El empleo de enzimas aisladas o de células enteras (que incluyen cofactores como ATP, NAD o CoASH, entre otros) como catalizadores para síntesis química, se conoce como biocatálisis179. El uso de esta técnica para llevar a cabo transformaciones estereoselectivas, está adquiriendo gran auge en las últimas décadas, tanto en el sector académico como en la industria180. La gran abundancia de enzimas en la naturaleza capaces de producir compuestos enantioméricamente puros, nos permite realizar transformaciones de manera eficiente y selectiva para obtener una gran variedad de compuestos quirales181.
La decisión de emplear enzimas aisladas o el microorganismo entero (libre o inmovilizado) depende de muchos factores, como el tipo de reacción, si hay cofactores involucrados que necesiten ser reciclados, o la escala a la que debe realizarse la reacción. Además, el empleo de la célula completa puede presentar otros problemas entre los que destacan: que otra enzima metabolice el sustrato, el transporte hacia dentro y hacia afuera de la célula del producto o del sustrato, o que estos sean tóxicos para la célula182.Sin embargo, el uso de células enteras es muy útil cuando se hacen múltiples reacciones catalizadas por enzimas, o cuando las enzimas requieren estar unidas a la membrana. En casos como preparaciones a gran escala en la industria se pueden emplear enzimas inmovilizadas que presentan muchas ventajas183,184. Suelen ser más activas y más estables, y los rendimientos de la relación espacio-tiempo de reacciones optimizadas suelen ser más altos181,185.
Un conjunto de estudios bioquímicos, microbiológicos y de ingeniería bioquímica (biotecnología) ha llevado al desarrollo de rutas para la obtención de compuestos, desde aminoácidos hasta penicilinas, partiendo de fuentes económicas de carbono como son los carbohidratos186.
59 El empleo de enzimas para catalizar reacciones no siempre es posible. Su uso presenta una serie de ventajas aunque también diversas desventajas182:
Ventajas
• Puede aumentarse la tasa de transformación hasta en 10 veces187. • Amplia tolerancia a la variabilidad estructural de sustratos.
• Alto grado de regio, estéreo y enantioselectividad.
• La reacción se puede llevar a cabo en condiciones suaves.
• Las enzimas pueden sobreexpresarse y actuar incrementando la eficiencia y/o la especificidad de unión al sustrato.
• Baja sobrecarga operacional.
• Reacción considerada como “química verde” o sostenible con el medio ambiente188.
• Baja producción de desechos con un ratio de efectividad alto.
• Los desechos producidos por la fermentación son, normalmente, sostenibles y pueden ser retiradas por el sistema municipal de recogida de residuos.
Desventajas:
• Inestabilidad de algunas enzimas en estado aislado.
• Necesidad de cofactores cuando se emplean oxidoreductasas. • Baja disponibilidad comercial y coste de aislamiento elevado así
como alta sobreexpresión de las enzimas requeridas.
• Dificultad de sustitución de procesos ya establecidos, debido a que la biocatálisis suele aceptarse mejor para nuevos productos cuyo proceso de obtención no existe todavía.
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Existen más de 3000 enzimas conocidas, las cuales se pueden clasificar en seis grupos mayoritarios:
Tipo de enzima Actividad
Oxidoreductasas
llevan a cabo oxidación de alcoholes, dobles enlaces, cetonas así como reducción de cetonas, aldehídos y enolatos
Hidrolasas
producen la formación e hidrólisis de esteres, péptidos, glicéridos, etc.
Liasas
generan enlaces múltiples, adición- eliminación de pequeñas moléculas sobre enlaces C=C, C=N, C=O, etc.
Isomerasas producen la isomerización de olefinas y racemización
Ligasas forman de enlaces C-O, C-N, C-S y enlaces fosfóricos.
Transferasas
producen la transferencia de grupos de una molécula a otra (metilo, acilo, fosfato, glicosilo y de grupos amino)
De esta clasificación, las enzimas más empleadas son las hidrolasas, muy útiles para la resolución de racematos y desimetrización de moléculas
meso con la consiguiente formación de compuestos enantioméricamente
puros. Por otro lado, las enzimas oxidoreductasas se emplean para convertir compuestos aquirales y meso en enantiómeros ópticamente puros.
61 Como se ha comentado antes, la biocatálisis ha suscitado gran interés en las últimas décadas, sobre todo en la industria farmacéutica189,190. La síntesis de moléculas con centros estereogénicos supone en muchas ocasiones un reto para la obtención de compuestos enantioméricamente puros. A raíz de este problema, se han desarrollado múltiples aproximaciones basadas en métodos organometálicos y organocatalíticos que pueden llegar a convertirse en síntesis complejas180.
4.1. Importancia de las transaminasas (TAs)
La obtención de aminas enantioméricamente puras es una técnica de síntesis que ha generado un gran interés, sobre todo en la industria farmacéutica y agrícola191. Las aminas quirales son uno de los componentes estructurales básicos para la formación del núcleo de los fármacos con centros quirales 192. Existen diferentes aproximaciones biocatalíticas para la obtención de aminas quirales, como el empleo de hidrolasas, oxidoreductasas o transferasas193. Dentro de los posibles procesos están la resolución cinética con hidrolasas194 o la desracemización con monoamina oxidasa195. Sin embargo, el proceso que ha generado mayor interés es la resolución cinética y síntesis asimétrica con ω-transaminasas (ω-TA)196,197 ya que son la únicas enzimas capaces de producir una aminación estereoselectiva de cetonas de forma natural196,198.
Las transaminasas (TAs) pueden clasificarse en α-TA y ω-TA, basándose en la posición relativa del grupo amino que va a ser transferido en relación al grupo carboxilo del sustrato199. En el caso de α-TA se requiere la presencia de una ácido carboxílico en la posición α respecto a la función ceto o amino y sólo permite la formación de α-amino ácidos192. Sin embargo las ω-TA permiten la aminación de cetoácidos, aldehídos y cetonas200. Existen ω-TAs con preferencia enantioselectiva (R) o (S). Dentro de estos dos grupos de TAs (α-TA y ω-TA) hay una gran cantidad de enzimas, de
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las que se ha estudiado su adecuación para diferentes tipos de reacciones201. Un ejemplo de síntesis en que está involucrada una TA es aquella que emplea aminoácidos como donadores del grupo amino (Esquema 16).
Esquema 16. Trasferencia de un grupo amino biocatalizado por una
transaminasa (ω-TA).
Para conseguir una conversión eficiente es necesario forzar un equilibrio termodinámico favorable mediante la eliminación o retirada del producto ceto formado como subproducto, siendo posible incluso su reciclado con una ácido deshidrogenasa202. Una técnica puede ser mediante la reducción del producto ceto a un ácido hidroxílico para forzar la conversión al grupo amino (Esquema 17).
Esquema 17. Trasferencia de un grupo amino y reducción del producto
secundario formado. R R’ O R R’ NH2 ω-TA L- o D- Alanina Piruvato R R’ O R R’ NH2 TA NH2 O OH O O OH OH O OH LDH/NADH Ácido láctico
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