Biocatalisi

Se [S] >> Km reazione di ordine zero in

[S] d[P] dt = k2[E]0 (10)

Tutti i siti enzimatici sono occupati e ci si riferisce a questa come la velocità massima

-Siti attivi non occupati

Se [S] << Km il rapporto k2 Km (costante di specificità dell’enzima) gestisce la velocità di

reazione

d[P]/ dt = k2[ES] = k2 [E]0[S] /Km (11)

-Meccanismi comuni in catalisi enzimatica

• Solitamente i meccanismi enzimatici vengono suddivisi in

1. catalisi acido base

2. catalisi nucleofila

• Acido Base Bronsted

a. quasi tutti gli enzimi hanno gruppi acidi o basici nel loro sito attivo

b. bifunzionali —> protonazione e deprotonazione dello stesso substrato

c. gli amino acidi spesso coinvolti sono l’acido aspartico, l’acido

glutammico, l’istidina, la cisteina la lisina e la tirosina

• Acido Base Lewis

a. i metalloenzimi contengono uno ione metallico tipicamente con

proprietà di acido di Lewis il vanadio agisce come acido di Lewis

attivando il perossido

• Nucleofila a. gli enzimi sono più efficienti perchè il sito attivo è privo di solvente

coordinato mentre in soluzione un nucleofilo è solvatato —> riduzione

di efficacia

b. gli amino acidi che partecipano a questi meccanismi sono la serina la

cisteina o la lisina

Idrolisi ammidica catalizzata dalla papaina una cisteina proteasi

• Applicazioni della catalisi enzimatica

-Recentemente gli enzimi sono stati impiegati nell’industria

a. alimenti —-> proteasi, amilasi, emicellulasi

b. detergenti —-> proteasi, cellulasi, lipasi,amilasi

c. igiene dentale —-> destranasi, glucanasi, perossidasi

• Cause del mancato utilizzo

◮

a. costi

b. assenza di leggi ambientale

c. produzioni ad alte T e p

• Sistema Whole-Cell ed Enzimi isolati Enzimi isolati

a. più gestibili e somiglianti ai catalizzatori tradizionali

b. tipicamente usati per idrolisi isomerizzazioni

c. meglio se non richiedono cofattori —> complicazioni dovute alla

rigenerazione

• Rigenerazione cofattore

a. coupled enzyme approach

b. coupled substrate approach

• Sistema Whole-Cell

a. nessuna necessità di isolare l’enzima

b. nessuna preoccupazione circa il cofattore

c. moltiplicazione e crescita di cellule —-> applicazione su larga scala

d. isolamento del prodotto difficoltosa

e. microreattori metabolici

• Eterogeneizzazione di enzimi

Un enzima immobilizzato possiede molte delle caratteristiche di un catalizzatore

convenzionale

• Vantaggi e Svantaggi

a. facile da recuperare per filtrazione

b. più stabile in un range di T e pH maggiore

c. diminuizione di attività

• Approcci di immobilizzazione

a. legame per via chimica o fisica dell’enzima ad un supporto solido

b. intrappolamento dell’enzima in una matrice gel o solida

c. cross-linking di enzimi

• Legame per via chimica o fisica dell’enzima ad un supporto solido

- Gli enzimi si legano facilmente a vari tipi di supporti tipicamente:

a. copolimeri contenenti un backbone acrilammide/metacrilato con

gruppi epossidici laterali che possono reagire con i residui amminici di

lisina arginina asparagina e glutammina

b. silice e allumina

• Intrappolamento dell’enzima in una matrice

-Polimerizzazione acrilammide in presenza di un enzima —> gel polimerico flessibile

che permette la diffusione

• Cross-Linking di Enzimi (CLEC)

- Per la prima volta isolati nel 1964 per sbaglio a Yale in un esperimento con la

carbossipeptidasi-A e la glutaraldeide

a. mantengono più o meno la loro attività catalitica

b. incrementano la stabilità termica

c. meno suscettibili a fenomeni di proteolisi

d. discrezionalità sulle dimensioni degli aggregati

• White Biotechnology

2. Convertire vie tradizionali di produzione in processi biocompatibili

• Criteri per la conversione del processo

3. stessa resa o maggiore

4. costi totali minori

• Esempi di successo o "quasi"

5. sintesi dell’indaco

6. sintesi di penicilline e cefalosporine (antibiotici β-lattamici)

• Sintesi dell’indaco

-Via tradizionale

1. sviluppata dall BASF utilizza come reagente N-fenilglicina

2. include trattamento ad alte temperature con fuso KOH, NaOH, NaNH2

-Via Bio

1. fermentazione del glucosio in E. coli modificato

2. modificazione del meccanismo per ottenere il triptofano

3. aggiunta del gene che codifica la sintesi della naftalene diossigenasi (NDO)

4. eliminazione dell’indirubina

• Passaggi chiave nella produzione bio dell’indaco

1. scale-up con costi di produzione paragonabili

2. costi totali più alti Chimica Metallorganica e Catalisi

• Sintesi di penicilline e cefalosporine

-Via convenzionale

1. chimica complessa, impiego di molti solventi organici

2. T molto basse per preservare l’ anello β-lattamico

• Via bio

1. il fungo Penicillium chrysogenum geneticamente modificato produce

penicillina G per fermentazione

2. penicillina G convertita ad acido 6-ammino penicillanico

• Vie convenzionali e bio combinate

- Produzione polifenilene ICI process

1. combinazione approccio whole-cell e polimerizzazione radicalica

2. utilizzo di cellule di Pseudomonas putida

• Passaggi chiave nella produzione di polifenilene

1. il processo ICI ha come reagente il benzene

2. ossidazione via toluene diosigenasi a diolo

3. polimerizzazione dei derivati esterei