Biocatálise - Biocatalysis

Estrutura tridimensional de uma enzima. A biocatálise utiliza essas macromoléculas biológicas para catalisar transformações de pequenas moléculas.

Biocatálise se refere ao uso de sistemas vivos (biológicos) ou suas partes para acelerar ( catalisar ) reações químicas. Nos processos biocatalíticos, os catalisadores naturais, como as enzimas , realizam transformações químicas nos compostos orgânicos . Ambas as enzimas que foram mais ou menos isoladas e enzimas que ainda residem dentro das células vivas são empregadas para essa tarefa. A biotecnologia moderna, especificamente a evolução direcionada , tornou possível a produção de enzimas modificadas ou não naturais. Isso permitiu o desenvolvimento de enzimas que podem catalisar novas transformações de pequenas moléculas que podem ser difíceis ou impossíveis usando a química orgânica sintética clássica. A utilização de enzimas naturais ou modificadas para realizar a síntese orgânica é denominada síntese quimioenzimática ; as reações realizadas pela enzima são classificadas como reações quimioenzimáticas .

História

A biocatálise está na base de algumas das mais antigas transformações químicas conhecidas pelos humanos, pois a produção de cerveja é anterior à história registrada. Os registros mais antigos de fabricação de cerveja têm cerca de 6.000 anos e referem-se aos sumérios .

O emprego de r séculos. Os usos mais óbvios têm sido nos negócios de alimentos e bebidas, onde a produção de vinho, cerveja, queijo, etc. depende dos efeitos dos microrganismos .

Mais de cem anos atrás, a biocatálise foi empregada para fazer transformações químicas em compostos orgânicos não naturais artificiais , com os últimos 30 anos vendo um aumento substancial na aplicação de biocatálise para produzir produtos químicos finos , especialmente para a indústria farmacêutica .

Visto que a biocatálise lida com enzimas e microrganismos, ela é historicamente classificada separadamente de "catálise homogênea" e "catálise heterogênea". No entanto, mecanicamente falando, a biocatálise é simplesmente um caso especial de catálise heterogênea.

Vantagens da síntese quimioenzimática

-As enzimas são ambientalmente benignas, sendo completamente degradadas no meio ambiente.

- A maioria das enzimas normalmente funciona em condições suaves ou biológicas, o que minimiza problemas de reações colaterais indesejadas, como decomposição, isomerização , racemização e rearranjo , que frequentemente afetam a metodologia tradicional.

-Enzimas selecionadas para síntese quimioenzimática podem ser imobilizadas em um suporte sólido. Essas enzimas imobilizadas demonstram estabilidade e reutilização muito altas e podem ser usadas para conduzir reações em modo contínuo em microrreatores.

-Através do desenvolvimento da engenharia de proteínas , especificamente mutagênese dirigida ao local e evolução dirigida, as enzimas podem ser modificadas para permitir a reatividade não natural. As modificações também podem permitir uma faixa mais ampla de substrato, aumentar a taxa de reação ou o turnover do catalisador.

-As enzimas exibem extrema seletividade em relação aos seus substratos. Normalmente, as enzimas exibem três tipos principais de seletividade:

  • Quimiosseletividade : como o objetivo de uma enzima é atuar sobre um único tipo de grupo funcional , outras funcionalidades sensíveis, que normalmente reagiriam em certa medida sob catálise química, sobrevivem. Como resultado, as reações biocatalíticas tendem a ser "mais limpas" e a purificação laboriosa de produto (s) de impurezas que emergem por meio de reações colaterais pode ser amplamente omitida.
  • Regiosseletividade e diastereosseletividade : devido à sua estrutura tridimensional complexa, as enzimas podem distinguir entre grupos funcionais que estão quimicamente situados em regiões diferentes da molécula do substrato.
  • Enantiosseletividade : Como quase todas as enzimas são feitas de L- aminoácidos , as enzimas são catalisadores quirais . Como consequência, qualquer tipo de quiralidade presente na molécula de substrato é "reconhecida" na formação do complexo enzima-substrato. Assim, um substrato pró - quiral pode ser transformado em um produto opticamente ativo e ambos os enantiômeros de um substrato racêmico podem reagir em taxas diferentes.

Essas razões, e especialmente a última, são as principais razões pelas quais os químicos sintéticos se interessaram pela biocatálise. Esse interesse, por sua vez, deve-se principalmente à necessidade de sintetizar compostos enantiopuros como blocos de construção quirais para fármacos e agroquímicos .

Biocatálise assimétrica

O uso de biocatálise para obter compostos enantiopuros pode ser dividido em dois métodos diferentes:

  1. Resolução cinética de uma mistura racêmica
  2. Síntese assimétrica biocatalisada

Na resolução cinética de uma mistura racêmica, a presença de um objeto quiral (a enzima) converte um dos estereoisômeros do reagente em seu produto a uma taxa de reação maior do que para o outro estereoisômero reagente. A mistura estereoquímica agora foi transformada em uma mistura de dois compostos diferentes, tornando-os separáveis ​​pela metodologia normal.

Esquema 1. Resolução cinética

A resolução cinética biocatalisada é amplamente utilizada na purificação de misturas racêmicas de aminoácidos sintéticos. Muitas rotas populares de síntese de aminoácidos, como a Síntese de Strecker , resultam em uma mistura de enantiômeros R e S. Esta mistura pode ser purificada por (I) acilação da amina usando um anidrido e então (II) desacilação seletiva apenas do enantiômero L usando acilase de rim de porco. Essas enzimas são tipicamente extremamente seletivas para um enantiômero levando a diferenças muito grandes na taxa, permitindo a desacilação seletiva. Finalmente, os dois produtos agora podem ser separados por técnicas clássicas, como a cromatografia .

Resolução Enzymatic.jpg

O rendimento máximo em tais resoluções cinéticas é de 50%, uma vez que um rendimento de mais de 50% significa que algum do isômero errado também reagiu, dando um excesso enantiomérico menor . Essas reações devem, portanto, ser encerradas antes que o equilíbrio seja alcançado. Se for possível realizar tais resoluções sob condições onde os dois substrato-enantiômeros estão racemizando continuamente, todo o substrato pode, em teoria, ser convertido em produto enantiopuro. Isso é chamado de resolução dinâmica .

Na síntese assimétrica biocatalisada , uma unidade não quiral torna-se quiral de tal forma que os diferentes estereoisômeros possíveis são formados em diferentes quantidades. A quiralidade é introduzida no substrato por influência da enzima, que é quiral. A levedura é um biocatalisador para a redução enantiosseletiva de cetonas .

Esquema 2. Redução de fermento

A oxidação Baeyer-Villiger é outro exemplo de reação biocatalítica. Em um estudo, um mutante especialmente projetado de Candida antarctica foi considerado um catalisador eficaz para a adição de Michael de acroleína com acetilacetona a 20 ° C na ausência de solvente adicional.

Outro estudo demonstra como a nicotina racêmica (mistura de enantiômeros S e R 1 no esquema 3 ) pode ser desracemizada em um procedimento único envolvendo uma monoamina oxidase isolada de Aspergillus niger que é capaz de oxidar apenas a amina S-enantiômero em imina 2 e envolvendo um par de redução amônia - borano que pode reduzir a imina 2 de volta à amina 1 . Desta forma, o enantiómero S será continuamente consumido pela enzima enquanto o enantiómero R se acumula. É ainda possível estereoinverter S puro em R. puro

Esquema 3. Aminas terciárias cíclicas enantiomericamente puras

Biocatálise habilitada para fotoredox

Recentemente, a catálise fotoredox foi aplicada à biocatálise, permitindo transformações únicas e anteriormente inacessíveis. A química da fotoredox depende da luz para gerar intermediários de radicais livres . Esses intermediários radicais são aquirais, portanto, misturas racêmicas de produto são obtidas quando nenhum ambiente quiral externo é fornecido. As enzimas podem fornecer este ambiente quiral dentro do sítio ativo e estabilizar uma conformação particular e favorecer a formação de um produto enantiopuro. As reações de biocatálise habilitadas para fotoredox se enquadram em duas categorias:

  1. Coenzima Interno / cofator fotocatalisador
  2. Fotocatalisador externo

Certos cofatores comuns de transferência de átomo de hidrogênio ( HAT ) ( NADPH e Flavin ) podem operar como reagentes de transferência de elétron único ( SET ). Embora essas espécies sejam capazes de HAT sem irradiação, seus potenciais redox são aumentados em quase 2,0 V com a irradiação de luz visível. Quando emparelhados com suas respectivas enzimas (tipicamente ene-redutases ), esse fenômeno tem sido utilizado por químicos para desenvolver metodologias de redução enantiosseletiva. Por exemplo, lactamas de tamanho médio podem ser sintetizados no ambiente quiral de uma ene-redutase através de uma ciclização radical redutora, favorecida por baldwin , terminada por HAT enatiosseletivo de NADPH.

A segunda categoria de fotoredox possibilitou reações biocatalíticas usando um fotocatalisador externo (PC). Muitos tipos de PCs com uma grande variedade de potenciais redox podem ser utilizados, permitindo uma maior sintonia de reativo em comparação com o uso de um cofator. Rosa de bengala , e PC externo, foi utilizado em conjunto com um oxioreductase para médias enantiosselectivamente desacilar alfa-acil- tamanho cetonas .

Usar um PC externo tem algumas desvantagens. Por exemplo, PCs externos geralmente complicam o projeto de reação porque o PC pode reagir com o substrato ligado e não ligado. Se ocorrer uma reação entre o substrato não ligado e o PC, a enantiosseletividade é perdida e outras reações colaterais podem ocorrer.

Leitura adicional

  • Mortison, JD; Sherman, DH (2010). "Fronteiras e oportunidades em síntese quimioenzimática" . J Org Chem . 75 (21): 7041–51. doi : 10.1021 / jo101124n . PMC  2966535 . PMID  20882949 .

Veja também

Referências

links externos