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Marek Bryjak  

Część II 

Zakład Materiałów Polimerowych i Węglowych 

Bud. H6, pokój 105 

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Procesy enzymatyczne 

Procesy mikrobiologiczne 

Procesy polimeryzacji  

Procesy separacyjne (membranowe) 

Procesy przygotowania surowców 

Procesy wydzielania produktu/ów 

Biotechnologia 

Inż. chemiczna 

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Procesy biotechnologiczne 

Procesy enzymatyczne 

  

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Co to jest enzym? 

•  

Białko  

 

(Struktura 3 i 4 

rzędowa)  
 

•  Katalizator 

(przyspiesza 

reakcje)  

 

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Induced Fit 

• A change in the 

shape

 of an 

enzyme’s active 

site 

• Induced 

by the 

substrate 

 

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Stickase 

Substrate 

If enzyme just binds substrate  
then there will be no further reaction 

Transition state 

Product 

Enzyme not only recognizes substrate,  
but also induces the formation of transition state 

Adapted from Nelson & Cox (2000) Lehninger Principles of Biochemistry (3e) p.252 

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The Nature of Enzyme Catalysis 

Catalytic surface 

Juang RH (2004) BCbasics 

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Enzyme Stabilizes Transition State  

ES 

ES

EP 

S

Reaction direction 

Energy   

Ener

gy 
req
uired 

(n

cat
al

ysi
s)

 

Ener

gy 
decr

eases 

(u

nd
er

 cat
al

ysi
s)

 

T = Transition state 

Adapted from Alberts et al (2002) Molecular Biology of the Cell (4e) p.166 

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Active Site Is a Deep Buried Pocket 

It is a magic pocket 

(1) Stabilizes transition 
(2) Expels water 
(3) Reactive groups 
(4) Coenzyme helps 

(2) 

(3) 

(4) 

(1) 

CoE 

Juang RH (2004) BCbasics 

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Enzyme Active Site Is Deeper than Binding Site 

Adapted from Nelson & Cox (2000) Lehninger Principles of Biochemistry (3e) p.252 

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Acid-Base Catalysis 

Induced to transition state 

=

 

-

+

=

 

=

 

=

 

Slow 

Fast 

Fast 

Very Fast 

Acid-base 

Catalysis 

Base 

catalysis

   

Acid 

catalysis

   

Both 

Specific 

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Concerted Mechanism of Catalysis 

O

 

+

  

COO

 

(270) 

Glu

 

(248) 

Tyr

 

O

 

His 

(196)

 

His (69)

 

Glu 

(72)

 

+

Arg (145)

 

Carboxypeptidase A 

C-terminus 

ACTIVE 

SITE 

Check for 

C-terminal 

Site for 
specificity 

Active 

site  

pocket 

Substrate 

peptide  

chain 

COO

 

O

 

Zn 

Ju

a

n

g

 RH

 (20

0

4

B

Cba

sics

 

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O

            

N

–C–C–

N

–C–C

   

N

–C–C

–N–C–C 

    

                  

 

R       

 

H

  

 

R’ 

Chymotrypsin Has A Site for Specificity 

O

 

Ser 

Active Site 

Specificity 

Site 

Catalytic Site 

Juang RH (2004) BCbasics 

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Specificity of Ser-Protease Family 

COO


Asp 

Active Site 

Trypsin 

Chymotrypsin 

Elastase 

cut at Lys, Arg 

cut at Trp, Phe, Tyr 

cut at Ala, Gly 

Non-polar 

pocket 

De

ep 

and 

nega

tiv

ely

 

ch

ar

ged 

poc

ke

Shallow and 

non-polar 

pocket 

  O           O 
–C–

N

–C–C

N

–  

           

 

           

 

           

 

           

 

           

 

NH

  O           O 
–C–

N

–C–C

N

–  

           

 

  O           O 
–C–

N

–C–C

N

–  

           

 

CH

Ju

a

n

g

 RH

 (20

0

4

B

Cba

sics

 

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Invertase (IT) 

IT 

Sucrose 

Non-reducing sugar 

Reducing  

sugars 

Glucose 

Fructose 

Reducing Power 

HOCH

OH 

HOCH

OH 

HOCH

HOCH

OH 

H

2

HOCH

HOCH

HO 

HOCH

HOCH

HOCH

      

 

CHO 

         

   H-C-OH 

         

HO-C-H 

         

   H-C-OH 

         

   H-C-

OH 

         

 

 

H

2

-C-OH 

 

  H

2

C-OH

  

         

     

 

 

 

C=O 

         

HO-C-H 

         

   H-C-OH 

         

   H-C-

OH 

         

 

 

H

2

-C-OH 

Ju

a

n

g

 RH

 (20

0

4

B

Cba

sics

 

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 Increa

se 
Sub

strate 

Concen

trat

ion
  

0            2             

 

4            

 

6            8 

Substrate (

m

mole) 

Prod

uc

80 

 

 

60 

 

 

40 

 

 

20 

 
 

↓ 

(in a 

fixed 

period

 of 

time)

 

Juang RH (2004) BCbasics 

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Essential of Enzyme Kinetics 

Steady State Theory 

In steady state, the production and consumption of 
the transition state proceed at the same rate. So the  
concentration of transition state keeps a constant. 

Juang RH (2004) BCbasics 

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Constant ES Concentration at Steady State 

ES 

Reaction Time 

Conc

en
tra
tio
n

 

Juang RH (2004) BCbasics 

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v = 

V

max 

[S] 

K

m 

+

 

[S] 

(

v

E + S      

ES

      E + P 

k

k

k

For [substrate] low, 

k

3

 = 

k

cat

 

  

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Problem: Adsorption on solid surfaces has to be avoided! 

M. Santore et al., Langmuir 200218 (3), 706. 

Adsorption on solid surface 

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Czynniki wiążące  

Gr funk nośnika         Gr funk białka         

Czynniki wiążący 

-COOH 

 

-NH

2

 

 

karbodiimid 

-COOH 

 

- -COOH   

izocyjanki 

-COOH 

 

-CH

2

, -SH  

azydek 

-OH   

 

NH

2

 

 

bromocyjan 

-NH

2

   

 

-NH

2

 

 

aldehyd glutarowy 

-NH

2   

 

-COOH   

karbodimid 

-NH

2   

 

-COOH   

izocyjanki 

-NH

 

 

--NH

 

triazol 

Grupy oksiranowe 

-NH

2

, -OH 

-OH   

 

- -NH

2

 , -OH 

diwinylosulfon 

 

-OH   

 

NH

 

hydrazyna 

 

-OH   

 

NH

 

 

karbodiimid 

 

-OH   

 

NH

2

 

 

nadjodan sodu 

 

 

 

 

 

 

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Aktywność immobilizowanego enzymu 

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a

0

20

40

60

80

100

0

3

6

9

pH

a

kt

y

w

n

o

ść

Aktywność enzymu immobilizowanego 

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Przykład 

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 Immobilization of proteins on colloidal carriers 

„bionanoparticles“ 

Colloidal particles  
• provide large surfaces 
• large amount of immobilized 

  biomolecules 

Enzymes can be used 

as catalysts for 

technical applications 

substrate 

bound 

enzymes 

product 

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PS

R

L

CH

CH2

COO-

CH

CH2

SO

3

-

• 

Long charged polyelectrolytes attached to colloidal particles 

weak 

polyelectrolyte 

strong 

polyelectrolyte 

Can be used as 

carrier particles 

for proteins 

Spherical Polyelectrolyte Brush (SPB)  

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Confinement of counterions inside brush layer 

PS 

CH 

CH 2 

SO 

Confined counterions 
• high osmotic pressure inside brush 
• chains strongly stretched 

 Properties of the particles determined 

    by the confinement of the counterions

  

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PS

R

L

CH

CH2

COO-

CH

CH2

SO

3

-

 

 
 
 
 

negatively charged 

negatively charged 

carrier 

protein 

Adsorption on the 

„wrong side“: pH > pI 

Double trouble:   Electrostatic repulsion + steric  

 

 

 

repulsion 

? ? 

Protein adsorption on Spherical Polyelectrolyte Brushes ? 

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Protein adsorption: Experimental procedure  

Wittemann et al., Phys. Chem. Chem. Phys. 20035, 1671. 

 UF 

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low ionic strength 

high ionic strength

 

Wittemann et al.J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 9688. 

Cryogenic transmission electron microscopy (Cryo-TEM) 

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Localisation of adsorbed protein cont‘d 

Ribonuclease A 

Bovine hemoglobin 

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Activity of 

enzyme preserved 

 

 

S

K

S

v

v

M

max

0

Activity of bound glucoamylase: Michaelis-Menten analysis  

Neumann et al., Macromol. Biosci. 20044, 13; Haupt et al., Biomacromolecules 20056, 948.  

-1/K

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PS 

  „Nanoplant“ 

Cascade reactions: 

Possible system: 

-Amylase:

  

starch 

 maltose 

b

-Glucosidase: 

maltose 

 glucose 

Glucose Oxidase: 

glucose 

 H

2

O

2

 

enzyme A 

enzyme B 

end product 

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PS

R

L

CH

CH2

COO-

CH

CH2

SO

3

-

 

 

 

 

 

protein 

„Nanoreactor“ 

Carrier 

particles 

for 

proteins 

Confined counterions 

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Antibiotics 

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