Биокатализ

Биореактор (ферментер) в лабораторном масштабе

Поскольку биокатализ - это реализация и ускорение или управление химическими реакциями ( катализ ), обозначенные в ферментах в качестве биологических катализаторов . Ферменты полностью или преимущественно состоят из одного или нескольких белков, а иногда также из кофактора . Большинство биохимических реакций у живых существ катализируются определенными ферментами.

В технических применениях в начале биокатализа ( биотехнология ) являются ферменты , либо изолированы , или в живой клетке к катализу от химических реакций , используемых. Это молодая область на стыке биотехнологии и химии .

Термины биоконверсия и биотрансформация иногда используются как синонимы термина биокатализ . Иногда, однако, также проводится различие между биокатализом как общим термином для всех биохимических реакций, катализируемых ферментами, в то время как два других термина используются для реакций, катализируемых ферментами, в технических приложениях (биотехнология).

история

Бродильные чаны для виноделия

При пивоварении , один из примеров биокатализа, один из старейших известных химических процессов человечества. Биокаталитические процессы с использованием бактерий , дрожжей или грибов были известны на протяжении веков , особенно при производстве вина, пива, сыра и других продуктов питания. Биокаталитические процессы также давно используются в фармацевтической промышленности .

Отчасти речь идет о проведении в противном случае невозможных реакций, а отчасти о замене уже существующих синтезов токсичными реагентами и растворителями. В интересах устойчивости их заменяют более мягкими методами, поскольку биокатализаторы часто работают в воде и при температуре от 20 до 40 ° C.

Примеры экономически важных биокаталитических процессов являются производство витамина С , то аспартам -производство, осахаривание крахмала к сиропа глюкозы и антибиотики -Производство путем ферментативного расщепления пенициллина G .

Преимущества биокатализа

Биореактор для бактериального производства вакцин

Преимущества биокатализа для органического синтеза заключаются в первую очередь в селективности, которая является предпосылкой для достижения высокого выхода. Ферменты обладают преимуществами в отношении хемоселективности , региоселективности , диастереоселективности и энантиоселективности .

Ферменты часто реагируют в мягких условиях, так что только одна функциональная группа реагирует в данных условиях реакции. Это также означает, что продукты биокаталитических процессов часто более чистые, а отделение побочных продуктов менее проблематично.

Благодаря сложной структуре ферментов они часто катализируют регио- и диастереоселективные реакции. Хиральность фермента, который часто присутствует, может быть передана прохиральному субстрату для получения энантиомерно чистых компонентов в различных реакциях . Эти компоненты особенно популярны в качестве хиральных строительных блоков при производстве фармацевтических препаратов и активных ингредиентов в агрохимикатах.

Мягкие условия реакции, использование воды в качестве растворителя во многих реакциях и способность к биологическому разложению являются причинами для интенсивных исследований в области биокатализа.

Направленная эволюция и рациональный дизайн белков - успешные методы улучшения ферментов для биокатализа .

Асимметричный биокатализ

В асимметричном биокатализе можно выделить два основных метода; с одной стороны, кинетическое разрешение и биокаталитический асимметричный синтез.

В кинетическом разрешении рацемат превращается с помощью ферментов. Из-за хиральности ферментов один энантиомер в рацемической смеси быстрее реагирует с биокатализом на целевой продукт, а другой не реагирует.

Биокаталитический асимметричный синтез - это реакция, в которой прохиральный компонент энантиоселективно превращается в хиральный, например, при энантиоселективном восстановлении кетонов дрожжами.

литература

  • А. С. Боммариус и Б. Р. Рибель: Биокатализ - основы и приложения . Wiley-VCH, Weinheim 2004, ISBN 978-3527-30344-1
  • Гарабед Антраникян : Прикладная микробиология , 1-е издание, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2006, ISBN 3-540-24083-7
  • Г.Е. Жеромин и М. Бертау: Биоорганикум - практический курс по биокатализу . Wiley-VCH, Weinheim 2005, ISBN 3-527-31245-5

веб ссылки

Индивидуальные доказательства

  1. ^ T. Anthonsen: Реакции, катализируемые ферментами . В P. Adlercreutz. П. и AJJ Straathof (ред.): Прикладной биокатализ , 2-е издание, Harwood Academic Publishers, 1999, стр. 18-53.
  2. ^ К. Фабер: Биотрансформации в органической химии , 4-е издание, Springer-Verlag Berlin 2000.
  3. ↑ Jayasinghe LY, Smallridge AJ и Trewhella MA: восстановление этилацетоацетата в петролейном эфире, опосредованное дрожжами . В кн . : Буквы тетраэдра . 34, № 24, 1993, стр 3949.. DOI : 10.1016 / S0040-4039 (00) 79272-0 .
  4. ↑ Манфред Т. Ритц : Биокатализ в органической химии и биотехнологии: прошлое, настоящее и будущее , J. Am. Chem. Soc. 135 (2013) стр. 12480-12496.