SAMENVATTING ENZYMTECHNOLOGIE
Academiejaar 2022-2023, prof = Yves Briers
H1: INTRODUCTIE
1.1 Enzymen in het dagelijks leven
= jeans, wasproducten, tandpasta, voedings- en voedingsindustrie, productie funchemicaliën (AZ, vitamines), farmaceutische
producten, textielindustrie, biobrandstoffen
➔ novozymes, DuPont, DSM = ¾ van de wereldmarkt die enzymen verkopen
Voorbeeld tandpasta
1.2 Wat is enzymtechnologie?
De drijvende kracht in de ontwikkeling van enzymtechnologie, zowel in een academische omgeving als in de industrie, zijn
innovatie en duurzaamheid
1) innovatie
= innovatieve producten en processen worden met een concurrentievoordeel op de markt ontwikkeld (bv. sommige
processen zijn moeilijk met gewone chemie, maar meer winst bij enzymen)
- ontwikkeling van nieuwe en betere producten en processen om aan dezelfde behoefte te voldoen
- verbetering van processen om bestaande producten te maken van nieuwe ruwe materialen zoals biomassa
=> moeten voldoen aan criteria van duurzaamheid
2) Duurzaamheid
= als doel een ontwikkeling te bevorderen die voorziet in de behoeften van de huidige generatie zonder het vermogen van
toekomstige generaties in gevaar te brengen
= i.v.m. klassieke chemie zullen er minder schadelijke stoffen vrijkomen voor het milieu
Voorbeeld: bio-ethanol productie van lignocellulose
- speelt een rol in de overgang van fossiele brandstoffen naar biobrandstoffen. Men gaat biomassa gebruiken i.p.v.
aardolie
- biobrandstoffen van de eerste generatie = worden geproduceerd uit zetmeel en suikerriet (stoffen die ook nodig zijn
voor de voeding)
- biobrandstoffen van de tweede generatie = zijn gebaseerd op lignocellulose (aanwezig in plantencelwanden), vaak
aanwezig in plantenafval
1.3 Wat zijn biokatalysatoren?
Katalyse = een kinetisch fenomeen waarbij de snelheid van een chemische reactie wordt verhoogd met een katalysator die zelf
niet verschijnt in de stochiometrische vergelijking van een chemische reactie
Biokatalysatoren = biologische moleculen die een chemische reactie kunnen katalyseren. Dit kunnen 2 soorten zijn:
1) enzymen = eiwitten
2) ribozymen = RNA nucleïnezuren die de hydrolyse van RNA kunnen katalyseren
Enzym engineering
- er is echter meestal een groot verschil tussen de natuurlijke functie en de industriële applicatie die de ingenieur voor ogen
heeft
- enzym engineering heeft tot doel enzymen met nieuwe of verbeterde eigenschappen te creëren voor industriële toepassingen
- in vitro technieken om enzymvarianten te creëren bootsen in feite de natuurlijke evolutiemechanismen na en zijn op te
splitsen in mutagenese (aanbrengen van mutaties) en shuffling (uitwisseling DNA fragmenten)
Enzymen
- enzymen zijn afkomstig van alle mogelijke organismen (bacteriën, schimmels, algen, planten, dieren, …) en hebben een
natuurlijke functie in het metabolisme van de cel.
1
, -> ze katalyseren alle chemische reacties die nodig zijn voor overlevering en voortplanting van cellen
- ze kunnen worden opgezuiverd uit het producerende organisme d.m.v. extractie OF ze kunnen aangemaakt worden m.b.v.
chromatografie recombinant DNA technologie
- opgezuiverde enzymen werken ook buiten hun natuurlijke omgeving en kunnen in industriële processen aangewend worden
Voor-en nadelen van enzymen t.o.v. chemische katalysatoren
voordeel Nadeel
1) hoge selectiviteit en specificiteit 1) hogere kost voor isolatie en
= ze maken onderscheid in regioselectiviteit(/specificiteit) en stereoselectiviteit opzuivering v/h enzym
(/specificiteit) als substraatherkenning of productvorming - gebieden met alternatieve
→ onderscheid tussen structurele isomeren methode, zullen eerder de
→ onderscheid tussen optische isomeren goedkopere methode gebruiken
- chemische katalysatoren zullen altijd een racemisch mengsel aanmaken 2) enzymen zijn vaak onstabiel buiten
- bv. omzetting van glucose in fructose kan niet gebeuren met een klassieke hun natuurlijke omgeving
chemische methode
2) lager aantal synthesestappen nodig
3) mildere procescondities
= hierdoor zal de energiebehoefte verminderen, de kapitaalkosten verlagen
dankzij de corrosiebestendige procesapparatuur en verminder ongewenste
nevenreacties
4) hogere reactiesnelheden
- als gevolg: lagere productiekosten
5) Hogere productiviteit
= ze katalyseren enkel de reacties van zeer smalle reeksen reactanten
(substraten), die kunnen bestaan uit een klein aantal nauw verwante klassen
van verbindingen, een enkele klasse van verbindingen of een enkele
verbinding
➔ uitsluiting nevenreacties, eliminatie ongewenste bijproducten, hogere
productiviteit
➔ product wordt in niet-verontreinigde toestand gegenereerd waardoor
zuiveringskosten lager liggen
Voorbeelden
Voorbeeld 1
= enzymproces voor de hydrolyse van penicilline vergeleken met de
chemische procedure die hetzelfde doel had
Het chemische proces
- maakt gebruik van problematische oplosmiddelen en toxische
verbindingen => toxisch afval dat moeilijk te recycleren is => niet
duurzaam
Het enzymproces
= duurzamer => aanzienlijke vermindering van het afval en
verwerkingskosten
- productopbrengst kan worden verhoogd tot >95%.
- 6-APA wordt gebruikt als substraat voor de aanmaak van semi-
synthetische penicillines
- hydrolyse van zetmeel en isomerisatie van glucose kunnen niet
chemisch worden uitgevoerd tegen redelijke kosten => lagere
opbrengsten, ongewenste bijproducten en de productie van
afvalzuren
Voorbeeld 2
= aanmaak van herparine = anti-coagulant dat de stolling in bloed zal
vermijden
→ met enzymen= hogere oprbrengst + minder stappen
1.4. Enzymnaamgeving en classificatie
Triviale naam vs. Systematische naam
Triviale naamgeving Systematische naamgeving
2
, - kort en gemakkelijk, vaak meest gebruikt - naamgeving is gebaseerd op de chemische reactie die
- eindigt meestal op -ase (lipase, cellulase) gekatalyseerd wordt
- onvoldoende exact, verduidelijking is nodig met EC nummer => er kan pas een systematische naam aan een enzym
en systematische naam worden gegeven totdat bekend is welke chemische
- classificatie op basis van de triviale naam is niet mogelijk reactie het katalyseert
- ze mogen enkel gebruikt worden voor afzonderlijke => een bepaalde naam kan niet een enkel enzym-eiwit zijn,
enzymen en niet toegepast worden op systemen die meer maar een groep eiwitten met dezelfde katalytische
dan 1 enzym bevatten eigenschap
- deze naamgeving laat ook classificatie toe
- naamgevingregels zijn opgesteld door Nomenclature
Committee van het IUBMB
- systematische viercijfer code EC X.X.X.X wordt toegekend
E.C. Classificatie
De systematische nomenclatuur verdeelt de enzymen in 6 klassen naargelang het type reactie dat gekatalyseerd wordt
1. Het eerste cijfer geeft aan tot welke 6 hoofdonderverdelingen (klassen) het enzym behoort en stelt één van de 6
mogelijke reactietypes voor de enzymen kunnen katalyseren
2. Het tweede cijfer toont de subklasse aan en definieert de chemische structuren die veranderd worden in het proces
3. Het derde cijfer geeft de sub-subklasse aan en definieert de eigenschappen v/h enzym betrokken bij de katalytische
reactie
4. Het vierde cijfer is het volgnummer van het enzym
6 hoofdonderverdelingen waarnaar het 1e nummer kan verwijzen
EC1 = oxidoreductase Type reactie = redoxreacties waarbij H- of O-atomen of elektronen worden overgedragen tussen
moleculen
- donor = substraat dat geoxideerd wordt
- acceptor = substraat dat gereduceerd wordt
Systematische naamgeving = donor:acceptor oxidoreductase
Triviale naamgeving = substraat dehydrogenase (of oxidase wanneer O2 de acceptor is)
EC2 = Transferases Type reactie = katalyseren de overdracht van een atoom of groep atomen (-acyl, -alkyl en glycosyl-),
van een verbinding naar een andere verbinding, maar met uitzondering van de
overdrachten die in de andere groepen worden ingedeeld
- donor = substraat dat de functionele groep afstaat, is vaak een cofactor geladen met over te
dragen groep
- acceptor = substraat dat de functionele groep krijgt
Systematische naamgeving = donor:acceptor groeptransferase
Triviale naamgeving = acceptor groeptransferase of donor groeptransferase
EC3 = Hydrolases Type reactie = zorgt voor hydrolytische reacties met H2O en de omkering daarvan, ze katalyseren
de splitsing van C-O, C-N, C-C en sommige andere bindingen waaronder
3
, fosforzuuranhydridebindingen.
- meest voorkomende groep in de enzymtechnologie
Systematische naamgeving = substraat hydrolase
Triviale naamgeving = substraat + -ase
EC4 = Lyases Type reactie = ze splitsten C-C, C-O, C-N en andere bindingen waarbij een groep van atomen wordt
afgesplitst en door deze eliminatie zal een dubbele bindingen of ringen overblijven
Systematische naamgeving = substraat groep-lyase
Triviale naamgeving = substraat decarboxylase, aldolase, dehydratase ( wanneer CO2, aldehyde of
water wordt afgesplitst); substraat hydratase (wanneer een watermolecule
wordt toegevoegd)
→ wanneer de omgekeerde reactie (het verkrijgen v/e functionele groep) de
belangrijkste is, wordt synthase gebruikt
EC5: isomerases Type reactie = katalyseren moleculaire isomeraties en omvatten: (ruimtelijke ordening van de
groepen verandert)
- epimerasen
- racemasen = als er maar 1 asymmetrische C is
- intramoleculaire transferasen = 2 groepen met elkaar verwisseld
Systematische naamgeving = substraat
groep-isomerase
Triviale naamgeving = substraat isomerase
EC6: ligases Type reactie = vorming v/e covalente binding tussen 2 moleculen, gekoppeld met de hydrolyse van
= synthetasen een nucleosidetrifosfaat
- het is een plakenzym dat meestal energie kost (ATP of ADP
Systematische naamgeving = X:Y ligase (ADP-vormend)
Triviale naamgeving = product synthetase
4
