Biocatalyse

Définition

La biocatalyse est le processus chimique par lequel des enzymes ou d'autres catalyseurs biologiques effectuent des réactions entre des composants organiques. La biocatalyse a été largement utilisée dans l'industrie pharmaceutique pour fabriquer des médicaments à petites molécules.

L'épimérase est une biocatalyse :

La biocatalyse (ici, une épimérase) est l'art contemporain des méthodes enzymatiques et des réactions pour la synthèse asymétrique avec des transformations organiques dans le domaine de la synthèse organique,

Explications

La biocatalyse (catalyse enzymatique) consiste à utiliser des catalyseurs naturels, des biocatalyseurs tels que des hormones, des vitamines et des enzymes, pour permettre la transformation de différents composés organiques. Elle est une utilisation de systèmes biologiques ou de leurs composants pour accélérer les réactions chimiques. Elle est le plus souvent une catalyse enzymatique homogène.

Ce bioprocédé est réalisé dans des conditions douces et se caractérise par une sélectivité et une efficacité élevées. Voir une catalyse homogène.

Histoire

Obtenir du fromage, du vinaigre, de la bière et du vin font partie des applications les plus anciennes des réactions enzymatiques. En 1713, Réaumur étudie le processus de dissolution de la viande dans le jus de l'estomac. En 1783, Spallanzani a nourri des animaux avec des morceaux de viande enveloppés dans un treillis métallique pour étudier la dissolution de la viande dans l'estomac. En 1789, en analysant la réaction de fermentation alcoolique, Lavoisier démontra que l'oxygène, l'hydrogène et le carbone du sucre se trouvaient dans l'alcool et le dioxyde de carbone générés. Cagniard de Tour (1838), Kützing (1838) et Liebig (1839) ont également contribué à cette réaction chimique. En 1897, Buchner isola de la levure de bière ce qu'on appela plus tard de la confiture et qui était en réalité un mélange d'enzymes.

Gottlieb Kirchhoff et Augustin-Pierre Dubrunfaut ont découvert que l'extrait aqueux de malt de riz transforme l'amidon en un sucre soluble appelé maltose. En 1833, Anselme Payen et Jean-François Persoz isolèrent de cet extrait la première enzyme, l'amylase, par précipitation à l'éthanol. Ensuite, une hydrolyse de l'amigdaline avec de l'extrait d'amande amère a été réalisée et Wöhler et Liebig ont isolé l'émulsine. La découverte de la pepsine, de la trypsine, de la lipase, de l'invertase et de l'uréase a suivi.

En 1835, Berzelius clarifia le caractère catalytique des réactions enzymatiques ainsi que leur rôle vital dans les organismes vivants.

La bière, un exemple de biocatalyse, est l'un des plus anciens processus chimiques connus de l'humanité. Depuis des siècles, les procédés biocatalytiques utilisant des bactéries, des levures ou des champignons sont connus, notamment dans la production de vin, de bière, de fromage et d'autres aliments. Dans l'industrie pharmaceutique également, les procédés biocatalytiques sont utilisés depuis longtemps.

Une partie de ceci est la réalisation de réactions autrement impraticables et en partie le remplacement de synthèses existantes par des réactifs toxiques et des solvants. En termes de durabilité, elles sont remplacées par des méthodes plus douces, car les biocatalyseurs travaillent souvent dans l'eau et à une température de 20 à 40 °C.

Des exemples de processus biocatalysés économiquement importants incluent la production de vitamine C, la production d'aspartame, la saccharification de l'amidon en sirop de glucose et la production d'antibiotiques par clivage enzymatique de la pénicilline G.

Avantages de la biocatalyse

Les avantages de la biocatalyse pour la synthèse organique sont avant tout la sélectivité indispensable à l'obtention d'un rendement élevé. Les enzymes offrent des avantages en chimiosélectivité, régiosélectivité, diastéréosélectivité et énantiosélectivité.

Les enzymes réagissent souvent dans des conditions douces, de sorte qu'un seul groupe fonctionnel réagit dans des conditions de réaction données. Cela signifie également que les produits issus de processus biocatalytiques sont souvent plus purs et que la séparation des sous-produits est moins problématique.

En raison de la structure complexe des enzymes, celles-ci catalysent souvent des réactions régio- et diastéréosélectives. La chiralité souvent existante de l'enzyme peut être transférée dans diverses réactions sur le substrat prochiral pour la préparation de composants énantiomériquement purs. En particulier dans la production de médicaments et d'agents en agrochimie, ces composants sont recherchés comme blocs de construction chiraux.

Les conditions de réaction douces, l'utilisation de l'eau comme solvant dans de nombreuses réactions et la biodégradabilité justifient également des recherches intensives en biocatalyse.

Les méthodes utilisées pour améliorer les enzymes de biocatalyse sont l'évolution dirigée et la conception rationnelle des protéines.

Biocatalyseurs

Comme tout catalyseur, les biocatalyseurs sont des substances indispensables à l'organisme animal ou végétal pour la réalisation de processus biologiques, sans jouer aucun rôle énergétique ou plastique. Présentes en petites quantités dans le corps, elles orientent et déterminent le taux de réactions chimiques de différentes transformations métaboliques.

Outre les hormones, les vitamines et les enzymes, les biocatalyseurs peuvent également inclure des substances de nature chimique différente, qui ont la propriété de stimuler le développement d'une culture bactérienne dans un milieu de culture défavorable.

Biocatalyse asymétrique

Dans la biocatalyse asymétrique, deux méthodes principales peuvent être distinguées; d'une part, résolution cinétique et synthèse biocatalytique asymétrique.

Dans la résolution cinétique, un racémate est converti au moyen d'enzymes. En raison de la chiralité des enzymes, un énantiomère du mélange de racémates réagit plus rapidement sous biocatalyse au produit cible, tandis que l'autre ne réagit pas.

La synthèse asymétrique biocatalytique est une réaction dans laquelle un composant prochiral est converti de manière énantiosélective en un chiral, tel que la réduction énantiosélective de cétones par la levure.

En rapport avec "biocatalyse"

• biocatalyseur

  

  Un biocatalyseur est une macromolécule naturelle qui accélère une réaction biochimique.

• catalyse

  

  Une catalyse est un processus chimique qui consiste en l'accélération cinétique d'une réaction chimique grâce à une substance appelée catalyseur, qui ne subit...

• catalyseur

  

  Un catalyseur est une substance qui augmente la vitesse d'une réaction chimique sans être consommée et sans modifier la position finale de l'équilibre...

• bioprocédé

  

  Un bioprocédé est tout procédé qui utilise des cellules vivantes entières ou leurs composants (enzymes, chloroplastes, etc.