hydroliza_enzymatyczna skrobi.pdf

1 Enzymatyczna hydroliza skrobi

1.1 Podstawy katalizy

Reakcje chemiczne charakteryzuj¡ si¦ ró»nymi szybko±ciami (stałymi szybko±ci) a co za tym

idzie ró»n¡ dynamik¡ procesu. Warto±¢ stałej szybko±ci reakcji chemicznej zale»y mi¦dzy

innymi od st¦»enia substratów i temperatury. W wielu przypadkach procesów zarówno o

znaczeniu technicznym jak i laboratoryjnym, nie istnieje praktyczna mo»liwo±¢ zwi¦kszania

dynamiki reakcji poprzez zwi¦kszenie temperatury (ze wzgl¦du na np. degradacj¦ substra-

tów/produktów). Procesy chemiczne mog¡ równie» charakteryzowa¢ si¦ niewielk¡ warto±ci¡

stałej równowagi (procesy odwracalne), wysok¡ energi¡ aktywacji i wieloma innymi, nieko-

rzystnymi z punktu widzenia efektywno±ci procesu, parametrami. W przypadkach takich, roz-

wi¡zaniem problemu zwi¦kszenia wydajno±ci i selektywno±ci reakcji oraz skrócenia jej czasu

jest zastosowanie katalizatora.

Jak wiadomo z termodynamiki procesy chemiczne b¦d¡ przebiega¢ samorzutnie tylko

wtedy, gdy zmiana energii swobodnej reakcji¢G (¢G = G 2 0 - G 1 0 ; G 2 0 - energia swobodna

produktów, G 1 0 - energia swobodna substratów) b¦dzie mniejsza od zera. Za zmiany energii

swobodnej zgodnie z Równaniem 1

¢ G =¢ H−T ¢ S (1)

odpowiada b¡d¹ to zmiana entalpii procesu (¢H) b¡d¹ te» zmiana uporz¡dkowania układu

(zmiana entropii,¢S).

Dodatkowo jednym z najistotniejszych czynników limituj¡cych przebieg reakcji jest wyso-

ko±¢ bariery aktywacji (energii aktywacji) zgodnie z równaniem Arrheniusa (Równanie 2).

k = A·e − E a

(2)

gdzie:

• k - stała szybko±ci reakcji,

• A - tzw. współczynnik przedekspotencjalny,

• R - stała gazowa,

• E a - energia aktywacji,

• T - temperatura.

Zastosowanie wła±ciwego katalizatora umo»liwia zwi¦kszenie szybko±ci reakcji chemicznej i/lub

skierowanie jej na jedn¡ z kilku mo»liwych termodynamicznie dróg prowadz¡cych do ró»nych

produktów. Substancje b¦d¡ca katalizatorem, tworz¡c nietrwałe poł¡czenia przej±ciowe (kom-

pleksy przej±ciowe), nie s¡ ¹u»ywane”w reakcji i nie wyst¦puj¡ w jej równaniu stechiometrycz-

nym. Katalizator nie zmienia przy tym poło»enia równowagi chemicznej, wpływa jedynie na

szybko±¢ dochodzenia układu do tego stanu poprzez zmniejszenie energii aktywacji. Mecha-

nizm działania katalizatora polega na zast¡pieniu reakcji z równania 3

S 1 + S 2 = P (3)

Procesem:

S 1 + K = S 1 K (4)

S 1 K + S 2 = P + K (5)

Gdzie:

• S 1 ,S 2 - substraty

• P - produkt

• K - katalizator

• S 1 K - kompleks przej±ciowy

Je»eli dla reakcji (3) energia aktywacji wynosi E N to dla procesu katalizowanego wynosi ona

odpowiednio E k 1 (dla reakcji 4) i E k 2 (dla reakcji 5). Zmiany energii aktywacji procesu katali-

tycznego obrazuje Rysunek 1.

1.2 Enzymy

Specyﬁcznymi katalizatorami reakcji chemicznych s¡ enzymy, grupa białek działaj¡cych w

komórkach i płynach ustrojowych »ywych organizmów i bior¡cych udział w procesach syntezy

lub rozkładu istotnych z biochemicznego punktu widzenia substancji organicznych.

Enzymy rzadko zbudowane s¡ z samego białka (np. trypsyna). W znakomitej wi¦kszo±ci

składaj¡ si¦ one z cz¦±ci białkowej (tzw. apoenzym) oraz niebiałkowej, grup prostetycznych i

Rysunek 1: Przemiany energetyczne podczas zachodz¡ce podczas procesów chemicznych (S 1 –S 2 -

kompleks aktywny reakcji niekatalizowanej; S 1 –K, S 1 –K–S 2 - kompleksy aktywne poszczególnych

etapów reakcji katalizowanej.

koenzymów (małocz¡steczkowe zwi¡zki nieorganiczne, atomy metali). Niebiałkowe cz¦±ci en-

zymu pełni¡, w reakcjach enzymatycznych, funkcj¦ przeno±ników elektronów, okre±lonych ato-

mów lub ich ugrupowa« w trakcie katalizowanych procesów. Bior¡ one udział w cyklu reakcji

enzymatycznych: w pierwszej jego fazie umo»liwiaj¡ dysocjacj¦ okre±lonych wi¡za« substratu

oraz ich zwi¡zanie z enzymem. W fazie drugiej nast¦puje natomiast zwi¡zanie atomów pocho-

dz¡cych od substratu w produkt, oraz odtworzenie cz¦±ci niebiałkowej w pierwotnej postaci, po

czym proces si¦ powtarza. Poł¡czenie koenzymów z przenoszon¡ grup¡ funkcyjn¡¡ odznacza

si¦ du»¡ reaktywno±ci¡. Dzi¦ki cykliczno±ci procesu przenoszenia, koenzymy mog¡ wyst¦po-

wa¢ w »ywej komórce w ilo±ciach równowa»nych ilo±ciom enzymów, cho¢ reaguj¡ z substratami

stechiometrycznie. Trwało±¢ poł¡czenia apoenzymu w koenzymami jest ró»na; je±li koenzym

łatwo dysocjuje, reakcje przenoszenia grup chemicznych na koenzymy i z koenzymów katalizuje

układ zło»ony z 2 enzymów o wspólnym koenzymie; je±li koenzym jest zwi¡zany z enzymem

trwale, enzym ten katalizuje kolejno obie reakcje.

Cz¦±¢ białkowa odpowiada natomiast za konﬁguracj¦ przestrzenn¡ enzymu oraz za zmiany

hydrofobowo±ci centrum aktywnego. Budowa taka powoduje »e enzymy zawieraj¡ce t¡ sam¡

grup¦ prostetyczn¡ ale ró»ne cz¦±ci białkowe bed¡ katalizowa¢ ró»ne reakcje jednostkowe.

Zgodnie z równaniami 4 i 5 podstaw¡ reakcji enzymatycznej jest wytworzenie odwracalnego

kompleksu pomi¦dzy enzymem i substratem reakcji. Kompleks ten ulega nast¦pnie nieodwra-

calnej przemianie z odtworzeniem enzymu oraz wytworzeniem ﬁnalnego produktu. Tak jak w

przypadku wi¦kszo±ci katalizatorów st¦»enie enzymów w trakcie procesu jest znacz¡co mniej-

sze niz st¦»enie substratów. Wynika st¡d i» mo»na przyj¡¢, »e st¦»enie kompleksu S 1 K jest

stałe w czasie i zale»y tylko od st¦»enia enzymu.

Szybko±¢ reakcji enzymatycznej zale»na jest tak»e od wielu innych czynników (pH, tempe-

ratura, st¦»enie koenzymów itp.), w tym przede wszystkim od st¦»enia substratu. Zale»no±¢

szybko±ci procesu od tego st¦»enia opisuje równanie Michaelisa-Menten’a:

v = v max · [ S ]

K m +[ S ]

(6)

Gdzie:

• v - chwilowa szybko±¢ reakcji

• v max - maksymalna szybko±¢ reakcji

• [S] - st¦»enie substratu

• K m - stała Michaelisa-Menten’a

Stała Michaelisa-Menten’a jest to takie st¦»enie substratu (wyra»one w mol/dm 3 ), przy którym

szybko±¢ reakcji osi¡ga połow¦ szybko±ci maksymalnej.

Innym wska»nikiem aktywno±ci enzymu s¡ tzw. jednostki aktywno±ci na przykład tzw. jed-

nostka mi¦dzynarodowa (ilo±¢ enzymu, która zdolna jest wytworzy¢ 1 mmol produktu w temp.

30 ± C i w optymalnych dla enzymu pozostałych warunkach reakcyjnych), katal (aktywno±¢ en-

zymu zdolnego do przekształcenia 1mol substratu w czasie 1s w temp. 30 ± C i w optymalnych

dla enzymu pozostałych warunkach reakcyjnych lub tzw. ilo±¢ obrotów (liczba moli substratu

która mo»e przereagowa¢ w ci¡gu 1min z 1 molem centrum aktywnego enzymu w temp. 30 ± C

i w optymalnych dla enzymu pozostałych warunkach reakcyjnych).

Liczba znanych dotychczas enzymów znacznie przekracza 3000, st¡d te» wprowadzona jest

ich klasyﬁkacja (wprowadzona przez Komisj¦ Enzymow¡ IUB). Wszystkie enzymy podzielone

zostały na sze±¢ klas głównych (1. Oksyreduktazy, 2. Transferazy, 3. Hydrolazy, 4. Liazy, 5.

Izomerazy, 6. Ligazy.) W czteroliczbowej klasyﬁkacji enzymów kolejne liczby oznaczaj¡ klasy,

podklasy, podpodklasy oraz numer enzymu w podpodklasie.

1.3 Enzymy hydrolizuj¡ce skrobi¦

Oprócz celulozy skrobia jest głównym polisacharydem pochodzenia ro±linnego. Z przemysło-

wego punktu widzenia istotne znaczenie maj¡ przede wszystkim produkty jej hydrolizy umo»-

liwiaj¡ce produkcj¦ syropów glukozowych, dekstryn, cyklodekstryn, glukozy (krystalicznej i

zestalonej) i innych produktów wykorzystywanych głównie w przemy±le spo»ywczym. Stoso-

wana do niedawna kwasowa hydroliza skrobi wraz z post¦pem w dziedzinie biotechnologii coraz

cz¦±ciej ust¦puje miejsca procesom enzymatycznym. Enzymy stosowane do hydrolizy skrobi

podzieli¢ mo»na na 5 grup: endoamylazy, egzoamylazy, enzymy usuwaj¡ce rozgał¦zienia, izo-

merazy oraz glikozylotransferazy cyklodekstryn (Rysunek 1.3).

Rysunek 2: Najcz¦±ciej stosowane enzymy hydrolizuj¡ce skrobi¦

1.3.1 Endoamylazy

® -amylaza, 4-glukanohydrolaza- ® -1,4-glukanu - EC 3.2.1.1

Enzymy z tej grupy umo»liwiaj¡ hydroliz¦ wi¡za« ® -1,4-glikozydowych zarówno w amylozie

jak amylopektynie a nie s¡ aktywne w stosunku do wi¡za« ® -1,6- (np. w amylopektynie). Pro-

duktami hydrolizy w tym przypadku s¡ oligosacharydy posiadaj¡ce konﬁguracje ® przy w¦glu

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: