Biokataliza

[thumb|280px|Trodimenzijska struktura enzima. Biokataliza koristi ove biološke [makromolekule za katalizu transformacija malih molekula.]]
**Biokataliza** se odnosi na upotrebu živih (bioloških) sistema ili njihovih dijelova za ubrzavanje (katalizu) hemijskih reakcija. U biokatalitskim procesima, prirodni katalizatori, poput enzima, vrše hemijske transformacije na organskim spojevima. Za ovaj zadatak se koriste i enzimi koji su manje-više izolovani i enzimi koji još uvijek postoje unutar živih ćelija. Moderna biotehnologija, posebno usmjerena evolucija, omogućila je proizvodnju modificiranih ili neprirodnih enzima. To je omogućilo razvoj enzima koji mogu katalizirati nove transformacije malih molekula koje mogu biti teške ili nemoguće korištenjem klasične sintetske organske hemije. Korištenje prirodnih ili modificiranih enzima za izvođenje organske sinteze naziva se **hemoenzimska sinteza**; reakcije koje izvodi enzim klasificiraju se kao **kemoenzimske reakcije**.

## Historija
Biokataliza je osnova nekih od najstarijih hemijskih transformacija poznatih ljudima, jer pivarstvo prethodi zabilježenoj historiji. Najstariji zapisi o pivarstvu stari su oko 6000 godina i odnose se na Sumerane.
Upotreba enzima i cijelih ćelija važna je za mnoge industrije stoljećima. Najočitija upotreba bila je u prehrambenoj industriji gdje proizvodnja vina, piva, sira itd. ovisi o efektima mikroorganizama.

Prije više od stotinu godina, biokataliza je korištena za hemijske transformacije neprirodnih organskih spojeva koje je stvorio čovjek, a u posljednjih 30 godina došlo je do značajnog porasta primjene biokatalize za proizvodnju finih hemikalija, posebno za farmaceutsku industriju.

Budući da se biokataliza bavi enzimima i mikroorganizmima, historijski se klasifikuje odvojeno od "homogene katalize" i "heterogene katalize". Međutim, mehanistički gledano, biokataliza je jednostavno poseban slučaj heterogene katalize.

## Prednosti kemoenzimske sinteze
*Enzimi su ekološki prihvatljivi, potpuno se degradiraju u okolini.
*Većina enzima obično funkcionira pod blagim ili biološkim uvjetima, što minimizira probleme neželjenih sporednih reakcija poput razgradnje, izomerizacije, racemizacije i preuređenja, koje često ometaju tradicionalnu metodologiju.
*Enzimi odabrani za hemoenzimsku sintezu mogu se imobilizirati na čvrstoj podlozi. Ovi imobilizirani enzimi pokazuju poboljšanu stabilnost i mogućnost ponovne upotrebe.
*Razvojem proteinskog inženjerstva, posebno usmjerene mutageneze i usmjerene evolucije, enzimi se mogu modificirati kako bi se omogućila neprirodna reaktivnost. Modifikacije mogu također omogućiti širi raspon supstrata, poboljšati brzinu reakcije ili promet katalizatora.
*Enzimi pokazuju ekstremnu selektivnost prema svojim supstratima. Enzimi tipično pokazuju tri glavna tipa selektivnosti:

*Hemoselektivnost: Budući da je svrha enzima da djeluje na jednu vrstu funkcionalne grupe, druge osjetljive funkcionalnosti, koje bi normalno reagirale do određene mjere pod hemijskom katalizom, opstaju. Kao rezultat toga, biokataliske reakcije imaju tendenciju da budu "čistije" i mukotrpno prečišćavanje proizvoda od nečistoća koje nastaju kroz sporedne reakcije može se uglavnom izostaviti.
*Regioselektivnost i dijastereoselektivnost: Zbog svoje složene trodimenzionalne strukture, enzimi mogu razlikovati funkcionalne grupe koje se hemijski nalaze u različitim regijama molekule supstrata.
*Enantioselektivnost: Budući da su gotovo svi enzimi napravljeni od L-aminokiselina, enzimi su hiralni katalizatori. Kao posljedica toga, bilo koja vrsta kiralnosti prisutna u molekuli supstrata se "prepoznaje" nakon formiranja kompleksa enzim-supstrat. Dakle, prohiralni supstrat se može transformirati u optički aktivni proizvod, a oba enantiomera racemskog supstrata mogu reagirati različitim brzinama.

Ovi razlozi, a posebno ovaj posljednji, glavni su razlozi zašto su se sintetski hemičari zainteresirali za biokatalizu. Ovaj interes je pak uglavnom posljedica potrebe za sintezom enantiomernih čistih spojeva kao hiralnih gradivnih blokova za farmaceutske lijekove i agrohemikalije.

## Asimetrična biokataliza
Upotreba biokatalize: Dobijanje enantiomernih čistih spojeva može se podijeliti na dvije različite metode:
# Kinetička rezolucija racemske smjese
# Biokatalizirana asimetrična sinteza

U kinetičkoj rezoluciji racemaste smjese, prisustvo hiralnog objekta (enzima) pretvara jedan od stereoizomera reaktanta u njegov produkt većom brzinom reakcije nego za drugi stereoizomer reaktanta. Stereohemijska smjesa je sada transformirana u smjesu dva različita spoja, što ih čini odvojivim normalnom metodologijom.
center|500x500px| Shema 1.: Kinetička rezolucija
Biokatalizirana kinetička rezolucija se široko koristi u prečišćavanju racemskih smjesa sintetskih aminokiselina. Mnogi popularni putevi sinteze aminokiselina, kao što je Streckerova sinteza, rezultiraju smjesom R i S enantiomera. Ova smjesa se može prečistiti (I) acilacijom amina korištenjem anhidrida, a zatim (II) selektivnom deacilacijom samo L-enantiomera korištenjem acilaze svinjskih bubrega. Ovi enzimi su obično izuzetno selektivni za jedan enantiomer, što dovodi do vrlo velikih razlika u brzini, omogućavajući selektivnu deacilaciju. Konačno, dva proizvoda se sada mogu razdvojiti klasičnim tehnikama, kao što je hromatografija.
center|frameless|500px
Maksimalni prinos u takvim kinetičkim rezolucijama je 50%, budući da prinos veći od 50% znači da je reagirao i dio pogrešnog izomera, dajući niži enantiomerni višak. Stoga se takve reakcije moraju prekinuti prije nego što se postigne ravnoteža. Ako je moguće izvesti takve rezolucije pod uvjetima u kojima se dva supstrata-enantiomera kontinuirano racemiziraju, sav supstrat se teoretski može pretvoriti u enantiomerni proizvod. Ovo se naziva **dinamička rezolucija**.

U **biokataliziranoj asimetričnoj sintezi**, nehiralna jedinica postaje hiralna na takav način da se različiti mogući stereoizomeri formiraju u različitim količinama. Hiralnost se uvodi u supstrat utjecajem enzima, koji je hiralni. Kvasac je biokatalizator za enantioselektivnu redukciju ketona.
center|Shema 2. Redukcija kod kvasca
Baeyer-Villigerova oksidacija je još jedan primjer biokatalitske reakcije. U jednoj studiji utvrđeno je da je posebno dizajnirani mutant *Candida antarctica* efikasan katalizator za Michaelovu adiciju akroleina sa acetilacetonom na 20°C u odsustvu dodatnog rastvarača.
Druga studija pokazuje kako se racemični nikotin (smjesa S i R-enantiomera **1** u *shemi 3*) može deracemizirati u postupku u jednom koraku, koji uključuje monoamin-oksidazu izoliranu iz Aspergillus niger koja je sposobna oksidirati samo amin S-enantiomer do imin **2** i uključuje par amonijak-boran redukcijsko sredstvo koji može reducirati imin **2** natrag do amina **1**.  Na ovaj način, S-enantiomer će kontinuirano biti konzumiran od strane enzima dok se R-enantiomer akumulira. Čak je moguće stereo-invertirani čisti S pretvoriti u čisti R. center|500x500px| Shema 3.: Enantiomerno čisti ciklički tercijarni amini

## Biokataliza omogućena fotoredoksom 
Nedavno je fotoredoks kataliza primijenjena u biokatalizi, omogućavajući jedinstvene, ranije nedostupne transformacije. Fotoredoks hemija se oslanja na svjetlost za generiranje slobodnih radikala međuprodukata. Ovi radikalni međuprodukti su ahiralni, pa se racemske smjese produkata dobijaju kada nije obezbijeđeno vanjsko hiralno okruženje. Enzimi mogu obezbijediti ovo hiralno okruženje unutar aktivnog mjesta i stabilizovati određenu konformaciju, favorizujući formiranje jednog, enantiomerno čistog produkta. Reakcije biokatalize omogućene fotoredoksom spadaju u dvije kategorije:
# Interni koenzim/kofaktorski fotokatalizator
# Eksterni fotokatalizator
Određeni uobičajeni kofaktori za prijenos atoma vodika HAT) NADPH i flavin) mogu djelovati kao reagensi za prijenos jednog elektrona SET]. Iako su ove vrste sposobne za HAT bez zračenja, njihovi redoks potencijali se povećavaju za skoro 2,0 V nakon zračenja vidljivom svjetlošću. Kada se upare sa svojim odgovarajućim enzimima (obično en-reduktaze), ovaj fenomen su hemičari koristili za razvoj enantioselektivnih metodologija redukcije. Na primjer, laktami srednje veličine mogu se sintetizirati u kiralnom okruženju en-reduktaze putem reduktivne, koju je Baldwin preferirao, radikalske ciklizacije, završene enantioselektivnim HAT-om iz NADPH.
Druga kategorija biokatalitskih reakcija omogućenih fotoredoksom koristi eksterni fotokatalizator (PC). Mogu se koristiti mnoge vrste PC-a sa širokim rasponom redoks potencijala, što omogućava veću prilagodljivost reaktivnosti u poređenju sa korištenjem kofaktora. Bengalska ruža i eksterni PC, korišteni su u tandemu sa oksidoreduktazom za enantioselektivnu deacilaciju srednje velikih alfa-acil-ketona.

Korištenje eksternog PC-a ima neke nedostatke. Naprimjer, eksterni PC-i obično kompliciraju dizajn reakcije jer PC može reagirati i s vezanim i s nevezanim supstratom. Ako dođe do reakcije između nevezanog supstrata i PC-a, gubi se enantioselektivnost i mogu se pojaviti druge nuspojave.

## Poljoprivredna upotreba 
Bioenzimi su također biokatalizatori. Pripremaju se fermentacijom organskog otpada, jaggeryja i vode u omjeru 3:1:10 tokom tri mjeseca. Povećava populaciju mikroba u tlu i ubrzava kompostiranje i razgradnju, pa se stoga uključuje u katalizatore. Liječi tlo. Jedno je od najboljih tekućih organskih gnojiva. Razrjeđuje se vodom.
## Također pogledajte 
* Lista enzima
* Industrijski enzimi
## Reference
## Dodatni izvori 
* 
* Kim, Jinhyun; Lee, Sahng Ha; Tieves, Florian; Paul, Caroline E.; Hollmann, Frank; Park, Chan Beum (5 July 2019). "Nicotinamide adenine dinucleotide as a photocatalyst". *Science Advances*. **5** (7): eaax0501. .

## Vanjski linkovi
* Austrian Centre of Industrial Biotechnology official website
* The Centre of Excellence for Biocatalysis - CoEBio3
* The University of Exeter - Biocatalysis Centre
* Center for Biocatalysis and Bioprocessing - The University of Iowa
* TU Delft - Biocatalysis & Organic Chemistry (BOC)
* KTH Stockholm - Biocatalysis Research Group
* Institute of Technical Biocatalysis at the Hamburg University of Technology (TUHH)
* Biocascades Project

Kategorija:Enzimi
Kategorija:Kataliza
 Kategorija:Organska hemija