Biotechnológia a kémiában 2009. 11. 24.



Hasonló dokumentumok
TERMINOLÓGIA. Magyar nyelvű szakelőadások a es tanévben

Biokatalízis, biokonverziók, biotranszformációk Rákhely, Gábor

EGYSEJTŰ REAKTOROK BIOKATALÍZIS:

A biotechnológia alapjai A biotechnológia régen és ma. Pomázi Andrea

Bevezetés a bioinformatikába. Harangi János DE, TEK, TTK Biokémiai Tanszék

Bioinformatika 2 6. előadás

Több oxigéntartalmú funkciós csoportot tartalmazó vegyületek

Biotechnológia, egészség- és környezetvédelem. Műegyetem - Kutatóegyetem Biotechnológia, egészség-és környezetvédelem

Elválasztástechnikai és bioinformatikai kutatások. Dr. Harangi János DE, TTK, Biokémiai Tanszék

A gyógyszerek és a kiralitás

Molekuláris biológiai eljárások alkalmazása a GMO analitikában és az élelmiszerbiztonság területén

Anaerob fermentált szennyvíziszap jellemzése enzimaktivitás-mérésekkel

Szerves Kémiai Problémamegoldó Verseny

Enzim-katalizált (biokatalitikus) reakcióutak tervezése. Schönstein László Enzimtechnológiai Fejlesztő Csoport Debrecen, November 11.

Az enzimműködés termodinamikai és szerkezeti alapjai

Biotechnológiai alapismeretek tantárgy

BIOMOLEKULÁK KÉMIÁJA. Novák-Nyitrai-Hazai

Bevezetés a biokémiába fogorvostan hallgatóknak

MEDICINÁLIS ALAPISMERETEK AZ ÉLŐ SZERVEZETEK KÉMIAI ÉPÍTŐKÖVEI AZ AMINOSAVAK ÉS FEHÉRJÉK 1. kulcsszó cím: Aminosavak

BIOTERMÉK TECHNOLÓGIA-2

AMINOSAVAK, FEHÉRJÉK

A glükóz reszintézise.

ENZIMSZINTŰ SZABÁLYOZÁS

Szerkesztette: Vizkievicz András

Fehérjék rövid bevezetés

Szerves Kémiai Problémamegoldó Verseny

és s alkalmazása Dencs Béla*, Dencs Béláné**, Marton Gyula**

Sztereokémia, királis molekulák: (királis univerzum, tükörképi világ?) memo: a földi élet királis elemek sokasága!

Bioinformatika előad

Kollokviumi vizsgakérdések biokémiából humánkineziológia levelező (BSc) 2015

Véralvadásgátló hatású pentaszacharidszulfonsav származék szintézise

TEMATIKA Biokémia és molekuláris biológia IB kurzus (bb5t1301)

3. Sejtalkotó molekulák III. Fehérjék, enzimműködés, fehérjeszintézis (transzkripció, transzláció, poszt szintetikus módosítások)

A Műegyetem a horizonton Partnerség európai dimenzióban 2014

A fehérjék térszerkezetének jóslása (Szilágyi András, MTA Enzimológiai Intézete)

TDK lehetőségek az MTA TTK Enzimológiai Intézetben

09. A citromsav ciklus

12/4/2014. Genetika 7-8 ea. DNS szerkezete, replikáció és a rekombináció Hershey & Chase 1953!!!

Szabó Dénes Molekulák és reakciók három dimenzióban

A preventív vakcináció lényege :

VEBI BIOMÉRÖKI MŰVELETEK KÖVETELMÉNYEK. Pécs Miklós: Vebi Biomérnöki műveletek. 1. előadás: Bevezetés és enzimkinetika

VEBI BIOMÉRÖKI MŰVELETEK

Klórozott szénhidrogénekkel szennyezett talajok és talajvizek kezelésére alkalmazható módszerek

β-aminosav származékok enzim katalizált kinetikus rezolválása

Szerves Kémiai Problémamegoldó Verseny

A piruvát-dehidrogenáz komplex. Csala Miklós

TRIPSZIN TISZTÍTÁSA AFFINITÁS KROMATOGRÁFIA SEGÍTSÉGÉVEL

BIOGÉN ELEMEK MÁSODLAGOS BIOGÉN ELEMEK (> 0,005 %)

Név: Pontszám: / 3 pont. 1. feladat Adja meg a hiányzó vegyületek szerkezeti képletét!

1. változat. 4. Jelöld meg azt az oxidot, melynek megfelelője a vas(iii)-hidroxid! A FeO; Б Fe 2 O 3 ; В OF 2 ; Г Fe 3 O 4.

Új zöld ipari technológia alkalmazása és piaci bevezetése melléktermékekből. csontszén szilárd fermentációjával (HU A2-2016)

Mikrobiológiai üzemanyagcella alapvető folyamatainak vázlata. Két cellás H-típusú MFC

Szénhidrátkémiai kutatások bioinformatikai esetek. Dr. Harangi János DE, TTK, Biokémiai Tanszék

Bioinformatika 2 9. előadás

Fehérjék. SZTE ÁOK Biokémiai Intézet

Nem kell az egész tankönyvet megtanulni! Biomérnöki műveletek és folyamatok Környezetmérnöki MSc. 1. előadás: Enzimmérnöki alapok

A fehérjék harmadlagos vagy térszerkezete. Még a globuláris fehérjék térszerkezete is sokféle lehet.

A tananyag felépítése: A BIOLÓGIA ALAPJAI. I. Prokarióták és eukarióták. Az eukarióta sejt. Pécs Miklós: A biológia alapjai

4. változat. 2. Jelöld meg azt a részecskét, amely megőrzi az anyag összes kémiai tulajdonságait! A molekula; Б atom; В gyök; Г ion.

TRANSZGÉNIKUS NIKUS. GM gyapot - KÍNA. GM szója - ARGENTÍNA

Aromás: 1, 3, 5, 6, 8, 9, 10, 11, 13, (14) Az azulén (14) szemiaromás rendszert alkot, mindkét választ (aromás, nem aromás) elfogadtuk.

Tartalmi követelmények kémia tantárgyból az érettségin K Ö Z É P S Z I N T

Biomassza alapú bioalkohol előállítási technológia fejlesztése metagenomikai eljárással

Tantárgy tematikája: I. Félév

ALKOHOLOK RESZOLVÁLÁSÁNAK VIZSGÁLATA

3. Sejtalkotó molekulák III.

Biomolekuláris nanotechnológia. Vonderviszt Ferenc PE MÜKKI Bio-Nanorendszerek Laboratórium

Szemináriumi feladatok (alap) I. félév

4. SZERVES SAVAK. Az ecetsav biológiai előállítása SZERVES SAVAK. Ecetsav baktériumok. Az ecetsav baktériumok osztályozása ECETSAV. 04.

Bioinformatika 2 5. előadás

BME Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudomány Tanszék 1

A GAMMA-VALEROLAKTON ELŐÁLLÍTÁSA

3. Aminosavak gyártása

Szemináriumi feladatok (alap) I. félév

FEHÉRJÉK A MÁGNESEKBEN. Bodor Andrea ELTE, Szerkezeti Kémiai és Biológiai Laboratórium. Alkímia Ma, Budapest,

Klónozás: tökéletesen egyforma szervezetek csoportjának előállítása, vagyis több genetikailag azonos egyed létrehozása.

Vegyipari és BIOMÉRNÖKI műveletek

KÖRNYEZETI MIKROBIOLÓGIA ÉS BIOTECHNOLÓGIA. Bevezető előadás

mérnöki tudományok biomérnöki vegyészmérnöki tudomány tudományok biotechno- lógia kémia biológia

BIOTECHNOLÓGIA - BIOMÉRNÖKSÉG. Vegyipari és BIOMÉRNÖKI műveletek. BIOMÉRNÖKI műveletek. Pécs Miklós: Biomérnöki műveletek 1. Bevezetés, enzimek

,:/ " \ OH OH OH / \ O / H / H HO-CH, O, CH CH - OH ,\ / "CH - ~(H CH,-OH \OH. ,-\ ce/luló z 5zer.~ezere

Megtekinthetővé vált szabadalmi leírások

IPARI ENZIMEK IPARI ENZIMEK ENZIMEK ALKALMAZÁSAI MEGOSZLÁS IPARÁGAK SZERINT IPARI ENZIMEK PIACA IPARI ENZIMEK FORRÁSAI

8. A fehérjék térszerkezetének jóslása

Tejsav alapú polimérek

Fehérjeszerkezet, és tekeredés

A cukrok szerkezetkémiája

Név: Pontszám: 1. feladat (3 pont) Írjon példát olyan aminosav-párokra, amelyek részt vehetnek a következő kölcsönhatásokban

Németh Anikó 1,2, Kosáry Judit 1, Fodor Péter 1, Dernovics Mihály 1

A projekt rövidítve: NANOSTER A projekt időtartama: október december

A bioenergetika a biokémiai folyamatok során lezajló energiaváltozásokkal foglalkozik.

Forró Enikı Új enzimes stratégiák laktám és aminosav enantiomerek szintézisére címő MTA doktori értekezésének opponensi véleménye

Biogáz és Biofinomító Klaszter szakmai tevékenysége. Kép!!!

A fehérjék hierarchikus szerkezete

A szénhidrátok lebomlása

Fémionok szerepe az élő szervezetben: a bioszervetlen kémia alapjainak megismerése

Bioszén, a mezőgazdaság új csodafegyvere EU agrár jogszabály változások a bioszén és komposzt termékek vonatkozásában A REFERTIL projekt bemutatása

AZ EMBERI MIKROBIOM: AZ EGYÉN, MINT SAJÁTOS ÉLETKÖZÖSSÉG Duda Ernő

Versenyző rajtszáma: 1. feladat

Új lehetőségek a biogáz technológiában

Átírás:

Biotechnológia a kémik miában Dr. Poppe László BME Szerves Kémia és Technológia Tsz Biológiai rendszerek alkalmazása a kémiában és a mindennapokban 2009. 11. 24.

Biotechnológia Mi is az? Bármilyen technológia, amely biológiai rendszereket élő szervezeteket, vagy azok bármilyen származékát alkalmaz termékek vagy gyártási eljárások kifejlesztésére vagy módosítására. 1970 elött: elsősorban az élelmiszeripar és az agrárgazdaság termékei és eljárásai 1970 után: elsősorban a biológiai kutatásokban felhasznált laboratóriumi eljárásokon- alapuló új technológiák, mint rekombináns DNS technikák, szövetkultúra alapú eljárások, növényi rendszerekben végzett horizontális gén-transzfer vagy élő akár emlős szervezetek klónozása 2 2009. 11. 24.

Biotechnológia Milyen módszereket m alkalmaz? A biotechnológia változatos módszereket és tudományterüleket alkalmaz: Genetika Molekuláris biológia Biokémia Sejtbiológia és embriológia (őssejt kutatás) Bioinformatika Vegyész és biomérnöki módszerek Robotika Nano-biotechnológia 3 2009. 11. 24.

Biotechnológia Főbb alkalmazási területei rvosi és gyógyászati alkalmazások Agrár és élelmiszeripari alkalmazások Biomérnöki alkalmazások Bioremediáció és biodegradáció 4 2009. 11. 24.

Biotechnológia Gyógy gyászati alkalmazások Farmakogenomika Gyógyszeripari termékek Gén tesztek Génterápia Human Genom Project Klónozás 5 2009. 11. 24.

Biotechnológia Agrár és élelmiszeripar Termő növények hozamának növelése Termő növények ellenállóképességének növelése Élelmiszerkomponensek hozamának és minőségének növelése Élelmiszerek ízének, megjelenésének és állagának javítása Csökkentett peszticid, műtrágya és egyéb agrokemikália felhasználás Termő növények felhasználása új anyagok előállítására 6 2009. 11. 24.

Biotechnológia Biomérn rnöki alkalmazások Hagyományos mérnöki tudományok ötvözése biológiai módszerekkel, termékekkel Új termékek megújuló forrásokból (non-food applications) Biotranszformációkkal kapcsolatos biomérnöki fejlesztések rvosbiológiai mérnökség 7 2009. 11. 24.

Biotechnológia Biodegradáci ció,, bioremediáci ció Biodegradáció anyagok, elsősorban szerves vegyületek lebontása élő szervezetek illetve az általuk termelt enzimek segítségével. A biodegradáció szoros kapcsolatban áll a környezeti ökölógiával, hulladékkezeléssel és a biodegradáción alapuló remediációval. A szerves anyagok lebontása alapvetően lejászódhat anaerob módon (oxigén nélkül) ill. aerob (oxigént felhasználó) eljárásokkal. Bioremediáció: olyan eljárás, melynek során mikroorganizmusokat, gombákat vagy zöld növényeket ill. az általuk termelt enzimeket használjuk fel a természetes környezet eredeti állapotának helyreállítására, elsősorban a szennyező anyagok lebontásával. Bakteriális bioremediáció használható fel például talaj klórozott szénhidrogénmentesítése során. Másik példa lehet az olajszennyezések mikrobiális degradációjának gyorsítása nitrát és szulfát műtrágyák alkalmazásával. 8 2009. 11. 24.

A fermentáci ció és s a biotranszformáci ció összehasonlításasa FERMENT Nem definiált olcsó szénforrás, ERMENTÁCIÓ Egyszerű N, P, S, nyomelem forrás Definiált szerkezetű termék BITRANSZFRMÁCIÓ Definiált szerkezetű szubsztrát Definiált szerkezetű termék Előnyök, hátrányok + Bonyolult, többlépéses folyamat "egyszerű" kivitelezése - Összetett elegy (tápanyagok, melléktermékek, stb.), nehezebb kinyerés - Összetett mikrobiológiai ismeretek, több tapasztalat szükségeltetik Biokatalizátor tor Előnyök, hátrányok + Egyszerűbb közeg, "tisztább" reakció - Izolált, tisztított biokatalizátor "drágább", előállítása bonyolultabb lehet - "Kevesebb" ismeret, egyszerűbb megvalósíthatóság 9 2009. 11. 24.

A biokatalizátorok torok és s alkalmazási területeik A biokatalízis különféle célokra többféle biokatalizátor felhasználásával alkalmazható Többsejtes rendszerek Mikroorganizmusok Enzimek Gyógyszer Finomvegyszer Kozmetikum - Üzemanyag 10 2009. 11. 24. A biob iokatalizátorok legtöbbsz bbször enzime mek

A biokatalizb iokatalizátorok torok megjelenési formái Mikroorganizmusok, egész-sejtes rendszerek Enzimek Élő egész-sejtes rendszerek Homogén enzim Holt sejtek Részlegesen tisztított enzim Feltárt sejt, nyers enzimkészítmény 11 2009. 11. 24.

Biotranszformáci ció - Korai előzm zmények MIKRBILÓGIAI ENZIMATIKUS I. e. 2000: Ecetgyártás első emlékei biokatalizátor H + 2 2 biokatalizátor H + 2 2 H + H + H 2 H 2 1836: (Schwann) A gyomornedv aktív komponense (pepszin) in vitro emészti a húst 1876: (Kühne) Az "enzim" fogalom XIX. sz: Az első "rögzített sejtes bioreaktor" (ágakon megkötött sejteken átfolyó alkoholtartalmú oldat) 1858: (Pasteur) Borkősav mikrobiológiai reszolválása 1930: (Knoll AG) L-Efedrin gyártás CH S. cerevisiae H H kémiai H NHMe 1894: (E. Fischer) α-me-glc maltáz α-glc β-me-glc emulzin β-glc 1914: (Zemplén G.) Kb. 150 oldalas magyar nyelvű összefoglaló az enzimek kémiai alkalmazásáról (pl. ricinusmag izolátum használata zsír-bontásra több tonnás tételben) 12 2009. 11. 24.

Enzimkatalízis zis Történelmi mérfm rföldkövek 1836: 1836: (Schwann (Schwann) Hús Hús in in vitro vitroemésztése pepszinnel pepszinnel 1876: 1876: (Kühne (Kühne) Az Az "enzim" "enzim" név név és és fogalom fogalom 1890: 1890: (Takamine (Takamine Co.) Co.) Takadisztáz Takadisztáz --az az első elsőiparilag alkalmazott alkalmazottenzimkészítmény 1897: 1897: (Hill (Hill) Az Az enzimműködés enzimműködés reverzibilis reverzibilis (hidrolázok) (hidrolázok) 1906: 1906: (Pottevin (Pottevin) Metil Metil oleát oleát szintézise szintézise gyakorlatilag gyakorlatilag szerves szerves közegben közegben (MeH (MeH + olajsav) olajsav) 1913: 1913: (Michaelis, (Michaelis, Menten) Menten) Az Az enzimkatalízis enzimkatalízis kinetikai kinetikai alapjai alapjai 1926: 1926: (Summer (Summer) Ureáz: Ureáz: az az első elsőkristályos fehérje. fehérje. Az Az enzim fehérje enzim fehérje kapcsolat kapcsolatfelismerése 1950-es 1950-es évek évek (Watson, (Watson, Crick Crick és és s többent többen) A DNS, DNS, RNS RNS szerkezete, szerkezete, a a genetikai genetikai kód kód 1967: 1967: (Phillips (Phillips) Lizozim Lizozim --Röntgen Röntgen krisztallográfia: krisztallográfia: az az első elsőfehérje harmadlagos harmadlagos szerkezet szerkezet 1969: 1969: (Gutte, (Gutte, Merrifield) Merrifield) A Ribonukleáz Ribonukleáz A enzim enzim kémiai kémiai totálszintézise totálszintézise 11'931 11'931 műveletben műveletben 1969: 1969: (Tanabe (Tanabe Co) Co) Az Az első elsőiparilag alkalmazott alkalmazott rögzített rögzített enzim enzim (Aminoaciláz L-metionin) 1983: 1983: (Ensley (Ensley) Az Az első elsőiparilag alkalmazott alkalmazott rekombináns rekombináns mikroorganizmus mikroorganizmus (Pseudomonas (Pseudomonas putida putidagének Esherichia Esherichia coli coli indigó indigóelőállítás) 1986: 1986: (Klibanov (Klibanov) Az Az enzimek enzimek többsége többsége működőképes működőképes "vízmentes" "vízmentes" szerves szerves közegben közegben 1992: 1992: (többen (többen) HIV-1 HIV-1 proteáz proteáz (99 (99 aminosav) aminosav) enantiomer enantiomer formájának formájának szintézise szintézise D-aminosavakból D-aminosavakból (az (az enzimek enzimek sztereoszelektivitásának forrása forrása kiralitásuk) kiralitásuk) HIV-1 HIV-1 proteáz proteáz L-aminosavból L-aminosavból álló állópeptideket hasítja hasítja ent-hiv-1 ent-hiv-1 proteáz proteáz D-aminosavakból D-aminosavakból álló állópeptideket hasítja hasítja 13 2009. 11. 24.

A biokatalízis fejlődése, megtorpanása és reneszánsza nsza Kémiai tömegtermelés Fosszilis források - kõolaj - kõszén Környezetvédelem, Megújuló nyersanyag és energiaforrások jelentõsége nõ Világválság II. Világháború lajválság 14 2009. 11. 1880 24. 1900 1920 1970 Mindennapi 1990 KémiaK

A szintetikus biológia hierarchiája Szekvenálás, génexpresszió, promoter tervezés, in silico tervezés, DNS szintézis, irányított evolúció, aptamerek in silico tervezés, irányított evolúció 1970 után Szintetikus szabályzási hálózat módosítás Genetikai szabályzókörök, genom redukció, genom szintézis 15 2009. 11. 24.

Enzimek szerkezete Enzim < = > Egy adott funkciót t katalizáló fehérje Elsődleges szerkezet > Aminosavak kapcsolódási sorrendje Másodlagos szerkezet > Aminosavak láncbeli relativ helyzete (hélix, redő, rendezetlen hurok, stb.) Harmadlagos szerkezet > Peptidláncok teljes térszerkezete Negyedleges szerkezet > Egy vagy több peptidláncból és további prosztetikus csoportokból álló enzim teljes térszerkezete Szerkezet hatékonyság, szelektivitás 16 2009. 11. 24.

Enzimek elsődleges és s másodlagos m szerkezete Elsődleges szerkezet Másodlagos szerkezet MNKKEWEEKYVKPLLERSPERKKEFKTSSGIVVDRLYTPEDVEIDYENKL GYPGVYPFTRGVYPTMYRGRLWTMRQYAGFGTAEETNRRYRYLLEQGQTG LSVAFDLPTQIGYDSDHPMALGEVGKVGVAIDTIEDMEILFNGIPLGKVS TSMTINSTCAQILSMYVAVAEKQGVERANLRGTVQNDMLKEYIARGTYIF PPEPSLRLATDIIMFCAKEMPKWNSISISGYHMEEAGATPVQEVAFTLAD GITYVEKVIERGMDVDSFAPRLSFFFAAGNNFLEEIAKFRAARRLWARIM KERFNAKNPRSMMLRFHVQTAGCTLTAQQPENNIVRVALQALAAVLGGCQ SLHTNSFDEALCLPTEKAVRIALRTQQIIAEESGVADVVDPLGGSYYIEW LTDRIEEEAMKYIEKIDEMGGMIKAIESGYVQREIQKSAYEKQKAIDEGE ITVVGVNKYQIEEEIQIELLRVDKAVVEKQIRRLQEFRKNRDAKKVEEAL RLRKAAEKEDENLMPYVLDAVKARATLGEMTDALRDVFGEFRAPEIF DNS aminosav sorrend tekeredés folding 17 2009. 11. 24.

Enzimek harmadlagos és s negyedleges szerkezete Harmadlagos szerkezet Negyedleges szerkezet Harmadlagos és negyedleges szerkezet aktív konformáció aktív konformáció (szubsztrátum illeszkedése reakció lejátszódása) denaturálódás (az aktív szerkezet irreve5rzibilis változása biológiai inaktiváció) 18 2009. 11. 24.

Enzimek szerkezete Az aktív v centrum A karboxipeptidáz A enzim aktív v centruma: (a) az aktív centrum sematikus ábrája; (b) a fehérje aktív centruma a Cbz-Gly-Phe szubsztrátummal (feltételezhető elhelyezkedés). A piros vonalak a fontos aminosavoldalláncokat, a kék vonalak a szubsztrátum hidrogén-hidas kötési helyeit jelzik. pozitív katalízis (szubsztrátum és az aktív hely katalitikus részeinek illeszkedése) negatív katalízis (szubsztrátum védelme, biológiai védőcsoport ) 19 2009. 11. 24.

Enzimkatalízis zis koenzimekkel és s nélkn lkülük a) koenzim nélküli enzim b) szorosan kötött koenzimmel működő enzim c) nem szorosan kötött koenzimmel működő enzim Koenzimek (coe) (pl. B 12 koenzim) a) vagy b) típusú enzimek (pl. hidrolázok) alkalmazás szempontjából előnyösek kapcsolt regenerációs rendszer Vitaminok (pl B 12 vitamin) gyakran a koenzimek prekurzorai Enzim koenzim kölcsönhatások típusai 20 2009. 11. 24.

Enzimek Szerkezet / hatás összefüggések A metilmalonil-coa mutáz (MCM) reakció és az MCM - szubsztrát komplex Metilmalonil-CoA mutáz szerkezet, PDB: 4REQ, [Evans, et al.] Szukcinil-CoA Metilmalonil-CoA B 12 -koenzim ( Ado-Cbl ) 21 2009. 11. 24.

? Valóság - Kísérlet Modell l?? 22 2009. 11. 24.

Fehérj rjék k szerkezetének meghatároz rozása HTP kristályos lyosítás 23 2009. 11. 24.

Fehérj rjék k szerkezetének meghatároz rozása HTP kristályos lyosítási si eredmények 24 2009. 11. 24.

Fehérj rjék k szerkezetének meghatároz rozása Röntgen krisztallográfia 25 2009. 11. 24.

Fehérj rjék k szerkezetének meghatároz rozása NMR spektroszkópia pia Az NMR mérések során a magok mágneses perdületének változásai követhetőek a magok környezetétől függően. Értkető módon a magok érzékenyen reagálnak a kémiai környezet változásaira így a módszer erről ad információt. Az NMR spektroszkópusok alapvetóen a proteinek oldatfázis zisú szerkezetét képesek vizsgálni. Fontos információk nyerhetőek a fehérjék dinamikus viselkedéséről is. 26 2009. 11. 24.

Fehérj rjék k szerkezetének meghatároz rozása NMR módszer m lépéseil 27 2009. 11. 24.

Fehérj rjék k szerkezetének meghatároz rozása NMR spektroszkópia pia 28 2009. 11. 24.

29 2009. 11. 24.

Fehérj rjék k szerkezetének meghatároz rozása és biomolekulák 3D szerkezeti adatbázisa Röntgenkrisztallográfia NMR módszerekm Elektron mikroszk kroszkópia Elektron diffrakc kció Kísérleti szerkezetek: Protein data bank (PDB) As of Tuesday Nov 11, 2008 there are 54194 Structures PDB Statistics M. J. Foster: Micron 2002, 33, 365-384. 30 2009. 11. 24.

Protein homológia modellez ezés Homológia modellezési ezési módszerekm M. J. Foster: Micron 2002, 33, 365-384. Homológia modellezés ezés kísérleti szerkezettel nem rendelkező de de ismert genetikai szekvenciájú protein - 3D proteomika egyik eszköze ze Szekvenálás (SwissProt, TrEMBL) jóval egyszerűbb mint a 3D 3D szerkezet meghatározás A 3D 3D szerkezetek felhasználása funkció molekuláris szintű megértése Lehetséges alkalmazás -- szerkezet alapú gyógyszertervezés Fragmens alapú módszerek (CMPSER/SYBYL; HMLGY // InsightII) Távolság alapú módszerek (MDELLER // InsightII) Automata homológia modell szerverek (Swiss-Model: http://www.expasy.ch/swissmod/swiss-mdel.html) Critical Assessment of of Structure Prediction (CASP) Folyamatos ellenőrzés 31 2009. 11. 24.

Protein homológia modellez ezés M. J. Foster: Micron 2002, 33, 365-384. A szekvencia azonosság g foka <30 <30 %: %: megbízhatatlan modellek 30-60 %: %: megbízható modellek kevésbé megbízható régiókkal >60 >60 %: %: jó jóminőségű modellek (C (C α RMSD < 1 Å) Å) A fibroblaszt növekedési faktor modell (alap (alap--patkány keratinocyta GF: GF: ~ 40 40 % azonosság) összevetve a kísérleti szerkezettel (röntgenkrisztallográfia) 32 2009. 11. 24.

PAL modell PAL röntgen r szerkezet Homológia modell összehasonlítása két röntgenszerkezettel PAL (R. toruloides) röntgen PAL (petrezs.) modell PAL (petrezs.) röntgen Homológi modellezés: bonyolultabb fehérjék (pl. (pl. fenilalanin ammónia-liáz, PAL) PAL) modellezése 33 2009. 11. 24.

Ligandumok dokkolása fehérj rjék k szerkezetéhez Modell ligandum dokkolása Modell fehérjéhez Heparinnal komplexált kísérleti szerkezet 34 2009. 11. 24.

Virtuális szűrés Ligandumok automatizált dokkolása 35 2009. 11. 24.

Biokatalízis általános jellemzői Enyhe körülmk lmények + Hatékonys konyság (a kémiai reakciók akár 10 12 -szoros gyorsítása) + Szubsztrátspecifit tspecifitás + - ("Pont az én szubsztrátom nem?") Szelektivitás Jellemző Előny Hátrány + (Eredendő sztereoszelektivitás) Majdnem minden kémiai k reakciónak létezik l enzimatikus megfelelője Környezetbarát, könnyen lebomlik + - (Egész sejtes ill. nyers készítményeknél több enzim ellentétes irányban működhet) + - (Instabilitás) Ár + (Könnyen megújuló) - (Tisztítás drága) 36 2009. 11. 24.

Biokatalízis Szelektivitások típusait SZUBSZTRÁT SZELEKTIVITÁS TERMÉK SZELEKTIVITÁS S 1 T 1 T 1 k 1 reagens k 1 = k 2 k 2 S k 1 reagens k 1 = k 2 k 2 S 2 T 2 T 2 KEMSZELEKTIVITÁS Konstitúciójukban különböző, de kémiailag hasonlóan viselkedő csoportok között REGISZELEKTIVITÁS Konstitúciós izomerek között Eltérő konstitúciójú helyre kapcsolódó csoportok DIASZTEREMER SZELEKTIVITÁS DIASZTERETÓP SZELEKTIVITÁS Diasztereomerek között Diasztereotóp csoportok / felületek között ENANTIMER SZELEKTIVITÁS ENANTITÓP SZELEKTIVITÁS Enantiomerek között Enantiotóp csoportok / felületek között Poppe, L., Novák, L.: Selective Biocatalysis: A Synthetic Approach, Verlag Chemie: Weinheim-New York, 1992. 37 2009. 11. 24.

Enyhe, hatékony katalízis (akrilamid) CN nitriláz H 2 NH 2 Az akrilamid amely nagy tömegben felhasznált polimeripari alapanyag, jelenlegi felhasználása kb. 200 000 t/év előállítására a Nitto Co (Japán) nitriláz enzimmel, enyhe körülmények közt végzett hidrolízisen alapuló eljárást dolgozott ki. E technológia segítségével 1985-ben például már ~ 6000 t akrilamidot gyártottak. 38 2009. 11. 24.

Regioszelektív v izomerizáci ció (inverz cukor) H H H H α-d-glükopiranóz H glükóz izomeráz H H H H H α-d-fruktofuranóz H H H H H β-d-fruktopiranóz A világszerte több helyen több 100'000 t/év mennyiségben előállított termék gazdaságos termelése kifinomult eljárásokat igényel. Jellemző adatként megemlíthető, hogy mára 18'000 kg termék állítható elő egyetlen kg rögzített biokatalizátor felhasználásával. 39 2009. 11. 24.

Akirális vegyület letekek világa Alíz csodaországban 40 2009. 11. 24.

Belépés s a királis vegyület letekek világába Hát persze, hiszen ez tükörország! 41 2009. 11. 24.

Királis vegyületek élettani hatások A DNS, az élet alapvető információhordozója is monokirális How would you like to live in Looking-glass House, Kitty? I wonder if they'd give you milk, there? Perhaps Looking-glass glass milk isn't good to drink... Az aminosavak, a fehérjék építőkövei és a fehérjék szintén királisak 42 2009. 11. 24.

Eltérő enantiomerek eltérő biológiai hatása Íz, aroma, illat H H HC NH 2 NH H L,L-(-)-aszpartám (R)-(+)-limonén (1R,3R,4S)-(-)-mentol (R)-(+)-szulkatol (édes/keserű) (narancs/citrom illat) (mentol íz/íztelen) (feromon/hatástalan) Gyógyszer, hatóanyag H H NH 2 CH N H N N H H H N NH L-DPA (S)-(-)-nikotin (-)-atropin (S)-(-)-talidomid (anti-parkinson/mellékh.) (méreg/gyengébb) (hatásos/inaktív) (nyugtató/teratogén) 43 2009. 11. 24.

Levéltetvekt ltetvektől l az oroszlánig A nepetalactone több levéltetű szex-feromon komponense: Macskamenta (Nepeta cataria) H H az egyik enantiomer hatásos H (5S,8S,9R)-Nepetalactone H H A nepetalactone a házi macskák és az oroszlán viselkedésére hat: az egyik vagy másik enantiomer hatásos, a racemát t nem hat 44 2009. 11. 24.

Az enantiomerek megkülönb nböztetése királis szelektor Királis reagens, katalizátor vagy rezolválószer preferált enantiomer királis szelektor nem preferált enantiomer Enzimek: királis biokatalizátorok 45 2009. 11. 24.

Királis kulcsvegyület let korszerű fejlesztési si stratégi giája Cél: egy adott enantiomer tiszta formájának elõállítása Biokatalízis Kémiai katalízis Mikrobiológia: (klasszikus és rekombináns egész sejtes technológiák) Biokatalízis: (enzimatikus módszerek) Homogén katalízis: (aszimmetrikus katalízis) Heterogén katalízis: (aszimmetrikus katalízis) 1. Technológia 2. Technológia 3. Technológia 4. Technológia Gazdaságossági elemzés (a környezetvédelmi szempontokat is beleértve) Kiválasztott + tartalék technológia ipari léptékû termelésre Magas enantiomer tisztaságú termék 46 2009. 11. 24.

Enantiomer szelektív v hidrolízis (Taxol intermedier előáll llítása) HN imm. lipáz (Ps. cepacia) H 2 HN (3R,4S)-Ac + HN H Taxol > 96 % (az enantiomerre) > 99.5 %ee A Bristol-Myers cég által 150 l-es reaktorban, 1,2 kg/sarzs-nagyságban, rögzített (tehát többször felhasználható) enzim segítségével végrehajtott folyamatában a nem hidrolizáló acetát enantiomer hűtés hatására kiválik, így könnyen kinyerhető. 47 2009. 11. 24.

Enantiomer szelektív v hidrolízis racemizáci cióval (L-lizin előáll llítása) Az enantiomer szelektív folyamatok gazdaságossága nagymértékben megnövelhető, ha a racém elegyból az egyik enantiomer forma nem csupán kinyerhető, hanem a racemát teljes mennyisége a kívánt enantiomer formává alakítható. HN rac-akl NH 2 L-lizin laktamáz (C. laurentii) H 2 AKL racemáz (Achromobacter obae) D-AKL 48 2009. 11. 24. HN NH 2 NH 2 + H 2 N CH L-lizin > 99 % (a racemátra) > 99,5 %ee A Toray Industries (Japán) 4000 t/év kapacitású tankreaktorokban egész sejtek felhasználásával állít(ott) elő L-lizint. Az enantiomer szelektív hidrolízist a Cryptococcus laurentii sejtekben található L-lizin laktamáz enzim, míg az in situ racemizációt az Achromobacter obae sejtekben meglévő α-amino-ε-kaprolaktám racemáz enzim végzi.

Prokirális diol enantiotóp p szelektív v acilezése (fungicid intermedier előáll llítása) F H F F H lipáz F (C. antarctica) H > 74 % (az enantiomerre) > 99 %ee F F gombaölõszerek N N N X A Schering-Plough (USA) cégnél a diolból Candida antarctica lipáz enzime által katalizált reakció segítségével több kg-os léptékben állították elő a kívánt királis monoacetátot. 49 2009. 11. 24.

Keton enantiotóp p szelektív v reduktív v aminálása (kofaktor enzimes regenerálása L-terleucin) CH + NH 3 - H 2 leucin dehidrogenáz NH 2 CH L-terleucin 74 % >99 %ee Az enzimek sok esetben külön hozzáadott kofaktorokat igényelhetnek a katalízis során. Ekkor komoly problémát jelenthet a kofaktorok folyamatos, hatékony regenerálása, mivel e nélkül az igen drága kofaktorokból sztöchiometrikus mennyiségre lenne szükség. NADH NAD + formiát dehidrogenáz C 2 HCH A Degussa-Hüls AG (Németország) a rák- és HIV-ellenes szerek szintézisében intermedierként felhasználható L-terleucin tonnás léptékben történő előállítása során használt fel L-leucin dehidrogenáz/formiát dehidrogenáz enzimeket az enantiotóp szelektív reduktív aminálás/nadh regenerálás megvalósítására 50 2009. 11. 24.

KÖSZÖNÖM FIGYELMÜKET 51 2009. 11. 24.