UvA-DARE (Digital Academic Repository)
Oxidation reactions catalyzed by Vanadium peroxidases.
ten Brink, H.B.
Link to publication
Citation for published version (APA):
ten Brink, H. B. (2000). Oxidation reactions catalyzed by Vanadium peroxidases.
General rights
It is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the author(s) and/or copyright holder(s), other than for strictly personal, individual use, unless the work is under an open content license (like Creative Commons).
Disclaimer/Complaints regulations
If you believe that digital publication of certain material infringes any of your rights or (privacy) interests, please let the Library know, stating your reasons. In case of a legitimate complaint, the Library will make the material inaccessible and/or remove it from the website. Please Ask the Library: https://uba.uva.nl/en/contact, or a letter to: Library of the University of Amsterdam, Secretariat, Singel 425, 1012 WP Amsterdam, The Netherlands. You will be contacted as soon as possible.
Samenvatting Samenvatting
Ditt proefschrift beschrijft een studie naar de oxidatie activiteit van vanadiumm peroxidasen en de mogelijke toepassing van deze enzymen als biokatalysatorenn in de produktie van enantiomeer zuivere sulfoxiden. Aan het beginn van dit project was alleen bekend dat vanadium peroxidasen in aanwezigheidd van waterstofperoxide de oxidatie van haliden katalyseren naar hett bijbehorende hypohaliet zuur, daarom werden deze enzymen vanadium haloperoxidasenn genoemd.
Gevondenn werd dat vanadium bromoperoxidasen afkomstig uit zeewierenn enantioselectieve sulfoxidatie reacties kunnen uitvoeren, waarbij optischh actieve sulfoxiden met hoge selectiviteit worden verkregen. Het vanadiumm chloroperoxidase uit de schimmel Curvularia inaequalis daarentegen vormtt het racemische sulfoxide. Ook is vastgesteld het vanadium peroxidase afkomstigg uit de schimmel de oxidatie van een traditioneel heem bevattend peroxidasee substraat ABTS [2,2'-azino-bis(3-ethylbenzthiazoline-6-sulfonic acid)]] katalyseert.
Dee industriële vraag naar chirale bouwstoffen, waaronder sulfoxiden, is dee laatste twee decennia gegroeid, omdat optisch actieve verbindingen zeer bruikbaarr zijn als uitgangsstoffen of intermediairen in de asymmetrische synthesee van geneesmiddelen en geur- en smaakstoffen. De beschikbare synthetischee technieken om deze chirale bouwstenen te maken zijn duur, niet milieuvriendelijkk en/of niet selectief. Biokatalysatoren kunnen wellicht een geschiktt alternatief bieden, als zij voldoen aan de industriële eisen, zoals hoge selectiviteitt en veelzijdigheid en simpel en goedkoop te verkrijgen zijn. De vanadiumm peroxidasen zijn zeer selectieve enzymen met een hoge operationele stabiliteitt en kunnen in principe op grote schaal tegen lage kosten worden geproduceerd.. Wanneer de vanadium peroxidasen worden vergeleken met overeenkomstigee katalytische systemen, de heem peroxidasen en vanadium(V) peroxo-complexen,, dan blijkt dat deze enzymen gevoelig te zijn voor oxidatievee inactivatie en dat de metaalcomplexen een lagere selectiviteit vertonenn dan de vanadium peroxidasen. Hierbij moet echter vermeld worden datt de vanadium enzymen op dit moment minder veelzijdig zijn dan de andere tweee systemen.
l i l l
Hoofdstukk 1 begint met een algemene inleiding om dit interdisciplinairee project te plaatsen tussen de verschillende onderzoeksgebiedenn waaraan het gekoppeld is. Het doel en de rechtvaardiging vann dit onderzoeksproject worden gegeven, evenals enige achtergrond informatie.. In een overzicht worden de eigenschappen van het vanadium bromoperoxidasee (VBPO) uit Ascophyllum nodosum en het (recombinant) vanadiumm chloroperoxidase ((r)VCPO) uit Curvularia inaequalis besproken en dezee eigenschappen worden vergeleken met enkele karakteristieken van vanadium(V)) peroxo-complexen. Aangenomen wordt dat deze metaalcomplexenn functioneren als modellen voor de vanadium peroxidasen, omdatt ze ook peroxidase activiteit vertonen en vergelijkbare structurele kenmerkenn bezitten.
Hoofdstukk 2 beschrijft de sulfoxidatie activiteit van verschillende vanadiumm haloperoxidasen. Het VBPO uit het bruine zeewier A. nodosum katalyseertt in aanwezigheid van waterstofperoxide de sulfoxidatie van methyl fenyll sulfide naar de (7f)-enantiomeer van het bijbehorende sulfoxide in 82%
enantiomeree overmaat (ee). Daarentegen produceert het rVCPO uit C.
inaequalisinaequalis racemisch methyl fenyl sulfoxide. De aanwezigheid van een tot nu toee onbekende bruin gekleurde verbinding in het gezuiverde VBPO van A.
nodosumnodosum heeft een duidelijk negatief effect op de selectiviteit van het VBPO.
Eenn uitvoerigere zuiveringsprocedure resulteert in een ongekleurd enzym preparaatt dat een hogere selectiviteit vertoont. Door de waterstofperoxide concentratiee te verlagen en het oxidatiemiddel in opeenvolgende stappen toe te voegenn kan de selectiviteit van het VBPO geproduceerde sulfoxide worden verbeterdd tot 91% ee. Een minimale omzettingsfrequentie van 1 min"1 is bepaaldd voor het VBPO uit A nodosum met methyl fenyl sulfide als substraat.
Hoofdstukk 3 behandelt de pogingen om de selectiviteit van de sulfoxidatiee activiteit van het VBPO uit A. nodosum verder te verbeteren. De selectiviteitt van de enzymatische sulfoxidatie reactie wordt verhoogd naar 96%
eee door de concentratie van het sulfide en het enzym in het reactiemengsel te vergrotenn en daarbij ook de reactietemperatuur enigszins te verhogen. Uit de experimentenn blijkt dat het VBPO nog steeds werkzaam is bij reactietemperaturenn tot 70°C. Dit resultaat bevestigt de hoge operationele stabiliteitt van het enzym. In dit hoofdstuk worden de gedetailleerde studies beschrevenn waarin lsO-gelabeld waterstofperoxide wordt gebruikt. De
directt zuurstofoverdracht mechanisme, omdat het gelabelde zuurstof direct wordtt geïncorporeerd in het sulfide. Uit vergelijkbare studies waarin 180- gelabeldd water wordt gebruikt blijkt dat het rVCPO sulfoxidatie reacties katalyseertt via een radicaal mechanisme, omdat het zuurstof in het sulfoxide niett afkomstig is van waterstofperoxide, maar van water en mogelijk moleculairr zuurstof.
Hoofdstukk 4 beschrijft het onderzoek naar de sulfoxidatie activiteit van hett VBPO uit A. nodosum waarbij gebruik gemaakt wordt van een groot aantal sulfidenn verschillend van molecuulgrootte en met variërende substitutie patronen.. Activerende substituenten op de para-positie van de aromatische ring,, ten opzichte van de zwavel, van methyl fenyl sulfide hebben een positief effectt op de selectiviteit van de enzymatische sulfoxidatie reactie. Sterk elektronen-zuigendee groepen daarentegen verstoren de reactie. Racemische niet-aromatischee cyclische thioethers worden door het VBPO omgezet naar de bijbehorendee sulfoxiden met hoge kinetische resolutie.
Hoofdstukk 5 beschrijft de waarnemingen dat het rVCPO de oxidatie van eenn traditioneel heem peroxidase substraat ABTS langzaam katalyseert en ook eenn commercieel gebruikte kleurstof kan bleken. Verschillende kinetische studiess zijn uitgevoerd om het oxidatie mechanisme van het enzym in dit process te bepalen. Voorgesteld wordt dat de eerste stap bestaat uit de vorming vann een vanadium peroxo-intermediair, zoals ook is voorgesteld voor het oxidatiee mechanisme van haliden, gevolgd door de oxidatie van twee ABTS moleculenn in twee opeenvolgende één-elektron oxidatie stappen. Daarentegen lijktt het enzym na de eerste elektron overdracht geïnactiveerd te worden door hett geaccepteerde elektron, want de activiteit van het rVCPO neemt geleidelijk aff gedurende de katalyse.
Hoofdstukk 6 evalueert de verkregen resultaten aan de hand van het doel gesteldd door het IOP Katalyse. Binnen het cluster van projecten hebben de vanadiumm (bromo)peroxidasen de meeste kans van slagen als industriële biokatalysatorenn bruikbaar in selectieve zuurstofoverdracht reacties, ondanks dee lage omzettingsfrequentie en tot nog toe beperkte toepassingsmogelijkheden vann deze enzymen.
113 3
