Procesos de Química Sostenible utilizando enzimas como catalizadores

Curso PosgradoCiencias y Tecnologías Químicas

Curso Posgrado 2012

Martes 17Tema 1. Enzimas como catalizadores industriales 10.00-11.00 CHARLA INTRODUCTORIATema 2. Aplicación de enzimas en diferentes áreas de la Química.11.00-12.00 Profesor: Jose Miguel Palomo2.1 Aplicación de enzimas en Química orgánica. - Resolución cinética de mezclas racemicas-Procesos asimétricos: desimetrización, condensación aldolica, reducciones, oxidaciones, -epoxidaciones,etc.- Enzimas en la producción de fármacos enatiomericamente puros- Enzimas en química de carbohidratosMiercoles 1810.00-11.00 Profesor: Gloria Fernandez (CIAL,CSIC)2.2 Aplicación de enzimas en Química de alimentos. - Modificación enzimática de alimentos- Síntesis de aditivos alimentarios: Alimentos funcionales11.00-12.00 Profesor: Cesar Mateo2.3 Aplicación de enzimas en Química analítica. - Enzimas como biosensores- Trasformación de residuos en compuestos de alto valor añadido- Tratamiento de residuos altamente tóxicosJueves 1910.00-11.00 Profesor: Cesar Mateo2.4 Aplicación en Energía - Síntesis enzimática de Biodiesel.- Producción de carburantes

Parte Teórica (10 h)

PROGRAMA

Tema 3.- Mejora de las propiedades de las enzimas como catalizadores11.00-12.00 Profesor: Jose Miguel Palomo3.1.- Purificación de enzimas - Purificación de lipasas por adsorción interfacial- Purificación de enzimas por mecanismos de afinidad.Viernes 2010.00-11.00 Profesor: Cesar Mateo3.2.- Inmovilización de enzimas- Métodos de inmovilización por adsorción(Adsorción iónica, hidrofóbica, coordinación con metales)- Métodos de inmovilización covalente de enzimas- Métodos de inmovilización sin la utilización de soportes11.00-12.00 Profesor: Jose Miguel Palomo3.3.- Modificación de enzimas- Modificación fisica- Modificación química al azar- Modificación dirigidaLunes 2310.00-11.00 Profesor: Cesar Mateo3.4.- Estabilización de enzimas mediante métodos de inmovilización.11.00-12.00 Profesor: Jose Miguel Palomo3.5.- Mejora de la selectividad de enzimas de interés industrial- Hidrólisis enantioselectiva de esteres racemicos precursores de fármacos- Desprotección regioselectiva de carbohidratos peracetilados- Síntesis enantioselectiva de antibióticos

Curso Posgrado 2012

PROGRAMA

Profesores: Jose Miguel Palomo, Cesar Mateo y Marco Filice

P1.- Purificación de lipasas utilizando soportes hidrofóbicosP2.- Purificación de proteínas con dominios de fusiónP3.- Inmovilización covalente de enzimasP4.-Estudio de estabilidad de enzimasP5.- Hidrólisis regioselectiva de esteres quirales catalizadas por lipasas inmovilizadas

Lunes 2315.00-18.00 P1,P2Martes 24 10.00-13.00 P1,P215.00-18.00 P3Miercoles 25 10.00-18.00 P4Jueves 26 10.00-18.00 P5Viernes 2710.00-12.00 Dudas y examen

PROGRAMA

Curso Posgrado 2012 Parte práctica (20 h)

Economíaatómica

Eficiencia

Productos químicosmenos tóxicos

Selectividad

Especificidad

Materialesrenovables

Enzimas

ENZIMAS (PROTEINAS) = POLIMEROS DE AMINO-ACIDOS

OH NH3+ COOH 5H

OH

NH2 CH C NH CH C NH

O O

R1 R2

O

CNH

NH CH

Rn

COOH

C COOH

NH2

H

R1

SH

ENZIMAS : POLIMEROS COMPACTOS

H

COO-

NH3+

OHO

NH3+

CATALISIS ENZIMATICA Y CAMBIOS CONFORMACIONALES

l variar la actividad catalítical variar la orientación del sustrato

m regioselectividadm estereoespecificidad

l nuevos sustratos ???

COO-

OH

O H

Tiempo de la reacción

E + S

E + P

Alta eficienca catalítica 108-1012 veces

Condiciones suaves de reaccion (T,pH, medio

acuoso)

Catalizan gran variedad de reacciones

Alta especificidad

Biodegradables

Producción de acrilamida (nitrilhidratasa)

Resolución de mezclas racémicas (lipasas, acilasas)

Almidón …. Fructosa (amilasa, glucoamilasa, etc)

Síntesis de antibióticos -lactámicos (penicilina G acilasa, D amino oxidasa)

Sensores de glucosa (glucosa oxidasa)

Detergentes (proteasas, lipasas)

Algunos hitos de la biocatálisis aplicada

Fermentaciones tradicionales (queso, vino….)

Enzimas

Células Tratamiento aguas residuales (lodos activos)

Fermentaciones industriales: producción de Penicilina (hongos, bacterias)

Proceso de produccion de polimeros superadsorbentes

Polimeros superadsorbentes

Producción de edulcorantes: Jarabes de fructosa

ALMIDON

alfa-amilasaamiloglucosidasas

Produccion de productos deslactosados

Producción de biocombustibles: Biodiesel

Biodiesel: la eterna promesa

Lipasas ?

Aceites/Grasas vegetales Biodiesel

+

Glicerol

Proteínas desnaturalizadas

Proteasas

Ranganathan, S.V.et al.Bioresour. Technol,2008 ,99 ,3975-3981

+

muy establesactivasbaratas

X 3

+ 3 MeOH/EtOH

Ácidos, Bases

Oligopéptidos bioactivosKarayannidou A.Food Chem. 2007,104 ,1728-173 Cheng K.K. et al.

Process Biochem. 2007,42 ,740-744

Compuestos altovalor añadido

Células

1,3 propanodiol

muy selectivas inmovilizadas y estabilizadas

Producción de biocombustibles: Bioetanol

Obtención de glucosa por hidrólisis de polímeros naturales

Celulosa

Glucosa - estables- baratas - activas hacia

substratos insolubles

Almidón

O

CH2OH

OH

OH

O

O

CH2OH

OH

OH

O

O

CH2OH

OH

OH

O O

n

O

CH2OH

OH

OH

OO

CH2OH

OH

OH

OO

CH2OH

OH

OH

O O

n

O

CH2OH

OH

OH

OH

OH

Kumar R. et al.J. Indus Microb Biotechnol. 2008, 35, 377-391

Celulasas

Bioetanol

Amilasas

Producción de fármacos quirales

Farmacos de origen natural: mayoria son quirales

Farmacos sintetizados: 80% mezcla racemica (50:50)

(R)-talidomidaEnfermedad de la mañana

(S)-talidomidateratogenico

Obtención de intermedios quirales de fármacos

1 kg taxol (Taclitaxel® )9000 Kg (300 arboles)Corteza d tejo

Problema: Recurso Natural Escaso

Síntesis Química

J.Am.Chem.Soc. 1994,116, 1597 y 1599.

Síntesis Total del Taxol

NicolaouDanishefsky

Holton

OH

O

O

OTBS

NNHSO2Ar

(-)-borneol

J.Am.Chem.Soc. 1995 117, 624,634,645 y 653

Angew Chem In Ed. 199534,1723

NH

OOH

O

O O OH

OOH O O

O

O

O

O

Síntesis Quimioenzimatica del Taxol

+

Fuente natural (hojas)

Posibles desventajas para su implantación a nivel industrial

Disponibilidad de enzimas

Estabilidad operacional

Efecto inhibicion sustrato/producto

Rango de sustratos

Actividad y selectividad hacia sustratos no naturales

Optimización del Biocatalizador

Biodiversidad: disponibilidad mejores enzimas

Evolución dirigida

Diseño de enzimas semisintéticas

Ingeniería proteínas:

1. Mutagénesis dirigida2. Modificación química3. Medio de reacción

Inmovilización

Herramientas Bioinformaticas: Estructura 3D de proteínas

Curso Posgrado 2012

Banco de datos de estructuras de proteínas: www.pdb.org

Curso Posgrado 2012Lipase from candida antarctica

PYMOL 0.99 Curso Posgrado 2012

2VEO: lipasa de candida antarctica A (conformacion cerrada)

Curso Posgrado 2012