Biocatálisis - Biocatalysis

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 . La biotecnología moderna, la evolución específicamente dirigida , 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

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. 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 .

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

Ventajas de la síntesis quimioenzimática

-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.

-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 la laboriosa purificación del producto o productos a partir de las impurezas que emergen a través de reacciones secundarias puede omitirse en gran medida.
  • 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

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 la metodología normal.

Esquema 1. Resolución cinética

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. Por lo general, estas enzimas son extremadamente selectivas para un enantiómero, lo que da lugar a grandes diferencias de velocidad, lo que permite la desacilación selectiva. Finalmente, los dos productos ahora se pueden separar mediante técnicas clásicas, como la cromatografía .

Resolución enzimática.jpg

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 tanto, estas reacciones deben interrumpirse antes de alcanzar 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 .

Esquema 2. Reducción de levadura

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.

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 . De esta manera, el enantiómero S será consumido continuamente por la enzima mientras se acumula el enantiómero R. Incluso es posible estereoinvertir el S puro en R.

Esquema 3. Aminas terciarias cíclicas enantioméricamente puras

Biocatálisis habilitada por fotorredox

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 . 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. 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 ). Aunque estas especies son capaces de HAT sin irradiación, sus potenciales redox aumentan en casi 2,0 V tras la irradiación con luz visible. Cuando se combina con sus respectivas enzimas (típicamente ene-reductasas ), los químicos han utilizado este fenómeno para desarrollar metodologías de reducción enantioselectiva. Por ejemplo tamaño mediano lactamas se pueden sintetizar en el entorno quiral de un eno-reductasa a través de un reductor, Baldwin favorecida , la ciclación radical terminado por HAT enatioselective de NADPH.

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 .

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.

Otras lecturas

  • 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

Referencias

enlaces externos