Biocatalizadores comunes en biocatálisis: enzimas
Los biocatalizadores son proteínas, ARN o sus complejos que pueden catalizar reacciones químicas específicas. Pueden acelerar la reacción reduciendo la energía de activación de la reacción, pero no cambian el punto de equilibrio de la reacción. La naturaleza química de la mayoría de las enzimas es la proteína. Tiene las características de alta eficiencia catalítica, fuerte especificidad y condiciones de acción suaves.
La esencia de la catálisis enzimática: reducir la energía de activación de las reacciones químicas. Eficiencia: la eficiencia catalítica de las enzimas es mayor que la de los catalizadores inorgánicos, lo que hace que la velocidad de reacción sea más rápida;
Especificidad. : una enzima solo puede catalizar un tipo de sustrato o tipo de sustrato. Por ejemplo, la proteasa solo puede catalizar la hidrólisis de proteínas en polipéptidos;
Diversidad: hay muchos tipos de enzimas, alrededor de 4000 tipos;
Actividad leve: se refiere a que las reacciones químicas catalizadas por enzimas generalmente se llevan a cabo en condiciones más suaves;
Ajustabilidad de la actividad: incluye ajuste de inhibidores y activadores, ajuste de inhibición por retroalimentación y modificación de valencia. Regulación y regulación alostérica, etc.;
Relevancia: la actividad catalítica de algunas enzimas está relacionada con cofactores;
variable, dado que la mayoría de las enzimas son proteínas (algunas son ARN), Será destruido por altas temperaturas, ácidos fuertes, álcalis fuertes, etc.
En general, la temperatura óptima de las enzimas en animales está entre 35 y 40°C, y la temperatura óptima de las enzimas en plantas está entre 40-50°C; la temperatura óptima de las enzimas en bacterias y hongos; La diferencia es grande y la temperatura óptima de algunas enzimas puede llegar a los 70°C. El pH óptimo de las enzimas en los animales está principalmente entre 6,5 y 8,0, pero hay excepciones. Por ejemplo, el pH óptimo de la pepsina es 1,5 y el pH óptimo de las enzimas en las plantas está principalmente entre 4,5 y 6,5.
Estas propiedades de las enzimas permiten que los intrincados procesos del metabolismo material en las células se desarrollen de manera ordenada, permitiendo que el metabolismo material se adapte a las funciones fisiológicas normales. Si una enzima es defectuosa debido a defectos genéticos, o la actividad de la enzima se debilita por otras razones, puede provocar reacciones anormales catalizadas por la enzima, alterar el metabolismo de la sustancia e incluso causar enfermedades. Por tanto, la relación entre las enzimas y la medicina es muy estrecha. Puntos similares:
Cambiar la velocidad de las reacciones químicas casi no se consume; solo cataliza las reacciones químicas existentes, acelera la velocidad de las reacciones químicas y acorta el tiempo para alcanzar el equilibrio, pero no cambia el equilibrio; punto; reduce la energía de activación, por lo que se acelera la velocidad de las reacciones químicas; se producirá envenenamiento;
Diferencias: La vida de los catalizadores inorgánicos es generalmente mucho más larga que la de las enzimas y no se envenenan fácilmente. La estabilidad de las enzimas no es tan buena como la de los catalizadores inorgánicos y el costo es mucho mayor. Pero las enzimas son increíblemente eficientes. Por lo general, la velocidad catalítica de las enzimas puede ser más de un millón de veces mayor que la de los catalizadores inorgánicos. Por lo tanto, las enzimas se utilizan generalmente en campos de alta tecnología, como la medicina y la industria farmacéutica, que dependen de productos de calidad. Según las diferentes propiedades de las reacciones catalizadas por enzimas, las enzimas se dividen en seis categorías:
Oxidorreductasas (oxidorreductasa) promueven la oxidación o reducción de sustratos.
Las transferasas favorecen el intercambio o transferencia de determinados grupos químicos entre moléculas de diferentes sustancias.
Las hidrolasas (hidrolasas) favorecen las reacciones de hidrólisis.
Las enzimas liasa catalizan la adición o desagrupación de grupos de los dobles enlaces de las moléculas sustrato, es decir, promueven la división de un compuesto en dos compuestos, o la síntesis de un compuesto a partir de dos compuestos.
Las isomerasas promueven la conversión mutua de isómeros, es decir, catalizan la reacción de reordenamiento dentro de la molécula del sustrato.
Las enzimas sintéticas (ligasa) promueven la combinación de dos compuestos moleculares entre sí y, al mismo tiempo, rompen el enlace fosfato de alta energía en la molécula de ATP (u otros nucleósidos trifosfato), es decir, catalizan la reacción de asociación intermolecular.
Según los principios de clasificación unificada de enzimas publicados por la Asociación Internacional de Bioquímica, sobre la base de las seis categorías anteriores, las enzimas de cada categoría principal se dividen en grupos según las características de los grupos o enlaces. que actúan en el sustrato. Se divide en varias subcategorías; para indicar con mayor precisión la naturaleza del sustrato o reactivo, cada subcategoría se divide en varios grupos (cada grupo contiene directamente varias enzimas); La tecnología de biocatalizadores es una parte integral de la biotecnología química y es cada vez más importante como medio o herramienta para la síntesis química. La demanda de los consumidores de nuevos productos, los requisitos de la industria para aumentar las ganancias y reducir los costos, la presión del gobierno y los departamentos administrativos para fortalecer la gestión y el surgimiento de nuevas tecnologías e invenciones científicas han promovido la aplicación de biocatalizadores.
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Aunque hay ejemplos de jarabe de maíz con alto contenido de fructosa, producción de edulcorantes y producción de medicamentos contra el cáncer, los biocatalizadores aún no han demostrado su eficacia. potencial Existe una necesidad urgente de que la industria, las organizaciones sin fines de lucro, los departamentos gubernamentales, las instituciones académicas y los laboratorios nacionales trabajen juntos. Algunos de los objetivos propuestos en el plan son analizar los obstáculos y problemas técnicos que deben resolverse para aprovechar su potencial. Al mismo tiempo, para implementar este plan, el informe también presenta sugerencias de implementación.
Objetivos: Los objetivos de planificación de biocatalizadores incluyen reducir el consumo de materiales, agua y energía y las emisiones de fuentes contaminantes en la industria química tradicional al 30% en los próximos 20 años. En cuanto a los biocatalizadores, los siguientes objetivos específicos son: desarrollar biocatalizadores que sean mejores, más rápidos y más baratos que los catalizadores químicos existentes; desarrollar una serie de biocatalizadores para que puedan catalizar una gama más amplia de reacciones y sean lo más eficientes posible. mejorar la estabilidad de la temperatura, la reactividad y la compatibilidad de los disolventes; desarrollar trabajos de modelado molecular para diseñar rápidamente nuevas enzimas desde cero; crear mejores medios o herramientas para el desarrollo de biocatalizadores; educar sobre los beneficios sociales de utilizar y crear biocatalizadores.
Obstáculos técnicos a superar:
Conocimiento limitado de los mecanismos enzimáticos y biocatalizadores; poca comprensión del metabolismo secundario y sus vías metabólicas (incluidas las interacciones de las vías). Existen pocos métodos para diseñar organismos; ; la producción de muchas enzimas y la aplicación de biocatalizadores son prohibitivas.
Métodos de implementación: crear conciencia sobre el valor y los beneficios de la investigación y el desarrollo de biocatalizadores nuevos y eficientes; desarrollar indicadores de desempeño para la investigación que ha logrado resultados; establecer un comité preparatorio de implementación para monitorear y promover el desarrollo y el uso; de biocatalizadores; distribuir la guía a organizaciones comerciales y sociedades profesionales apropiadas; crear conciencia sobre el valor de los biocatalizadores que pueden aportar beneficios comerciales a los líderes de la industria y a instituciones locales seleccionadas; promover la conciencia sobre el desarrollo de biocatalizadores a través de científicos de investigación básica y agencias de financiación; desafíos.
A través de la investigación de más de 50 expertos, se coincide en que la promoción continua del desarrollo de biocatalizadores es un objetivo importante de las industrias relacionadas con la química y requiere un trabajo extenso y coordinado para comprender la creación de una nueva generación. de catalizadores sostenibles y respetuosos con el medio ambiente Oportunidades y desafíos que presentan diversos biocatalizadores rentables. Se trata de un ámbito en el que deberían preocuparse todos los consumidores, los industriales, los trabajadores medioambientales y los científicos. La industria química es diversa y muy compleja. Toda la industria química incluye principalmente sectores industriales, instituciones académicas y diversos laboratorios nacionales y locales. Estos tres tipos de componentes llevan a cabo investigación básica, investigación aplicada y desarrollo en distintos grados. Diferentes empresas, organizaciones e instituciones trabajan de manera diferente según sus diferentes conceptos y propósitos. El sector industrial realiza más investigación para el desarrollo, mientras que el sector académico se centra en la investigación básica. A veces, los departamentos industriales también pueden realizar su propia investigación básica. Las universidades y los laboratorios gubernamentales a menudo realizan investigaciones y desarrollo competitivos o exploran posibles aplicaciones industriales.
La diversidad de empresas químicas fortalece la economía y la seguridad del país. Según la Asociación de Fabricantes de Productos Químicos (CMA), la industria química estadounidense tiene aproximadamente 1 millón de empleados, produce 70.000 productos y tiene un valor de producción de 419 mil millones de dólares. Es una de las tres principales industrias exportadoras de Estados Unidos, lo que fortalece la economía. la competitividad del país. El desempeño anterior no incluye la industria farmacéutica, que es en muchos aspectos un área de aplicación de la química. Los productos químicos finos requieren una investigación similar a la de los productos químicos generales y, lo que es más importante, se necesitan biocatalizadores y agentes bioquímicos.
Las cuestiones medioambientales son las más importantes en la industria química. Reducir la contaminación ambiental es un tema de gran preocupación para todos. Por lo tanto, se debe desarrollar una nueva "química verde" para hacer que la química sea respetuosa con el medio ambiente, reducir la generación de desechos, reducir el uso de energía y utilizar recursos renovables. Por tanto, el principal objetivo de la investigación en la industria química es desarrollar procesos y productos que reduzcan los residuos, las emisiones de CO2 y el uso de energía. La industria química y sus empresas deben considerar recursos sustentables de origen fósil o biorrenovables.
La biotecnología química es la rápida aplicación de la biotecnología a la producción química. Está estrechamente asociado con la química verde y la aplicación de materias primas renovables. La aplicación de la biotecnología y otros aspectos puede conducir a nuevos productos, nuevos métodos de fabricación y una mejor economía de producción, que pueden reducir el consumo de energía y reducir el impacto interno en el medio ambiente.
La biotecnología química ha tenido un enorme impacto en la estructura de la industria química, con algunas empresas adquiriendo, invirtiendo y reorganizándose en torno a diferentes innovaciones biotecnológicas.
La biotecnología es muy común en la industria alimentaria, como el uso de enzimas para almidón, producción de bebidas, conservación de carne, etc., y tendrá un mayor impacto en la industria alimentaria en el futuro. La ingeniería genética de alimentos y cultivos recombinantes genera incertidumbres en la biotecnología. La mayoría de estas incertidumbres en los Estados Unidos han sido probadas por hechos e información sobre seguridad alimentaria y agricultura. La aplicación de la biotecnología en los procesos farmacéuticos puede estar asegurada, pero aún no se han introducido políticas sobre biomateriales, tejidos y productos similares, algo muy necesario en estos momentos.
Antecedentes del desarrollo de biocatalizadores:
La industria química es una industria de múltiples categorías, que es muy diferente de las categorías individuales de industrias como la fabricación de aluminio y vidrio. La industria química incluye muchas empresas pequeñas que producen sólo una pequeña cantidad de productos, así como algunas grandes empresas multinacionales que producen decenas de miles de productos, una variedad de procesos y productos intermedios. Las empresas químicas suelen ser el vínculo entre proveedores, usuarios, productores intermedios y diversos proveedores especializados.
Al visualizar el desarrollo futuro de la industria química, a menudo encontramos problemas con la definición de la industria química: el paquete de la industria química no incluye la industria petroquímica; si los productos químicos derivados de la agricultura son productos de la industria química; La industria farmacéutica es en realidad química fina, pero la naturaleza del mercado farmacéutico y su enorme situación financiera a menudo llevan a algunos analistas a excluirla de la industria manufacturera de química fina.
Definiciones y connotaciones como "investigación química", "biotecnología" e "industrias basadas en la química" e incluso "industria química" son temas de debate.
En los próximos 20 años habrá una revolución en la industria. Este informe identifica el impacto futuro de la biotecnología y el bioprocesamiento y el surgimiento de una nueva industria.
Desarrollo futuro de la biotecnología:
Desde los avances sociológicos hasta los procesos maduros y las aplicaciones industriales, después de una investigación y desarrollo a largo plazo, primero aplicaciones a pequeña escala y luego producción a escala de equipo. La biotecnología ha tenido algunas aplicaciones desde 1974. En la década de 1980, la industria del cuidado de la salud, especialmente la industria farmacéutica, descubrió su valor y comenzó a expandirse. Actualmente se encuentran disponibles varios medicamentos producidos mediante biotecnología. Los productos químicos alimentarios a granel, como el etanol, el jarabe de maíz con alto contenido de fructosa, el ácido cítrico y los aminoácidos, ya se producen utilizando bacterias o enzimas, y es posible que haya otros productos químicos que se puedan producir más adelante. La industria de la biotecnología continúa enfrentando muchos impactos sociales y financieros fuertes:
En 1999, la industria de la biotecnología tuvo ventas por 13,4 mil millones de dólares y un valor de producción de 18,6 mil millones de dólares;
Estados Unidos Los estados tienen 1.280 varias empresas de biotecnología;
La industria tiene un mercado de inversión de 97 mil millones de dólares, emplea a 153.000 empleados con salarios altos y tiene gastos de investigación y desarrollo de 9 mil millones de dólares;
Hay más de 90 La llegada de varios medicamentos y vacunas biotecnológicos ha salvado a más de 200 millones de personas en todo el mundo;
La biotecnología tiene la responsabilidad de realizar cientos de ensayos clínicos médicos;
La biotecnología ha dado muchos buenos productos como maíz, soja, tomates, zanahorias y pimientos para mejorar el contenido nutricional;
La biotecnología procesa eficazmente los residuos;
La identificación del ADN es un proceso biotecnológico que ha mejorado enormemente las investigaciones criminales.
La investigación química es la incubadora de tecnología de las empresas químicas, impulsando la generación, desarrollo, aplicación y transformación de nuevas tecnologías en el núcleo de la industria química. Estos logros están estrechamente integrados con la investigación básica en biotecnología, que incluye productos químicos a granel: desde jabones y detergentes hasta textiles y fibras sintéticas, al tiempo que promueve la química verde impulsada por preocupaciones energéticas y ambientales. Cuando se hace cada vez más hincapié en los factores energéticos y medioambientales, es difícil que cualquier sector industrial no se vea afectado, desde la desulfuración de combustibles hasta la biodegradación de residuos, desde la producción de acero hasta el refinado de minerales. En los últimos años, muchas revistas internacionales autorizadas, como "Biotechnology Trends" y "Biotechnology Progress", han publicado artículos que proponen que la química basada en la biotecnología reemplaza a la química sintética tradicional, como las "fábricas de plantas" y diversas variaciones con excelentes propiedades catalíticas, etc. Hoy en día, el término ingeniería genética ha sido reemplazado por ingeniería metabólica y la genética funcional ha reemplazado a la genética. En los productos para el cuidado de la salud, la quiralidad es particularmente importante. Aunque la resolución quiral de enzimas no es nueva, es muy importante en los nuevos biocatalizadores.
La fuerza impulsora para el desarrollo de biocatalizadores:
Hay cuatro fuerzas que empujan a los biocatalizadores hacia las industrias químicas:
Fuerzas sociales: la sociedad necesita nueva tecnología , nuevos productos y nuevos estilos de vida. La sociedad también necesita desarrollar nuevas tecnologías como aquellas que reduzcan el impacto ambiental.
Fuerzas empresariales: la reducción de costes y beneficios impulsa muchos cambios.
Las empresas necesitan biocatalizadores que puedan producir los mismos o mejores productos a costos más bajos, por lo que es necesario encontrar soluciones para reducir el costo de aislar productos biológicos y reducir los costos de los biocatalizadores para competir con los catalizadores orgánicos e inorgánicos tradicionales. Existe una necesidad comercial y económica de desarrollar mejores tecnologías para la selección y producción de enzimas más baratas.
El poder de las agencias gubernamentales: La preocupación por los gases de efecto invernadero, especialmente el CO2, promoverá un enfoque de ciclo cerrado del carbono. Por ejemplo, los cultivos se metabolizan para producir sustancias químicas finas. La utilización de organismos orgánicos completos como biocatalizadores produce productos densos en energía que producen menos gases de efecto invernadero cuando se usan en lugar de productos derivados del petróleo. Las preocupaciones regulatorias que surgen de los organismos orgánicos modificados genéticamente requieren una identificación segura de la efectividad y seguridad de los biocatalizadores. Las políticas gubernamentales han favorecido la aplicación de procesos biocatalíticos en la producción de acetato de combustible, pero estas políticas están sujetas a cambios.
Presión de la investigación básica: la exploración y el descubrimiento de la verdad a través de la investigación básica ha llevado a un enorme progreso tecnológico industrial y práctico. Estos descubrimientos significativos a menudo conducen a avances potencialmente impactantes. La ingeniería genética, originalmente destinada a comprender cómo transferir información genética entre especies similares, ahora se utiliza para producir fármacos terapéuticos que salvan vidas, como el interferón o la hormona del crecimiento humano. También se puede utilizar para aumentar la producción de leche, crear nuevos polímeros y desarrollar nuevos. de medicamentos terapéuticos.
En resumen, cuatro fuerzas promueven el desarrollo de la biotecnología en cuatro aspectos:
La presión social promueve el lanzamiento de productos, la presión técnica promueve la investigación y el descubrimiento básicos, y el aspecto de gestión La presión impulsa mejoras en desempeño ambiental, mientras que la presión empresarial impulsa aumentos de ganancias y reducciones de costos.