2009. 11. 24. Mindennapi KMindennapi Kéémiamia
BiotechnolBiotechnolóógia a kgia a kéémimiáábanban
Dr. Poppe LászlóBME Szerves Kémia és Technológia Tsz
Biológiai rendszerek alkalmazása a kémiában és a mindennapokban
22 Mindennapi KMindennapi Kéémiamia2009. 11. 24.2009. 11. 24.
BiotechnolBiotechnolóógiagia –– Mi is az ?Mi is az ?
Bármilyen technológia, amely biológiai rendszereket − élő szervezeteket, vagy azok bármilyen származékát − alkalmaz termékek vagy gyártási eljárások kifejlesztésére vagy módosítására.
1970 elött: elsősorban az élelmiszeripar és az agrárgazdaságtermékei és eljárásai1970 után: elsősorban a biológiai kutatásokban felhasznált laboratóriumi eljárásokon- alapuló új technológiák, mint rekombinánsDNS technikák, szövetkultúra alapú eljárások, növényi rendszerekben végzett horizontális gén-transzfer vagy élő − akár emlős − szervezetek klónozása
33 Mindennapi KMindennapi Kéémiamia2009. 11. 24.2009. 11. 24.
A biotechnológia változatos módszereket és tudományterüleket alkalmaz:
BiotechnolBiotechnolóógiagia –– Milyen mMilyen móódszereket alkalmaz?dszereket alkalmaz?
GenetikaMolekuláris biológiaBiokémiaSejtbiológia és embriológia (őssejt kutatás)BioinformatikaVegyész és biomérnöki módszerekRobotika Nano-biotechnológia
44 Mindennapi KMindennapi Kéémiamia2009. 11. 24.2009. 11. 24.
BiotechnolBiotechnolóógiagia –– FFőőbb alkalmazbb alkalmazáási tersi terüületeiletei
Orvosi és gyógyászati alkalmazások
Agrár és élelmiszeripari alkalmazások
Biomérnöki alkalmazások
Bioremediáció és biodegradáció
55 Mindennapi KMindennapi Kéémiamia2009. 11. 24.2009. 11. 24.
BiotechnolBiotechnolóógiagia –– GyGyóógygyáászati alkalmazszati alkalmazáásoksok
FarmakogenomikaGyógyszeripari termékekGén tesztekGénterápiaHuman Genom ProjectKlónozás
66 Mindennapi KMindennapi Kéémiamia2009. 11. 24.2009. 11. 24.
Termő növények hozamának növeléseTermő növények ellenállóképességének növeléseÉlelmiszerkomponensek hozamának és minőségének növeléseÉlelmiszerek ízének, megjelenésének és állagának javításaCsökkentett peszticid, műtrágya és egyéb agrokemikália felhasználásTermő növények felhasználása új anyagok előállítására
BiotechnolBiotechnolóógiagia –– AgrAgráár r éés s éélelmiszeriparlelmiszeripar
77 Mindennapi KMindennapi Kéémiamia2009. 11. 24.2009. 11. 24.
BiotechnolBiotechnolóógiagia –– BiomBioméérnrnööki alkalmazki alkalmazáásoksok
Új termékek megújuló forrásokból (non-food applications)Biotranszformációkkal kapcsolatos biomérnöki fejlesztésekOrvosbiológiai mérnökség
Hagyományos mérnöki tudományok ötvözése biológiai módszerekkel, termékekkel
88 Mindennapi KMindennapi Kéémiamia2009. 11. 24.2009. 11. 24.
BiotechnolBiotechnolóógiagia –– BiodegradBiodegradáácicióó, bioremedi, bioremediáácicióó
Biodegradáció anyagok, elsősorban szerves vegyületek lebontása élő szervezetek illetve az általuk termelt enzimek segítségével. A biodegradáció szoros kapcsolatban áll a környezeti ökölógiával, hulladékkezeléssel és a biodegradáción alapuló remediációval. A szerves anyagok lebontása alapvetően lejászódhat anaerob módon (oxigén nélkül) ill. aerob (oxigént felhasználó) eljárásokkal.
Bioremediáció: olyan eljárás, melynek során mikroorganizmusokat, gombákat vagy zöld növényeket ill. az általuk termelt enzimeket használjuk fel a természetes környezet eredeti állapotának helyreállítására, elsősorban a szennyező anyagok lebontásával.Bakteriális bioremediáció használható fel például talaj klórozott szénhidro-génmentesítése során. Másik példa lehet az olajszennyezések mikrobiális degradációjának gyorsítása nitrát és szulfát műtrágyák alkalmazásával.
99 Mindennapi KMindennapi Kéémiamia2009. 11. 24.2009. 11. 24.
A fermentA fermentáácicióó éés a biotranszforms a biotranszformáácicióóöösszehasonlsszehasonlííttáásasa
Definiált szerkezetű
termék
Definiált szerkezetű
termék
Nem definiált olcsó szénforrás,
Egyszerű N, P, S, nyomelem forrás
⇒
FFERMENTERMENTÁÁCICIÓÓ
Előnyök, hátrányok+ + Bonyolult, többlépéses folyamat
"egyszerű" kivitelezése-- Összetett elegy (tápanyagok,
melléktermékek, stb.), nehezebb kinyerés
-- Összetett mikrobiológiai ismeretek, több tapasztalat szükségeltetik
Definiált szerkezetű
termék
Definiált szerkezetű
termék
BBIOTRANSZFORMIOTRANSZFORMÁÁCICIÓÓ
Definiált szerkezetűszubsztrát
Definiált szerkezetűszubsztrát
BiokatalizátorBiokatalizBiokatalizáátortor
Előnyök, hátrányok+ + Egyszerűbb közeg, "tisztább" reakció
-- Izolált, tisztított biokatalizátor "drágább", előállítása bonyolultabb lehet
-- "Kevesebb" ismeret, egyszerűbb megvalósíthatóság
1010 Mindennapi KMindennapi Kéémiamia2009. 11. 24.2009. 11. 24.
A biokatalizA biokatalizáátorok torok éés alkalmazs alkalmazáási tersi terüületeikleteik
A bA bioiokkatalatalizizáátoroktorok legtlegtööbbszbbszöörr enzenziimemekk
A biokatalízis különféle célokra többféle biokatalizátor felhasználásával alkalmazható
Többsejtes rendszerek
Mikroorganizmusok
Enzimek
Gyógyszer – Finomvegyszer – Kozmetikum - Üzemanyag
1111 Mindennapi KMindennapi Kéémiamia2009. 11. 24.2009. 11. 24.
Mikroorganizmusok, egész-sejtes rendszerekMikroorganizmusok,
egész-sejtes rendszerek
Homogén enzimHomogén enzim
EnzimekEnzimek
Élő egész-sejtesrendszerek
Élő egész-sejtesrendszerek
Holt sejtekHolt sejtek
Feltárt sejt, nyers enzimkészítmény
Feltárt sejt, nyers enzimkészítmény
Részlegesen tisztítottenzim
Részlegesen tisztítottenzim
A bA biokataliziokatalizáátorok megjelentorok megjelenéési formsi formááii
1212 Mindennapi KMindennapi Kéémiamia2009. 11. 24.2009. 11. 24.
BiotranszformBiotranszformáácicióó -- Korai elKorai előőzmzméényeknyek
ENZIMATIKUSENZIMATIKUS
1836: (SchwannSchwann) A gyomornedv aktív komponense(pepszin) in vitro emészti a húst
1876: (KKüühnehne) Az "enzim" fogalom
1894: (E. FischerE. Fischer) α-MeO-Glc ⇒maltáz⇒ α-Glcβ-MeO-Glc ⇒emulzin⇒ β-Glc
1914: (ZemplZempléénn G.)G.)Kb. 150 oldalas magyar nyelvű összefoglalóaz enzimek kémiai alkalmazásáról(pl. ricinusmag izolátum használatazsír-bontásra több tonnás tételben)
OH + 2 O2biokatalizátor
H2O+OH
O
MIKROBIOLMIKROBIOLÓÓGIAI GIAI
I. e. 2000: Ecetgyártás első emlékei
XIX. sz: Az első "rögzített sejtes bioreaktor" ⇒(ágakon megkötött sejteken átfolyóalkoholtartalmú oldat)
1858: (PasteurPasteur)Borkősav mikrobiológiai reszolválása
1930: (Knoll AGKnoll AG) L-Efedrin gyártásCHO
O
O
OHO
OH
NHMe
OHS. cerevisiae kémiai
OH + 2 O2biokatalizátor
H2O+OH
O
1313 Mindennapi KMindennapi Kéémiamia2009. 11. 24.2009. 11. 24.
EnzimkatalEnzimkatalíízis zis –– TTöörrttéénelmi mnelmi méérfrfööldkldköövekvek
1836: (Schwann) Hús in vitro emésztése pepszinnel1876: (Kühne) Az "enzim" név és fogalom1890: (Takamine Co.) Takadisztáz - az első iparilag alkalmazott enzimkészítmény1897: (Hill) Az enzimműködés reverzibilis (hidrolázok)1906: (Pottevin) Metil oleát szintézise gyakorlatilag szerves közegben (MeOH + olajsav)1913: (Michaelis, Menten) Az enzimkatalízis kinetikai alapjai1926: (Summer) Ureáz: az első kristályos fehérje. Az enzim⇔fehérje kapcsolat felismerése1950-es évek (Watson, Crick és többen) A DNS, RNS szerkezete, a genetikai kód1967: (Phillips) Lizozim - Röntgen krisztallográfia: az első fehérje harmadlagos szerkezet1969: (Gutte, Merrifield) A Ribonukleáz A enzim kémiai totálszintézise 11'931 műveletben1969: (Tanabe Co) Az első iparilag alkalmazott rögzített enzim (Aminoaciláz⇔L-metionin)1983: (Ensley) Az első iparilag alkalmazott rekombináns mikroorganizmus
(Pseudomonas putida gének → Esherichia coli → indigó előállítás)1986: (Klibanov) Az enzimek többsége működőképes "vízmentes" szerves közegben1992: (többen) HIV-1 proteáz (99 aminosav) enantiomer formájának szintézise
D-aminosavakból (az enzimek sztereoszelektivitásának forrása kiralitásuk) HIV-1 proteáz ⇒ L-aminosavból álló peptideket hasítjaent-HIV-1 proteáz ⇒ D-aminosavakból álló peptideket hasítja
1836: (SchwannSchwann) Hús in vitro emésztése pepszinnel1876: (KKüühnehne) Az "enzim" név és fogalom1890: (Takamine Co.)Takamine Co.) Takadisztáz - az első iparilag alkalmazott enzimkészítmény1897: (HillHill) Az enzimműködés reverzibilis (hidrolázok)1906: (PottevinPottevin) Metil oleát szintézise gyakorlatilag szerves közegben (MeOH + olajsav)1913: (Michaelis, MentenMichaelis, Menten) Az enzimkatalízis kinetikai alapjai1926: (SummerSummer) Ureáz: az első kristályos fehérje. Az enzim⇔fehérje kapcsolat felismerése1950-es évek (Watson, Crick Watson, Crick éés ts tööbbenbben) A DNS, RNS szerkezete, a genetikai kód1967: (PhillipsPhillips) Lizozim - Röntgen krisztallográfia: az első fehérje harmadlagos szerkezet1969: (Gutte, MerrifieldGutte, Merrifield) A Ribonukleáz A enzim kémiai totálszintézise 11'931 műveletben1969: (Tanabe CoTanabe Co) Az első iparilag alkalmazott rögzített enzim (Aminoaciláz⇔L-metionin)1983: (EnsleyEnsley) Az első iparilag alkalmazott rekombináns mikroorganizmus
(Pseudomonas putida gének → Esherichia coli → indigó előállítás)1986: (KlibanovKlibanov) Az enzimek többsége működőképes "vízmentes" szerves közegben1992: (ttööbbenbben) HIV-1 proteáz (99 aminosav) enantiomer formájának szintézise
D-aminosavakból (az enzimek sztereoszelektivitásának forrása kiralitásuk) HIV-1 proteáz ⇒ L-aminosavból álló peptideket hasítjaent-HIV-1 proteáz ⇒ D-aminosavakból álló peptideket hasítja
1414 Mindennapi KMindennapi Kéémiamia2009. 11. 24.2009. 11. 24.
A biokatalA biokatalíízis fejlzis fejlőőddéése, megtorpanse, megtorpanáása sa éés s reneszreneszáánszansza
1880 1900 1920 1970 1990
VilágválságII. Világháború
Kémiai tömegtermelésFosszilis források- kõolaj- kõszén
Olajválság
Környezetvédelem,Megújuló nyersanyagés energiaforrásokjelentõsége nõ
1515 Mindennapi KMindennapi Kéémiamia2009. 11. 24.2009. 11. 24.
1970 után
A szintetikus biolA szintetikus biolóógia hierarchigia hierarchiáájajaSzekvenálás, génexpresszió, promoter tervezés, in silico tervezés, DNS szintézis, irányított evolúció, aptamerek
in silico tervezés, irányított evolúció
Szintetikus szabályzási hálózat módosítás
Genetikai szabályzókörök, genom redukció, genom szintézis
1616 Mindennapi KMindennapi Kéémiamia2009. 11. 24.2009. 11. 24.
Enzimek szerkezeteEnzimek szerkezete
Enzim < = > Egy adott funkciót katalizáló fehérjeEnzimEnzim < = > < = > EgyEgy aadott funkcidott funkcióót katalizt katalizáállóó fehfehéérjerje
Elsődleges szerkezet > Aminosavak kapcsolódási sorrendje
Másodlagos szerkezet > Aminosavak láncbeli relativ helyzete(hélix, redő, rendezetlen hurok, stb.)
Harmadlagos szerkezet > Peptidláncok teljes térszerkezete
Negyedleges szerkezet > Egy vagy több peptidláncból és további prosztetikus csoportokból álló enzim teljes térszerkezete
Szerkezet hatékonyság, szelektivitás
1717 Mindennapi KMindennapi Kéémiamia2009. 11. 24.2009. 11. 24.
Enzimek elsEnzimek elsőődleges dleges éés ms máásodlagos szerkezete sodlagos szerkezete
Elsődleges szerkezet
MNKKEWEEKYVKPLLERSPERKKEFKTSSGIVVDRLYTPEDVEIDYENKLGYPGVYPFTRGVYPTMYRGRLWTMRQYAGFGTAEETNRRYRYLLEQGQTGLSVAFDLPTQIGYDSDHPMALGEVGKVGVAIDTIEDMEILFNGIPLGKVSTSMTINSTCAQILSMYVAVAEKQGVERANLRGTVQNDMLKEYIARGTYIFPPEPSLRLATDIIMFCAKEMPKWNSISISGYHMEEAGATPVQEVAFTLADGITYVEKVIERGMDVDSFAPRLSFFFAAGNNFLEEIAKFRAARRLWARIMKERFNAKNPRSMMLRFHVQTAGCTLTAQQPENNIVRVALQALAAVLGGCQSLHTNSFDEALCLPTEKAVRIALRTQQIIAEESGVADVVDPLGGSYYIEWLTDRIEEEAMKYIEKIDEMGGMIKAIESGYVQREIQKSAYEKQKAIDEGEITVVGVNKYQIEEEIQIELLRVDKAVVEKQIRRLQEFRKNRDAKKVEEALRLRKAAEKEDENLMPYVLDAVKARATLGEMTDALRDVFGEFRAPEIF
Másodlagos szerkezet
DNS aminosav sorrend tekeredés ”folding”
1818 Mindennapi KMindennapi Kéémiamia2009. 11. 24.2009. 11. 24.
Enzimek harmadlagos Enzimek harmadlagos éés negyedleges szerkezetes negyedleges szerkezete
Harmadlagos szerkezet Negyedleges szerkezet
Harmadlagos és negyedleges szerkezet aktív konformációaktív konformáció (szubsztrátum illeszkedése – reakció lejátszódása)denaturálódás (az aktív szerkezet irreve5rzibilis változása – biológiai inaktiváció)
1919 Mindennapi KMindennapi Kéémiamia2009. 11. 24.2009. 11. 24.
AA kkarboxipeptidarboxipeptidáázz AA enzim aktenzim aktíív centrumav centruma: (aa) az aktív centrum sematikus ábrája; (bb) a fehérje aktív centruma a Cbz-Gly-Phe szubsztrátummal (feltételezhető elhelyezkedés). A piros vonalak a fontos aminosav-oldalláncokat, a kék vonalak a szubsztrátum hidrogén-hidas kötési helyeit jelzik.
Enzimek szerkezete Enzimek szerkezete –– Az aktAz aktíív centrumv centrum
pozitív katalízis (szubsztrátum és az aktív hely katalitikus részeinek illeszkedése)negatív katalízis (szubsztrátum védelme, biológiai ”védőcsoport”)
2020 Mindennapi KMindennapi Kéémiamia2009. 11. 24.2009. 11. 24.
Koenzimek (coE)(pl. B12 koenzim)
Vitaminok(pl B12 vitamin)
gyakran a koenzimekprekurzorai
a) vagy b) típusúenzimek(pl. hidrolázok) alkalmazás szempontjából előnyösek
EnzimkatalEnzimkatalíízis zis –– koenzimekkel koenzimekkel éés ns néélklküüllüükk
a) koenzim nélküli enzim
b) szorosan kötött koenzimmel működő enzim
Enzim – koenzim kölcsönhatások típusai
c) nem szorosan kötött koenzimmel működő enzim
kapcsolt regenerációs rendszer
2121 Mindennapi KMindennapi Kéémiamia2009. 11. 24.2009. 11. 24.
Enzimek Enzimek –– Szerkezet / hatSzerkezet / hatáás s öösszefsszefüüggggééseksek
A metilmalonil-CoA mutáz (MCM) reakció
B12-koenzim ( Ado-Cbl )
Szukcinil-CoA Metilmalonil-CoA
Metilmalonil-CoA mutáz szerkezet, PDB: 4REQ, [Evans, et al.]
és az MCM - szubsztrát komplex
2222 Mindennapi KMindennapi Kéémiamia2009. 11. 24.2009. 11. 24.
? Val? Valóóssáágg -- KKíísséérletrlet –– ModelModell ?l ?
?
2323 Mindennapi KMindennapi Kéémiamia2009. 11. 24.2009. 11. 24.
FehFehéérjrjéék szerkezetk szerkezetéének meghatnek meghatáározrozáásasaHTP HTP kristkristáályoslyosííttááss
2424 Mindennapi KMindennapi Kéémiamia2009. 11. 24.2009. 11. 24.
FehFehéérjrjéék szerkezetk szerkezetéének meghatnek meghatáározrozáásasaHTP HTP kristkristáályoslyosííttáási eredmsi eredméényeknyek
2525 Mindennapi KMindennapi Kéémiamia2009. 11. 24.2009. 11. 24.
FehFehéérjrjéék szerkezetk szerkezetéének meghatnek meghatáározrozáásasaRRööntgen krisztallogrntgen krisztallográáfiafia
2626 Mindennapi KMindennapi Kéémiamia2009. 11. 24.2009. 11. 24.
Az NMR mérések során a magok mágneses perdületének változásai követhetőek a magok környezetétől függően. Értkető módon a magok érzékenyen reagálnak a kémiai környezet változásaira így a módszer erről ad információt.
Az NMR spektroszkópusok alapvetóen a proteinek oldatfproteinek oldatfááziszisúú szerkezetszerkezetéét t képesek vizsgálni. Fontos információk nyerhetőek a fehérjék dinamikus viselkedéséről is.
FehFehéérjrjéék szerkezetk szerkezetéének meghatnek meghatáározrozáásasaNMR spektroszkNMR spektroszkóópiapia
2727 Mindennapi KMindennapi Kéémiamia2009. 11. 24.2009. 11. 24.
FehFehéérjrjéék szerkezetk szerkezetéének meghatnek meghatáározrozáásasaNMR mNMR móódszer ldszer lééppééseisei
2828 Mindennapi KMindennapi Kéémiamia2009. 11. 24.2009. 11. 24.
FehFehéérjrjéék szerkezetk szerkezetéének nek meghatmeghatáározrozáásasa
NMR spektroszkNMR spektroszkóópiapia
2929 Mindennapi KMindennapi Kéémiamia2009. 11. 24.2009. 11. 24.
3030 Mindennapi KMindennapi Kéémiamia2009. 11. 24.2009. 11. 24.
FehFehéérjrjéék szerkezetk szerkezetéének meghatnek meghatáározrozáásasaééss biomolekulbiomolekuláák k 3D 3D szerkezetiszerkezeti adatbadatbáázisazisa
M. J. Foster: Micron 2002, 33, 365-384.
•• RRööntgenkrisztallogrntgenkrisztallográáfiafia
•• NNMR mMR móódszerekdszerek
•• EleElekktrontron mimikroszkkroszkóópiapia
•• EleElekktrontron diffradiffrakckciióó
KKíísséérleti szerkezetekrleti szerkezetek::
•• Protein data bankProtein data bank(PDB)(PDB)
As of Tuesday Nov 11, 2008there are 5419454194 Structures PDB Statistics
3131 Mindennapi KMindennapi Kéémiamia2009. 11. 24.2009. 11. 24.
Protein Protein homolhomolóóggiaia modellmodellezezééssM. J. Foster: Micron 2002, 33, 365-384.
Homológia modellezési módszerek• Fragmens alapú módszerek (COMPOSER/SYBYL; HOMOLOGY / InsightII)
• Távolság alapú módszerek (MODELLER / InsightII)
• Automata homológia modell szerverek(Swiss-Model: http://www.expasy.ch/swissmod/SWISS-MODEL.html)
• Critical Assessment of Structure Prediction (CASP) – Folyamatos ellenőrzés
HomolHomolóógiagia modellmodellezezéési msi móódszerekdszerek• Fragmens alapú módszerek (COMPOSER/SYBYL; HOMOLOGY / InsightII)
• Távolság alapú módszerek (MODELLER / InsightII)
• Automata homológia modell szerverek(Swiss-Model: http://www.expasy.ch/swissmod/SWISS-MODEL.html)
• Critical Assessment of Structure Prediction (CASP) – Folyamatos ellenőrzés
Homológia modellezés – kísérleti szerkezettel nem rendelkező de ismert genetikai szekvenciájú protein - 3D proteomika egyik eszköze• Szekvenálás (SwissProt, TrEMBL) jóval egyszerűbb mint a 3D szerkezet
meghatározás
• A 3D szerkezetek felhasználása – funkció molekuláris szintű megértése
• Lehetséges alkalmazás - szerkezet alapú gyógyszertervezés
HomolHomolóóggiaia modellmodellezezééss –– kkíísséérleti szerkezettel nem rendelkezrleti szerkezettel nem rendelkezőő de de ismert genetikai szekvenciismert genetikai szekvenciáájjúú protein protein -- 3D 3D proteomiproteomika egyik eszkka egyik eszköözeze• Szekvenálás (SwissProt, TrEMBL) jóval egyszerűbb mint a 3D szerkezet
meghatározás
• A 3D szerkezetek felhasználása – funkció molekuláris szintű megértése
• Lehetséges alkalmazás - szerkezet alapú gyógyszertervezés
3232 Mindennapi KMindennapi Kéémiamia2009. 11. 24.2009. 11. 24.
A szekvencia azonosság foka<30 %: megbízhatatlan modellek
30-60 %: megbízható modellekkevésbé megbízhatórégiókkal
>60 %: jó minőségű modellek(Cα RMSD < 1 Å)
AA sszekvencia azonosszekvencia azonossáág fokag foka<30 %: megbízhatatlan modellek
30-60 %: megbízható modellekkevésbé megbízhatórégiókkal
>60 %: jó minőségű modellek(Cα RMSD < 1 Å)
A fibroblaszt növekedési faktor modell(alap - patkány keratinocyta GF: ~ 40 % azonosság) összevetve a kísérleti szerkezettel (röntgenkrisztallográfia)
A fibroblaszt növekedési faktor modell(alap - patkány keratinocyta GF: ~ 40 % azonosság) összevetve a kísérleti szerkezettel (röntgenkrisztallográfia)
Protein Protein homolhomolóóggiaia modellmodellezezééssM. J. Foster: Micron 2002, 33, 365-384.
3333 Mindennapi KMindennapi Kéémiamia2009. 11. 24.2009. 11. 24.
Homológia modell összehasonlítása két röntgenszerkezettelPAL modell PAL modell –– PAL rPAL rööntgen szerkezetntgen szerkezet
PAL (petrezs.)modell
PAL (petrezs.)röntgen
PAL (R. toruloides)röntgen
Homológi modellezés: bonyolultabb fehérjék (pl. fenilalanin ammónia-liáz, PAL) modellezéseHomológi modellezés: bonyolultabb fehérjék (pl. fenilalanin ammónia-liáz, PAL) modellezése
3434 Mindennapi KMindennapi Kéémiamia2009. 11. 24.2009. 11. 24.
Ligandumok dokkolLigandumok dokkoláása fehsa fehéérjrjéék szerkezetk szerkezetééhezhez
Modell ligandum
dokkolása
Modell fehérjéhez
Heparinnal komplexált kísérleti szerkezet
3535 Mindennapi KMindennapi Kéémiamia2009. 11. 24.2009. 11. 24.
VirtuVirtuáális szlis szűűrréés s ––Ligandumok automatizLigandumok automatizáált dokkollt dokkoláásasa
3636 Mindennapi KMindennapi Kéémiamia2009. 11. 24.2009. 11. 24.
BiokatalBiokatalíízis zis ááltalltaláános jellemznos jellemzőőii
Enyhe kEnyhe köörrüülmlméényeknyek +
HatHatéékonyskonysáágg (a kémiai reakciók akár 1012-szoros gyorsítása)
+
SzubsztrSzubsztráátspecifittspecifitááss + - ("Pont az én szubsztrátom nem ?")
SzelektivitSzelektivitááss + (Eredendősztereoszelektivitás)
Majdnem minden kMajdnem minden kéémiai miai reakcireakcióónak lnak léétezik tezik enzimatikus megfelelenzimatikus megfelelőőjeje
+ - (Egész sejtes ill. nyers készítményeknél több enzim
ellentétes irányban működhet)
KKöörnyezetbarrnyezetbaráátt, könnyen lebomlik
+ - (Instabilitás)
Jellemző Előny Hátrány
ÁÁrr + (Könnyen megújuló) - (Tisztítás drága)
3737 Mindennapi KMindennapi Kéémiamia2009. 11. 24.2009. 11. 24.
SZUBSZTRÁT SZELEKTIVITÁS TERMÉK SZELEKTIVITÁSS1
S2
T1
T2
k1
k2
k1 = k2reagens S
T1
T2
k1
k2
k1 = k2reagens
KEMOSZELEKTIVITÁSKonstitúciójukban különböző, de kémiailag hasonlóan viselkedő csoportok között
REGIOSZELEKTIVITÁSKonstitúciós izomerek között Eltérő konstitúciójú helyre kapcsolódó csoportok
DIASZTEREOMER SZELEKTIVITÁS DIASZTEREOTÓP SZELEKTIVITÁSDiasztereomerek között Diasztereotóp csoportok / felületek között
ENANTIOMER SZELEKTIVITÁS ENANTIOTÓP SZELEKTIVITÁSEnantiomerek között Enantiotóp csoportok / felületek között
Poppe, L., Novák, L.: Selective Biocatalysis: A Synthetic Approach,Verlag Chemie: Weinheim-New York, 1992.
BiokatalBiokatalíízis zis –– SzelektivitSzelektivitáások tsok tíípusaipusai
3838 Mindennapi KMindennapi Kéémiamia2009. 11. 24.2009. 11. 24.
Enyhe, hatEnyhe, hatéékony katalkony katalíízis (akrilamid)zis (akrilamid)
CNnitriláz
H2OO
NH2
Az akrilamid – amely nagy tömegben felhasznált polimeripari alapanyag, jelenlegi felhasználása kb. 200 000 t/év – előállítására a Nitto Co (Japán) nitriláz enzimmel, enyhe körülmények közt végzett hidrolízisen alapulóeljárást dolgozott ki. E technológia segítségével 1985-ben például már ~ 6000 t akrilamidot gyártottak.
3939 Mindennapi KMindennapi Kéémiamia2009. 11. 24.2009. 11. 24.
RegioszelektRegioszelektíív izomerizv izomerizáácicióó (inverz cukor)(inverz cukor)
O
OH
HOHO
HO
OHglükóz izomeráz O
HO
HO
HO
OH
OH
α-D-glükopiranóz α-D-fruktofuranóz
O
HO
HO
HO
OH
OHβ-D-fruktopiranóz
A világszerte több helyen több 100'000 t/év mennyiségben előállított termékgazdaságos termelése kifinomult eljárásokat igényel. Jellemző adatkéntmegemlíthető, hogy mára 18'000 kg termék állítható elő egyetlen kg rögzítettbiokatalizátor felhasználásával.
4040 Mindennapi KMindennapi Kéémiamia2009. 11. 24.2009. 11. 24.
AkirAkiráális vegylis vegyüületletekek vilviláága ga
Alíz csodaországban
4141 Mindennapi KMindennapi Kéémiamia2009. 11. 24.2009. 11. 24.
Hát persze, hiszen ez tükörország !
BelBelééppéés a kirs a kiráális vegylis vegyüületletekek vilviláággáába ba
4242 Mindennapi KMindennapi Kéémiamia2009. 11. 24.2009. 11. 24.
KirKiráális vegylis vegyüületek letek –– éélettani hatlettani hatáásoksok
How would you like to live in Looking-glass House, Kitty? I wonder if they'd give you milk, there? Perhaps LookingPerhaps Looking--glass milk glass milk isn't good to drink...isn't good to drink...
A DNS, az élet alapvetőinformációhordozója is monokirális
Az aminosavak, a fehérjék építő-kövei és a fehérjék szintén kirkiráálisaklisak
4343 Mindennapi KMindennapi Kéémiamia2009. 11. 24.2009. 11. 24.
(feromon/hatástalan)(mentol íz/íztelen)(narancs/citrom illat)(édes/keserű)
(R)-(+)-szulkatol(1R,3R,4S)-(-)-mentol(R)-(+)-limonénL,L-(-)-aszpartám
(nyugtató/teratogén)(hatásos/inaktív)(méreg/gyengébb)(anti-Parkinson/mellékh.)
(S)-(-)-talidomid(-)-atropin(S)-(-)-nikotinL-DOPA
HOOCNH2
O
NH
HO O
OH
OH
HO
HO COOH
NH2
N
N
H
N
O
H
O
OH N
O
ONH
H
O
O
Íz, aroma, illat
Gyógyszer, hatóanyag
EltEltéérrőő enantiomerek eltenantiomerek eltéérrőő biolbiolóógiai hatgiai hatáásasa
4444 Mindennapi KMindennapi Kéémiamia2009. 11. 24.2009. 11. 24.
LevLevééltetvektltetvektőől az oroszll az oroszláánignig
O
H
HO
(5S,8S,9R)-Nepetalactone
O
H
HOH
A nepetalactone több levéltetű szex-feromon komponense:
az egyik enantiomer hatásos A nepetalactone a házi
macskák és az oroszlán viselkedésére hat:
az egyik vagyvagy másik enantiomer hatásos, a racemracemáát nem hatt nem hat
Macskamenta (Nepeta cataria)
4545 Mindennapi KMindennapi Kéémiamia2009. 11. 24.2009. 11. 24.
Az enantiomerek megkAz enantiomerek megküüllöönbnbööztetztetéésese
királis ”szelektorszelektor”
királis ”szelektorszelektor”
preferált enantiomer
nem preferált enantiomer
Királis reagens, katalizátor vagy rezolválószer
Enzimek: királis biokatalizátorok
4646 Mindennapi KMindennapi Kéémiamia2009. 11. 24.2009. 11. 24.
KirKiráális kulcsvegylis kulcsvegyüület korszerlet korszerűű fejlesztfejlesztéési stratsi stratéégigiáájaja
Mikrobiológia:(klasszikus és rekombinánsegész sejtes technológiák)
Biokatalízis:(enzimatikus módszerek)
Homogén katalízis:(aszimmetrikus katalízis)
Heterogén katalízis:(aszimmetrikus katalízis)
Biokatalízis Kémiai katalízis
1. Technológia 2. Technológia 3. Technológia 4. Technológia
Gazdaságossági elemzés (a környezetvédelmi szempontokat is beleértve)
Kiválasztott + tartalék technológia ipari léptékû termelésre
Cél: egy adott enantiomer tiszta formájának elõállítása
Magas enantiomer tisztaságú termék
4747 Mindennapi KMindennapi Kéémiamia2009. 11. 24.2009. 11. 24.
Enantiomer szelektEnantiomer szelektíív hidrolv hidrolíízis zis (Taxol intermedier el(Taxol intermedier előőáállllííttáása)sa)
HNO
O
Oimm. lipáz
(Ps. cepacia)H2O
HNO
O
O HNO
OH+
(3R,4S)-Ac
> 96 % (az enantiomerre)> 99.5 %ee
Taxol
A Bristol-Myers cég által 150 l-es reaktorban, 1,2 kg/sarzs-nagyságban,rögzített (tehát többször felhasználható) enzim segítségével végrehajtottfolyamatában a nem hidrolizáló acetát enantiomer hűtés hatására kiválik, így könnyen kinyerhető.
4848 Mindennapi KMindennapi Kéémiamia2009. 11. 24.2009. 11. 24.
Enantiomer szelektEnantiomer szelektíív hidrolv hidrolíízis racemizzis racemizáácicióóval val (L(L--lizin ellizin előőáállllííttáása)sa)
Az enantiomer szelektív folyamatok gazdaságossága nagymértékben megnövel-hető, ha a racém elegyból az egyik enantiomer forma nem csupán kinyerhető, hanem a racemát teljes mennyisége a kívánt enantiomer formává alakítható.
HN
O
NH2
rac-AKL
(C. laurentii)H2O
L-lizin laktamáz
D-AKL
HN
O
NH2
AKL racemáz
(Achromobacter obae)
+ H2N COOH
NH2
L-lizin
> 99 % (a racemátra)> 99,5 %ee
A Toray Industries (Japán) 4000 t/év kapacitású tankreaktorokban egész sejtekfelhasználásával állít(ott) elő L-lizint. Az enantiomer szelektív hidrolízist a Cryptococcus laurentii sejtekben található L-lizin laktamáz enzim, míg az in situracemizációt az Achromobacter obae sejtekben meglévő α-amino-ε-kaprolaktám racemáz enzim végzi.
4949 Mindennapi KMindennapi Kéémiamia2009. 11. 24.2009. 11. 24.
ProkirProkiráális diol enantiotlis diol enantiotóóp szelektp szelektíív acilezv acilezéése se (fungicid intermedier el(fungicid intermedier előőáállllííttáása)sa)
F
F
OH
OH
F
F
O
OH
O
> 74 % (az enantiomerre)> 99 %ee
lipáz
(C. antarctica)O
O
F
FO
N
N
N
O
Xgombaölõszerek
A Schering-Plough (USA) cégnél a diolból Candida antarctica lipáz enzimeáltal katalizált reakció segítségével több kg-os léptékben állították elő a kívánt királis monoacetátot.
5050 Mindennapi KMindennapi Kéémiamia2009. 11. 24.2009. 11. 24.
Keton enantiotKeton enantiotóóp szelektp szelektíív reduktv reduktíív aminv amináálláása sa ((kofaktor enzimes regenerkofaktor enzimes regeneráálláása sa −− LL--terleucin)terleucin)
COOH
O
COOH
NH2
leucin deh idrogenáz
formiát deh idrogenáz
HCOOHCO2
NADH NAD+
L-terleucin
74 %>99 %ee+ NH3
- H2O
Az enzimek sok esetben külön hozzáadottkofaktorokat igényelhetnek a katalízis során. Ekkor komoly problémát jelenthet a kofaktorokfolyamatos, hatékony regenerálása, mivel e nélkül az igen drága kofaktorokból sztöchio-metrikus mennyiségre lenne szükség.
A Degussa-Hüls AG (Németország) a rák- ésHIV-ellenes szerek szintézisében intermedier-ként felhasználható L-terleucin tonnás lépték-ben történő előállítása során használt felL-leucin dehidrogenáz/formiát dehidrogenázenzimeket az enantiotóp szelektív reduktívaminálás/NADH regenerálás megvalósítására
5151 Mindennapi KMindennapi Kéémiamia2009. 11. 24.2009. 11. 24.
KKÖÖSZSZÖÖNNÖÖM M FIGYELMFIGYELMÜÜKETKET