Biotransformaciones
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Biotransformaciones Las biotransformaciones son reacciones químicas catalizadas por células, órganos o enzimas aisladas en las que se aprovechan las cualidades propias de los biocatalizadores, biocatalizadores principalmente su regio- y estereoespecificidad y su capacidad para llevar a cabo reacciones en condiciones no extremas de pH y temperaturas. Las bi biotransformaciones f i pueden d ser usadas d para lograr l conversiones i específicas de sustratos complejos usando células vegetales, animales o microbianas o enzimas purificadas. p Estos procesos se diferencian sustancialmente de la biosíntesis, en la cual se producen sustancias complejas a partir de moléculas simples y de la biodegradación en la cual sustancias complejas son degradadas enzimáticamente a moléculas sencillas. Los enfoques y desarrollos biocatalíticos son llevados a cabo por químicos orgánicos –en búsqueda de nuevas herramientas sintéticas- y ppor biotecnólogos–quienes g q buscan nuevas aplicaciones para sus biocatalizadores- …. la pareja perfecta para el casamiento científico. Kurt Faber & Ramesh Patel Transformar sustratos naturales y no naturales Objetivo: Dilucidar rutas bioquímicas y mecanismos enzimáticos Década del 70 Biocatálisis Bi táli i como herramienta de la síntesis orgánica La complejidad de los métodos Gran componente empírico Prejuicios contra las reacciones enzimáticamente catalizadas y Contra las enzimas Se dice de ellas… ellas Que son muy sensibles Que son caras Que solo son activas frente a sus sustratos naturales Que trabajan solo en ambientes naturales Desmitifiquemos Sensibilidad: relativamente cierto Tomando ciertas precauciones son asombrosamente estables Costos: variables Además pueden ser reutilizadas Es DEFINITIVAMENTE FALSO que las enzimas solo son activas frente a sus sustratos naturales M h enzimas Muchas i “funcionan” “f i ” en solventes l t orgánicos á i Además las enzimas son… catalizadores eficientes SeEcológicamente utilizan en bajas concentraciones molares porcentuales de 0.1 a1% aceptables Pueden actuar en condiciones suaves: pH 5-8 Temperatura 20-40ªC Se minimiza el número de reacciones secundarias: descomposiciones, isomerizaciones, racemizaciones, reordenamientos, etc Además las enzimas son… catalizadores eficientes SeEcológicamente utilizan en bajas concentraciones molares porcentuales de 0.1 a1% aceptables Son compatibles p unas con otras Exhiben amplia tolerancia de sustrato Funcionan mismas o similares condiciones. Nobajo estánlas supeditadas a su “rol natural” Esto permite realizar varias reacciones biocatalíticas en cascada, Ya sea por sistemas o con enteras. Paradoja: A multienzimáticos mayor especificidad de células 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 eficientes SeEcológicamente utilizan en bajas concentraciones molares porcentuales de 0.1 a1% aceptables Son compatibles p unas con otras Exhiben amplia tolerancia de sustrato Funcionancatalizar bajo las mismas similares condiciones. Pueden unoamplio espectro de reacciones Esto permite realizar varias reacciones biocatalíticas en cascada, Ya sea por sistemas multienzimáticos o con células enteras. Además puden catalizar reacciones que no se logran por métodos tradicionales Como las hidroxilaciones de posiciones no activadas Quimioselección Las enzimas i actúan ú sobre b un solo l tipo i de d grupo funcional Esto reduce notablemente el número de reacciones secundarias O M ih t Manihot OH H CH3 CH3 Regioselección Las enzimas p pueden distinguir g entre los mismos grupos g p funcionales situados en diferentes regiones de una misma molécula O R1 OH Reductasa de levadura NADP+ O R2 O R1 OH O OH O R2 O OH Cl OAc R2 (S), ee>99% (R), ee>99% R1 (S), ee 96% O hepáticas enoato reductasa rápida (-)-carvona O OH hepáticas carbonil reductasa lenta (+)-n-dihidrocarvona neo-dihidrocarvenol Estereoselección Las enzimas son catalizadores quirales. La quiralidad de los sustratos es reconocida por el biocatalizador al formar el complejo enzimasustrato. Un sustrato proquiral U i l puede d ser transformado f d 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 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 son Compatibles con la actividad enzimática. 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 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 j con enzimas en solventes orgánicos g se corre el riesgo g de perder p actividad 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 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 situ in it de d producto d t Biosintéticamente dirigidas Biotransformaciones Xenobióticas Enzimas aisladas Biotransformaciones Célula entera Extractos proteicos o extractos libres de células Fermentación vs biotransformación Biotransformación Fermentación Células en desarrollo sumergidas e inmovilizadas PRODUCTO DE PARTIDA Células en desarrollo sumergidas e inmovilizadas Células en reposo Procesos acotados Catalíticos Una o pocas reacciones Una o pocas enzimas Sustrato: Complejo natural o xenobiótico PRODUCTO FINAL Natural o no natural Solo natural TOLERANCIA A LA CONCENTRACIÓN DE PRODUCTO FINAL Alta/Baja Baja AISLAMIENTO DE PRODUCTO FINAL Sencillo/Complejo Complejo PRODUCTOS SECUNDARIOS Generalmente pocos G Generalmente l t muchos h ORGANISMO REACCIÓN Procesos largos Muchas reacciones Muchas enzimas Fuentes de C y N Células enteras • Equipamiento mas complejo y caro • Complejidad de procesos de purificación • Necesidad de manejar j mayores y volúmenes • Baja tolerancia de sustrato • Baja B j productividad d ti id d • Baja tolerancia a los solventes orgánicos • Reacciones laterales Ventajas j de utilizar células enteras vs. enzimas aisladas: • No es necesario el agregado ni reciclado de cofactores, ni de coenzimas, ni de cosustratos • Las L colecciones l i d organismos de i di disponibles ibl son mucho h más numerosas que las enzimas aisladas comercialmente accesibles • Muchas enzimas activas en su ambiente celular no pueden ser aisladas, caracterizadas y mucho menos producidas d id a niveles i l comerciales i l Es el caso de las enzimas unidas a estructuras de membrana que son muy lábiles en forma aislada. Esto es muy notable para enzimas que introducen funciones oxigenadas a los sustratos siendo las reacciones que ellas catalizan muy difíciles de llevar a cabo por métodos químicos. Por ejemplo mono y dioxigenasas.
