Biokatalysator
Als Biokatalysator bezeichnet man ein Biopolymer, das mindestens eine biochemische Reaktion in einem Organismus beschleunigt, indem es die Aktivierungsenergie dieser Reaktion herab- oder (seltener) heraufsetzt. Obwohl der Biokatalysator während der Reaktion chemisch beteiligt ist und dadurch verändert wird, geht er nach Abschluss der Reaktion wieder in seinen Ausgangszustand über, so dass er viele Reaktionszyklen hintereinander katalysieren kann.
Berzelius verwendete als erster wissentlich einen Biokatalysator zur Hydrolyse von Stärke.
Enzyme und Ribozyme
Meist handelt es sich bei Biokatalysatoren um Enzyme. Diese bestehen aus einer Kette von Aminosäuren und sind daher Proteine. Als Substrat bezeichnet man die Verbindung, die von einem Enzym umgesetzt wird. Als Inhibitor wird eine Verbindung bezeichnet, die eine enzymatische Reaktion verlangsamt oder blockiert.
Gerne werden Enzyme auch an ein Trägermaterial gebunden, man bezeichnet einen derartigen Biokatalysator dann als immobilisiertes Enzym (siehe Immobilisierung). Die Vorteile dieser Technik sind, dass der Biokatalysator dann länger stabil bleibt und leichter von dem Reaktionsgemisch wieder entfernt werden kann.
Besteht der Biokatalysator aus Ribonukleotiden, dann handelt es sich um eine katalytisch wirksame Ribonukleinsäure, die man funktionell zu den selteneren Ribozymen zählt.
Biokatalysatoren ermöglichen die biochemischen Reaktionen und physiologischen Prozesse aller Lebewesen. Ohne Biokatalysatoren wäre das Leben, wie wir es auf der Erde vorfinden, undenkbar.
Verwendung
Biokatalysatoren werden aber auch in der organischen Synthese verwendet, da man damit unter sehr milden Reaktionsbedingungen Produkte mit hoher Selektivität herstellen kann. Ein weiterer Vorteil von Biokatalysatoren besteht darin, dass man keine Racemate erhält (die Bildung eines Enantiomers ist zumeist stark bevorzugt). Bei einer chemischen Enantioselektiven Synthese werden derart hohe Enantiomerenüberschüsse in der Regel nicht erreicht.
Für industrielle Zwecke eingesetzte Biokatalysatoren sind Lipasen, Esterasen, Proteasen, Amylasen und Oxidasen.
Dabei werden die Biokatalysatoren nicht nur in wässrigen Reaktionsmedien (Puffer) eingesetzt, sondern sind auch in organischen Lösungsmitteln aktiv. Seit Mitte der 80er ist auch bekannt, dass man Biokatalysatoren in überkritischen Fluiden einsetzen kann.
Ein Beispiel für einen Biokatalysator ist Chymotrypsin, er katalysiert die Spaltung von Eiweißketten. Im Labor wäre dafür konzentrierte Salzsäure bei Siedetemperatur nötig.