Helmholtz-Gemeinschaft

Einleitung
3,5 · 10 7 Wassermoleküle benötigt (Kazandjian und Klibanov, 1985). Ein geringer Anteil an
Wasser ist also auch in diesen Systemen immer vorhanden, zumal auch bei der Lyophilisation
der Enzyme das fest an das Enzym gebundene Wasser nicht entfernt werden kann. Deshalb
werden sie auch als zweiphasige Systeme mit sehr geringem Wasseranteil angesehen
(Halling, 1987). Dabei spielt die Zusammensetzung der wässrigen Komponente eine große
Rolle, denn diese beeinflusst ebenfalls die Aktivität des Enzyms. Dies zeigen vor allem
Beispiele mit Enzymen, die in Puffern mit verschiedenen pH-Werten lyophilisiert wurden und
deren Aktivität in organischen Lösungsmittel abhängig von diesen pH-Werten variierten
(Kazandjian und Klibanov, 1985, Krishna, 2002). Da das gebundene Wasser für die Aktivität
der Enzyme zwingend notwendig ist, sind polare (hydrophile) organische Lösungsmittel in
diesen Systemen weniger geeignet, denn sie neigen dazu dem Enzym das oberflächengebundene
Wasser zu entziehen (Kijima et al., 1999, Klibanov, 1997).
1.2.2 Reaktionssysteme mit wassermischbaren Kosolventien
Mit Wasser mischbare unkonventionelle Medien als Kosolventien, z.B. Ethanol,
Polyethylenglycol (PEG) oder Dimethylsulfoxid (DMSO) können ebenfalls zu einer
Erhöhung der Substrat- oder Produktlöslichkeit führen, gleichzeitig können sie positiven
Einfluss auf das Reaktionsgleichgewicht, die Aktivität, Stabilität und Selektivität von
Enzymen haben (Castro und Knubovets, 2003). Der Zusatz von Kosolventien führt zu einer
reduzierten Wasseraktivität, wobei die Hydrathülle welche das Enzym umgibt je nach
Kosolventienkonzentration durch Moleküle des Solvents ausgetauscht wird (Castro und
Knubovets, 2003, Khmelnitsky et al., 1991b). Für die Aktivität des Enzyms ist dabei die
tatsächliche Konzentration des gebundenen Wassers von Bedeutung und nicht der
Wasseranteil im Medium. Bei geringen Kosolventienkonzentrationen kann eine optimale
Hydratisierung des Enzyms erreicht werden und so zu höheren Aktivitäten und Stabilitäten
(Kumar und Prakash, 2003) als in rein wässrigen Medien führen (Castro und Knubovets,
2003). Aber bei Erreichen einer kritischen Grenze, welche je nach Enzym und Kosolvents
stark variiert, können dramatische Änderungen in der Proteinstruktur hervorgerufen werden
und zur Denaturierung führen (Khmelnitsky et al., 1991b). Bei multimeren Proteinen kann
zusätzlich eine Anlagerung des Kosolvents an den meist hydrophoben Kontaktflächen der
Monomere stattfinden, so dass eine korrekte Zusammenlagerung unmöglich ist (Kumar und
Prakash, 2003). Daher ist der Einsatz von Kosolventien meist nur begrenzt möglich. Neben
der Dehydratisierung des Enzyms können hydrophobe Wechselwirkungen der Kosolventien
mit hydrophoben Aminosäureresten auftreten, welche sich im Zentrum des Enzyms zusam-
6