Metabolic Engineering und Naturstoffproduktion
Fragenkatalog und Antworten
Fragenkatalog und Antworten
Wie wird die Reaktion genannt mit deren Hilfe man aus cyclischen Ketonen Lactone synthetisieren kann? Zu welcher Enzymklasse und Untergruppe werden die Enzyme gerechnet die diese Reaktion katalysieren? Formulieren sie die Bildung des Pfirsicharomastoffes (S)-Delta-decalacton!
Die sog. Baeyer Villiger-Oxidation bildet aus monocyclischen Ketonen die dazugehörigen Lactone. Dies wird von der Baeyer-Villiger-Monooxygenase aus Pseudomonas putida katalysiert. Es dient O2 als Sauerstoffdonor und NADH2 reduziert das übrige O zu H2O.
Die Baeyer-Villiger Reaktion wandelt Ketone zu Estern um. Cyclische Ester werden Lactone gennant. Ein Anwenungsbeispiel ist die Herstellung von Fruchtaromastoffen in Acinetobacter sp. Die Reaktion kann zwar auch durch ein isoliertes Enzym aus Psedomonas putida erfolgen, dies erfordert aber ein NADH-Recycling weswegen sie bevorzug in Zellen katalsiert wird.
Enzym-Klasse: Oxidoreduktase
Enzym: Baeyer-Villiger-Monooxygenase
Definieren sie den Begriff „Prochiral“ Geben sie die exakte chemische Strukturformel von drei verschiedenen prochiralen Verbindungen an!
In der Stereochemie sind prochirale Moleküle solche, die in einem einzigen Schritt von achiral in chiral umgewandelt werden können.
Strukturformel?
Geben sie zwei Verfahren zur präparativen Trennung von D- und L-Milchsäure an und erläutern sie jeweils das Trennprinzip!
Umsetzung des racemischen Gemischs mit einem enantiomerenreinen Substrat zu Diastereomeren Salzen (D-L und L-L). Diese können durch Kristallisation oder Chromatographie getrennt werden, da sich die Eigenschaften von Diastereomeren unterscheiden. Mittels chiraler Phasen Chromatographie können auch Enantiomerengemische / Racemate gespalten werden.
Erläutern sie den vorgeschlagenen Reaktionsmechanismus (katalytische Triade) von Serinhydrolasen mit Strukturformeln am Beispiel der Hydrolyse von Hexylacetat. Die Angabe der reaktiven funktionellen Gruppen der Aminosäuren ist ausreichend.
1. Nukleophiler Angriff des Serins:
- His aktiviert Ser (H geht zum Histidin rüber)
- Negativ geladene Asp stabilisiert das positiv geladene His
- Ser greift an der C=O
- Der Bindung zum Sauerstoff klappt hoch und wird negativ geladen => "Tetraedisches Intermediat"
- Die Bindung von Sauerstoff klappt wieder runter und schmeißt Amin raus => "Acyl-Enzym Intermediat"
2. Angriff des Nukleophil aus dem LM:
Gleiche Schitte wie oben. Nur dieses Mal geht das Enzym ab. Anschließend Abgabe des Protons zurück an Ser und Regenerierung des Ausgangszustands.
Erläutern sie beispielhaft die Produktion von enantiomerenreinen R-Aminosäuren mit Hilfe einer Hydrolase, Lyase und Dehydrogenase. Zeichnen sie die allgemeine Struktur der Ausgangsstoffe (R=Rest) und geben sie die Bezeichnungen der katalysierten Reaktionen an!
Schlagen sie zwei unterschiedliche Verfahren zur Produktion von enantiomerenreinem Pantolacton vor, welches als synthetischer Vorläufer für die Pantothensäure dienen kann!
- Esterase-Mechanismus (durch gefriertrocknete Hefe)
- Mikrobielle Entracemerisierung (dabei wird ein Racemat zu einer prochiralen entracemerisiert und dann enantioselektiv zurück umgewandelt)
Erläutern sie die Struktur von ß-Cyclodextrin! Wofür wird es eingesetzt? Wie wird es hergestellt?
Octyl-ß-D-glucosid (hat auch in einem Altklausur stattdessen Hexylglukosid gefragt) wird häufig als Tensid verwendet. Schlagen sie zwei biotechnologische Herstellungsverfahren für dieses Tensid vor und beurteilen sie deren Vor- und Nachteile!
Glycoside, auch Glykoside, sind organische chemische Verbindungen der allgemeinen Struktur R–O–Z. Dabei ist ein Alkohol (R–OH) über eine glycosidische Bindung mit einem Zucker (Z) verbunden. Glycoside chemisch zu synthethisieren ist sehr schwierig. Biokatalytisch hingegegen geht es ziemlich einfach. Es gibt zwei Möglichkeiten:
- Durch Glykosyltransferasen: Glykosyltransferase überträgt ein aktiviertes UDP-Kohlenhydrat auf ein anderes Zuckermolekül/Alkohol, unter Abspaltung des UDP.
Nachteil: Die Schwierigkeit dabei ist die Herstellung des aktivierten UDP-Kohlenhydrats.
- Durch Rückreaktion der Glykosidase: Die Glykosidase hydrolisiert Glycosidische Bindungen. Man kann ihre Rückreaktion ausnutzen, um glycosidische Bindungen zu knüpfen.
Die Hinreaktion der Glykosidasen erfordert wie bei allen Hydrolasen Wasser als Co-Faktor. Für die Rückreaktion ist deswegen entsprechend ein wasserfreies Milieu und keine Cofaktoren noetig.
Methylketone sind wertbestimmende Aromastoffe des Blauschimmelkäses. Geben sie die exakten Strukturformeln von zwei wichtigen Methylketonen des Blauschimmelkäse-Aromas und deren direkte Vorläufermoleküle an. Aus welchem Zweig des Primärstoffwechsels entstammen diese Verbindungen?
Geben sie bei den folgenden Paaren von Verbindungen an ob es sich um Enantiomere oder Diastereomere handelt und begründen sie ihre Wahl!
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Enzyme werden aufgrund der von ihnen katalysierten Reaktion in sechs Klassen unterteilt. Welcher Klasse gehören die Enzyme an die zurzeit am häufigsten in der weißen Biotechnologie verwendet werden? Geben sie vier verschiedene typische Reaktionen an, die von Enzymen dieser Klasse katalysiert werden! Warum ist diese Klasse für die weiße Biotechnologie so wichtig?
Zu welcher Enzymklasse werden Proteine gerechnet, die die Bildung von Phosphatestern katalysieren? Für welche Zwecke werden diese Enzyme in biotechnologischen Prozessen eingesetzt? Geben sie zwei Beispiele mit den Bruttogleichungen der katalysierten Reaktionen an!
Citronensäure ist ein für die Lebensmittelindustrie wichtiger Naturstoff der biotechnologisch produziert wird. Zeichnen sie die Strukturformel von Citronensäure! Mit welchen transgenen Pilzstämmen wird die Säure hergestellt? Wie wird sie aus der Fermentationsbrühe isoliert?
Welches bifunktionales Reagenz wird für die chemische Quervernetzung von Enzymen verwendet? Wie werden die Produkte genannt? Was sind die Vorteile dieser Modifikation?
Cross-linking mit Glutaraldehyde, welche die Proteine über Lysin-Seitenketten quervernetzt. Es wird vernetzte Enzymkritalle gebildet, die Cross-linked Enzyme Crystals (CLECs) heißen.
Vorteile: Sie haben eine erhöhte Stabilität. Enzyme können entweder mit sich selbst oder mit Füllproteine wie z.B. Albumin vernetzt werden.
Zellen von Helminthosporium sativum führen die vorgestellte Reaktion durch. Welche Enzyme sind daran beteiligt? Welches Enantiomer des razemischen Gemischs wird umgesetzt? Begründen sie ihre Wahl anhand der entstandenen Produkte!
- Reaktion wird von mikrobiellen Epoxidhydrolasen durchgefuehrt.
- Epoxid liegt am Anfang als Racemat vor.
- S-Enantiomer wird von Enzym bevorzugt hydrolysiert => S-S-Diol wird gebildet und R-S- bleibt zurueck.
Drei-Punkt Anheftungsregel
=> besagt, dass das Substrat mit mindestens 3 Punkten mit dem Enzym interagieren muss. Dies ermöglicht Enantioselektivität, da Enantiomere nicht in drei Punk- ten gleich sein können (sonst wären sie ja keien Enantiomere)
Wie kann man den ee-Wert berechen und was bedeutet ee? Für welche Verbindungen kann man den ee-Wert nicht berechnen?
Die Va/VB Werte kan man umrechnen in die ee Werte. VA/VB ist ein Verhältnis für die Enantioselektivität des Enzyms.
- ee =10% z.B. bedeutet, dass von A 10% mehr vorliegt als von B.
- Fuer die achiralen Bindungen kann man den ee-Wert nicht berechnen, da sie keine Enantiomere haben.
- A und B sind die Enantiomeren eines Substrats => P und Q sind die Enantiomeren des Produkts.
Die untere Stukturformel war gegeben. Eugenol ist ein Aromastoff einem intensiven Geruch nach Gewürznelke. Jedoch halt der Geruch nicht lange an. Desshalb wird Eugenol oft glykosyliert, damit der Geruch länger anhält. Nennen sie zwei biotechnologische Verfahren, wie das Eugenol-Glucosid hergestellt werden kann und nennen sie vor und Nachteile beider Verfahren (Gleiche Frage wie F70, nur umformuliert)
Glycoside chemisch zu synthethisieren ist sehr schwierig. Biokatalytisch hingegegen geht es ziemlich einfach. Es gibt zwei Möglichkeiten:
- Durch Glykosyltransferasen: Glykosyltransferase überträgt ein aktiviertes UDP-Kohlenhydrat auf ein anderes Zuckermolekül/Alkohol, unter Abspaltung des UDP.
Nachteil: Die Schwierigkeit dabei ist die Herstellung des aktivierten UDP-Kohlenhydrats.
- Durch Rückreaktion der Glykosidase: Die Glykosidase hydrolisiert Glycosidische Bindungen. Man kann ihre Rückreaktion ausnutzen, um glycosidische Bindungen zu knüpfen.
Die Hinreaktion der Glykosidasen erfordert wie bei allen Hydrolasen Wasser als Co-Faktor. Für die Rückreaktion ist deswegen entsprechend ein wasserfreies Milieu und keine Cofaktoren noetig.
Welche Probleme können bei der kinetischen Racematspaltung auftreten und was kann man dagegen unternehmen/ Lösungen Vorschlagen?
Probleme bei der kinetischen Racematspaltung:
- theoretisch begrenzte Ausbeute von 50 %
- notwendige Aufarbeitung der Reaktionslösung
Diese Probleme lassen sich durch die dynamische kinetische Racematspaltung vermeiden.
Sind die Geschwindigkeitskonstanten der Überführung der Substratisomere SR und SS in die korrespondierenden Produkte PR und PS verschieden, so ist eine kinetische Racematspaltung möglich. Die Reaktion wird bei einem Umsatz von circa 50 % abgebrochen, da das schneller reagierende Enantiomer verbraucht ist. Aber urch die Racemisierung des langsamer reagierenden Enantiomers SS lassen sich Racemate quantitativ in Produkte mit hohem Enantiomerenüberschuss (von SR) umwandeln. Die Ausbeute und der Enantiomerenüberschuss kann theoretisch 100 % betragen.
Zu Welcher Enzymklasse gehören folgende Proteine:
Aspartase, Amidase, Acylase, Pyruvat-Carboxylase,Pyruvat-Decarboxylase, Phosphoglucomutase, Epoxidase, Glucose-Oxidase, Hexoinase, Alanin-Racemase, N-acetylase
- Aspartase => Lyase
- Amidase => Hydrolase
- Acylase => Hydrolase
- Pyruvat-Carboxylase => Ligase
- Pyruvat-Decarboxylase => Lyase
- Phosphoglucomutase => Isomerase
- Epoxidase => Oxidoreduktase
- Glucose-Oxidase => Oxidoreduktase
- Hexokinase => Transferase
- Alanin-Racemase => Isomerase
- N-acetylase => Transferase
Nennen Sie die sechs international anerkannten Enzymklassen und geben Sie jeweils ein Beispielenzym sowie die katalysierte Bruttoreaktion an (Enzyme: Substrate – Produkte)
- Oxidasen => Reduktion oder Oxidation
- Ligasen => Bindung unter Energieverbrauch
- Isomerasen => Isomerisierung und Racemerisierung
- Lyasen => Bindung/Verknüpfung
- Hydrolasen => Vernüpfung unter H2O-Verbrauch
- Transferasen => Transfer von funktionellen Gruppen
Was versteht man unter der Chemoselektivität, Regioselektivität und Enantioselektivität eines Enzyms?
Chemoselektivität: greift nur eine funktionelle Gruppe an, Esterhydrolyse-/- Acetalspaltung
Regio- / Diastereoselektivität: erkennen gleiche funktionelle Gruppen an verschiedenen Stellen im Molekül, setzt nur eine um
Enantioselektivität: Enzym setzt prochirale Verbindungen nur zu einer spezifischen chiralen Verbindung um oder Enantiomeren ener racemischen Mischung reagieren unterschiedlich schnell (kinetische Racematspaltung).
Welche Faktoren limitieren die Verwendung von Enzymen als Biokatalysatoren?
- Enzyme werden in der Natur nur in einer Enantiomerenform gebildet (nur S-AS)
- Enzyme sind empfindlich und damit sind die Variation der Reaktionsbedingungen begrent (bzgl. Temp., pH oder Salzkonzentration)
- Höchste Aktivität in Wasser => die meiste organische Moleküle sind aber schlecht wasserlöslich => ermöglicht nur eine geringe Substratkonzentration
- Enzyme benötigen ihre natürlichen Cofaktoren bzw. Cosubstrate (teilweise sehr teuer)
- Enzyme zeigen Inhibierungsphenomäne (Substrat- oder Produktinhibierung) => somit muss Substratkonzentration niedrig gehalten und das Produkt kontunierlich entfernt werden
- Enzyme lösen Allergien aus
Zeichnen Sie das Energiediagramm einer enzymkatalysierten enantioselektiven Reaktion. (Substrat-Enantiomerenpaar A/B; Produkt-Enantiomerenpaar P/Q)
Va/VB ist ein Verhältnis für die Enantioselektivität des Enzyms.
Ergänzen Sie die folgende Tabelle (Coenzym-Tabelle, wobei Reaktionstyp schon gegeben ist)! Geben Sie die jeweiligen Coenzyme an, die bei den entsprechenden enzymkatalysierten Reaktionen benötigt werden!
- Biotin => Carboxylierung
- *Metall-Porphyrin-Komplex => Peroxydation, Oxydation
Asparaginsäure wird mit Hilfe einer Lyase biotechnologisch produziert! Wie heißt das verwendete Enzym und das Substrat? In welcher Form wird das Enzym eingesetzt? Asparaginsäure dient selbst als Ausgangstoff für die industrielle Produktion eines Lebensmittelzusatzstoffes. Um welchen Zusatzstoff handelt es sich?
3-Mehylaspartase ist verantwortlich für die Addition von Wasser/Ammoniak an Fumarsäure bzw. Methylfumarsäure.
Bei vielen enzymkatalysierten Umsetzungen entsteht während der Reaktion ein Acyl-Enzym-Intermediat (Enzym-CO-R1). Durch den Angriff verschiedener nukleophiler Substanzen (H2O, R-OH, R-NH2, H2O2) bilden sich hieraus verschiedene Produkte. Zeichnen Sie Strukturen der freigesetzten Verbindungen und benennen Sie die entstandene funktionelle Gruppe!
Es entsteht jeweils Enzym-H und
H2O: Carbonsäure
R-OH: Ester
R-NH2: Amid/Amine
H2O2: Peroxysäure
Erklären Sie den Begriff “kinetische Razematspaltung” anhand eines selbst gewählten Beispiels!
Ein Enantiomer eines Racemats wird von einem Enzym deutlich schneller umgesetzt als das andere. Durch die kinetische Bevorzugung des einen, bleibt das andere Enantiomer unverändert zurück. Nun kann das enantiomerenreine Produkt abgetrennt werden.
Beispiel: Amidase spaltet bei einem racemischen Gemisch von L-AS-Amid und D-AS-Amid nur die natürlich vorkommende L-Form.
Zeichnen Sie die Strukturformel der Aminosäure, die mit einer Weltjahresproduktion von > 1 Mio t die industriell bedeutendste ist! Mit welchem Verfahren wird sie hergestellt? Wozu wird sie verwendet?
Glutamat wird in großen Mengen als Geschmacksverstärker benötigt.
Produktion: durch Corynebakterium Glutamicum-Mutante, die eine gesteigerte Aktivität der PEP-Carboxylase (reduziertes Feedback-Inhibition durch L-Glutamat), der Glutamat-DH, der Isocitrat-Lyase und der Malat-Synthetase zeigt.
Welche vier Substrate können in enzymatischen Reaktionen für die Regeneration von ATP aus ADP eingesetzt werden? Geben Sie die Bruttoreaktionsgleichung an und benennen Sie die beteiligten Enzyme!
Enzyme können die Hydrolyse von Nitrilen zu Carbonsäuren katalysieren. Zeigen Sie die beiden möglichen Biotransformationswege auf und benennen Sie die beteiligten Enzyme!
- Nitrilasen hydrolisieren 2 mal (addieren 2 mal Wassermoleküle hinzu) und es entsteht eine Carbonsäure.
- Nitril-Hydratasen hydrolisieren nur einmal und daraus resultierende Amid wird von einer Amidase zu einer Carbonsäure hydrolysiert.
- Nitrilasen hydrolisieren v.a. aromatische heterocyclische und ungesättigte aliphatische Nitrile, wobei Nitril-Hydratasen v.a. gesättigte aliphatische Nitrile hydrolisieren.
Welche drei enzymatisch katalysierte Reaktionen können für die Regeneration von NAD(P)H bei Biotransformationen eingesetzt werden? Geben Sie die Bruttoreaktionsgleichungen an und nennen Sie die beteiligten Enzyme!
- Formiat DH (im Industriemaßstab)
- Alkohol DH (schlechte Umsatzrate und Deaktivierung von Enzymen durch Ethanol und Acetaldehyd => wird nicht oft verwendet)
- Glucose DH bzw. Glucose-6-Phosphat DH (ird auch nicht oft verwendet)
Welche Substanzen werden von Lipoxygenasen umgesetzt? Wie heißen die gebildeten Produkte und wo spielt diese Reaktion eine wichtige Rolle? Geben Sie die Bruttoreaktionsgleichung an!
Lipoxygenasen gehören zur Gruppe der Dioxygenasen. Sie sind Enzyme, die mehrfach ungesättigte Fettsäuren mit zwei Sauerstoffatomen zu Eicosanoiden oxidieren. Lipoxygenasen erkennen nicht konjugierte 1,4-Pentadiensysteme und hängen an das lezte C, das noch zum Pentadiensystem gehöhrt, O2 dran. Dabei entsteht aus einem nicht konjugierten 1,4-Pentadien-System ein konjugiertes 2,4-Dien.
Sie spielen bei der alternativer biochemischer Abbaumechanismus für Fettsäuren eine wichtige Rolle.
Erläutern Sie den industriell eingesetzten enzymatisch katalysierten Prozess zur Herstellung von Aspartam!
Der Peptidsüßstoff Aspartam (L-Asp-L-Phe-OMe) hat die 200-fache Süßkraft von Saccharose. Bei der Reaktion findet eine kinetische Racematspaltung des D,L-Phe-OMe Racemats statt (Bevorzugung von L-Phe-OMe).
Zuerst setzt Thermolysin im organischen Lösungsmittel (Isoamylalkohol) Z-L-Asparaginsäure enantioselektiv mit L- Phenylalanin-OMe zu einem Peptid um. Die unnatürliche L-Aminosäure wird durch ein nicht näher beschriebenes Verfahren wieder racemersisiert. Anschließend wird nach einer Aufreinigung die Schutzgruppe Z entfernt.
Was versteht man unter „Cross-linked enzyme crystals (CLECs)“? Wie werden Sie hergestellt? Welche Vorteile haben sie? Erläutern sie die Herstellung von CLEC (cross-linked enzyme crystals) anhand von Strukturformeln!
Für die kovalente Quervernetzung von Enzymen werden bivalente Reagenzien, also Reagenzien die an zwei Stellen andere Moleküle binden können, benötigt. Die Enzyme werden entweder mit sich selbst vernetzt, Cross-Linking genannt, oder mit anderen Füllproteinen z.B. Albumin zwischen den einzelenen Enzymen vernetzt, Co-Cross-Linking gennant.
Eine einfache Methode ist die Ausbildung von Gelatiene-ähnlichen Aggregaten. Diesen Zustand kann man durch Ausbildung vernetzer Enyzmkristalle, Cross-linked enzyme crystals (CLECs), erreichen. Hierbei wird das bifunktionelle (Zwei funktionelle Gruppen) Aggenz Glutaraldehyde verwendet, welche die Proteine über Lysin Seitenketten quervernetzt. Hierbei entstehen Schiffsche Basen (Enzym-N=C). Die Proteine sind also über Schiffsche Basen miteinader verbunden.
Vorteil: erhoehte Stabilitaet
CLECs sind Aggregate aus kovalent verbundenen Enzymen. Das Quervernetzen (oder crosslinking) geschieht durch ein bifunktionales Reagenz (sog. Crosslinker). Enzyme sind schwierig wieder zu gewinnen und haben oft eine geringe Toleranz bezüglich Substrat-bzw. Produktkonzentration (Produktinhibition). Die Immobilisierung und kontinuierliche Produkternte bringt hier Abhilfe.
Skizzieren Sie die Biotransformation von D-Glucose zu D-Gluconsäure durch Aspergillus niger! Geben Sie die Bruttoreaktionen und beteiligte Enzyme an!
1. Oxidation der Glucose zum Gluconolacton durch die Glucoseoxidase
2. Selbstständige Hydrolyse des Lactons zur Gluconsäure
3. Das bei der Oxidation verbrauchte FAD wird durch O2 regeneriert. Das entstehende H2O2 wird von der Catalase zersetzt
Welche vier Herstellungsprozesse werden industriell zur Produktion von L-Aminosäuren angewendet?
- Hydrolyse und Seperation der Proteine
- Fermentation der Glucose und andere Kohlenstoffquellen
- Synthese aus chemische Rohstoffe mittels Enzyme oder Zellreaktor
- Chemische Synthese aus Rohstoffe
Bei der Produktion von drei Vitaminen werden fermentative Prozesse eingesetzt. Um welche Vitamine handelt es sich hierbei?
Vitamin C= Ascorbinsäure
Vitamin B2= Riboflavin
Vitamin B12= Cyanocobalamin
=> alle anderem Vitamine werden synthethisch hergestellt.
Welche beiden industriell wichtigen Polysaccharide werden fermentativ produziert? Wozu werden sie eingesetzt? Welche Mikroorganismen werden für die Herstellung verwendet?
- Xanthan: Produktionsprozess => Der Produktionsstamm X.campestris (Pflanzenpathogen) wird mit Glucose oder Saccharose und einer Stickstoffquelle vorkultiviert.
- Dextran: Produktionsprozess => Die Produktion erfolgt durch Leuconostroc mesenteroides bei 23°C und Saccharose als Zuckerquelle für die Mikroorganismen und Substrat für die Reaktion.
Erläutern Sie die Biotransformation von Octansäure zu 2-Heptanon durch Penicillium roqueforti!
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Lernkarten
Erläutern Sie den Mechanismus der katalytischen Triade der Schweineleber-Esterase (Serinprotease) an einem selbst gewählten Beispiel!
Die Weltjahresproduktion von Aminosäuren beträgt mehr als 1 Mio Tonnen pro Jahr. Welche vier Verfahren werden grundsätzlich zur Produktion von Aminosäuren eingesetzt? Geben Sie fünf Beispiele an wozu Aminosäuren verwendet werden!
Herstellungsverfahren: Hydrolyse von Proteine, Fermentation der Glucose oder andere Kohlenstoffquellen, chemische Synthese aus Rohstofe, enzymatische Umsetzung aus chemische Rohstoffe (& Zellreaktor)
Beispiele für die Verwendung:
- Geschmacksverstärker (Glutamat)
- Futterzusatz (Lysin, Methionin, Tryptophan, Threonin)
- Aspartam-produktion (Aspartat, Phenylalanin)
- Süßstoff (Glycin)
- Medizin/Kosmetik (Arginin,...)
- Pflanzenschutzmittel
Die Weltjahresproduktion von Aminosäuren beträgt mehr als 1 Mio Tonnen pro Jahr. Nennen Sie die drei industriell wichtigsten Aminosäuren und geben Sie kurz deren Herstellungsprozess an!
Erläutern Sie die kinetische Razematspaltung von Hydroperoxiden mit Hilfe der Meerrettich-Peroxidase! Welche Produkte können damit hergestellt werden?
Peroxidasen sind Enzyme, welche die Reduktion von Peroxiden (meist Wasserstoffperoxid) katalysieren.
Meerettich - Peroxidase kann neben Wasserstoffperoxid auch andere Peroxide enantio- selektiv reduzieren. Hierfür braucht es einen Elektronen- und Wasserstoff-Donor, den es oxidieren kann. Als Donor wird meistens der Aromastoff Guajakol genommen, der durch die Reaktion oligomiert wird.
Erläutern Sie den Prozess der biotechnologischen Produktion von Asparaginsäure aus Fumarsäure! Asparaginsäure dient selbst als Ausgangstoff für die industrielle Produktion eines Lebensmittelzusatzstoffes. Um welchen Zusatzstoff handelt es sich?
Substrat: Fumarsaeure
LM-Zusatzstoff: Aspartam (L-Asp-L-Phe-OMe)
Enzym: L-Aspartase wird in Methylierter Form eingesetzt
Beim "Reichstein Gruessner Prozess" zur Herstellung von Vitamin C wird ein Intermediat der Reaktionskette durch mikrobielle Oxidation erhalten. Welcher Mikroorganismus wird eingesetzt? Geben Sie die Strukturformeln des Substrates und des Produktes der katalysierten Reaktion an! Welchen Vorteil hat die mikrobielle Oxidation gegenüber der chemischen Oxidation?
Die regioselektive Oxidation von D-Sorbitol zu L-Sorbose wird von Acetobacter Suboxidans geleistet.
Vorteile: regioselektive Oxidation von nur einer der endständigen OH-Funktionen (chemisch würden hier mehrere Schutzgruppen benötigt)
Erläutern Sie die Herstellung von Cyclodextrinen aus Stärke? Nennen Sie die beteiligten Enzyme und Intermediate! Wozu werden Cyclodextrine verwendet?
Cyclodextrine werden biotechnologisch durch den enzymatischen Abbau von Stärke, etwa aus Mais oder Kartoffeln, hergestellt. Die hierfür eingesetzten Enzyme werden als Cyclodextrin-Glycosyltransferasen, kurz CGTasen bezeichnet. Diese sind verschiedenen Bakterien und Archaeen zu finden, wobei industriell die aus dem Bacillus macerans isolierten CGTasen am bedeutsamsten sind. Bei der Einwirkung auf Stärke schneidet die CGTase aus der helikal gewundenen Struktur des Kohlenhydrats einzelne Stücke heraus und verbindet diese zu einem ringförmigen Oligosaccharid – dem Cyclodextrin.
- Aus dem Abbau von Stärke mit alpha-Amylase erhaltene Maltodextrine werden mit Hilfe der Cyclomaltodextringlucano-transferase aus Bacillus macerans Cyclodextrine aus 6-12 Glucose-Einheiten erzeugt (Hauptprodukt: beta-Cyclodextrin (7 Glc-Einheiten).
Verwendung: Stabilisierung von Vitaminen und Aromastoffen, geschmackliche Neutralisierung von Bitterstoffen
Erläutern Sie die Wirkungsweise des Aminosäuren-Analogon Phosphinotricin! Warum kann diese Verbindung zur Selektion transformierter Pflanzen eingesetzt werden?
Erklären sie die Eigenschaften und molekularen Grundlagen der Wirkung des Pflanzenschutzmittel BASTA® (Phosphinotricin)! Wie werden Pflanzen vor BASTA® geschützt?
Phosphinotricin ist ein Aminosäure Antibiotika. Wo wird es eingesetzt? Wie lautet der Name des Handelsproduktes in dem Phosphinotricin der Wirkstoff ist? Erläutern sie den Wirkmechanismus des Antibiotikums!
Ein Aminosäure-Anitbiothikium ist L-Phosphinotricin. Wobei dieses v.a. als Pflanzenschutz- mittel eingesetzt wird und unter dem Namen Glufosinat besser bekannt ist.
Aufgrund seiner Ähnlichkeit mit Glutaminsäure hemmt L-Phosphinotricin die Glutamin-Synthethase, welche bei L-Glutaminsäure die Hydroxygruppe durch Ammoniak substituiert und dadurch Glutamin entsteht. Durch die Hemmung kommt es zur Anreicherung von Ammoniak in der Zelle und die Pflanzenzelle stirbt ab. Das Herbizit ist also an sich unselektiv. Durch genetisches Einbringen des Gens für für das Enzym Phosphinothricin- Acetyl-Transferase (PAT-Enzym) in Pflanzen, können die Pflanzen Resistent gemacht werden.
- Phosphinotricin ist ein Strukturanalogon zu Glutaminsäure.
- Phosphinotricin hemmt die Glutaminsynthetase (normalerweise Feedbackinhibierung durch Glutamin).
- Dadurch reichert sich NH3 an , welche toxisch ist.
- Transformierte Pflanzen bekommen das Gen für die Phosphinotricin acetyltransferase, welche die Aminogruppe von Phosphinotricin acetyliert und das Antibiotikum somit unschädlich macht.
Welche Vorteile weisen biokatalytische Umsetzungen in organischen Lösungsmitteln aus?
- Ausbeute erhöht: keine aufwendige Extraktion aus dem wässrigen LM, keine Emulsion, niedrig siedende Lösungsmittel
- Unpolare Substrate werden besser umgesetzt wegen erhöhter Löslichkeit (somit stehen sie in größerer Konzentration zur Verfügung)
- Mikrobielle Kontamination ist vernachlässigbar (Industriemaßstab)
- Nebenreaktionen wie Hydrolysen, Razemisierung, etc. sind unterdrückt
- Enzyme können durch einfache Filtration abgetrennt werden, da sie heterogen dispergiert sind
- Erhöhte Stabilität der Enzyme (Denaturierung durch hydrolytische Prozesse erniedrigt)
- Erhöhte Substrat-, Regio-, und Enantioselektivität da Enzyme in organischen Lösungsmitteln, da sie nicht mehr so flexibel sind
- Verschiebung des thermodynamischen Gleichgewichts einer Hydrolysereaktion zugunsten der Synthesereaktion
Eine Lipase L setzt bevorzugt den R-konfigurierten Alkohol (A-OH) bei der enzymatischen Hydrolyse des razemischen Esters im wässrigen Medium frei. Welche Konfiguration weist der gebildete Ester auf wenn die Lipase L die Rückreaktion in einem organischen Medium aus dem racemischen Alkohol katalysiert. (Die Prioritäten der Substituenten am chiralen C-Atom ändern sich nicht während der Umsetzung). Begründen Sie ihre Wahl.
Der in der Rückreaktion entstehende Ester R-CO-O-A wird bevorzugt in der R-konfigurierten Form entstehen. Der R-Ester scheint besser in die aktive Tasche zu passen als der S-Ester somit wird auch dies der bevorzugte Weg auf der Rückreaktion sein.
Der Grund dafür ist Drei-Punkt Anheftungsregel.
Für die biotechnologischen Produktion von Citronensäure aus D-Glucose wird ein Hochleistungsstamm von Aspergillus niger eingesetzt. Der Hochleistungsstamm weist u. a. veränderte Aktivität von drei Biosynthese-Enzyme gegenüber dem Wildtyp auf. Um welche Enzymaktivitäten handelt es sich? Warum wurden die Aktivitäten verändert?
Pyruvat Carboxylase, Malat Dehydrogenase, Citrat Synthase
=> Erhöhung der Aktivitäten um mehr Vorläufer (Oxaloacetat durch Pyruvat-Carboxylase) herzustellen, so dass eine verstärkte Herstellung von Citrat (aus Oxalacetat durch Citrat Synthase) und verstärkte Herstellung von Malat (aus Oxalacetat durch Malat Dehydrogenase) stattfinden kann, (Citrat wird gegen Malat mittels Malat/Citrat-Antiporter aus Mitochondrium in Cytplasma transportiert und von Cytoplasma wird Citrat ins Medium ausgeschieden).
- Wenn viel Oxalacetat vorhanden ist, wird auch viel Citrat gebildet.
- Wenn viel Malat vorhanden ist, wird auch viel Citrat ins Medium abgegeben.
- Da Citrat immer wieder von Produktionsanlage entfernt/sammelt wird, sind diese Mutationen noetig, damit die Citratzyklus weiterlaeuft.
Proteasen, Esterasen, Lipasen sind die industriell am häufigsten verwendeten Biokatalysatoren. Nennen Sie vier Gründe warum sich diese Enzymgruppen besonders gut eignen!
- keine Cofaktoren
- Vielzahl verfügbarer Enzyme
- günstig
- stabil
- auch für umgekehrte Reaktion (Ester-bzw. Amidsynthese) einsetzbar => in organischen Lösungsmitteln mit geringer Wasseraktivität
Nennen und erläutern Sie fünf biotechnologische Anwendungen der Schweineleber Esterase (PLE)
Die am häufigsten verwendete Esterase (Serin-Esterase). Sie hat eine hohe Selektivität für Carbonsäuren und ist ziemlich günstig.
- Hydrolyse prochiraler Ester (Enantioselektiv)
- Trennung razemischer Ester
- Regio- und diastereoselektive Hydrolyse (bei zwei gleichen funktionelle Gruppen wird nur eine umgesetzt)
- Milde Hydrolyse, z.B. PLE hydrolysiert die Vorläufer von Prostaglandin E (Methylester) genau an der benötigten Stelle mild
- Trennung E/Z-Isomere (trans/cis) => nur der Ester in trans-Position wird hydrolysiert
Sowohl Lipasen als auch Esterasen hydrolysieren Carbonsäure-Ester. Die molekularen Mechanismen der enzymatischen Reaktion unterscheiden sich aber. Erläutern Sie die Unterschiede.
- Esterasen zeigen normale Michaelis-Menten-Kinetik, Lipasen aber nicht.
- Lipasen arbeiten an der Öl/Wasser Phasengrenze => Erst sobald genug Substrat vorliegt, damit sich Öltröpfchen (CMC) bilden, kommt es zu einer Umsetzung, da die Umsetzung nur an der Grenzfläche geschieht.
Die Kritische Mizellbildungskonzentration, oder CMC (englisch critical micelle concentration) beschreibt die Konzentration eines Tensids, ab der sich Mizellen bilden. Bei einer weiteren Erhöhung der Konzentration gehen nahezu alle hinzukommenden Moleküle in Mizellen über.
Welche chemische Reaktion katalysieren Kinasen? Nennen Sie drei Kinasen und deren Einsatzgebiete in der Biokatalyse!
Kinasen katalysieren die regio-und enantioselektive Bildung von Phosphatestern unter Verbrauch von ATP als Cosubstrat. Dabei wird ATP durch Donorphosphat regeneriert.
- Carbamat (zur Regenerierung von ATP) ist instabil. Ammoniak, das nach Umseztung entsteht, kann Mg ersezten, wodurch manche Enzyme deaktiviert werden.
- PEP und Acetylphosphat werden als Donorphosphat verwendet.
Hexokinase: Phosphorylierung der D-Glucose und seine Derivaten zu D-Glucose-6-Phosphat
Glycerol-Kinase: Phosphorylierung von Glycerol zu Glycerol-3-Phosphat
Acetat-Kinase: Phosphorylierung von Acetat zur Acetyl-CoA
Wodurch unterscheidet sich der Reaktionsmechanismus der Mono- und Dioxygenasen? Geben Sie jeweils eine Bruttogleichung der katalysierten Reaktionen an und nennen Sie jeweils zwei ihnen bekannte Mono- und Dioxygenasen!
Faktoren nennen, die jeweils ihre Anwendung in der indust. BT einschränken.
Oxygenasen sind Enzyme, die ein oder mehrere Sauerstoffatome auf ihr Substrat übertragen, wobei oft auch Ringöffnungen am aromatischen Molekül stattfinden.
Mono-Oxygenase:
- benötigen NADPH als Cofaktoren
- katalysierte Reaktionen: Hydroxylierung, Epoxydierung, Beayer-Villiger-Reaktion
Dioxygenase:
- Bildung von Hydroperoxiden (Sub-O-O-H) durch Lipoxygenasen
Erläutern Sie den Prozess der biotechnologischen Produktion von Phenylalanin aus trans-Zimtsäure! Welches Enzym wird verwendet? Phenylalanin dient selbst als Ausgangstoff für die industrielle Produktion eines Lebensmittelzusatzstoffes. Um welchen Zusatzstoff handelt es sich?
Phenylalanin kann durch einen Enzymreaktor hergestellt werden, bei dem Ammoniak an trans-Zimtsäure durch Phenylalanin-Ammoniak- Lyase aus Rhodotorule glutinis addiert wird.
Aspartam ist ein Süßstoff aus L-Phenylalanin und L-Aspartat.
Für die Produktion welcher Vitamine sind biotechnologische Verfahren Alternativen zur chemischen Synthese? Warum wird Acetobacter suboxydans bei der Herstellung des mengenmäßig wichtigsten Vitamins eingesetzt?
- Vitamin B2 (Riboflavin)
- Vitamin C (Ascorbinsäure)
- Vitamin B12 (Cyanocobalamin)
werden fermenativ produziert.
Beim Reinstein-Gruessner-Prozess, dem ältestesten Verfahren, wird D-Glucose an der Carbonylfunktion zu D-Sorbitol reduziert. Anschließend wird D-Sorbitol zu L-Sorbose oxidiert. Da diese Oxidation chemisch nur umständlich, unter Verwendung von Schutzgruppen möglich ist, wird der dieser Schritt fermentativ von Acetobacter Suboxydans durchgeführt.
Welches Enzym ist u.a. bei der Erweichung von Tomaten während der Reifung verantwortlich? Welche Reaktion wird katalysiert? Wie kann man die Reaktion analytisch verfolgen? Wie lässt sich diese Reaktion unterdrücken?
Das Enzym ist Polygalacturonase (PG), welche die 1,4 glykosidische Bindungen zwischen Galacturonsäuren hydrolysiert. Polygalacturonan, dessen Hauptbestandteil Galacturonsäure ist, ist ein wichtiger Kohlenhydratbestandteil des Pektinnetzwerks, das Pflanzenzellwände umfasst. Daher wirkt die Aktivität der endogenen Pflanzen-PGs auf das Erweichen und Süßen von Früchten während des Reifeprozesses.
Unterdrueckung der Reaktion:
Phytopathogene Pilze setzen Pflanzenzellwände "Zellwand abbauenden Enzymen" wie PGs aus. Als Reaktion darauf haben die meisten Pflanzen natürliche Inhibitorproteine, die die hydrolytische Aktivität von PG verlangsamen. Die Polygalacturonase-Inhibitor-Proteine (PGIPs) sind leucinreiche Wiederholungsproteine, von denen berichtet wurde, dass sie sowohl eine nicht-kompetitive als auch eine kompetitive Hemmung von PGs zeigen.
Erläutern sie vier wichtige Eigenschaften von Enzymen!
- Chemoselektivität: greift nur eine funktionelle Gruppe an, Esterhydrolyse-/-Acetalspaltung
- Regio-/Diastereoselektivität: erkennen gleiche funktionelle Gruppen an verschiedenen Stellen im Molekül, setzt nur eine um
- Enantioselektivität: prochirale Verbindungen werden zu optisch aktiven (chiralen) Produkten umgesetzt, oder die Enantiomeren einer racemischen Mischung reagieren unterschiedlich schnell (kinetische Racematspaltung)
- Biokatalysator (katalytische Aktivität): Enzyme senken die Aktivierungsenergie einer Reaktion ab und werden bei der Reaktion nicht verbraucht
- Sie sind durch Hemmung oder durch inaktive Stufen regulierbar
Erklären sie die chromatographische Trennung von razemischen Gemischen an chiralen Phasen
Bei der chiralen Chromatographie ist eine Trennung von Enantiomeren möglich. Die chirale stationäre Phase bindet bevorzugt an eins der Enantiomere (3 Punkt-Anheftungsregel). Das andere kann eluiert werden.
Die wichtigsten in der Industrie angewendeten enzymkatalysierten Reaktionen sind hydrolytische Transformationen. Wie können sie dies erklären?
Hydrolasen spalten Ester, Peptide, Glycoside, Nitrile und andere Verbindungen hydrolytisch. Sie benötigen keine Cofaktoren, sondern nur Wasser.
Hydrolytische Enzyme: Proteasen, Esterasen, Lipasen
- Lipasen hydrolysieren Trglyceriden zu Fettsäuren und Glycerol
- Proteasen hydrolysieren die Peptidbindungen
- Esterasen spalten Ester hydrolytisch in ein Alkohol und in eine Säure
Vorteile hydrolytischer Enzyme:
- keine Cofaktoren
- Vielzahl verfügbarer Enzyme
- günstig
- stabil
- auch für umgekehrte Reaktion (Ester-bzw. Amidsynthese) einsetzbar ĺin organischen Lösungsmitteln mit geringer Wasseraktivität
Erläutern sie einen ökonomisch sinnvollen enzymatisch katalytischen Prozess zur Herstellung von Dihydroxyacetonphosphat (Reaktionsgleichungen mit den beteiligten Enzymen)
Dihydroxyaceton wird durch Glycerol-Kinase in Dihydroxyacetonphosphat umgewandelt. Dabei verbrauchte ATP wird wiederum durch Acetylphosphat unter der Katalyse von Acetyl-Kinase regeneriert.
Erläutern sie den Reaktionsmechanismus der Nitrilase und zeigen sie an einem Beispiel, dass diese Enzyme für die kinetische Razematspaltung verwendet werden können!
z.B. Synthetisierung von alpha-Hydroxysäuren und alpha-Aminosäuren aus Aldehyden
- Ein Aldehyd wird durch HCN zu Cyanhydrin (oben) oder durch HCN & NH3 zu einem Aminonitril (unten) umgesetzt.
- Da die Reaktion nicht enantioselektiv ist, entsteht ein Racemat, was dann enantioselektiv durch eine Nitrilase in eine Amino oder eine Hydroxysäure umgewandelt wird.
Welche Verbindung erhalten sie bei der asymmetrischen Oxidation von meso-Diolen mit HLADH (Pferdeleber-ADH). Erläutern sie die Reaktionen am Beispiel von 2R,3S-dimethylbutan-1,4-diol.
Meso-Verbindungen sind Verbindungen, die trotz Stereozentren achiral sind. Asymetrische Katalyse ist ein anderes Wort für enantioselektive Katalyse.
Ablauf der Reaktion:
Oxidation der R OH Gruppe durch die HLADH. NAD+ wird recycelt.
Ringbildung: Angriff des freien e− des OH an der Carbonylgruppe. Elektoronen klappen um und das H+ geht vom einen Sauerstoff auf den anderer rüber. Ein Halbacetal ist entstanden. Halbacetale sind organische Verbindungen, die sich durch eine Alkoxygruppe oder Aryloxygruppe –OR und eine Hydroxygruppe -OH auszeichnen, die an dasselbe Kohlenstoff-Atom gebunden sind.
HLADH oxidiert die verbleibende OH Gruppe. Ein Lacton ist entstanden.
Nennen sie drei für Biotransformationen wichtige C-C bildende Enzyme aus der Klasse der Lyasen und beschreiben sie allgemein die von ihnen katalysierten Reaktionen!
Lyasen katalysieren eine Molekülspaltung. Das Reaktionsschema:
A − B → A + B
Lyasen erzeugen eine nicht-hydrolytische Spaltung eines Moleküls in zwei Produkte, meist unter Bildung einer Doppelbindung oder einer Ringstruktur.
Aldolase: Aldolkondensation => Verlängerung von Aldehyden um zwei oder drei C-Einheiten
Transketolase: Übertragung einer Hydroxymethylgruppe von Ketose-Phosphaten auf Aldose-Phosphate => dadurch wird das Akzeptor-Molekül um 2 C-Einheiten verlängert
Fumarase/3-Methylaspartase: Addition von Wasser/Ammoniak an Fumarsäure bzw. Methylfumarsäure
Erläutern sie an zwei Beispielen die kovalente Immobilisierung eines Enzyms an einen Träger!
Sollen die Enzyme fester gebunden sein, müssen diese kovalent mit dem Trägermaterial verknüpft werden. Enzyme verlieren dabei durch die harschen Reaktionsbedingungen etwas an Aktivität, Zellen überleben diese meistens nicht, weswegen es für Zellen kaum eingesetzt wird.
Für die Bildung von kovelenten Bindungen werden Harze (= Resin, Recine) verwendet, die mit Carboxyl oder mit Hydroxylgruppen funktionaliert sind. Das Hydroxyl Harz wird mit Epichlorhydrin behandelt und das gebundene Epoxid kann schließlich bei pH 7-8 freie Aminogruppen in der Seitenkette von Lysinresten binden.
Das Carboxyharz wird mit SOCL2 aktiviert und die Aminogruppe von Lysinsseitenketten unter basischen Bedingungen amidartig gebunden.
Formulieren sie das aus Valin abgeleitete cyanogene Glucosid Linamarin und dessen Hydrolyseprodukte nach Behandlung mit ß-Glucosidase und alpha-Hydroxynitril-Lyase!
Durch welches Modell kann die Enantioselektivität von Enzymen erklärt werden? Erläutern sie anhand dieses Modells die bevorzugte Bildung eines Enantiomers aus einer prochiralen Verbindung mit Hilfe eines selbst gewählten Beispiels!
Drei-Punkt Anheftungsregel: Das Substrat muss mit mindestens 3 unterschiedliche Punkten mit dem Enzym interagieren. Dies ermöglicht Enantioselektivität, da Enantiomere nicht in drei Punkten gleich sein können (sonst wären sie ja keien Enantiomere).
Chirale Substrataufbau: AR-AS-B-C, wobei Enzym A', B' und C' beinhaltet.
Optimale Anpassung der Substituent AR oder AS (haengt davon ab, welche Enantiomer bevorzugt gebildet wird => beim Beispiel wird AS bevorzugt => so entsteht eine Chiralitaet mit einem S-Zentrum) fuehrt zur Umwandlung des Substrats.
Beim Beispiel wird L-Phenylalanin (CIP: S) gebildet.
Proteasen werden aufgrund ihrer im aktiven Zentrum katalytisch wirkenden Aminosäure in drei Gruppen eingeteilt. Wie heißen die Gruppen? Welche Aminosäuren wirken jeweils katalytisch? Nennen je einen Vertreter (Protease) pro Gruppe!
Serin-Proteasen: Schweine Leber Esterase, Chymotrypsin, Trypsin
Carboxy-Proteasen: Pepsin (Asp), Chymosin (Asp)
Thiol-Proteasen(Cysteinproteasen):Papain, Caspasen
Entwickeln sie eine biokatalytische Methode zur Produktion von D-Glucose-6-phosphat aus D-Glucose! Was wird benötigt? Wie kann das Verfahren kostengünstig gestaltet werden? Formulieren sie die Reaktionen!
Hexokinase setzt D-Glucose in D-Glucose-6-phosphat um. Dabei wird ATP zu ADP. Durch Phosphorylierung von ADP durch die Pyruvatkinase, die Phosphoenolpyruvat (PEP) in Pyruvat um- wandelt, wird ATP wieder regeneriert.
Um das Verfahren konstengünstiger zu gestalten, kann man Acetylphosphat (Acetat-Kinase) anstatt PEP (Pyruvat-Kinase) verwenden, da es billiger ist.
4-Hydroxypentanitril soll in (R)-Gamma-Pentalacton umgewandelt werden. Schlagen sie einen biokatalytischen Prozess vor! (Strukturformeln und Enzym(e))!
Wie wird die Reaktion genannt mit deren Hilfe man aus cyclischen Ketonen Lactone synthetisieren kann? Zu welcher Enzymklasse und Untergruppe werden die Enzyme gerechnet die diese Reaktion katalysieren? Formulieren sie die Bildung des Pfirsicharomastoffes (S)-Delta-decalacton!
Die sog. Baeyer Villiger-Oxidation bildet aus monocyclischen Ketonen die dazugehörigen Lactone. Dies wird von der Baeyer-Villiger-Monooxygenase aus Pseudomonas putida katalysiert. Es dient O2 als Sauerstoffdonor und NADH2 reduziert das übrige O zu H2O.
Die Baeyer-Villiger Reaktion wandelt Ketone zu Estern um. Cyclische Ester werden Lactone gennant. Ein Anwenungsbeispiel ist die Herstellung von Fruchtaromastoffen in Acinetobacter sp. Die Reaktion kann zwar auch durch ein isoliertes Enzym aus Psedomonas putida erfolgen, dies erfordert aber ein NADH-Recycling weswegen sie bevorzug in Zellen katalsiert wird.
Enzym-Klasse: Oxidoreduktase
Enzym: Baeyer-Villiger-Monooxygenase
Definieren sie den Begriff „Prochiral“ Geben sie die exakte chemische Strukturformel von drei verschiedenen prochiralen Verbindungen an!
In der Stereochemie sind prochirale Moleküle solche, die in einem einzigen Schritt von achiral in chiral umgewandelt werden können.
Strukturformel?
Geben sie zwei Verfahren zur präparativen Trennung von D- und L-Milchsäure an und erläutern sie jeweils das Trennprinzip!
Umsetzung des racemischen Gemischs mit einem enantiomerenreinen Substrat zu Diastereomeren Salzen (D-L und L-L). Diese können durch Kristallisation oder Chromatographie getrennt werden, da sich die Eigenschaften von Diastereomeren unterscheiden. Mittels chiraler Phasen Chromatographie können auch Enantiomerengemische / Racemate gespalten werden.
Erläutern sie den vorgeschlagenen Reaktionsmechanismus (katalytische Triade) von Serinhydrolasen mit Strukturformeln am Beispiel der Hydrolyse von Hexylacetat. Die Angabe der reaktiven funktionellen Gruppen der Aminosäuren ist ausreichend.
1. Nukleophiler Angriff des Serins:
- His aktiviert Ser (H geht zum Histidin rüber)
- Negativ geladene Asp stabilisiert das positiv geladene His
- Ser greift an der C=O
- Der Bindung zum Sauerstoff klappt hoch und wird negativ geladen => "Tetraedisches Intermediat"
- Die Bindung von Sauerstoff klappt wieder runter und schmeißt Amin raus => "Acyl-Enzym Intermediat"
2. Angriff des Nukleophil aus dem LM:
Gleiche Schitte wie oben. Nur dieses Mal geht das Enzym ab. Anschließend Abgabe des Protons zurück an Ser und Regenerierung des Ausgangszustands.
Erläutern sie beispielhaft die Produktion von enantiomerenreinen R-Aminosäuren mit Hilfe einer Hydrolase, Lyase und Dehydrogenase. Zeichnen sie die allgemeine Struktur der Ausgangsstoffe (R=Rest) und geben sie die Bezeichnungen der katalysierten Reaktionen an!
Schlagen sie zwei unterschiedliche Verfahren zur Produktion von enantiomerenreinem Pantolacton vor, welches als synthetischer Vorläufer für die Pantothensäure dienen kann!
- Esterase-Mechanismus (durch gefriertrocknete Hefe)
- Mikrobielle Entracemerisierung (dabei wird ein Racemat zu einer prochiralen entracemerisiert und dann enantioselektiv zurück umgewandelt)
Erläutern sie die Struktur von ß-Cyclodextrin! Wofür wird es eingesetzt? Wie wird es hergestellt?
Octyl-ß-D-glucosid (hat auch in einem Altklausur stattdessen Hexylglukosid gefragt) wird häufig als Tensid verwendet. Schlagen sie zwei biotechnologische Herstellungsverfahren für dieses Tensid vor und beurteilen sie deren Vor- und Nachteile!
Glycoside, auch Glykoside, sind organische chemische Verbindungen der allgemeinen Struktur R–O–Z. Dabei ist ein Alkohol (R–OH) über eine glycosidische Bindung mit einem Zucker (Z) verbunden. Glycoside chemisch zu synthethisieren ist sehr schwierig. Biokatalytisch hingegegen geht es ziemlich einfach. Es gibt zwei Möglichkeiten:
- Durch Glykosyltransferasen: Glykosyltransferase überträgt ein aktiviertes UDP-Kohlenhydrat auf ein anderes Zuckermolekül/Alkohol, unter Abspaltung des UDP.
Nachteil: Die Schwierigkeit dabei ist die Herstellung des aktivierten UDP-Kohlenhydrats.
- Durch Rückreaktion der Glykosidase: Die Glykosidase hydrolisiert Glycosidische Bindungen. Man kann ihre Rückreaktion ausnutzen, um glycosidische Bindungen zu knüpfen.
Die Hinreaktion der Glykosidasen erfordert wie bei allen Hydrolasen Wasser als Co-Faktor. Für die Rückreaktion ist deswegen entsprechend ein wasserfreies Milieu und keine Cofaktoren noetig.
