For at kunne udnytte de kemiske forbindelser som findes i biomasse, hvad enten det er i bioraffinaderiet eller i en biobrændstoffabrik, er det nødvendigt først at nedbryde dem til biomassens byggesten (monomerer), hvorefter de kan omdannes til kemikalier til den kemiske industri ved hjælp af mikroorganismer eller kemisk syntese. Nøglen til nedbrydning af biomasse er enzymer. Men hvad er enzymer, hvordan fungerer de, og hvordan udnytter man dem industrielt?
Opbygningen af enzymerMed meget få undtagelser (ribozymer er opbygget af RNA) er alle enzymer proteiner som katalyserer en given reaktion. Ved katalyse forstås at enzymerne ikke forbruges ved reaktionen, men øger den hastighed hvormed ligevægt opstår. Dette sker idet enzymerne sænker aktiveringsenergien for den reaktion de katalyserer (se figur 10).
Proteiner, og dermed også enzymer, har en unik konformation (opbygning), dvs. at et protein med en given specificitet altid ser ud på samme måde, og at der ikke findes to proteiner med forskellig specificitet som ser ens ud. Proteinets konformation kan beskrives ved fire forskellige strukturer:
- Primærstruktur som er givet ved rækkefølgen af aminosyrer.
- Sekundærstruktur som er defineret som lokale strukturer, fx beta sheets og alpha helixer, i det totale protein.
- Tertiær struktur: Den tredimensionelle struktur af proteinet.
- Kvarternær struktur: Strukturen af et proteinkompleks som udgøres af flere peptidkæder.
Her kan du læse meget mere om proteinstruktur. Et enzym kan foruden kæden af aminosyrer indeholde co-faktorer som muliggør bestemte typer af katalyse. Katalysen foregår idet substratet (stoffet som skal omdannes) diffunderer hen til enzymet hvor det binder sig til det aktive site, en "lomme" i enzymet hvor et lille antal af aminosyrer og/eller co-faktorer muliggør en ny reaktionsvej med lavere aktiveringsenergi end stoffet selv kunne præstere i fri opløsning.
Da det aktive site i enzymet er tredimensionelt og ofte kun tillader binding af et bestemt substrat, siges det at enzymer er specifikke (jævnfør den filmene herunder). Som tidligere omtalt er L-glucose biologisk inaktivt og findes ikke i naturen mens D-glucose er det stof der bliver produceret mest af i naturen (ca. 30 % af al biomasse består af cellulose). Dette forklares netop fordi enzymerne er så ekstremt specifikke: Enzymerne som opbygger glucose, tillader kun syntesen af D-isomeren, og de enzymer som nedbryder glucose, kan ligeledes kun anvende D-isomeren som substrat.
Film 1: Et substrat møder et enzym, der har en bindingslomme, som passer til substratet, hvorved substratet omdannes.
Film 2: Et substrat møder et enzym, der ikke har en bindingslomme, som passer til substratet, hvorfor substratet forbliver intakt.
Klassifikation af enzymerSkal man for en given proces nedbryde et bestemt substrat, er man nødt til at finde et enzym som har den rigtige aktivitet. Forskere har derfor lavet et klassifikationssystem, EC-nummersystemet (Enzyme Classification) som baserer sig på de reaktioner enzymerne katalyserer. Dette system specificerer præcis hvilken reaktion et givet enzym katalyserer. Formatet af EC-numrene er niveaudelt ved numre: EC.X.Y.Z.Q. Ønsker man fx at nedbryde cellobiose (dimeren af β-D-glucopyranose) i forbindelse med bioethanol fra halm, skal man anvende et enzym med aktiviteten EC.3.2.1.21;
Hvert nummer har en unik betydning (se figur 11):
- 3: Hydrolase
- 2: Glycosylase
- 1: Glycosylase
- 21: β-D-glucoside glucohydrolase
Man kan anvende Nomenclature Committee of the International Union of Biochemistry and Molecular Biology til at finde EC nummeret på den aktivitet man søger, og derefter bruge ExPASy til at finde de specifikke enzymer med denne aktivitet.
ReaktionskinetikVed nedbrydningen af et givent substrat er det i industrien meget vigtigt at reaktionen mod dannelse af produkt forløber med en rimelig hastighed. Derfor har man brug for metoder til at sammenligne hvor godt en række enzymer med samme aktivitet katalyserer nedbrydningen af substrat. Praktisk kan man her bestemme to konstanter for hvert enzym hvor den ene beskriver den maksimale reaktionshastighed, vmax, som kan opnås ved meget høje substratkoncentrationer, mens den anden beskriver den substratkoncentration som resulterer i halvdelen af den maksimale reaktionshastighed, Km. Denne sammenhæng kan i nogle tilfælde beskrives med Michaelis-Menten modellen, som ses herunder:
[s] er substratkoncentrationen, og v er reaktionshastigheden. En mere detaljeret beskrivelse af Michaelis-Menten-modellen kan læses her. Ønskes en mere detaljere beskrivelse, kan man med fordel læse bogen Enzymkinetik. Denne bog findes også i en nyere trykt udgave.
|