Catlisis I Alumno: Espinosa Jimnez Hugo Ejemplos de uso de catlisis enzimtica en la sntesis de frmacos. Introduccin. Unaenzimaesunaprotenaqueactacomocatalizadorbiolgico,llevandoacabo reacciones bioqumicas a muy altas velocidades, no se consume durante la reaccin y en general presenta un elevado grado de especificidad. Todas las enzimas tienen una estructura tridimensional globular y slo presentan actividad cuando tienen una conformacin espacial que permite establecer una disposicin ptima de los aminocidos de su centro activo o sitio cataltico. Actualmente se conoce la existencia de ms de 3000 tipos de reacciones catalizadas por enzimas; muchas enzimas ya han sido aisladas, purificadas y cristalizadas. Lasenzimastienenlacapacidaddecatalizarreaccionesqumicasdemaneramuy especfica; es decir, su intervalo de accin se limita a un determinado tipo de compuesto quedebereunirciertascaractersticasestructuralesparaquepuedaserutilizadocomo sustrato. Figura 1. Diagrama de energa libre para una reaccin qumica efectuada con catalizador y sin catalizador. El G representa la diferencia de energa libre entre los estados inicial y final de la reaccin. Usos y aplicaciones de enzimas en la industria farmacutica. Una de las reas en donde las promesas de la biotecnologa se han concretado con mayor claridad es, sin lugar a dudas, el de la salud humana. Eldesarrollodelasvacunasyeldescubrimientodelosantibiticosrepresentaronhitos trascendentales que mejoraron sustancialmente la calidad de vida del ser humano a lo largo de los siglos XIX y XX. La sntesis asimtrica es una disciplina esencial en la obtencin de productos de alto valor aadido,ymuyespecialmenteenlasntesisdefrmacos,puesmsdelamitaddelas molculasnecesariasparalaproduccindelosmismospresentanalmenosuncentro estereognico.Parasintetizarestasmolculasencondicionesrespetuosasconelmedio ambiente, los catalizadores juegan un papel esencial, siendo necesario el desarrollo de los mismos,tantoqumicoscomobiolgicos,debidoasucomplementariedad.Hoydase estima que ms de un 10% de los procesos industriales de obtencin de frmacos precisa de biocatalizadores. Aunqueprobablementeseanlasenzimashidrolticaslasmsutilizadasen biotransformaciones,noobstanteexistenotrosmuchosprocesosqueconducenala sntesis de frmacos, mediados por biocatalizadores de tipo no hidroltico. El empleo de las enzimas denominadas oxidorreductasas constituye unaalternativa muy atractivadesdeelpuntodevistamedioambientalfrentealempleodecatalizadores qumicos, que generalmente contienen metales de transicin. En este sentido, sealaremos queaproximadamenteun25%delasenzimasconocidasadadehoypertenecenala familia de las oxidorreductasas, y el nmero de las mismas que se encuentran disponibles comercialmente est en continuo incremento. Figura 2. Tipos de Oxidorreductasas Estasenzimasredoxcatalizanunamplioespectrodereaccionesdeoxidacinyde reduccin, y han sido objeto de mltiples revisiones en la bibliografa actual; por otra parte, pueden ser divididas en dos grandes grupos, tal y como se refleja en el Figura 1: 1. oxidasas y peroxidasas, que emplean oxgeno molecular como agente oxidante, 2. oxigenasas (mono y dioxigenasas) y deshidrogenasas, que requieren adems el uso de coenzimas solubles complejas. Elprincipalinconvenienteparaelempleoindustrialdeestasltimas,sindudalasms atractivas,radicaenelhechodequeprecisancofactores(bienlibres,comolos dinucletidos de adenina y nicotinamida (NAD(P)+/ NAD(P)H), o bien unidos a la enzima, como el dinucletido de adenina y flavina (FAD), el mononucletido de flavina (FMN) o la pirroloquinolinaquinona (PQQ) para su actividad. Estos cofactores se consumen de manera equimolecular con el sustrato, por lo que, debido a su elevado precio, requieren el diseo de sistemas que permitan su reciclado. Debido a este hecho, se suelen utilizar en forma de clulas enteras, puesto que de esta forma el propio metabolismo celular se encarga de la regeneracin de los cofactores; el proceso resulta, por tanto, mucho ms ventajoso desde el punto de vista econmico, no slo por este hecho, sino tambin porque se reducen los costes implicados en el aislamiento y purificacin de la enzima. Algunosejemplosindustrialesdeaplicacindeenzimasredoxenprocesodeoxidacin aparecen reflejados en la Tabla 1. Tabla 1. Biooxidaciones industriales, clasificadas en funcin del tipo de enzima. Inmovilizacin de enzimas. Para llevar a cabo procesos en los que son utilizadas las enzimas como catalizadores, es importanteconsiderarelmantenimientoylaestabilidadestructuraldeestaspara reutilizarlas, aumentar la eficiencia de produccin y facilitar la recuperacin de la enzima al final de la reaccin. Una enzima inmovilizada es aquella que se encuentra confinada en un espaciodefinidoenelqueseretienesuactividadcatalticaypuedeserreutilizada continuamente. Se han desarrollado varias tcnicas para la inmovilizacin de enzimas, las cuales permiten su uso y aplicacin en muchas reas como en la produccin de alimentos, farmacuticos,biomedicina,comobiosensoresenmtodosanalticos,entreotras.Lo anterior ha sido de gran impacto al minimizar los costos de operacin y la fcil recuperacin de la enzima y la recuperacin del producto. Figura 3. Componentes de un sistema de inmovilizacin: enzima, soporte y tcnica de inmovilizacin; los mtodos ms comunes son (izq.) adsorcin, (centro) atrapamiento y (der.) unin covalente. Por qu inmovilizar enzimas? Existenvariasrazonesparalapreparacinyusodeenzimasinmovilizadas,porejemplo una fcil separacin de la enzima del producto, y la reutilizacin de la enzima. Esto ltimo constituye una de las principales ventajas de las enzimas inmovilizadas, pues su utilizacin durantevariosciclosenlosprocesosagranescalageneraconelpasodeltiempo,una reduccin de costos. Las enzimas de uso industrial en general se exponen a condiciones extremas, tales como altas concentraciones de sustrato, un pH y temperatura elevados, por consiguiente, para la mayora de aplicaciones industriales deben ser inmovilizadas con el objetivo de mejorar su selectividad, actividad y durabilidad. Como ventajas del empleo de enzimas inmovilizadas podemos destacar: 1.MejoradelaestabilidaddelaenzimafrentealpH,temperatura,disolventes, contaminantes e impurezas. 2.La posible reutilizacin del derivado, por lo que disminuyen los costes del proceso. 3.Lacapacidaddedetenerrpidamentelareaccinmediantelaeliminacindela enzima a partir de la solucin de reaccin (o viceversa). 4.El producto no est contaminado con la enzima. 5.Fcil separacin de la enzima a partir del producto (especialmente til en la industria alimentaria y farmacutica). Los principales inconvenientes del proceso de inmovilizacin son: 1.La gran heterogeneidad del sistema enzima-soporte donde pueden existir distintas fraccionesdeprotenasinmovilizadasconundiferentenmerodeunionesal soporte. 2.Siempre suele haber una prdida de actividad de la enzima durante la movilizacin. 3.El biocatalizador es ms caro que la enzima nativa. Usos y aplicaciones de la inmovilizacin de enzimas. La inmovilizacin de enzimas permite una mejora significativa de su estabilidad, lo que hace posiblesuempleoenlaproduccinindustrialdeproductosqumicos,farmacuticos, alimentos; en el tratamiento de residuos; en el diagnstico y tratamiento de enfermedades, yotrasmuchasaplicaciones.Lasaplicacionesmsimportantesdelasenzimas inmovilizadas se pueden clasificar en tres partes: como sensor analtico, en el campo de la medicina y en el sector industrial. Algunosdelosmltiplesejemplosdeenzimasinmovilizadassonlaenzimapenicilina acilasa (amidasa: E.C. 3.5.1.11), ahora es utilizada ampliamente en la produccin del cido-6-aminopenicilanico de la pencilina G y la glucosa isomerasa (E.C. 5.3.1.18) se utiliza en la produccin de jarabe de alta fructosa a partir de la glucosa. Tabla 2. Enzimas inmovilizadas por un propsito farmacutico El uso y la aplicacin de enzimas inmovilizadas en diferentes reas, es muy extenso y han sido de gran impacto por que han minimizado los costes de operacin y por la facilidad en la recuperacin de la enzima y separacin del producto. Esto se debe principalmente a la reutilizacindelbiocatalizadorinmovilizado,locualpermitequeanivelindustrialyotras reas de aplicacin sea considerado como una tecnologa rentable. Para que estas enzimas sean rentables para la industria requieren una tcnica de inmovilizacin eficiente, simple y de bajo costo. Conclusiones. Dadalagrancomplejidadyvariedadenlasestructurasdelosfrmacos,elempleode enzimasredoxsuponeunaalternativamssostenibleyecoamigablefrentealos tradicionales mtodos qumicos para la obtencin de los pertinentes sintones quirales que conduzcanalosdiferentesprincipiosactivos.Lanecesidaddeutilizarcofactores,que podra significar un paso importante para su utilizacin a nivel industrial, ha sido solventada deformaeficientemedianteelempleodesistemasadecuadosparasureciclado, empleandosustratosauxiliaresy/oenzimasauxiliares.Porotraparte,elusode herramientas de ingeniera gentica (mutagnesis dirigida o evolucin dirigida) para mejorar laeficaciacatalticadelasenzimasredox,ascomounadecuadodiseodelmediode reaccinydelbiorreactor,hanpermitidolaimplementacindenumerososprocesos industriales con altas productividades. Bibliografa. Lpez-MunguaA.Enzimaslibreseinmovilizadasdeaplicacinindustrial.En: PerspectivadelaBiotecnologaenMxico.Ed.R.Quintero.FundacinBarros Sierra y Conacyt (1985). Carey, J. 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