Ein Biokatalysator ist ein Molekül, das mindestens eine chemische Reaktion beschleunigt, ohne dabei selbst verbraucht zu werden. Während des Reaktionsprozesses nimmt der Biokatalysator aktiv teil, kehrt jedoch nach der Reaktion in seinen Ausgangszustand zurück. Dadurch kann er zahlreiche Reaktionen hintereinander katalysieren.
Die erste bewusste Nutzung eines Biokatalysators wird Jöns Jakob Berzelius zugeschrieben, der ihn zur Hydrolyse von Stärke einsetzte.
Enzyme, Ribozyme und Zellen als Biokatalysatoren
Die meisten Biokatalysatoren sind Enzyme, die aus Aminosäuren bestehen und als Proteine organisiert sind. Sie setzen spezifische Substrate um und können durch sogenannte Inhibitoren in ihrer Funktion gehemmt oder verlangsamt werden. Eine besondere Form der Enzyme sind immobilisierte rekombinante Enzyme, die durch Protein-Engineering optimiert und an Trägermaterialien gebunden werden. Dies erhöht ihre Stabilität und erleichtert ihre Rückgewinnung nach der Reaktion.
Neben Enzymen existieren auch Ribozyme, die aus Ribonukleinsäuren bestehen und ebenfalls katalytisch aktiv sein können. Gelegentlich fungieren sogar ganze Zellen als Biokatalysatoren, indem sie biochemische Reaktionen ermöglichen.
Ohne Biokatalysatoren wären die lebenswichtigen chemischen Prozesse aller Organismen nicht möglich. Sie sind essenziell für die Existenz von Leben, wie wir es kennen.
Anwendung in der organischen Synthese
Biokatalysatoren spielen eine bedeutende Rolle in der organischen Synthese, da sie Reaktionen unter milden Bedingungen mit hoher Selektivität ermöglichen. Besonders vorteilhaft ist ihre Fähigkeit zur enantioselektiven Synthese, da sie meist nur eines von zwei möglichen Spiegelbildisomeren eines Moleküls erzeugen – eine Präzision, die in der klassischen chemischen Synthese oft schwer zu erreichen ist.
Durch die Immobilisierung von Biokatalysatoren auf Trägermaterialien lassen sie sich mehrfach verwenden. Ein Beispiel hierfür ist die Fixierung von Alkoholdehydrogenasen (ADH) mit ihren Coenzymen auf Superabsorberpolymeren (SAP). In Kombination mit Isopropylalkohol als Lösungsmittel und Regenerationsmittel entstehen chirale Alkohole mit hoher Reinheit und Ausbeute.
Industrielle Nutzung und Beispiele
In der Industrie werden Biokatalysatoren wie Lipasen, Esterasen, Proteasen, Amylasen und Oxidasen in verschiedenen Reaktionsmedien eingesetzt, sowohl in Wasser als auch in organischen Lösungsmitteln. Seit den 1980er-Jahren weiß man, dass sie auch in überkritischen Flüssigkeiten aktiv sein können.
Ein konkretes Beispiel für einen Biokatalysator ist Chymotrypsin, ein Enzym, das Eiweiße spaltet. Ohne dieses Enzym wäre im Labor eine extrem harsche Reaktionsführung mit konzentrierter Salzsäure und hohen Temperaturen erforderlich.
Die folgende Grafik veranschaulicht noch einmal schematisch, wie ein Biokatalysator ein Substrat in ein Produkt umwandelt.
Der vorliegende Text stellt eine vollständig überarbeitete und neu strukturierte Fassung des Wikipedia-Artikels „Biokatalysator“ dar. Er unterliegt der Lizenz CC BY-SA 3.0 und enthält keine inhaltlichen Ergänzungen über die Originalquelle hinaus. Stand: 25.03.2025
[…] ist der Einsatz von Biokatalysatoren in der Chemischen Industrie bisher auf wenige Gebiete beschränkt. Denn die Enzyme sind häufig […]