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Estructura tridimensional de una enzima. La biocatálisis utiliza estas macromoléculas biológicas para catalizar transformaciones de moléculas pequeñas.

La biocatálisis se refiere al uso de sistemas vivos (biológicos) o sus partes para acelerar ( catalizar ) reacciones químicas. En los procesos biocatalíticos, los catalizadores naturales, como las enzimas , realizan transformaciones químicas en compuestos orgánicos . Para esta tarea se emplean tanto enzimas que han sido más o menos aisladas como enzimas que aún residen en el interior de las células vivas . [1] [2] [3] Biotecnología moderna, evolución dirigida específicamente, ha hecho posible la producción de enzimas modificadas o no naturales. Esto ha permitido el desarrollo de enzimas que pueden catalizar nuevas transformaciones de moléculas pequeñas que pueden ser difíciles o imposibles utilizando la química orgánica sintética clásica. La utilización de enzimas naturales o modificadas para realizar la síntesis orgánica se denomina síntesis quimioenzimática ; las reacciones realizadas por la enzima se clasifican como reacciones quimioenzimáticas .

Historia [ editar ]

La biocatálisis sustenta algunas de las transformaciones químicas más antiguas conocidas por los humanos, ya que la elaboración de la cerveza es anterior a la historia registrada. [4] Los registros más antiguos de elaboración de cerveza tienen unos 6000 años y se refieren a los sumerios .

El empleo de r siglos. Los usos más obvios han sido en los negocios de alimentos y bebidas donde la producción de vino, cerveza, queso, etc. depende de los efectos de los microorganismos .

Hace más de cien años, la biocatálisis se empleó para realizar transformaciones químicas en compuestos orgánicos artificiales no naturales , y los últimos 30 años vieron un aumento sustancial en la aplicación de biocatálisis para producir productos químicos finos , especialmente para la industria farmacéutica . [5]

Dado que la biocatálisis se ocupa de enzimas y microorganismos, históricamente se clasifica por separado de la "catálisis homogénea" y la "catálisis heterogénea". Sin embargo, mecánicamente hablando, la biocatálisis es simplemente un caso especial de catálisis heterogénea. [6]

Ventajas de la síntesis quimioenzimática [ editar ]

-Las enzimas son ambientalmente benignas, siendo completamente degradadas en el medio ambiente.

-La mayoría de las enzimas funcionan típicamente en condiciones suaves o biológicas, lo que minimiza los problemas de reacciones secundarias no deseadas como la descomposición, isomerización , racemización y reordenamiento , que a menudo afectan a la metodología tradicional.

-Las enzimas seleccionadas para la síntesis quimioenzimática pueden inmovilizarse sobre un soporte sólido. Estas enzimas inmovilizadas demuestran una estabilidad y una capacidad de reutilización muy altas y se pueden utilizar para realizar reacciones en modo continuo en microrreactores. [7] [8]

-A través del desarrollo de la ingeniería de proteínas , específicamente la mutagénesis dirigida al sitio y la evolución dirigida, las enzimas pueden modificarse para permitir una reactividad no natural. Las modificaciones también pueden permitir un rango de sustrato más amplio, mejorar la velocidad de reacción o la renovación del catalizador.

-Las enzimas exhiben una selectividad extrema hacia sus sustratos. Normalmente, las enzimas muestran tres tipos principales de selectividad:

  • Quimioselectividad : dado que el propósito de una enzima es actuar sobre un solo tipo de grupo funcional , otras funcionalidades sensibles, que normalmente reaccionarían hasta cierto punto bajo catálisis química, sobreviven. Como resultado, las reacciones biocatalíticas tienden a ser "más limpias" y se puede omitir en gran medida la laboriosa purificación del producto o productos a partir de las impurezas que emergen a través de reacciones secundarias.
  • Regioselectividad y diastereoselectividad : debido a su compleja estructura tridimensional, las enzimas pueden distinguir entre grupos funcionales que están químicamente situados en diferentes regiones de la molécula de sustrato.
  • Enantioselectividad : dado que casi todas las enzimas están hechas de L- aminoácidos , las enzimas son catalizadores quirales . Como consecuencia, cualquier tipo de quiralidad presente en la molécula de sustrato se "reconoce" tras la formación del complejo enzima-sustrato. Por tanto, un sustrato proquiral puede transformarse en un producto ópticamente activo y ambos enantiómeros de un sustrato racémico pueden reaccionar a diferentes velocidades.

Estas razones, y especialmente las últimas, son las principales razones por las que los químicos sintéticos se han interesado por la biocatálisis. Este interés, a su vez, se debe principalmente a la necesidad de sintetizar compuestos enantiopuros como bloques de construcción quirales para fármacos y agroquímicos .

Biocatálisis asimétrica [ editar ]

El uso de la biocatálisis para obtener compuestos enantiopuros se puede dividir en dos métodos diferentes:

  1. Resolución cinética de una mezcla racémica
  2. Síntesis asimétrica biocatalizada

En la resolución cinética de una mezcla racémica, la presencia de un objeto quiral (la enzima) convierte uno de los estereoisómeros del reactivo en su producto a una velocidad de reacción mayor que para el otro estereoisómero reactivo. La mezcla estereoquímica se ha transformado ahora en una mezcla de dos compuestos diferentes, haciéndolos separables mediante metodología normal.

La resolución cinética biocatalizada se utiliza ampliamente en la purificación de mezclas racémicas de aminoácidos sintéticos. Muchas rutas de síntesis de aminoácidos populares, como la síntesis de Strecker , dan como resultado una mezcla de enantiómeros R y S. Esta mezcla puede purificarse (I) acilando la amina usando un anhídrido y luego (II) desacilando selectivamente sólo el enantiómero L usando acilasa de riñón de cerdo. [9] Estas enzimas suelen ser extremadamente selectivas para un enantiómero, lo que genera grandes diferencias en la velocidad, lo que permite la desacilación selectiva. [10] Finalmente, los dos productos ahora se pueden separar mediante técnicas clásicas, como la cromatografía .

El rendimiento máximo en tales resoluciones cinéticas es del 50%, ya que un rendimiento de más del 50% significa que también ha reaccionado algo de isómero incorrecto, dando un exceso enantiomérico menor . Por lo tanto, estas reacciones deben terminarse antes de que se alcance el equilibrio. Si es posible realizar tales resoluciones en condiciones en las que los dos sustrato-enantiómeros se racemizan continuamente, todo el sustrato puede, en teoría, convertirse en un producto enantiopuro. A esto se le llama resolución dinámica .

En la síntesis asimétrica biocatalizada , una unidad no quiral se vuelve quiral de tal manera que los diferentes estereoisómeros posibles se forman en diferentes cantidades. La quiralidad se introduce en el sustrato por influencia de la enzima, que es quiral. La levadura es un biocatalizador para la reducción enantioselectiva de cetonas .

La oxidación de Baeyer-Villiger es otro ejemplo de reacción biocatalítica. En un estudio, se descubrió que un mutante de Candida antarctica especialmente diseñado es un catalizador eficaz para la adición de Michael de acroleína con acetilacetona a 20 ° C en ausencia de disolvente adicional. [11]

Otro estudio demuestra cómo la nicotina racémica (mezcla de enantiómeros S y R 1 en el esquema 3 ) puede ser descarcemizada en un procedimiento de un solo recipiente que involucra una monoamino oxidasa aislada de Aspergillus niger que es capaz de oxidar solo el enantiómero S de amina a la imina. 2 y con un par reductor amoniaco - borano que puede reducir la imina 2 de nuevo a la amina 1 . [12] De esta manera, el enantiómero S será consumido continuamente por la enzima mientras se acumula el enantiómero R. Incluso es posibleestereoinvierte S puro en R. puro

Biocatálisis habilitada para fotoredox [ editar ]

Recientemente, la catálisis fotoredox se ha aplicado a la biocatálisis, lo que permite transformaciones únicas antes inaccesibles. La química fotoredox se basa en la luz para generar intermedios de radicales libres . [13] Estos radicales intermedios son aquirales, por lo que se obtienen mezclas racémicas de producto cuando no se proporciona un entorno quiral externo. Las enzimas pueden proporcionar este entorno quiral dentro del sitio activo y estabilizar una conformación particular y favorecer la formación de un producto enantiopuro. [14] Las reacciones de biocatálisis habilitadas por fotorredox se dividen en dos categorías:

  1. Coenzima interna / cofactor fotocatalizador
  2. Fotocatalizador externo

Ciertos cofactores comunes de transferencia de átomos de hidrógeno ( HAT ) ( NADPH y Flavin ) pueden operar como reactivos de transferencia de un solo electrón ( SET ). [14] [15] [16] Aunque estas especies son capaces de HAT sin irradiación, sus potenciales redox aumentan en casi 2,0 V con la irradiación con luz visible. [17] Cuando se combina con sus respectivas enzimas (típicamente ene-reductasas ), los químicos han utilizado este fenómeno para desarrollar metodologías de reducción enantioselectiva. Por ejemplo, las lactamas de tamaño mediano se pueden sintetizar en el ambiente quiral de una ene-reductasa a través de un reductor, favorecido por Baldwin., ciclación radical terminada por HAT enatioselectiva de NADPH. [18]

La segunda categoría de reacciones biocatalíticas habilitadas por fotorredox utiliza un fotocatalizador externo (PC). Se pueden utilizar muchos tipos de PC con una amplia gama de potenciales redox, lo que permite una mayor sintonización de reactivo en comparación con el uso de un cofactor. Rosa de Bengala , y PC externo, fue utilizado en tándem con un oxioreductase a alfa-acil- de tamaño medio enantioselectiva desacilar cetonas . [19]

Usar una PC externa tiene algunas desventajas. Por ejemplo, los PC externos suelen complicar el diseño de la reacción porque el PC puede reaccionar tanto con el sustrato unido como con el no unido. Si se produce una reacción entre el sustrato no unido y el PC, se pierde la enantioselectividad y pueden producirse otras reacciones secundarias.

Lectura adicional [ editar ]

  • Mortison, JD; Sherman, DH (2010). "Fronteras y oportunidades en síntesis quimioenzimática" . J Org Chem . 75 (21): 7041–51. doi : 10.1021 / jo101124n . PMC  2966535 . PMID  20882949 .

Ver también [ editar ]

  • Lista de enzimas
  • Enzimas industriales

Referencias [ editar ]

  1. ^ Anthonsen, Thorlief (2000). "Reacciones catalizadas por enzimas" . En Adlercreutz, Patrick; Straathof, Adrie JJ (eds.). Biocatálisis aplicada (2ª ed.). Taylor y Francis. págs. 18–59. ISBN 978-9058230249.
  2. ^ Faber, Kurt (2011). Biotransformaciones en Química Orgánica (6ª ed.). Saltador. ISBN 9783642173936.[ página necesaria ]
  3. ^ Jayasinghe, Leonard Y .; Smallridge, Andrew J .; Trewhella, Maurie A. (1993). "La levadura mediada por la reducción de acetoacetato de etilo en éter de petróleo". Letras de tetraedro . 34 (24): 3949–3950. doi : 10.1016 / S0040-4039 (00) 79272-0 .
  4. ↑ Srinivasan, Bharat (27 de septiembre de 2020). "Palabras de consejo: enseñanza de la cinética enzimática" . La revista FEBS . 288 (7): 2068–2083. doi : 10.1111 / febs.15537 . ISSN 1742-464X . PMID 32981225 .  
  5. ^ Liese, Andreas; Seelbach, Karsten; Wandrey, Christian, eds. (2006). Biotransformaciones industriales (2ª ed.). John Wiley e hijos. pag. 556. ISBN 978-3527310012.
  6. ^ Rothenberg, Gadi (2008). Catálisis: conceptos y aplicaciones verdes . Wiley. ISBN 9783527318247.[ página necesaria ]
  7. ^ Bhangale, Atul; Kathryn L. Beers; Richard A. Gross (2012). "Polimerización catalizada por enzimas de polímeros funcionalizados finales en un microrreactor". Macromoléculas . 45 (17): 7000–7008. Código bibliográfico : 2012MaMol..45.7000B . doi : 10.1021 / ma301178k .
  8. ^ Bhangale, Atul; Santanu Kundu; William E. Wallace; Kathleen M. Flynn; Charles M. Guttman; Richard A. Gross; Kathryn L. Beers (2010). "Polimerización catalizada por enzimas de flujo continuo en un microrreactor". JACS . 133 (15): 6006–6011. doi : 10.1021 / ja111346c . PMID 21438577 . 
  9. ^ Wade, LG, 1947- (2013). Química orgánica (8ª ed.). Boston: Pearson. ISBN 978-0-321-76841-4. OCLC  752068109 .CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
  10. ^ Shviadas, V. Iu; Galaev, I. Iu; Galstian, NA; Berezin, IV (agosto de 1980). "[Especificidad de sustrato de acilasa I de riñón de cerdo]". Biokhimiia (Moscú, Rusia) . 45 (8): 1361-1364. ISSN 0320-9725 . PMID 7236787 .  
  11. ^ Svedendahl, Maria; Hult, Karl; Berglund, Per (diciembre de 2005). "Formación rápida de enlaces carbono-carbono por una lipasa promiscua". Revista de la Sociedad Química Estadounidense . 127 (51): 17988-17989. doi : 10.1021 / ja056660r . PMID 16366534 . 
  12. ^ Dunsmore, Colin J .; Carr, Rubén; Fleming, Toni; Turner, Nicholas J. (2006). "Una ruta quimioenzimática a las aminas terciarias cíclicas enantioméricamente puras". Revista de la Sociedad Química Estadounidense . 128 (7): 2224–2225. doi : 10.1021 / ja058536d . PMID 16478171 . 
  13. ^ Prier, Christopher K .; Rankic, Danica A .; MacMillan, David WC (10 de julio de 2013). "Catálisis fotoredox de luz visible con complejos de metales de transición: aplicaciones en síntesis orgánica" . Revisiones químicas . 113 (7): 5322–5363. doi : 10.1021 / cr300503r . ISSN 0009-2665 . PMC 4028850 . PMID 23509883 .   
  14. ^ a b Nakano, Yuji; Biegasiewicz, Kyle F; Hyster, Todd K (abril de 2019). "Transferencia de átomo de hidrógeno biocatalítico: un enfoque vigorizante para las reacciones de radicales libres" . Opinión actual en biología química . 49 : 16-24. doi : 10.1016 / j.cbpa.2018.09.001 . PMC 6437003 . PMID 30269010 .  
  15. ^ Sandoval, Braddock A .; Meichan, Andrew J .; Hyster, Todd K. (23 de agosto de 2017). "Transferencia de átomos de hidrógeno enantioselectivos: descubrimiento de promiscuidad catalítica en reductasas 'ene' dependientes de flavina". Revista de la Sociedad Química Estadounidense . 139 (33): 11313-11316. doi : 10.1021 / jacs.7b05468 . ISSN 0002-7863 . PMID 28780870 .  
  16. ^ Li, Zhining; Wang, Zexu; Meng, Ge; Lu, Hong; Huang, Zedu; Chen, Fener (abril de 2018). "Identificación de una Ene reductasa de levadura Kluyveromyces Marxianus y aplicación en la síntesis asimétrica de ésteres de (R) -profeno". Revista asiática de química orgánica . 7 (4): 763–769. doi : 10.1002 / ajoc.201800059 .
  17. ^ Emmanuel, Megan A .; Greenberg, Norman R .; Oblinsky, Daniel G .; Hyster, Todd K. (14 de diciembre de 2016). "Acceso a reactividad no natural mediante la irradiación de enzimas dependientes de nicotinamida con luz". Naturaleza . 540 (7633): 414–417. Código Bib : 2016Natur.540..414E . doi : 10.1038 / nature20569 . ISSN 1476-4687 . PMID 27974767 . S2CID 205252473 .   
  18. ↑ Biegasiewicz, Kyle F .; Cooper, Simon J .; Gao, Xin; Oblinsky, Daniel G .; Kim, Ji Hye; Garfinkle, Samuel E .; Joyce, Leo A .; Sandoval, Braddock A .; Scholes, Gregory D .; Hyster, Todd K. (21 de junio de 2019). "La fotoexcitación de flavoenzimas permite una ciclación radical estereoselectiva" . Ciencia . 364 (6446): 1166-1169. Código bibliográfico : 2019Sci ... 364.1166B . doi : 10.1126 / science.aaw1143 . ISSN 0036-8075 . PMC 7028431 . PMID 31221855 .   
  19. ↑ Biegasiewicz, Kyle F .; Cooper, Simon J .; Emmanuel, Megan A .; Miller, David C .; Hyster, Todd K. (julio de 2018). "Promiscuidad catalítica habilitada por catálisis fotoredox en oxidorreductasas dependientes de nicotinamida". Química de la naturaleza . 10 (7): 770–775. Código Bib : 2018NatCh..10..770B . doi : 10.1038 / s41557-018-0059-y . ISSN 1755-4330 . PMID 29892028 . S2CID 48360817 .   

Enlaces externos [ editar ]

  • Centro austriaco de biotecnología industrial - acib
  • El Centro de Excelencia para la Biocatálisis - CoEBio3
  • La Universidad de Exeter - Centro de Biocatálisis
  • Centro de Biocatálisis y Bioprocesamiento - Universidad de Iowa
  • TU Delft - Biocatálisis y química orgánica (BOC)
  • KTH Stockholm - Grupo de investigación en biocatálisis
  • Instituto de Biocatálisis Técnica de la Universidad Tecnológica de Hamburgo (TUHH)
  • Proyecto Biocascadas