Voor de leerling

Research4U
2
Uitgeklede enzymen
Voor de leerling
Een enzym nabootsen
Veel chemische reacties vinden spontaan plaats.
Sommige binnen een paar microseconden, andere doen
er wel 100 jaar over. Als je zo’n langzame reactie nodig
hebt om iets te maken, zoals een medicijn of een plastic
De natuur is daar kampioen in. Natuurlijke katalysatoren, ook
wel enzymen, zijn opgebouwd uit speciale eiwitten. Ze zijn
heel selectief, maar ook een beetje kwetsbaar. Bij hoge temperaturen, lage zuurgraad of zonder water in de buurt gaan ze al
snel kapot.
hoesje voor je telefoon, heb je natuurlijk geen tijd om
daarop te wachten. Gelukkig bestaan er deeltjes die een
reactie kunnen versnellen zonder dat ze zelf bij de reactie
verbruikt worden: katalysatoren. Als de reactie voorbij is,
staat de katalysator weer klaar om de volgende reactie
te versnellen.
Sommige katalysatoren kunnen meer dan één chemische
reactie versnellen. Als je een product gaat maken, zoals een
plastic of een medicijn, wil je dat meestal niet. Verschillende
reacties leveren namelijk vaak meerdere eindproducten op.
Bij een plastic tasje is dat niet altijd een probleem, maar bij
medicijnproductie wel. Daar kan elk ongewenst molecuul giftig
zijn voor de patiënt. Daarom is het belangrijk om selectieve
katalysatoren te gebruiken, die heel precies één chemische
omzetting mogelijk maken waarbij één product ontstaat.
Emma
Folkertsma
Leeftijd: 25 jaar
Universiteit:
Universiteit Utrecht
“Eigenlijk werk ik mijn hele onderwijscarrière al op de
top van mijn kunnen,” vertelt Emma. “Ik heb getwijfeld
of ik wel promotieonderzoek zou gaan doen, want ik
ben best wel dyslectisch. Ik heb keihard gewerkt om het
VWO te halen, en met succes! Bij mijn studiekeuze wist
ik dat ik het echt moest hebben van technisch beredeneren, en daarom werd het scheikunde. Gelukkig maar: ik
vind het zo leuk om bij alles wat ik om me heen zie, van
lantaarnpaal tot frisdrank tot medicijn, te weten uit welke
moleculen het is opgebouwd!
Emma Folkertsma probeert tijdens haar promotieonderzoek
aan de Universiteit Utrecht daarom enzymen na te maken in
het chemisch laboratorium. Of eigenlijk: één enzym in uitgeklede vorm. En dat is best ingewikkeld. “Enzymen zijn hele grote
moleculen,” vertelt Emma. “Maar ze gebruiken niet hun hele
‘lichaam’ om reacties te versnellen. Die reacties vinden plaats
in een speciaal gedeelte in het enzym, het actieve centrum. Dat
actieve centrum probeer ik na te maken in het lab. We hopen
dat een los actief centrum minder gevoelig is in niet-lichamelijke omstandigheden. Het zou mooi zijn als het enzym ook in
staat is om reacties te versnellen in een niet-waterige omgeving: een organisch oplosmiddel zoals alcohol.” Alcohol is
namelijk een veelgebruikt oplosmiddel in de medicijnindustrie.
Het type enzymen waar Emma aan werkt, zal onder andere
gebruikt worden in de medicijnindustrie. Het katalyseert de
reactie waarbij een aromatische ring en waterstofperoxide
En ik vind het ook heel erg leuk om dingen te maken in
het lab. Moleculen maken die ik zelf ontworpen heb, die
nog nooit iemand anders ook maar heeft gezien! Dat is
zo stoer.
In mijn vrije tijd zit ik in de werkgroep Exact van de politieke partij GroenLinks. De leden van GroenLinks die in
de Tweede Kamer zitten, vragen ons mee te denken over
allerlei besluiten. Dan rekenen we bijvoorbeeld uit hoeveel sneller je je bestemming bereikt als je 130 km/u rijdt
in plaats van 120 km/u. Dat is trouwens maar een paar
minuten, tussen Groningen en Limburg, maar het kost
wel flink wat meer benzine. Is dat ’t waard? Ook doen we
berekeningen aan de CO2-uitstoot. Het is jammer dat er
niet meer bèta’s in de politiek zitten – dan werden politieke beslissingen misschien meer op feiten gebaseerd
en speelden emoties hopelijk een minder grote rol.”
Research4U
3
Uitgeklede enzymen
Opdracht
And the winner is…
(H2O2) met elkaar reageren tot een cis-dialcohol. De toevoeging cis betekent dat beide alcoholgroepen aan dezelfde kant
van de platte aromatische ring bevestigd zijn. Trans geeft juist
aan dat de alcoholgroepen elk aan een andere kant van de
platte aromatische ring bevestigd zijn (zie Figuur 1).
“Ik heb drie katalysatoren gemaakt en deze op verschillende
manieren getest. Kun jij me
helpen de beste te kiezen?”
In deze opdracht ga je Emma helpen een keuze te maken
uit drie zelfgemaakte katalysatoren. Zij heeft deze gemaakt
en getest. De resultaten zijn verwerkt in grafieken die je op
het werkblad kunt vinden. Bij het testen van een katalysator
wordt er op twee dingen gelet: activiteit en selectiviteit.
Figuur 1: 3D-structuur van twee dialcoholen met in groen de alcoholgroepen. Door de
starre binding van de ring zijn de moleculen twee verschillende producten. Links is
de trans-dialcohol, rechts de cis-dialcohol. Heb je een molecuulbouwdoos op school?
Probeer deze moleculen dan na te maken en zie dat het verschillende moleculen zijn.
Deze afbeelding is een schematische weergave om cis en trans te verduidelijken. In
werkelijkheid zijn de hoeken vrijwel nooit precies 90°. De H-atomen zijn in verband met
1. Activiteit
Met activiteit bedoelen onderzoekers de snelheid waarmee
de gekatalyseerde reactie plaatsvindt, en kijken ze naar de
levensduur van de katalysator. Het gaat dus om hoe snel de
katalysator werkt en hoe lang hij meegaat. Het liefst wil je
natuurlijk dat de katalysator zowel snel als lang kan werken.
de overzichtelijkheid weggelaten.
“Om de reactie precies uit te leggen, gebruik ik meestal
naftaleen als voorbeeld,” vertelt Emma. Naftaleen is een plat
molecuul dat uit twee ringen bestaat. In de ringen zijn enkele
en dubbele C-C-bindingen om en om gerangschikt. Emma’s
enzym katalyseert een additiereactie, waarbij een dubbele
binding tussen twee koolstofatomen wordt verbroken. Aan elk
C-atoom wordt een OH-groep gebonden (zie Figuur 2).
Onderzoekers kijken voor de snelheid naar het aantal gekatalyseerde reacties per seconde. Dit wordt met een Engelse
term ook wel de turnover frequency (TOF) genoemd. Hoe
hoger dit getal, hoe beter de katalysator de reactie versnelt.
Emma heeft voor de drie ontwikkelde katalysatoren (A, B
en C) de TOF gemeten met zowel water als alcohol als oplosmiddel, en bij verschillende temperaturen. De resultaten heeft
ze verwerkt in grafieken.
Opdracht 1 a.
Bekijk grafiek I en II: dit zijn de resultaten van de katalysatoren in waterige oplossing. Licht toe welke katalysator jij het
beste vindt. Let goed op de assen en bedenk wat er met de
lijn wordt uitgedrukt.
Figuur 2: Additiereactie waarbij een cis-dialcohol ontstaat. De dialcohol is op deze manier weergegeven omdat beide OH-groepen ‘aan dezelfde kant uit het papier wijzen’.
“De additiereactie kan worden toegepast op soortgelijke
moleculen om medicijnen te maken. Daarbij is het erg belangrijk dat de twee alcoholgroepen allebei aan dezelfde kant
van de ring terechtkomen”, vertelt Emma. “Want als het ene
alcohol boven de ring uitsteekt en de ander naar beneden (de
trans-vorm), krijg je een molecuul dat giftig kan zijn. Dan doet
het in het lichaam iets anders dan waar het voor bedoeld is.
Het natuurlijke enzym regelt dat vanzelf op de goede manier,
maar mijn kunstmatige katalysator kan dat nog niet helemaal
goed.” ‡
Opdracht 1 b.
Bekijk nu grafiek III en IV: dit zijn de resultaten van dezelfde
drie katalysatoren opgelost in alcohol. Geef aan welke katalysator je nu het beste vindt. Welke katalysator zou je kiezen als
je naar alle vier de grafieken kijkt? Licht je antwoord toe.
“Let op! Er is geen goed of fout
antwoord, zolang je jouw keuze
maar goed toelicht. Maak bij je
beredenering ook gebruik van
informatie uit de tekst.”
Research4U
Opdracht
4
Uitgeklede enzymen
Voor de docent
Een enzymatische
uitdaging!
2. Selectiviteit
De katalysator moet niet alleen snel werken en lang meegaan, maar hij moet ook heel specifiek werken. Hij mag maar
één reactie katalyseren, namelijk die reactie waarbij een
cis-dialcohol ontstaat. Naast de TOF heeft Emma gekeken
naar de totale omzetting per katalysator en hoeveel van het
gemaakte product er in de cis- of trans-vorm is. Met de totale
omzetting bedoelen we het percentage van de beginstof dat
tijdens de reactie is omgezet in een product. Er wordt dus
nog geen informatie gegeven over welk product er is gevormd. Een totale omzetting van 80% betekent dus dat 20%
van de beginstof niet heeft gereageerd. Door de selectiviteit
van het enzym te bepalen, krijg je wel informatie over de
omzetting in de cis-vorm. Emma heeft die gegevens in de
grafieken ‘productverhouding’ weergegeven. Een percentage
in deze grafieken geeft aan hoeveel procent van de beginstof
in het betreffende product is omgezet.
Opdracht 2.
Bekijk nu grafiek V, VI, VII en VIII. Vind je jouw gekozen katalysator uit opdracht 1 nog steeds de beste of zou je nu voor
een ander gaan? Licht je antwoord toe.
.............................................................................
We doen ons best, wij mensen. Maar sommige dingen kan
de natuur nog steeds vele malen beter. Natuurlijke katalysatoren kunnen bijvoorbeeld heel precies reacties laten verlopen.
Zelfs voor stereoselectief een linksdraaiend of rechtsdraaiend
molecuul maken, draaien deze enzymen hun spreekwoordelijke hand niet om. Enzymen winnen terrein als versneller van
industriële processen. Helaas zijn er ook nadelen verbonden
aan enzymen. Bij hoge temperaturen, lage zuurgraad of in
organische oplosmiddelen raken ze al vlug onherstelbaar
beschadigd. Ook zijn enzymen vrij duur en daarom geeft een
groot deel van de chemische industrie nog altijd de voorkeur
aan kleine synthetische katalysatoren. Promovenda Emma
Folkertsma wil het beste van twee werelden: ze kleedt een
enzym uit tot zijn reactieve centrum en maakt alleen dat
centrum na.
In haar onderzoek richt ze zich op het actieve centrum van een
specifieke klasse van ijzer-enzymen (zie Figuur 3 voor actief
centrum). Deze enzymen katalyseren een additiereactie waarbij aromatische ringen, zoals in benzeen of naftaleen, worden
opengebroken. Deze omzetting is nuttig voor de medicijnindustrie. Dit type aromatische ringen komt ook in de natuur
terecht, als onderdeel van onder andere kleurstoffen, plastics
of insecticiden. Emma’s katalysator kan dus ook ingezet worden voor het verwijderen van dit soort vervuiling uit de bodem.
.............................................................................
.............................................................................
.............................................................................
.............................................................................
.............................................................................
Bonusvraag
Kun je nog iets bijzonders ontdekken aan katalysator C op
basis van grafieken VI en VIII? Kun je dat verklaren? ‡
.............................................................................
.............................................................................
.............................................................................
.............................................................................
.............................................................................
.............................................................................
Even een kijkje onder de motorkap. De additiereactie vindt
plaats in het actieve centrum van deze enzymen, die bestaat
uit drie aminozuren en een ijzerion. Twee histidines en een
aspartaat houden het ion zo in het enzym gebonden dat het
nog drie vrije bindingen heeft die nodig zijn voor de reactie.
Aromatische ringen, bijvoorbeeld een molecuul naftaleen,
kunnen door het enzym worden vastgehouden. Een tweede
reactant – meestal zuurstof uit de lucht of toegevoegd waterstofperoxide – wordt met de vrije ijzerion-bindingen gesplitst
tot twee losse zuurstofatomen. Deze zuurstofatomen worden
door het enzym aan de ring gekoppeld, waarbij de dubbele
binding verdwijnt en twee alcoholgroepen ontstaan (zie
Figuur 2 uit de Leerlingtekst).
“De reactie moet stereoselectief zijn, want om dit type enzym
te kunnen gebruiken in de medicijnindustrie, mogen er geen
bijproducten ontstaan,” vertelt Emma. “Ik wil alleen de cisvariant maken, waarbij beide alcoholen aan dezelfde kant
van de naftaleenring zitten. Maar de trans-dialcohol, waarbij
de alcoholgroepen allebei aan een andere kant van de platte
ring zitten, is energetisch een stuk voordeliger om te maken
vanwege de verminderde sterische hindering. Dit onderscheid
tussen stereo-isomeren is met een simpele katalysator moeilijk te maken, maar het natuurlijke enzym heeft er absoluut
geen problemen mee.”