tema 10 biotransformaciones1
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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.