background image

ENZYMOLOGIA – Biotransformacja – enzymatyczna separacja aminokwasów na enancjomery 

Wydział Chemiczny Politechniki Gdańskiej 

Katedra Technologii Leków i Biochemii 

 

 Biotransformacja – enzymatyczna separacja aminokwasów na 

enancjomery 

 
Wstęp 

Enzymy jako odczynniki chemiczne są szczególnie przydatne w syntezach połączeń o 

zdefiniowanej budowie przestrzennej, w procesach rozdziału racematów czy syntezie 
peptydów. 
 
Biotransformacje aminokwasów – rozdział racematów 

Selektywne otrzymywanie czystych optycznie form (enancjomerów) aminokwasów 

możliwe jest w wyniku enzymatycznej ich syntezy z prochiralnych substratów lub 
enzymatycznego rozdzielenia racemicznych mieszanin ich pochodnych. Do rozdziału 
racemicznych mieszanin najczęściej stosuje się katalizowane przez esterazy reakcje hydrolizy 
estrów aminokwasów, selektywną hydrolizę N-acylowanych pochodnych aminokwasów za 
pomocą acylaz lub katalizowane przez amidazy reakcje hydrolizy amidów aminokwasów 
(Rys. 1). 

 

Rys. 1 Rozdział racemicznych mieszanin pochodnych aminokwasów za pomocą 

enzymów hydrolitycznych. 

 
Wszystkie wymienione enzymy są  ściśle stereospecyficzne i katalizują reakcje hydrolizy 
substratów o konfiguracji 

L

, podczas gdy izomer 

D

 substratu nie ulega reakcji. 

 

background image

ENZYMOLOGIA – Biotransformacja – enzymatyczna separacja aminokwasów na enancjomery 

Zastosowanie enzymów do rozdziału racemicznych mieszanin aminokwasów jest 

znane od roku 1906, kiedy to Warburg uzyskał z 85% wydajnością 

L

-leucynę z mieszaniny 

racemicznej jej estru propylowego poddanej działaniu ekstraktu z trzustki – tak zwanej 
pankreatyny. Reakcja ta stanowi pierwszy przykład biotransformacji (Rys. 2). 

 

 

Rys. 2 Rozdział racemicznej mieszaniny estru propylowego leucyny za pomocą 

pankreatyny 

 
Enzymatyczna synteza wiązania peptydowego 
 

W warunkach fizjologicznych enzymy proteolityczne katalizują hydrolizę wiązania 

peptydowego, ale zdolne są również katalizować reakcję odwrotną, to jest reakcję syntezy 
tego wiązania. Synteza zachodzi wówczas stereoselektywnie i nie jest wymagane blokowanie 
funkcyjnych grup bocznych aminokwasów.  
W enzymatycznej syntezie peptydów stosuje się proteinazy (endopeptydazy), egzopeptydazy, 
które katalizują sekwencyjną hydrolizę końcowych reszt aminokwasowych nie są tu używane 
(wyjątek – karboksypeptydaza Y) (Rys. 3). 
 

 

 

Rys. 3 Enzymy wykorzystywane w reakcjach syntezy peptydów 

 

background image

ENZYMOLOGIA – Biotransformacja – enzymatyczna separacja aminokwasów na enancjomery 

Enzymatycznej syntezy wiązania peptydowego można dokonać na dwa sposoby: w procesie 
kontrolowanym równowagą reakcji i w procesie kontrolowanym kinetycznie. Ponieważ 
synteza wiązania peptydowego zachodzi jako reakcja odwrotna do reakcji hydrolizy, należy 
dążyć do przesunięcia równowagi tej reakcji. Do kontroli równowagi reakcji stosuje się 
natychmiastowe usuwanie produktu ze środowiska, w którym zachodzi proces katalizy 
enzymatycznej, bądź przez zastosowanie układu dwufazowego (ekstrakcja produktu do fazy 
organicznej), bądź też precypitację powstałego produktu. W przypadku procesu 
kontrolowanego kinetycznie czynnikiem decydującym o przebiegu reakcji jest szybkość 
tworzenia jej produktów. 
 
Zastosowanie lipaz w syntezie organicznej 
 Lipazy 

mogą katalizować konwersję wielu substratów i to zarówno w wodnym, jak i 

apolarnym  środowisku. W środowisku organicznym enzymy te katalizują reakcje 
przeniesienia grup arylowych z odpowiednich donorów na akceptory inne niż woda. W 
zależności od typu donora i akceptora są to reakcje, estryfikacji, transestryfikacji, 
aminowania, syntezy peptydów czy też reakcje tworzenia monocyklicznych laktonów. 
Przykładem enancjoselektywnej estryfikacji racemicznych kwasów jest estryfikacja kwasu 2-
bromoheksanowego n-butanolem, katalizowana przez lipazę z Candida cylindracea (Rys. 4). 
 

 

Rys. 4 Enancjoselektywna estryfikacja kwasu 2-bromoheksanowego n-butanolem, 

katalizowana przez lipazę z Candida cylindracea 

 
Reakcje enzymatycznego utleniania i redukcji 
 

Procesy utleniania i redukcji to jedne z najważniejszych reakcji jednostkowych w 

chemii organicznej. W wielu przypadkach powinny one zachodzić w jak najdelikatniejszych 
warunkach i dlatego próby użycia oksydoreduktaz w syntezie organicznej budzą duże 
zainteresowanie. Zastosowanie znalazło już kilka enzymów z tej grupy m.in. oksydazy 
aminokwasów i dehydrogenazy alkoholowe. 
Oksydazy aminokwasów katalizują enancjoselektywne reakcje utleniania aminokwasów, w 
wyniku czego powstają 

α-ketonokwasy. Służą one zatem do otrzymywania jednego z 

enancjomerów aminokwasu z jego mieszaniny racemicznej. Drugi enancjomer zostaje 
enzymatycznie utleniony, a więc jest niszczony w procesie rozdziału racematu.  
Dehydrogenaza alkoholowa z wątroby końskiej używana jest jako odczynnik redukujący 
ketony do drugorzędowych alkoholi lub jako katalizator reakcji utleniania alkoholi do 
ketonów.  
 
Wykonanie ćwiczenia 

Celem  ćwiczenia jest enzymatyczny rozdział racematu – chlorowodorku estru 

metylowego 

D

,

L

 – fenyloalaniny przy użyciu 

α – chymotrypsyny i izolacja 

L

 – fenyloalaniny. 

α – Chymotrypsyna hydrolizuje wiązanie peptydowe po karboksylowej stronie aminokwasów 
aromatycznych. Jest ona również zdolna hydrolizować estry tych aminokwasów, zarówno 
naturalnych (fenyloalanina, tyrozyna czy tryptofan), jak i nienaturalnych (chloro- i 

 

background image

ENZYMOLOGIA – Biotransformacja – enzymatyczna separacja aminokwasów na enancjomery 

fluorofenyloalanina). Hydroliza jest enancjoselektywna, czyli ulega jej tylko ester o 
konfiguracji 

L

.  

 
Materiały i sprzęt 
Chlorowodorek estru metylowego 

D

,

L

 – fenyloalaniny 

α – chymotrypsyna 
0.4 M LiOH 
etanol 
wyparka obrotowa 
polarymetr 
 
Przebieg ćwiczenia obejmuje następujące etapy: 

•  Enzymatyczna reakcja hydrolizy chlorowodorku 

L

 – fenyloalainianu metylu w 

roztworze racemicznej mieszaniny chlorowodorku 

D

,

L

 – fenyloalainianu metylu za 

pomocą 

α – chymotrypsyny 

•  Izolacja 

L

 - fenyloalaniny 

•  Zbadanie czystości związku poprzez oznaczenie jego skręcalności właściwej 

 
500 mg racemicznej mieszaniny chlorowodorku estru metylowego fenyloalaniny rozpuścić w 
3 ml wody destylowanej i doprowadzić przy pomocy roztworu LiOH do pH 5. Do 
otrzymanego roztworu dodać 20 mg 

α – chymotrypsyny rozpuszczonej w 1ml wody. W 

trakcie reakcji obserwuje się szybki spadek pH, wobec czego trzeba je utrzymywać blisko 
wartości pH 5, dodając kroplami roztwór LiOH. Po ostatecznym ustaleniu się pH reakcję 
prowadzić jeszcze przez 10 - 20 min. Mieszaninę poreakcyjną zagęścić na wyparce obrotowej 
do momentu, aż roztwór stanie się mętny. Następnie mieszaninę schłodzić w łaźni lodowej. 
Kryształy 

L

 – fenyloalaniny odsączyć, przemyć zimnym etanolem i suszyć na powietrzu. 

Czystość związku zbadać oznaczając jego skręcalność właściwą.  
 
Opracowanie wyników 
Uzyskane wyniki porównać z danymi literaturowymi dotyczącymi skręcalności właściwej 

L

 – 

fenyloalaniny. Na tej podstawie oszacować czystość otrzymanego związku. 
Metodę można zastosować w procesie przemysłowym, jednakże proces ten musi być 
zmodyfikowany w taki sposób, aby zapewnić jego opłacalność. Zauważ,  że w reakcji 
prowadzonej tak jak podczas ćwiczenia jedynie 50% substratu zostaje przekształcona w 
produkt. Zaproponuj sposób postępowania, który umożliwia lepsze wykorzystanie substratu 
(WSKAZÓWKA: dodatkowy etap lub etapy).