paden RetroPath 2.0 (Delépine et al., 2018) en zal worden geïntegreerd met de downstream-tool voor onderdeeloptimalisatie PartsGenie (Swainston et al., 2017b).


De chemie van eiwitkatalyse

We rapporteren voor het eerst over de statistieken van chemische mechanismen en aminozuurresidufuncties die voorkomen in enzymreactiesequenties met behulp van de MACiE-database van 202 verschillende enzymreactiemechanismen als kennisbank. MACiE heeft momenteel vertegenwoordigers van elke sub-subklasse van de Enzyme Commission waar er een beschikbare kristalstructuur is en voldoende bewijs in de primaire literatuur voor een mechanisme. Elke katalytische stap van elke reactiesequentie in MACiE is volledig geannoteerd, zodat het de functie van de katalytische residuen die bij de reactie betrokken zijn en de chemische mechanismen waarmee substraten in producten worden omgezet, omvat. We laten zien dat de meest katalytische aminozuurresiduen histidine, cysteïne en aspartaat zijn, die ook de residuen zijn waarvan de zijketens eerder als reactanten dienen, en die de grootste veelzijdigheid van functie hebben. We laten zien dat elektrofiele reacties in enzymen zeer zeldzaam zijn en dat de meeste enzymreacties afhankelijk zijn van nucleofiele en algemene zuur/base-chemie. Hoewel zeldzaam, komen radicale (homolytische) reacties veel vaker voor dan elektrofiele reacties. De meeste aminozuurresiduen vervullen dus stabiliserende rollen (als toeschouwers) of proton-shuttling-rollen (als reactanten). De gepresenteerde analyse geeft een beter begrip van de mechanismen van enzymkatalyse en kan fungeren als een eerste stap in de validatie en voorspelling van het mechanisme in een actieve site van een enzym.


6.6: Glyoxylaatroute

  • Bijgedragen door Kevin Ahern & Indira Rajagopal
  • Professor (Biochemie en Biofysica) aan de Oregon State University

Succinaat gaat door de resterende reacties van de CAC om oxaalacetaat te produceren. Glyoxylaat combineert met een ander acetyl-CoA (één acetyl-CoA werd gebruikt om de cyclus te starten) om malaat te creëren (gekatalyseerd door malaatsynthase). Malaat kan op zijn beurt worden geoxideerd tot oxaalacetaat.

Het is op dit punt dat het contrast van de route met de CAC duidelijk wordt. Na één draai van de CAC wordt een enkele oxaalacetaat geproduceerd en balanceert de enkele die wordt gebruikt in de eerste reactie van de cyclus. In de CAC wordt dus geen netto productie van oxaalacetaat gerealiseerd. Daarentegen worden aan het einde van een draai van de glyoxylaatcyclus twee oxaloacetaten geproduceerd, te beginnen met één. Het extra oxaalacetaat kan vervolgens worden gebruikt om andere moleculen te maken, waaronder glucose bij gluconeogenese.

Omdat dieren de glyoxylaatcyclus niet doorlopen, kunnen ze geen glucose produceren uit acetyl-CoA in netto hoeveelheden, maar planten en bacteriën wel. Hierdoor kunnen deze organismen acetyl-CoA uit vet omzetten in glucose, terwijl dieren dat wel kunnen. Het omzeilen van de decarboxylering (en fosforylering op substraatniveau) heeft echter zijn kosten. Elke draai van de glyoxylaatcyclus produceert één FADH en één NADH in plaats van de drie NADH's, één ( ext_2), en één GTP gemaakt in elke beurt van het CAC.


Katalysatoren voor een groene industrie

De chemische industrie heeft altijd katalysatoren gebruikt om reacties zo dicht bij de omgevingstemperatuur uit te voeren als praktisch is, waardoor het energieverbruik en de kosten laag blijven. Tegenwoordig staat de industrie onder extra druk om schoner en groener te zijn, wat de ontwikkeling van nieuwe katalysatoren vereist.

De focus van het onderzoek naar katalysatoren ligt nu op het vinden van katalysatoren die ervoor zorgen dat industriële processen minder vervuilend zijn, een beter atoomverbruik hebben, zuiverdere producten produceren en langer meegaan. Hoewel we kunnen denken dat de katalysator eeuwig meegaat, is dit nooit het geval - alle industriële katalysatoren hebben een eindige levensduur, waardoor het zoeken naar katalysatoren met een langere levensduur hoog op de prioriteitenlijst van de industrie staat.

Hoe katalysatoren werken

Over het algemeen worden katalysatoren beschreven als stoffen die een chemische reactie kunnen versnellen, maar er zijn enkele reacties die helemaal niet doorgaan tenzij er een katalysator aanwezig is. Deze reacties kunnen thermodynamisch mogelijk zijn, maar hun kinetiek is zo ongunstig dat er geen reactie optreedt.

Om chemische reacties te laten plaatsvinden, moeten de reactantmoleculen botsen met voldoende energie, de activeringsenergie, om het geactiveerde of overgangstoestandcomplex te vormen. Eenmaal gevormd, zal deze overgangstoestand ofwel uiteenvallen in reactanten of in producten. Een katalysator biedt een alternatieve reactieroute met een lagere activeringsenergie dan de niet-gekatalyseerde reactie. De gekatalyseerde reactie kan verschillende tussenproducten en overgangstoestandcomplexen omvatten, heel anders dan het eenstapsmechanisme voor de reactie in afwezigheid van een katalysator (zie Figuur 1).

Fig 1 Energieprofielen van gekatalyseerde en niet-gekatalyseerde reacties

Het is belangrijk op te merken dat hoewel de katalysator een gemakkelijker pad biedt voor reactantmoleculen om een ​​overgangstoestand te vormen, de katalysator ook een gemakkelijker pad biedt voor de omgekeerde reactie waarbij productmoleculen via de overgangstoestand terugkeren naar reactantmoleculen. Op deze manier versnelt de katalysator zowel voorwaartse als achterwaartse reacties in dezelfde mate en dus blijft de evenwichtsconstante hetzelfde zoals voorgeschreven door de thermodynamica.

Veel reacties zijn meerstapsprocessen waarvan er één de langzame snelheidsregelende stap zal zijn, en het is deze reactie waarvoor de katalysator actief moet zijn, d.w.z bieden de alternatieve route. Bovendien gaan veel reacties gepaard met de vorming van bijproducten, die nuttig kunnen zijn maar niettemin moeten worden gescheiden en daarom de kosten van het proces verhogen. Daarom zijn industriële chemici altijd op zoek naar katalysatoren die maximale selectiviteit bieden om de hoogste zuiverheid van het product te garanderen. In de chemische industrie domineren twee soorten katalysatoren: heterogene en homogene katalysatoren.

Heterogene en homogene katalysatoren

Heterogene katalysatoren zijn vaste stoffen die de reacties tussen vloeibare of gasvormige reactanten katalyseren. (Merk op dat de reactie zelf gewoonlijk plaatsvindt aan het oppervlak van de katalysator.) De katalytisch actieve vaste stof wordt typisch gecoat op een drager met een groot specifiek oppervlak om de maximale blootstelling aan het gas- of vloeibare reactiemengsel te verzekeren. Deze katalysatoren, meestal overgangsmetalen en hun verbindingen, worden gebruikt in ca 85 procent van de industriële processen omdat ze aan het einde van de reactie gemakkelijk te scheiden zijn van de producten. Voorbeelden zijn het Haber-Bosch-proces voor de productie van NH3, katalytisch kraken en de hydrogenering van plantaardige oliën.

Een heterogene katalysator zorgt voor een lagere energiebaan via een sequentie die adsorptie van reactantmoleculen op een actieve plaats in het oppervlak omvat. De moleculen worden chemisch geabsorbeerd op de actieve plaats, hun bindingen worden verbroken en er vinden herschikkingen plaats om het geactiveerde complex te desorptie, waarna de productmolecule(n) vrijkomen in de gas- of vloeistoffase. De actieve site is weer vrij om het proces te herhalen. Figuur 2 toont geadsorbeerd etheen en geadsorbeerde waterstof op de actieve plaatsen van een nikkelkatalysator. Na adsorptie en reactie desorbeert het product ethaan terug in de gasfase, waardoor de actieve plaats vrij blijft voor de volgende reactantmoleculen. Deze reactie is de basis van de hydrogenering van onverzadigde plantaardige oliën bij de vervaardiging van margarine.

Fig 2 Adsorptie en reactie in heterogene katalyse

Het is duidelijk dat de adsorptie een belangrijke stap is en dat de precieze structuur van het oppervlak van vitaal belang is bij het verschaffen van de actieve plaats. Defecten in het vaste oppervlak zullen verschillende soorten locaties creëren, die verschillende of geen katalytische eigenschappen kunnen hebben. De actieve plaatsen worden gekenmerkt doordat ze een kritische geometrie hebben die geassocieerd is met de verbindingen die op het katalysatoroppervlak adsorberen. De geometrie van een actieve site kan ook worden bepaald door de structuur van de onderliggende ondersteuning. Het veranderen van de ondersteuning kan dus een diepgaande invloed hebben op de activiteit en kan zelfs het verloop van een reactie ombuigen.

Een actieve plaats kan actiever worden gemaakt door andere atomen of verbindingen te introduceren. Deze staan ​​bekend als promotors, die alleen relatief inactief zijn. Als bijvoorbeeld een kleine hoeveelheid kobalt aan de ontzwavelingskatalysator molybdeendisulfide wordt toegevoegd, is er een duidelijke toename van de activiteit. Vergiften hebben een averechts effect en hopen zich tijdens de levensduur op op het oppervlak van de katalysator en markeren vaak het einde van de levensduur van de katalysator. Een platina-hydrogeneringskatalysator wordt bijvoorbeeld vergiftigd door zwavelhoudende verbindingen.

Het begrip van de oppervlaktestructuur speelt daarom een ​​grote rol bij de ontwikkeling van nieuwe katalysatoren en daarom is hier een groot deel van de onderzoeksinspanning op gericht. Waar slechts een kleine hoeveelheid van een katalysatoroppervlak productief is, is er duidelijk ruimte voor verbetering.

Verschillende industriële processen gebruiken homogene katalysatoren, die zich in dezelfde fase (vloeibaar of gas) bevinden als de reactanten en producten. Hoewel het moeilijker is om aan het einde van een reactie te scheiden, zijn homogene katalysatoren vaak actiever en selectiever dan heterogene katalysatoren en hebben ze de neiging om bij lagere temperaturen te werken. Dit komt omdat alle metaalionen van een opgeloste katalysator potentieel actieve plaatsen voor de reactie zijn, terwijl in een vaste stof alleen die atomen aan het oppervlak toegankelijk zijn voor de reactantmoleculen. Voorbeelden zijn de door zuur gekatalyseerde verestering van carbonzuren en alcoholen en de gasfase-gekatalyseerde reactie van ozonafbraak in de stratosfeer waarbij vrije chloorradicalen, afkomstig van CFK's, als katalysatoren voor de reactie fungeren.

Belangrijke katalytische reacties

Tegenwoordig vertrouwt de industriële wereld op een enorm aantal chemische reacties en een nog groter aantal katalysatoren. Een selectie van belangrijke reacties onthult de reikwijdte van moderne katalyse en laat zien hoe cruciaal het zal zijn voor chemici om hun milieudoelstellingen te bereiken.

Een offer: slechtste katalysator

Een opofferings- of stoichiometrische katalysator wordt eenmaal gebruikt en weggegooid. De hoeveelheid geproduceerd afval is niet onbelangrijk aangezien deze katalysatoren in stoichiometrische hoeveelheden worden gebruikt. De katalysator kan bijvoorbeeld typisch een molverhouding van 1:1 hebben met de hoofdreactant.

Bij de vervaardiging van antrachinon voor de kleurstoffenindustrie is bijvoorbeeld aluminiumchloride de opofferingskatalysator in de eerste stap, de acylering van benzeen, zie vergelijking (l). Dit is een soort Friedel-Crafts-reactie 1 waarbij de verbruikte katalysator samen met afval van het proces wordt weggegooid. Voor de volgende batch reactanten is verse katalysator nodig. Het probleem is dat het aluminiumchloride sterk complexeert met de producten, d.w.z Cl - , vormend [AlCl4] - en kan niet economisch worden gerecycled, wat resulteert in grote hoeveelheden corrosief afval.

Nieuwe katalysatoren, met betere milieuprestaties, worden nu uitgeprobeerd. Verbindingen, zoals het zeer zure dysprosium(III)-triflaat (trifluormethaansulfonaat, 1) bieden de mogelijkheid om de opofferingskatalysator los te laten door de katalysator te laten recyclen.

Laagzwavelige brandstoffen: ontzwavelingskatalyse

Van aardolie afgeleide brandstoffen bevatten een kleine hoeveelheid zwavel. Tenzij verwijderd, blijft deze zwavel gedurende de raffinageprocessen bestaan ​​en komt in de benzine of diesel terecht. De druk om atmosferische zwavel te verminderen heeft de ontwikkeling van katalytische ontzwaveling gestimuleerd. Een van de problemen was dat veel van de aanwezige zwavel in verbindingen zoals de thiofenen zat, die stabiel en bestand zijn tegen afbraak.

Schema 1 Ontzwaveling van thiofeenverbindingen uit aardolie

De katalysator molybdeendisulfide bekleed op een aluminiumoxidedrager verschafte één oplossing. Kobalt wordt toegevoegd als een promotor, wat suggereert dat de actieve plaats een molybdeen-kobaltsulfide-arrangement is. Bij de katalytische reactie (zie Schema 1), die in wezen een hydrogeneringssequentie is, wordt het geadsorbeerde thiofeenmolecuul gehydrogeneerd en wordt zijn aromatische stabiliteit vernietigd. Hierdoor kan de C-S-binding breken en de zwavel vrijgeven als waterstofsulfide. Dit is een interessant voorbeeld van een katalysator die verschillende soorten reacties uitvoert: hydrogenering, eliminatie en isomerisatie.

Het huidige onderzoek op dit gebied is gericht op het verlengen van de levensduur van de katalysator en het verbeteren van de activiteit.

Brandstofcellen: elektrokatalyse

In theorie is de brandstofcel veelbelovend in termen van efficiënte elektriciteitsopwekking: chemische energie in de brandstof wordt direct omgezet in elektrische energie. In tegenstelling tot andere methoden voor het opwekken van elektriciteit uit brandstoffen is er geen tussenliggende thermische fase met bijbehorende energieverliezen. In de praktijk wordt er echter een aanzienlijke hoeveelheid energie verbruikt in de hulpapparatuur, waardoor de efficiëntie ervan wordt beperkt.

Net als andere elektrochemische cellen, 2 de brandstofcel is een redoxsysteem. De waterstofbrandstofcel omvat bijvoorbeeld een anodekatalysator en een kathodekatalysator gescheiden door een protonenuitwisselingsmembraan. Dit laatste is een polymeer dat zich gedraagt ​​als een elektrolyt en protonen doorlaat. Over het algemeen is de reactie de oxidatie van waterstof om water te vormen, die in fasen plaatsvindt: aan de anode wordt waterstof geoxideerd om elektronen en protonen te geven. De elektronen gaan naar het externe circuit en de protonen gaan door het protonenuitwisselingsmembraan naar de kathode. Aan de kathode reageert zuurstof uit de lucht met de protonen die uit het membraan komen en neemt tegelijkertijd elektronen op die uit het externe circuit komen.

De elektrodekatalysatoren zijn platina, wat duur is en daarom is het onderzoek gericht op het vinden van alternatieven. Van de metalen die worden getest, is een legering van koper en platina veelbelovend. 3 Het platina wordt gelegeerd met koper, gevolgd door delegeren van het oppervlak, waardoor een gemodificeerd platina-oppervlak met verbeterde activiteit achterblijft.

Linkshandige katalysatoren: geneesmiddelen

In veel therapeutische geneesmiddelen is het actieve bestanddeel een enkele enantiomeer. In het algemeen geven chemische reacties enantiomere mengsels als product. Daaropvolgende zuivering, bijvoorbeeld door gefractioneerde kristallisatie, om het actieve enantiomeer te isoleren, is een extra proces dat de productiekosten verhoogt.

Door gebruik te maken van chirale katalysatoren - of asymmetrische katalysatoren - kan de enkele actieve enantiomeer worden geproduceerd. William Knowles ontdekte in de jaren 70 dat rhodium gebonden was aan chirale fosfineliganden (2) zou asymmetrische katalytische hydrogenering kunnen uitvoeren. De methode werd al snel ontwikkeld voor de commerciële productie van het anti-Parkinsongeneesmiddel l-dopa (Schema 2). In 2001 deelde Knowles de Nobelprijs voor scheikunde met Ryoji Noyori en K. Barry Sharpless voor hun onderzoek naar asymmetrische katalyse. Tegenwoordig, met de enorme expansie van de farmaceutische industrie, is er vraag naar chirale verbindingen en andere chirale katalysatoren worden nu ontwikkeld. 4

Schema 2 Asymmetrische hydrogenering van dubbele koolstof-koolstofbinding

Kost minder, verspilt minder: ethaanzuurkatalysator

Ethaanzuur is een belangrijke industriële chemische stof met een jaarlijkse wereldwijde vraag van ongeveer zes miljoen ton. Het wordt bijvoorbeeld gebruikt bij de synthese van polyethyleentereftalaat (PET), dat wordt gebruikt voor frisdrankflessen, bij de productie van fotografische film en bij de synthese van synthetische vezels en stoffen. Er zijn verschillende methoden gebruikt bij de productie, waaronder de distillatie van zure wijn waarbij de ethanol door bacteriën werd geoxideerd om ethaanzuur te vormen. Deze methode voldeed echter niet aan de behoeften van de industrie en daarom werden synthetische methoden ontwikkeld. Tegenwoordig is de carbonylering van methanol, waarbij een rhodiumverbinding als homogene katalysator wordt gebruikt, de belangrijkste productiemethode. Een van de problemen met deze reactie is dat de selectiviteit wordt aangetast door een nevenreactie waarbij propaanzuur wordt gevormd. In 1996 introduceerde BP Chemicals een katalysator - de Cativa-katalysator (3) - op basis van iridium in plaats van rhodium. 5

Schema 3 Carbonylering van methanol met Cativa-katalysator

Schema 3 toont de reactievolgorde. Deze homogene katalysator vertoont, in combinatie met een kleine hoeveelheid ruthenium als promotor, een hogere activiteit en heeft minder last van de nevenreactie van propaanzuur, wat leidt tot lagere kosten en minder afval. Verder is de iridiumkatalysator goedkoper dan de rhodiumkatalysator.

Conclusie

Katalyse heeft een lange weg afgelegd en heeft de industrie goed gediend door het mogelijk maken van vele reacties die anders oneconomisch of zelfs onmogelijk zouden zijn geweest. Vandaag de dag worden scheikundigen geconfronteerd met nieuwe uitdagingen omdat de bezorgdheid om het milieu en de schaarste aan hulpbronnen hen motiveert om naar groenere processen te zoeken.

Tony Hargreaves is wetenschappelijk schrijver en parttime docent toegepaste scheikunde aan het Calderdale College of Further Education, Halifax.


Begley, TP & Ealick, SE Mechanistische en structurele studies van thiamine biosynthetische enzymen. Oxidatieve stress en ziekte 11, 15–28 (2004).

Begley, TP Cofactorbiosynthese: de schatkamer van een organische chemicus. nat. Prod. vertegenwoordiger 23, 15–25 (2006).

Lawhorn, B.G., Mehl, R.A. & Begley, T.P. Biosynthese van de thiaminepyrimidine: de reconstitutie van een opmerkelijke herschikkingsreactie. org. Biomol. Chem. 2, 2538–2546 (2004).

Park, J.-H., Burns, K., Kinsland, C. & Begley, T.P. Karakterisering van twee kinasen die betrokken zijn bij de biosynthese van thiaminepyrofosfaat en pyridoxaalfosfaat Bacillus subtilis: 4-amino-5-hydroxymethyl-2-methylpyrimidinekinase en pyridoxalkinase. J. Bacteriol. 186, 1571–1573 (2004).

Dorrestein, PC, Zhai, H., McLafferty, FW & Begley, T.P. De biosynthese van de thiazoolfosfaatgroep van thiamine: de zwaveloverdracht gemedieerd door het zwaveldragereiwit ThiS. Chem. Biol. 11, 1373–1381 (2004).

Hanes, JW, Ealick, SE & Begley, T.P. Thiaminefosfaatsynthase: de snelheid van pyrimidine carbokation vorming. J. Ben. Chem. Soc. 129, 4860–4861 (2007).

Webb, E. & Downs, D. Karakterisering van thiL, coderend voor thiamine-monofosfaatkinase, in Salmonella typhimurium. J. Biol. Chem. 272, 15702–15707 (1997).

Toms, A.V., Haas, A.L., Park, J.-H., Begley, T.P. & Ealick, SE Structurele karakterisering van de regulerende eiwitten TenA en TenI van Bacillus subtilis en identificatie van TenA als een thiaminase II. Biochemie 44, 2319–2329 (2005).

Haas, A.L., Laun, N.P. & Begley, T.P. Thi20, een opmerkelijk enzym uit Saccharomyces cerevisiae met dubbele thiamine biosynthetische en afbraakactiviteiten. Bioorg. Chem. 33, 338–344 (2005).

Rodionov, DA, Vitreschak, AG, Mironov, AA & Gelfand, MS Vergelijkende genomica van thiaminebiosynthese in prokaryoten. J. Biol. Chem. 277, 48949–48959 (2002).

Winkler, W., Nahvi, A. & Breaker, R.R. Thiaminederivaten binden boodschapper-RNA's direct om bacteriële genexpressie te reguleren. Natuur 419, 952–956 (2002).

Miranda-Rios, J. De THI-box riboswitch, of hoe RNA thiaminepyrofosfaat bindt. Structuur 15, 259–265 (2007).

Takami, H. & Horikoshi, K. Heridentificatie van facultatief alkalifiel Bacil sp. C-125 naar Bacillus halodurans. Biosc. Biotechnologie. Biochem. 63, 943–945 (1999).

Horikoshi, K. Alkaliphiles: enkele toepassingen van hun producten voor biotechnologie. microbiologisch. Mol. Biol. ds. 63, 735–750 (1999).

Maier, GD & Metzler, D.E. Structuren van thiamine in basische oplossing. J. Ben. Chem. Soc. 79, 4386–4391 (1957).

Chahine, E.H. & Dubois, JM Kinetiek en thermodynamica van de structurele transformaties van thiamine in neutrale en basische waterige media. Het UV-spectrum van het tetraëdrische pseudobase-tussenproduct. J. Ben. Chem. Soc. 105, 2335–2340 (1983).

Xu, J.C., Stucki, J.W., Wu, J., Kostka, JE & Sims, G.K. Het lot van atrazin en alachloor in met redox behandeld ijzerhoudend smectiet. omgeving. Toxicol. Chem. 20, 2717–2724 (2001).

Quayle, JR Formaat dehydrogenase. Methoden Enzymol. 9, 360–364 (1966).

Day, N. & Keillor, J.W. Een continue spectrofotometrische gekoppelde enzymtest voor transglutaminase-activiteit. Anaal. Biochem. 274, 141–144 (1999).

Kurata, G.-I., Sakai, T. & Miyahara, T. Antagonisten van thiamine XVIII: reactieconditie bij de vorming van desthiothiamine uit alkalische thiamine-oplossing met aminozuren. Bitamine 37, 398–402 (1968).

Melnick, J. et al. Identificatie van de twee ontbrekende bacteriële genen die betrokken zijn bij de berging van thiamine: thiaminepyrofosfokinase en thiaminekinase. J. Bacteriol. 186, 3660–3662 (2004).

Imamura, N. & Nakayama, H. thiD locus of Escherichia coli. Ervaringen 37, 1265–1266 (1981).

Imamura, N. & Nakayama, H. thiK en thiL loci of Escherichia coli. J. Bacteriol. 151, 708–717 (1982).

Mizote, T. & Nakayama, H. De thiM-locus en zijn relatie tot fosforylering van hydroxyethylthiazol in Escherichia coli. J. Bacteriol. 171, 3228–3232 (1989).

Dornow, A. & Petsch, G. Reducties met lithiumaluminiumhydride. V. De bereiding van vitamine B1. Chem. Ber. 86, 1404–1407 (1953).

Pace, CN, Vajdos, F., Fee, L., Grimsley, G. & Gray, T. Hoe de molaire absorptiecoëfficiënt van een eiwit te meten en te voorspellen. Eiwit Sc. 4, 2411–2423 (1995).

Anderson, K.S., Sikorski, J.A. & Johnson, K.A. Evaluatie van 5-enolpyruvoylshikimaat-3-fosfaatsynthasesubstraat en remmerbinding door middel van stop-flow- en evenwichtsfluorescentiemetingen. Biochemie 27, 1604–1610 (1988).

Schyns, G. et al. Isolatie en karakterisering van nieuwe thiamine-gedereguleerde mutanten van Bacillus subtilis. J. Bacteriol. 187, 8127–8136 (2005).

Wach, A. PCR-synthese van markercassettes met lange flankerende homologiegebieden voor genverstoringen in S. cerevisiae. Gist 12, 259–265 (1996).


Zonder enzymkatalysator duurt de langzaamste bekende biologische reactie 1 biljoen jaar

Een wetenschapper die deze kwesties bestudeert is Dr. Richard Wolfenden, Alumni onderscheiden hoogleraar biochemie en biofysica en chemie aan de Universiteit van North Carolina in Chapel Hill en lid van de National Academy of Sciences. In 1998 meldde hij dat een biologische transformatie die als "absoluut essentieel" wordt beschouwd bij het maken van de bouwstenen van DNA en RNA 78 miljoen jaar in water zou duren.

"Nu hebben we er een gevonden die 10.000 keer langzamer is dan dat," zei Wolfenden. "De halfwaardetijd - de tijd die nodig is om de helft van de stof te consumeren - is 1 biljoen jaar, 100 keer langer dan de levensduur van het universum. Enzymen kunnen deze reactie in 10 milliseconden laten plaatsvinden."

Wolfenden, samen met co-auteurs Chetan Lad en Nicholas H. Williams van Sheffield University in Engeland, publiceerden op 29 april een rapport van hun nieuwe bevindingen in de online "vroege editie" van de Proceedings van de National Academy of Sciences. De gedrukte publicatie staat gepland voor 13 mei.

Het rapport benadrukt de katalytische kracht van fosfatase-enzymen om de transformatiesnelheid in water van een specifieke groep biochemicaliën: fosfaatmonoesters enorm te verhogen. Eiwitfosfatase-enzymen die op deze mono-esters inwerken, helpen bij het reguleren van de moleculaire overspraak in menselijke cellen, de celsignaleringsroutes en biochemische schakelaars die betrokken zijn bij gezondheid en ziekte.

"We hebben esters die in onze cellen rondzweven met allerlei functies", zei Wolfenden. "Elk aspect van celsignalering volgt de werking van het type fosfatase-enzym dat fosfaatmonoesters afbreekt. Andere fosfatasen die in het onderzoek naar voren kwamen vanwege hun katalytische kracht, helpen bij het mobiliseren van koolhydraten uit dierlijk zetmeel en spelen een rol bij de overdracht van hormonale signalen."

Wat betreft de niet-gekatalyseerde fosfaatmonoesterreactie van 1 biljoen jaar: "Dit aantal plaatst ons ver buiten het bekende universum in termen van traagheid", zei hij. "(De enzymreactie) is 21 orden van grootte sneller dan het niet-gekatalyseerde geval. En de grootste die we eerder wisten was 18. We hebben schalen benaderd die niemand kan bevatten."

Waarom zouden we de snelheid van een biologische reactie willen weten in afwezigheid van een enzym?

Die informatie zou biologen in staat stellen te waarderen wat natuurlijke selectie in de loop van de millennia heeft bereikt in de evolutie van enzymen als productieve katalysatoren, zei Wolfenden. Het zou wetenschappers ook in staat stellen om enzymen te vergelijken met kunstmatige katalysatoren die in het laboratorium worden geproduceerd.

"Zonder katalysatoren zou er helemaal geen leven zijn, van microben tot mensen", zei hij. "Je vraagt ​​je af hoe natuurlijke selectie op zo'n manier werkte dat er een eiwit werd geproduceerd dat van de grond kwam als een primitieve katalysator voor zo'n buitengewoon langzame reactie." Experimentele methoden die worden gebruikt om zeer langzame reacties te observeren, kunnen belangrijke informatie opleveren voor het ontwerp van geneesmiddelen.

"Enzymen die een wonderbaarlijke taak van katalyse vervullen, zijn zonder twijfel de meest gevoelige doelen voor de ontwikkeling van geneesmiddelen," zei Wolfenden.

"De enzymen die we in dit rapport hebben bestudeerd, zijn fascinerend omdat ze alle andere bekende enzymen in hun kracht als katalysatoren overtreffen. We zijn pas begonnen te begrijpen hoe we reacties met chemische katalysatoren kunnen versnellen, en niemand is zelfs maar binnen schreeuwafstand gekomen om te produceren hun katalytische kracht."

Wolfendens onderzoek naar enzymmechanismen en wateraffiniteiten van biologische verbindingen heeft op deze gebieden grote invloed uitgeoefend. Zijn onderzoek heeft ook invloed gehad op de bevindingen van het rationele ontwerp van geneesmiddelen uit zijn laboratorium en heeft de ontwikkeling van ACE-remmers gestimuleerd, die nu veel worden gebruikt voor de behandeling van hypertensie en beroerte.

Ondersteuning voor dit onderzoek kwam van het National Institute of General Medicine, een onderdeel van de National Institutes of Health.

Opmerking: neem contact op met Wolfenden op 919-966-1203 of [email protected]
Contactpersoon School of Medicine: Les Lang, 919-843-9687 of [email protected]

Vrijwaring: AAAS en EurekAlert! zijn niet verantwoordelijk voor de juistheid van persberichten die op EurekAlert! door bijdragende instellingen of voor het gebruik van informatie via het EurekAlert-systeem.


Bekijk de video: Zuur base evenwicht: Theorie (December 2021).