2. Las biotransformaciones son reacciones químicas catalizadas
por células, órganos o enzimas aisladas en las que se aprovechan
las cualidades propias de los biocatalizadores, principalmente su
regio- y estereoespecificidad y su capacidad para llevar a cabo
reacciones en condiciones no extremas de pH y temperaturas. Las
biotransformaciones pueden ser usadas para lograr conversiones
específicas de sustratos complejos usando células vegetales,
animales o microbianas o enzimas purificadas.
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.
3. Los enfoques y desarrollos biocatalíticos son llevados a cabo por
químicos orgánicos –en búsqueda de nuevas herramientas
sintéticas- y por biotecnólogos–quienes buscan nuevas
aplicaciones para sus biocatalizadores-….
la pareja perfecta para el casamiento científico.
Kurt Faber & Ramesh Patel
4. Transformar sustratos naturales y no naturales
Objetivo: Dilucidar rutas bioquímicas y mecanismos enzimáticos
Bi táli i
Década del 70
Biocatálisis como
herramienta de la síntesis orgánica
5. La complejidad de los métodos
Gran componente empírico
Prejuicios contra las reacciones enzimáticamente catalizadas y
Contra las enzimas
6. Se dice de ellas…
Que son muy sensibles
Que son caras
Que solo son activas frente a sus sustratos naturales
Que trabajan solo en ambientes naturales
7. 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
Muchas enzimas ““funcionan”” en solventes orgánicos
8. Además las enzimas son…
catalizadores eficientes
SeE uctiolizlaón geni cbaajams ceonncteent raaccioenpest ambollaeress porcentuales de 0.1 a1%
Pueden actuar en condiciones suaves:
pH 5-8
Temperatura 20-40ªC
Se minimiza el número de reacciones secundarias: descomposiciones,
isomerizaciones, racemizaciones, reordenamientos, etc
9. Además las enzimas son…
catalizadores eficientes
SeE uctiolizlaón geni cbaajams ceonncteent raaccioenpest ambollaeress porcentuales de 0.1 a1%
Son compatibles unas con otras
Exhiben amplia tolerancia de sustrato
Funcionan 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 en
la aceptación de sustratos
No se conocen los sustratos naturales de un gran número de enzimas
perfectamente caracterizadas
10. Además las enzimas son…
catalizadores eficientes
SeE uctiolizlaón geni cbaajams ceonncteent raaccioenpest ambollaeress porcentuales de 0.1 a1%
Son compatibles unas con otras
Exhiben amplia tolerancia de sustrato
Pueden catalizar un amplio espectro de reacciones
Funcionan bajo las mismas o similares condiciones.
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
11. Quimioselección
Las enzimas actúan sobre un solo tipo de grupo
funcional
Esto reduce notablemente el número de reacciones
secundarias
O
M ih t
CH3
H
CH3
OH
Manihot
12. Regioselección
Las enzimas pueden distinguir entre los mismos grupos
funcionales situados en diferentes regiones de una
misma molécula
O O
R1 R2
OH O
R1 R2
Reductasa de levadura
NADP+
OH O
OH O
O OH
Cl OAc
R2
R1
(S), ee>99% (R), ee>99% (S), ee 96%
O O OH
hepáticas
enoato reductasa
rápida
hepáticas
carbonil reductasa
lenta
(-)-carvona (+)-n-dihidrocarvona neo-dihidrocarvenol
13. Estereoselección
Las enzimas son catalizadores quirales.
La quiralidad de los sustratos es reconocida por el
biocatalizador al formar el complejo enzima-sustrato.
Un sustrato proquiral puede ser transformado en
productos ópticamente activos a través de un
proceso de desimetrización.
14. 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
15. 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.
16. 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 con enzimas en solventes orgánicos se corre el riesgo de perder
actividad en relaciones mayores a un orden de magnitud
17. 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
in situ de producto
19. Fermentación vs biotransformación
Biotransformación Fermentación
ORGANISMO Células en desarrollo sumergidas e
inmovilizadas
Células en desarrollo sumergidas
e inmovilizadas
Células en reposo
REACCIÓN Procesos acotados Catalíticos
Una o pocas reacciones
Una o enzimas
Procesos largos
Muchas reacciones
pocas Muchas enzimas
PRODUCTO DE
PARTIDA
Sustrato:
Complejo natural o xenobiótico
Fuentes de C y N
PRODUCTO FINAL Natural o no natural Solo natural
TOLERANCIA A LA
CONCENTRACIÓN DE
Alta/Baja Baja
PRODUCTO FINAL
AISLAMIENTO DE
PRODUCTO FINAL
Sencillo/Complejo Complejo
PRODUCTOS G l t h
SECUNDARIOS
Generalmente pocos Generalmente muchos
20. Células enteras
• Equipamiento mas complejo y caro
•• Complejidad de procesos de purificación
• Necesidad de manejar mayores volúmenes
• Baja tolerancia de sustrato
• Baja productividad
• Baja tolerancia a los solventes orgánicos
• Reacciones laterales
21. j
Ventajas de utilizar células enteras vs. enzimas aisladas:
• No es necesario el agregado ni reciclado de cofactores, ni
de coenzimas, ni de cosustratos
• Las colecciones de organismos disponibles son mucho
más numerosas que las enzimas aisladas comercialmente
accesibles
• Muchas enzimas activas en su ambiente celular no
pueden ser aisladas, caracterizadas y mucho menos
producidas a niveles comerciales
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.
