¿Son activos los enzimas en disolventes orgánicos?

Sonia Osorio Algar y Antonio Heredia

Todos hemos aprendido en un curso general de Bioquímica que, en condiciones naturales, los enzimas llevan a cabo su actividad catalítica en disolución acuosa. Debido a ello, la gran mayoría de las investigaciones en enzimología han utilizado el agua como medio de reacción. El agua participa, directa o indirectamente, en todas las interacciones no covalentes manteniendo la conformación de la proteína catalíticamente activa de modo que, en la mayoría de los casos, la eliminación de agua distorsiona dramáticamente la estructura inactivando el enzima. A pesar de todo ello, hay confirmación experimental de que determinados enzimas mantienen una notable actividad catalítica en medios prácticamente anhidros. Enzimas tales como la quimotripsina, polifenol oxidasa, peroxidasa y determinadas lipasas pueden llevar a cabo su actividad enzimática en disolventes orgánicos.
En contra de lo que se pudiese pensar, la acción enzimática en disolvente orgánico tiene grandes ventajas en contraposición al medio acuoso. Algunas de estas ventajas del uso de un enzima en medio orgánico son: (1) la gran solubilidad de muchos compuestos orgánicos en medio no acuoso; (2) la mayor facilidad en la recuperación del correspondiente producto en disolvente orgánico en comparación con el agua y (3) la insolubilidad del enzima en medio orgánico. Esto hace que sea más fácil la separación de éste del medio de reacción.
Como se ha indicado antes, determinadas lipasas actúan como catalizadores en un medio prácticamente anhidro. La deshidratación del enzima le hace adquirir nuevas propiedades tales como llegar a ser extremadamente termoestable y más selectivo. Por otro lado, las lipasas son enzimas altamente esteroselectivos y que sólo reconocen la configuración R o S del centro quiral. Son, además, enzimas capaces de catalizar reacciones de transesterificación, aminolisis, esterificación, transferencia de acilos, tiotransesterificaciones, oximolisis, siempre que el sustrato sea el adecuado y las condiciones experimentales óptimas (Zaks.A y Klibanov.A.M. (1985), Enzyme-catalyzed processes in organic solvents. Proc. Natl. Acad. Sci. 82, 3192-3196).
El mecanismo de acción de estos enzimas, las cuales poseen en su sitio activo la conocida tríada catalítica formada por los aminoácidos Glu/Asp - His - Ser, sigue la cinética convencional de Michaelis- Menten y es el ejemplo tradicional de exposición de la denominada catálisis covalente que plantea la formación de un intermedio acil-enzima RCOE:

El mecanismo general de catálisis de las lipasas, independientemente del disolvente, se esquematiza en la Figura 2 (tomado de Andersch.P, et al. (1997), Ester Synthesis via acyl Transfer. Methods in Enzimology 286 pp. 406-443):

En este esquema el compuesto R-COX es el sustrato el cual sufre un ataque nucleófilo por parte del oxígeno de una serina de la triada catalítica, produciéndose un cambio de hibridación en el átomo de carbono del grupo carbonilo. De este modo se produce el intermedio tetraédrico. Por medio de una reacción de acilación se produce eliminación de la especie química HX formándose el intermedio acil-enzima, el cual es susceptible de sufrir un nuevo ataque nucleofílico por parte de diferentes especies moleculares nucleófilas que, según su naturaleza, conducirá a distintos tipos de reacciones.
De este modo, si el nucleófilo es R1OH, dará lugar a una esterificación, dando como resultado de la reacción el producto RCOOR1. Si ataca como nucleófilo el sustrato R1NH2, se obtiene RCONHR1 (amida). Si como nucleófilo ataca un tiol, R1SH, se daría la reacción de tioesterificación, produciéndose como producto la especie RCOSR1. Cuando actúa como nucleófilo H2O, se produce una hidrólisis, dando lugar a RCOOH (ácido carboxílico).De esta forma, dependiendo de cual sea el tipo de nucleófilo dará diversos tipos de reacciones y como consecuencia de ello se producirá diferentes productos. Finalmente, siempre que el nucleófilo actua sobre el complejo acil-enzima, se produce un intermedio tetraédrico, con el correspondiente cambio de hibridación del carbono. Cuando se elimina el producto de reacción RCONu, la triada catalítica vuelve a su estado original, de forma que queda a disposición del sustrato para actuar nuevamente. Como puede apreciarse la conocida capacidad hidrolítica de las lipasas se lleva a cabo en presencia de agua y es sólo una de las distintas e importantes reacciones que son capaces de llevar a cabo.
Las aplicaciones actuales de lipasas esteroespecíficas son, entre otras, la preparación de ésteres y alcoholes ópticamente activos por medio de una reacción de transesterificación en medio orgánico, como la formación de (-)-3-metoxi-1-butilpropanoato a partir de metilpropanoato y 3-metoxi-1-butanol, como reactivos. Además, la preparación enzimática de alcoholes y ésteres ópticamente activos, pueden ser convertidas químicamente en otros compuestos ópticamente activos, como (R)-(+)-óxido de propileno en la síntesis de (R)-reciferolido o á-metileno-÷-lactonas quirales y de (S)-(-)-óxido de propileno para la producción de (S)-sulcatol. Estos productos tienen gran interés en la ruta de síntesis de una gran variedad de fármacos. Por último, señalar que otra importante aplicación biotecnológica de estos biocatalizadores es la síntesis de polímeros ópticamente activos, en particular poliesteres a partir de diesteres y dioles. En las condiciones anhidras apropiadas, la transesterificación entre los anteriores compuestos da lugar a poliesteres de unos 25 kD de peso molecular.

Sonia Osorio Algar es estudiante de 5º Curso de Químicas. Antonio Heredia es Profesor Titular de Bioquímica en la Universidad de Málaga.