tema 10 biotransformaciones1

Biotransformaciones

Las biotransformaciones son reaccionesreacciones químicasquímicas catalizadaspor células, órganos o enzimas aisladas en las que se aprovechanlas cualidades propias de los biocatalizadores principalmente sulas cualidades propias de los biocatalizadores, principalmente suregio- y estereoespecificidad y su capacidad para llevar a caboreacciones en condiciones no extremas de pH y temperaturas. Lasbi f i d d l ibiotransformaciones pueden ser usadas para lograr conversionesespecíficas de sustratos complejos usando células vegetales,animales o microbianas o enzimas purificadas.p

Estos procesos se diferencian sustancialmente de la biosíntesis, enla cual se producen sustancias complejas a partir de moléculasla cual se producen sustancias complejas a partir de moléculassimples y de la biodegradación en la cual sustancias complejas sondegradadas enzimáticamente a moléculas sencillas.

Los enfoques y desarrollos biocatalíticos son llevados a cabo por químicos orgánicos –en búsqueda de nuevas herramientas

sintéticas- y por biotecnólogos–quienes buscan nuevas y p g qaplicaciones para sus biocatalizadores- ….

la pareja perfecta para el casamiento científico.

Kurt Faber & Ramesh Patel

Transformar sustratos naturales y no naturales

Bi táli i

Objetivo: Dilucidar rutas bioquímicas y mecanismos enzimáticos

Década del 70Biocatálisis como herramienta de la síntesis orgánica

La complejidad de los métodosLa complejidad de los métodos

Gran componente empírico

Prejuicios contra las reacciones enzimáticamente catalizadas y Contra las enzimas

Se dice de ellasSe dice de ellas…

Que son muy sensiblesQue son muy sensibles

Que son caras

Que solo son activas frente a sus sustratos naturales

Que trabajan solo en ambientes naturalesQue trabajan solo en ambientes naturales

Desmitifiquemos

Sensibilidad: relativamente ciertoTomando ciertas precauciones sonTomando ciertas precauciones son asombrosamente estables

Costos: variablesAdemás pueden ser reutilizadas

Es DEFINITIVAMENTE FALSO que las enzimas solo son activas frente a sus sustratosenzimas solo son activas frente a sus sustratosnaturales

M h i “f i ” l t á iMuchas enzimas “funcionan” en solventes orgánicos

Además las enzimas son…

catalizadores eficientesSe utilizan en bajas concentraciones molares porcentuales de 0.1 a1%Ecológicamente aceptables

Pueden actuar en condiciones suaves:pH 5-8Temperatura 20-40ªCSe minimiza el número de reacciones secundarias: descomposiciones, isomerizaciones, racemizaciones, reordenamientos, etc

Además las enzimas son…

catalizadores eficientesSe utilizan en bajas concentraciones molares porcentuales de 0.1 a1%Ecológicamente aceptables

Son compatibles unas con otrasp

Exhiben amplia tolerancia de sustratoFuncionan bajo las mismas o similares condiciones.Esto permite realizar varias reacciones biocatalíticas en cascada, Ya sea por sistemas multienzimáticos o con células enteras.

No están supeditadas a su “rol natural”

Paradoja: A mayor especificidad de reacción, mayor amplitud enParadoja: A mayor especificidad de reacción, mayor amplitud en la aceptación de sustratos

No se conocen los sustratos naturales de un gran número de enzimas perfectamente caracterizadas

Además las enzimas son…

catalizadores eficientesSe utilizan en bajas concentraciones molares porcentuales de 0.1 a1%Ecológicamente aceptables

Son compatibles unas con otrasp

Exhiben amplia tolerancia de sustratoFuncionan bajo las mismas o similares condiciones.Esto permite realizar varias reacciones biocatalíticas en cascada, Ya sea por sistemas multienzimáticos o con células enteras.

Pueden catalizar un amplio espectro de reacciones

Además puden catalizar reacciones que no se logran por métodos tradicionalesComo las hidroxilaciones de posiciones no activadas

Quimioseleccióni ú b l i dLas enzimas actúan sobre un solo tipo de grupo

funcionalEsto reduce notablemente el número de reacciones secundariassecundarias

O

M ih t

CH3

H

CH3

OHManihot

RegioselecciónRegioselección

Las enzimas pueden distinguir entre los mismos grupos p g g pfuncionales situados en diferentes regiones de una misma molécula

R1 R2

O O

R1 R2

OH O

OH O OH O O OH

Reductasa de levaduraNADP+

OH O

R2

OH O

R1

O OH

Cl OAc

(S), ee>99% (R), ee>99% (S), ee 96%

O O OHhepáticas

enoato reductasarápida

hepáticascarbonil reductasa

lenta

(-)-carvona (+)-n-dihidrocarvona neo-dihidrocarvenol

Estereoselección

Las enzimas son catalizadores quirales.La quiralidad de los sustratos es reconocida por el biocatalizador al formar el complejo enzima-sustrato.

U i l d f dUn sustrato proquiral puede ser transformado en productos ópticamente activos a través de un proceso de desimetrización.

Inconvenientes de los procesos biocatalíticos•La naturaleza nos provee de enzimas en una sola forma enantiomérica

Es imposible “crear” la imagen especular de una enzima a partir de los D-aminoácidos

Entonces es imposible en principio invertir la inducción quiral deEntonces es imposible en principio invertir la inducción quiral de una reacción enzimática

Inconvenientes de los procesos biocatalíticos•La naturaleza nos provee de enzimas en una sola forma enantiomérica

•Las enzimas requieren parámetros operacionales que varían en un estrecho rango

Esta ventaja es a veces un “cuello de botella”.

Altas temperaturas, valores de pH o de concentración salina extremos no sonCompatibles con la actividad enzimáticaCompatibles con la actividad enzimática.

Inconvenientes de los procesos biocatalíticos•La naturaleza nos provee de enzimas en una sola forma enantiomérica

•Las enzimas requieren parámetros operacionales que varían en un estrecho rango

•Las enzimas muestran su mayor actividad biocatalítica en H O•Las enzimas muestran su mayor actividad biocatalítica en H2O

El H2O es un solvente de alto PE, alto calor de vaporización.

La mayoría de los sustratos orgánicos son poco solubles en H2O

Al trabajar con enzimas en solventes orgánicos se corre el riesgo de perder j g g pactividad en relaciones mayores a un orden de magnitud

Inconvenientes de los procesos biocatalíticos•La naturaleza nos provee de enzimas en una sola forma enantiomérica

•Las enzimas requieren parámetros operacionales que varían en un estrecho rango

•Las enzimas muestran su mayor actividad biocatalítica en H O•Las enzimas muestran su mayor actividad biocatalítica en H2O

•Muchas enzimas necesitan cofactores

•Las enzimas son blanco de fenómenos de inhibición

La eficacia de los procesos puede ser afectada por inhibición por sustrato o por producto

Se pueden aplicar técnicas de agregado contínuo de sustrato o de remoción i it d d tin situ de producto

Biosintéticamente dirigidas

Biotransformaciones

Xenobióticas

Enzimas aisladas

Extractos proteicos

Célula enteraBiotransformaciones

Extractos proteicos o extractos libres de células

Fermentación vs biotransformaciónBiotransformación FermentaciónBiotransformación Fermentación

ORGANISMO Células en desarrollo sumergidas e inmovilizadas

Células en desarrollo sumergidas e inmovilizadas

Células en reposo

REACCIÓN Procesos acotados CatalíticosUna o pocas reaccionesUna o pocas enzimas

Procesos largosMuchas reaccionesMuchas enzimasUna o pocas enzimas Muchas enzimas

PRODUCTO DE PARTIDA

Sustrato: Complejo natural o xenobiótico

Fuentes de C y N

PRODUCTO FINAL Natural o no natural Solo naturalPRODUCTO FINAL Natural o no natural Solo natural

TOLERANCIA A LA CONCENTRACIÓN DE

Alta/Baja Baja

PRODUCTO FINAL

AISLAMIENTO DE PRODUCTO FINAL

Sencillo/Complejo Complejo

G l t hPRODUCTOS SECUNDARIOS

Generalmente pocos Generalmente muchos

Células enteras• Equipamiento mas complejo y caro• Complejidad de procesos de purificación• Complejidad de procesos de purificación

• Necesidad de manejar mayores volúmenesj y• Baja tolerancia de sustrato

B j d ti id d• Baja productividad

• Baja tolerancia a los solventes orgánicosBaja tolerancia a los solventes orgánicos• Reacciones laterales

Ventajas de utilizar células enteras vs. enzimas aisladas:

• No es necesario el agregado ni reciclado de cofactores, ni

j

No es necesario el agregado ni reciclado de cofactores, nide coenzimas, ni de cosustratos

L l i d i di ibl h• Las colecciones de organismos disponibles son muchomás numerosas que las enzimas aisladas comercialmenteaccesiblesaccesibles• Muchas enzimas activas en su ambiente celular nopueden ser aisladas, caracterizadas y mucho menos

d id i l i lproducidas a niveles comerciales

Es el caso de las enzimas unidas a estructuras de membrana que son muy lábiles en formaaislada. Esto es muy notable para enzimas que introducen funciones oxigenadas a los sustratossiendo las reacciones que ellas catalizan muy difíciles de llevar a cabo por métodos químicos.Por ejemplo mono y dioxigenasas.