Nitrilaasi

Nitrilaasi on hydrolaaseihin kuuluva entsyymi, joka hydrolysoi nitriilejä karboksyylihapoiksi ja ammoniakiksi ilman, että välivaiheena muodostuu amidia. Nitrilaasia esiintyy niin arkeoneissa, prokaryooteissa kuin eukaryooteissakin myös ihmisen elimistössä. Entsyymiä hyödynnetään merkittävissä määrin orgaanisen kemian synteeseissä. Nitrilaasin EC-numero on EC 3.5.5.1. Joskus nitrilaaksiksi kutsutaan myös toista entsyymiä nitriilihydrataasia (EC 4.2.1.84).

Esiintyminen ja toiminta

Nitrilaasi eristettiin ensimmäisen kerran kasveista vuonna 1964 ja sen havaittiin osallistuvan kasvifysiologiaan hydrolysoimalla indoli-3-asetonitriiliä auksiinina toimivaksi indoli-3-etikkahapoksi. Tämän jälkeen entsyymiä on eristetty monista muistakin eliöistä. Nitrilaasin rakenne on samanlaisista alayksiköistä koostuva homo-oligomeeri. Parhaiten tunnettu on Rhodococcus rhodochrous -bakteerin entsyymi. joka esiintyy soluissa inaktiivisena dimeerinä, mutta muodostaa molekyylimassaltaan 480 kDa olevan oligomeerin substraatin kuten bentsonitriilin läsnä ollessa.
Nitrilaasi kykenee hydrolysoimaan laajan kirjon erilaisia nitriilejä karboksyylihapoiksi ja ammoniakiksi. Entsyymistä on tunnistettu yli 200 aminohapposekvenssiltään toisistaan poikkeavaa muotoa, mutta niissä kaikissa on kolme katalyyttisesti tärkeää aminohappoa glutamiinihappoa, lysiiniä ja kysteiiniä. Lisäksi niiden tertiäärirakenne on samankaltainen α-β-β-α-rakenne. Eri eliöiden nitrilaasientsyymit voidaan jakaa kolmeen luokkaan substraattispesifisyyden perusteella. Luokkaan I kuuluvat entsyymit hydrolysoivat erityisesti aromaattisia nitriilejä, luokan II nitrilaasit hydrolysoivat tehokkaimmin alifaattisia nitriilejä ja luokan III nitrilaasit erityisesti aryyliasetonitriilejä.
Nitrilaasin katalysoiman reaktion reaktiomekanismi on toistaiseksi tarkasti tuntematon johtuen entsyymin kiderakenteen huonosta tuntemisesta. Sille on kuitenkin esitetty mahdollinen mekanismi perustuen kaikille nitrilaaseille yhteiseen kolmeen katalyyttisesti tärkeään aminohappoon. Ensimmäisenä vaiheena on entsyymin aktiivisenkohdan nukleofiilinen kysteiiniaminohapon reaktio nitriilin syanoryhmän hiiliatomin kanssa. Näin muodostuu välituotteena tioimidaatti, joka reagoi muodostaen tetraedrimäisen välivaiheen. Tämä välivaihe hajoaa muodostaen tioesterisidoksen nitriilin ja nitrilaasin kysteiiniaminohapon välille ja ammoniakki poistuu lähtevänä ryhmänä. Viimeisessä vaiheessa tioesterisidos hydrolysoituu happamissa olosuhteissa ja karboksyylihappo vapautuu. Glutamiinihappo toimii reaktiossa emäksisenä katalyyttinä ja lysiini stabiloi tetraedrimäistä välivaihetta.

Nitrilaasin hyödyntäminen

Nitrilaasia tuottavat erityisesti Rhodococcus-suvun bakteerit esimerkiksi R. rhodochrous ja R. ruber ja näiden eniten käytetään näiden bakteerien tuottamia entsyymejä. Nitrilaasia hyödynnetään paljon orgaanisen kemian synteeseissä. Erityisen merkittävää on R-mantelihapon ja sen johdannaisten tuottaminen mantelonitriilistä ja johdannaisista, koska niitä käytetään valmistettaessa useita lääkeaineita. Nitrilaasia voidaan hyödyntää asymmetrisessä synteesissä, koska monet entsyymit hydrolysoivat vain tietyn konfiguraation omaavia nitriilejä jättäen toisen enantiomeerin hydrolysoimatta. Tätä ominaisuutta voidaan käyttää myös hyödyksi erotettaessa eri nitriilien enantiomeereja toisistaan resoluutiolla, jolloin väärä enantiomeeri hydrolysoituu ja haluttu enantiomeeri säilyy hydrolysoimattomana ja voidaan eristää liuoksesta.