Curso Posgrado Ciencias y Tecnologías Químicas. Procesos de Química Sostenible utilizando enzimas como catalizadores

Procesos de Química Sostenible utilizando enzimas como catalizadores

Curso Posgrado

Ciencias y Tecnologías Químicas

Curso Posgrado 2012

Martes 17

Tema 1. Enzimas como catalizadores industriales 10.00-11.00 CHARLA INTRODUCTORIA

Tema 2. Aplicación de enzimas en diferentes áreas de la Química.

11.00-12.00 Profesor: Jose Miguel Palomo

2.1 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 carbohidratos

Miercoles 18

10.00-11.00 Profesor: Gloria Fernandez (CIAL,CSIC) 2.2 Aplicación de enzimas en Química de alimentos.

- Modificación enzimática de alimentos

- Síntesis de aditivos alimentarios: Alimentos funcionales 11.00-12.00 Profesor: Cesar Mateo

2.3 Aplicación de enzimas en Química analítica.

- Enzimas como biosensores

- Trasformación de residuos en compuestos de alto valor añadido - Tratamiento de residuos altamente tóxicos

Jueves 19

10.00-11.00 Profesor: Cesar Mateo 2.4 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 catalizadores 11.00-12.00 Profesor: Jose Miguel Palomo

3.1.- Purificación de enzimas

- Purificación de lipasas por adsorción interfacial

- Purificación de enzimas por mecanismos de afinidad.

Viernes 20

10.00-11.00 Profesor: Cesar Mateo 3.2.- 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 soportes 11.00-12.00 Profesor: Jose Miguel Palomo

3.3.- Modificación de enzimas - Modificación fisica

- Modificación química al azar - Modificación dirigida

Lunes 23

10.00-11.00 Profesor: Cesar Mateo

3.4.- Estabilización de enzimas mediante métodos de inmovilización.

11.00-12.00 Profesor: Jose Miguel Palomo

3.5.- 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 hidrofóbicos P2.- Purificación de proteínas con dominios de fusión

P3.- Inmovilización covalente de enzimas P4.-Estudio de estabilidad de enzimas

P5.- Hidrólisis regioselectiva de esteres quirales catalizadas por lipasas inmovilizadas

Lunes 23

15.00-18.00 P1,P2 Martes 24

10.00-13.00 P1,P2 15.00-18.00 P3 Miercoles 25 10.00-18.00 P4 Jueves 26 10.00-18.00 P5 Viernes 27

10.00-12.00 Dudas y examen

PROGRAMA

Curso Posgrado 2012

Parte práctica (20 h)

Economía atómica

Eficiencia

Productos químicos menos tóxicos

Selectividad

Especificidad Materiales

renovables

Enzimas

ENZIMAS (PROTEINAS) = POLIMEROS DE AMINO-ACIDOS

OH NH₃+ COOH 5H

OH

NH₂ CH C NH CH C NH

O O

R₁ R₂

O NH C

NH CH

Rn

COOH

C COOH

NH

H

R

SH

ENZIMAS : POLIMEROS COMPACTOS

H COO-

NH₃ +

OH O



NH₃ +

CATALISIS ENZIMATICA Y CAMBIOS CONFORMACIONALES

l variar la actividad catalítica

l variar la orientación del sustrato m regioselectividad

m estereoespecificidad l nuevos sustratos ???

COO-

OH

O H



Tiempo de la reacción

E + S

E + P

 Alta eficienca catalítica 10 ⁸ -10 ¹² 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-amilasa

amiloglucosidasas

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 estables activas baratas

X 3

+ 3 MeOH /EtOH

Ácidos, Bases

Oligopéptidos bioactivos

Karayannidou A.

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

Process Biochem. 2007,42 ,740-744

Compuestos alto valor 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 O O

CH₂OH

OH

OH O O

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)-talidomida Enfermedad de la mañana (S)-talidomida

teratogenico

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

Nicolaou Danishefsky

Holton

OH

O

O

OTBS

NNHSO₂Ar (-)-borneol

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

34,1723

NH O OH

O

O O OH

O OH 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 dirigida 2. Modificación química 3. 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 2012

Lipase from candida antarctica

PYMOL 0.99

Curso Posgrado 2012

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

Curso Posgrado 2012