The influence of temperature on enzyme selectivity in organic media

Abstract

The influence of different reaction parameters on enzyme selectivity was investigated. The reaction conditions studied were solvent dependence, water activity and reaction temperature. The improved selectivity was observed as higher synthetic yields in a-chymotrypsin and subtilisin catalyzed peptide synthesis respectively, and as higher enantioselectivity in the asymmetric reduction of ketones catalyzed by alcohol dehydrogenase from Thermoanaerobium brockii (TBADH).



The synthetic yield in the a-chymotrypsin catalyzed peptide synthesis increased from 84 to 99% when the temperature was decreased from 25 to -20¡C. A decrease in temperature was shown to favour the nucleophile in the competition with water for the acyl-enzyme and as substrate the ester was favoured in the competition with the peptide product. This temperature effect was partly explained by the variation in temperature dependent solvation of water and the nucleophile. The relative decrease of the nucleophile solubility was greater (2.4-fold) than for water, and therefore the ratio of activities can be expected to increase. This will favour synthesis. This effect seems to be general, since similar results were observed for nucleophiles containing either a single amino acid or dipeptides and for reactions performed in different organic solvents.



The reaction temperature affect the enantioselectivity, and an increase as well as a decrease of with decreasing temperature has been found. The enantioselectivity is greatly affected by changing the water activity of the reaction medium. It increased until it reached a plateau value at aw 0.84 and decreased slightly with increasing water content above the saturation limit. This effect of water activity seems to be an effect of differences in activation entropy rather than differences in activation enthalpy. However, the enantioselectivity was almost unaffected when the reaction medium was changed from hexane to pure water. This was shown for reduction of five different ketones catalyzed by TBADH.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Människan har under mycket lång tid använt enzymer vid tillverkning av livsmedel, bland annat vid syrning av mjölk, jäsning av bröd och bryggning av öl och vin. Man använde sig då av hela levande organismer och först på slutet av 1800-talet kunde den aktiva substansen isoleras. Dessa aktiva substanser fick samlingsnamnet enzym, vilket kommer från grekiska och betyder "i jäst". Enzymer fungerar som katalysatorer i celler och kan påskynda kemiska reaktioner flera tusen gånger. Den mängd olika kemiska reaktioner som sker kontinuerligt i cellen hade inte kunnat ske utan enzymer. Då varje reaktion katalyseras av ett specifikt enzym, är antalet av dem stort i cellen. Matspjälkningssystemet i kroppen är ett exempel på ett system med många olika enzymer inblandade. Exempel på enzymer som ingår i detta system är lipaser, peptidaser och glykosidaser som bryter ner fett, proteiner respektive kolhydrater. Intresset för praktiska tillämpningar idag är relativt utbrett eftersom man kunnat isolera och använda enzymmolekyler utanför cellen. De stora industriella tillämpningarna finns inom läder- och textilprocesserna, tvättmedels- och pappersindustrin och vid tillverkning av läkemedel och livsmedel.



Vid livsmedel- och läkemedelstillverkning ställs mycket höga krav på de substanser som ska produceras och att där använda enzymer som katalysatorer har många fördelar framför de traditionella metoderna. Enzymer är mycket specifika. De katalyserar endast en typ av reaktion, vilket leder till att färre biprodukter bildas och att mindre sidoreaktioner sker. Enzymkatalyserade reaktioner kan utföras under milda betingelser, eftersom enzymer är som mest aktiva vid fysiologiska temperaturer. Den kanske främsta fördelen med enzymer är att de har förmågan att skilja på kirala substanser. Att en substans är kiral betyder att den har en spegelbild, dvs två molekyler har samma ingående atomer men de sitter fördelade på olika sätt i molekylen (jämför dina händer). Denna skillnad har stor inverkan på den biologiska aktiviteten hos substansen och en hög optisk renhet är av mycket stor vikt inom tex. läkemedelstillverkningen.



Användandet av enzymer har många fördelar men naturligtvis finns det också nackdelar. Enzymer är mycket känsliga för betingelser som kan förändra eller skada deras struktur, tex. höga temperaturer, olämpligt pH och olika inaktiverande substanser. De är också i dagens läge relativt dyra, svårtillgängliga och svåra att hantera. Undantaget är de enzymer som tillverkas i stor skala, tex enzymer inom tvättmedelsindustrin där de utgör en vanlig tillsatskemikalie.



Inom den moderna enzymteknologin arbetar man intensivt med olika metoder för att förbättra enzymers motståndskraft gentemot olika yttre faktorer samt med att utöka användningsområdet. De möjligheter som finns är att antingen förändra själva enzymet genom någon typ av mutation eller att ändra reaktionsbetingelserna för enzymet. Mitt arbete handlar främst om att undersöka hur olika reaktionsbetingelser påverkar enzymers selektivitet. En hög selektivitet är av yttersta vikt inom organisk syntes. Om denna går att påverka genom att förändra den miljö enzymet finns i, öppnas nya möjligheter och användningsområden. Mitt arbete omfattar studier av två olika enzymer, proteaser och alkoholdehydrogenaser. Proteaser katalyserar både nedbrytning (hydrolys) och uppbyggnad (syntes) av peptider och det är av stort intresse att försöka undertrycka den hydrolytiska reaktionen., Man skulle därmed få ett högt utbyte av den önskade peptiden. Ett högt utbyte av peptiden kan erhållas genom att använda ett annat reaktionsmedium än vatten, ett organiskt lösningsmedel. Exempel på användbara lösningsmedel är acetonitril, aceton eller etylacetat. Om vatteninnehållet i mediet är lågt gör detta att hydrolytiska reaktionen undertrycks och syntesen blir den dominerande reaktionsvägen. Utbytet av peptiden ökar också då man sänker temperaturen. Vid reaktioner i organiska lösningsmedel är det möjligt att sänka temperaturen till långt under noll utan att det bildas is, och ett optimalt utbyte kan erhållas vid så låga temperaturer som -20¡C.



Alkoholdehydrogenaser katalyserar reduktioner av ketoner till kirala alkoholer, och här är det den optiska renheten hos produkten som är av största betydelse. De faktorer som främst har studerats är hur enzymets förmåga att skilja två kirala substanser (selektivitet) påverkas av olika reaktionmedier och av olika temperaturer. Den optiska renheten för de bildade alkoholerna visades vara högst i organiska lösningsmedel som var mättade med vatten. Temperaturens inverkan var något mera komplicerad. Beroende på vilket substrat som användes ökade eller minskade renheten när temperaturen sänktes.



Förhoppningen är att mina resultat ska kunna appliceras på andra enzymsystem och i framtiden vara en hjälp till att optimera reaktionsbetingelserna för olika reaktioner. Studier av den här typen är viktiga för att öka förståelsen för hur enzymer fungerar och därmed kan man också hitta nya tillämpningsområden för dessa mycket unika biologiska katalysatorer.

• author: Jönsson, Åsa
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Clapés, Pere, PhD, Unit for Peptide Chemistry and Biochemistry, Barcelona, Spain
• organization: Biotechnology
• publishing date: 1998
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Industrial Biotechnology
• keywords: water activity, sub-zero temperatures, enantioselectivity, peptide yields, asymmetric reductions of ketones, peptide synthesis, ADH from Thermoanaerobium brockii, subtilisin, Enzyme catalysis, a-chymotrypsin, organic solvent, aqueous media, Biotechnology, Bioteknik
• pages: 118 pages
• defense location: Center for Chemistry and Chemical Engineering, Lecture hall C, Sölvegatan 39, Lund, Sweden
• defense date: 1998-02-06 10:15:00
• external identifiers: other:ISRN: LUTKDH/TKBT--98/1036--SE
• ISBN: 91-628-2843-6
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 10695911-a2de-4b70-8205-62109d7501cb (old id 38377)
• date added to LUP: 2016-04-04 10:46:25
• date last changed: 2018-11-21 21:00:41