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Grado en Biotecnología

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Biocatálisis Aplicada

Código asignatura
GBIOTE01-4-006
Curso
Cuarto
Temporalidad
Primer Semestre
Carácter
Optativa
Créditos
6
Pertenece al itinerario Bilingüe
No
Actividades
  • Clases Expositivas (35 Horas)
  • Prácticas de Laboratorio (7 Horas)
  • Tutorías Grupales (4 Horas)
  • Prácticas de Aula/Semina (14 Horas)
Guía docente

Es una asignatura optativa teórico-práctica que se imparte en el primer semestre del curso 4.º El alumno ya ha cursado las asignaturas fundamentales de Química Orgánica, Metabolismo, y Estructura y Función de las Proteínas, del 2.º curso del Grado. Con esta asignatura optativa se completa la formación del estudiante en los procesos biocatalíticos encaminados a la preparación estereoselectiva de compuestos orgánicos de interés biológico y/o sintético. Se hará hincapié en la importancia que tienen estos métodos para el desarrollo sostenible de la Química. Además, los conocimientos que el alumno ha adquirido en la asignatura Tecnología del ADN Recombinante (módulo profesionalizante del curso 3.º) serán muy interesantes para entender las nuevas tendencias de la investigación en biocatálisis.

No se han establecido requisitos obligatorios. No obstante, para obtener un aprovechamiento adecuado es necesario tener conocimientos sólidos de las asignaturas teóricas recogidas en el apartado anterior, especialmente, de Química Orgánica. También es conveniente haber superado la asignatura práctica Experimentación en Biotecnología I

Al aprobar la asignatura, los alumnos serán capaces de:

• Dominar la terminología básica de la Biocatálisis.

• Evaluar las ventajas de las biotransformaciones frente a las reacciones químicas convencionales en cuanto a protección medioambiental, quimio-, regio- y estereoselectividad.

• Calcular la enantioselectividad de un proceso biocatalítico apropiado y relacionar esa magnitud con la conversión del proceso y con los excesos enantioméricos de sustrato y producto.

• Clasificar los procesos en que se obtienen productos no racémicos como resoluciones cinéticas o síntesis asimétricas.

• Distinguir entre resoluciones cinéticas simples, secuenciales, dinámicas y paralelas.

• Discutir y valorar las diversas opciones de los procesos biocatalíticos (empleo de células enteras o de enzimas aislados, inmovilizados o modificados).

• Proponer vías de acceso biocatalítico a un amplio número de compuestos funcionalizados con interés biotecnológico.

• Proponer los mecanismos de actuación de los enzimas más comunes.

• Manejar la herramienta SciFinder para poner al día la literatura científica en campos concretos de la Biocatálisis.

• Interpretar correctamente los resultados experimentales obtenidos en una resolución cinética.

En términos de habilidades y competencias, esta asignatura contribuirá a la adquisición por parte de los estudiantes de las siguientes competencias genéricas:

- Capacidad de análisis y síntesis.

- Habilidad para la resolución de problemas.

- Capacidad de aprender.

- Capacidad para planificar, organizar y ejecutar el trabajo en el laboratorio.

- Destreza en la comunicación oral y escrita en idioma español.

- Capacidad de transmitir información y de debatir ideas.

Tema 1. INTRODUCCIÓN: QUÍMICA SOSTENIBLE Y BIOCATÁLISIS. 1.1.- Principios de la Química sostenible. 1.2.- Cuantificación del impacto ambiental. 1.3.- Tipos de catalizadores. 1.4.- Importancia de la biocatálisis en el contexto de la Química sostenible. 1.5.- Ventajas y desventajas de la biocatálisis. 1.6.- Enzimas aislados y células enteras. 1.7.- Inmovilización de enzimas. 1.8.- ¿Cómo catalizan los enzimas?

Tema 2. CONCEPTOS BÁSICOS EN BIOCATÁLISIS. 2.1.- Métodos para determinar el exceso enantiomérico de un producto ópticamente activo. 2.2.- Asignación de la configuración absoluta. 2.3.- Reacciones quimio-, regio- y estereoselectivas. 2.4.- Enantioselectividad: determinación en procesos reversibles e irreversibles. 2.5. Tipos de resolución de racematos: cinética, cinética dinámica, cinética secuencial y paralela. 2.6.- Selectividad de las transformaciones asimétricas de compuestos proquirales y meso. 2.7.- Transformaciones asimétricas cinéticas dinámicas (DYKAT).

Tema 3. HIDROLASAS. 3.1.- Tipos de hidrolasas. 3.2. Peptidasas o proteasas: mecanismos de actuación. 3.3.- Reacciones más importantes catalizadas por proteasas. 3.4.- Amidasas: aminoacilasas, penicilina G acilasa e hidantoinasas. 3.5.- Esterasas, lipasas, fosfolipasas y fosfotriesterasas. 3.6.- Glicosidasas. 3.7.- Epóxido hidrolasas. 3.8.- Deshalogenasas. 3.9.- Hidrólisis de nitrilos mediante nitrilasas o por la acción sucesiva de nitrilo hidratasas y amidasas.

Tema 4. CATÁLISIS ENZIMÁTICA EN MEDIOS NO ACUOSOS. 4.1.- Hidrolasas en disolventes orgánicos. 4.2.- Resolución de alcoholes: procesos de esterificación y transesterificación. 4.3.- Resoluciones de alcoholes secundarios catalizadas por lipasas. 4.4.- Resoluciones de alcoholes primarios. 4.5.- Resolución de aminas catalizadas por lipasas: procesos de aminólisis. 4.6.- Resolución de ácidos carboxílicos y sus ésteres. 4.7.- Reacciones con otras hidrolasas en disolventes orgánicos. 4.8.- Transformaciones regioselectivas de compuestos polifuncionalizados catalizadas por hidrolasas. 4.9.- Utilización de enzimas en otros medios: fluidos supercríticos y líquidos iónicos.

Tema 5. REACCIONES REDOX ENZIMÁTICAS. 5.1.- Importancia del coenzima, métodos de regeneración y reacciones en cascada. 5.2.- Reducción de aldehídos y cetonas. 5.3.- Aminación-reducción de a-cetoácidos. 5.4.- Reducción de dobles enlaces C=C activados. 5.5.- Reacciones de oxidación: clasificación y tipos de enzimas. 5.6.- Deshidrogenasas: oxidación de alcoholes, aldehídos y aminoácidos. 5.7.- Oxidasas: oxidación de alcoholes, aminoácidos y aminas. 5.8.- Reacciones de oxigenación: mecanismos de activación de O2. 5.9.- Monooxigenasas: hidroxilación de alcanos y cicloalcanos. 5.10.- Epoxidación de alquenos. 5.11.- Hidroxilación de compuestos aromáticos: acción de mono- y dioxigenasas. 5.12.- Oxidación de Baeyer-Villiger. 5.13.- Peroxidasas: reacciones de oxigenación y halogenación. 5.14.- Aplicación de transaminasas (transferasas) para la aminación-reducción de compuestos carbonílicos.

Tema 6. REACCIONES ENZIMÁTICAS DE FORMACIÓN DE ENLACES CARBONO-CARBONO. 6.1.- Condensaciones aldólicas: tipos de aldolasas. 6.2.- Aldolasas del grupo I: 1,3-dihidroxiacetona como dador. 6.3.- Aldolasas del grupo II: dependientes de ácido pirúvico. 6.4.- Aldolasas de los grupos III y IV: dependientes de acetaldehído y de glicina. 6.5.- Condensaciones aciloínicas y benzoínicas: Mecanismo general para las liasas dependientes de ThDP. 6.6.- Reacciones de adición 1,4. 6.7.- Formación de cianhidrinas.

Tema 7. PROCESOS CO-CATALIZADOS Y SU APLICACIÓN EN RESOLUCIONES CINÉTICAS DINÁMICAS. 7.1.- Procesos quimioenzimáticos co-catalizados. 7.2.- Resolución cinética dinámica (DKR) de alcoholes. 7.3.- DKR de aminas. 7.4.- DKR de ésteres y tioésteres.

Tema 8. ENZIMAS VERSÁTILES: NATURALES Y MUTADOS. 8.1.- Versatilidad (“promiscuidad”) de ciertos enzimas. 8.2.- Reacciones aldólicas catalizadas por lipasas. 8.3.- Adiciones conjugadas a compuestos carbonílicos a,b-insaturados: adiciones de Michael y similares. 8.4.- Epoxidación de alquenos. 8.5.- Diseño de enzimas con nuevas propiedades.

Tema 9. SÍNTESIS QUIMIOENZIMÁTICAS DE FÁRMACOS Y DE OTROS PRODUCTOS DE INTERÉS INDUSTRIAL. 9.1.- Síntesis de precursores de fármacos. 9.2.- Modificación de productos naturales farmacológicamente activos. 9.3.- Procesos industriales que utilizan enzimas en la producción de fármacos. 9.4.- Biocatálisis aplicada a la elaboración de aromas, fragancias y cosméticos. 9.5.- Otros procesos biocatalíticos de interés.

Laboratorio

• Resolución enzimática de un compuesto racémico –amina primaria o alcohol secundario–.

• Determinación de los excesos enantioméricos de los compuestos ópticamente activos obtenidos mediante técnicas cromatográficas.

• Asignación de la configuración absoluta.

Las actividades formativas presenciales tendrán lugar en el aula y en el laboratorio, y el pleno aprovechamiento de la asignatura requiere una asistencia no inferior al 90%. Se fomentará especialmente la aplicación de los conocimientos teóricos a la resolución de problemas, el análisis y síntesis de la información, el uso de vocabulario científico adecuado, la expresión oral, el juicio crítico y la autonomía personal. En las actividades de aula se utilizará la pizarra, que se complementará con otros métodos basados en las técnicas de información y comunicación.

Aunque los contenidos del programa no se adaptan en su totalidad a ningún libro concreto de los recomendados en el apartado de bibliografía, el que más se aproxima es el de K. Faber (Biotransformations in Organic Chemistry, 6th Ed., 2011). La biblioteca de la Facultad de Química dispone de varios ejemplares de ediciones anteriores, que pueden ser muy útiles para los alumnos de esta asignatura.

Durante el curso, cada alumno, de forma individual, llevará a cabo la exposición oral y la defensa de un tema de actualidad relacionado con los contenidos de la asignatura. Las tutorías grupales se aprovecharán, entre otras cosas, para orientar al alumno en dicho trabajo.

Las actividades de laboratorio se han programado con la finalidad de ilustrar experimentalmente algunos de los conocimientos teóricos. Se pretende que el alumno se familiarice con las técnicas de biocatálisis aplicadas a la resolución de un compuesto racémico (amina primaria o alcohol secundario). Una vez decidido el compuesto a resolver, el alumno discutirá con el profesor el método más adecuado, buscará información relevante y diseñará el experimento. Este tipo de organización del trabajo experimental – “prácticas sin guión” –  es el que se sigue en la mayoría de las asignaturas experimentales del Grado en Biotecnología. 

El trabajo no presencial del alumno estará dirigido principalmente al estudio y preparación de la asignatura.

El cuadro que sigue es meramente orientativo. En lo concerniente a las actividades presen­ciales en el aula, no habrá distinción entre “clases de teoría” y “clases de problemas”. Salvo alguna rara excepción, el trabajo de cada día incluirá aspectos teóricos y prácticos.

MODALIDADES

Horas

%

Totales

Presencial

Clases Expositivas

35

23

60 horas

Práctica de aula / Seminarios / Talleres

14

9,3

Prácticas de laboratorio / campo / aula de informática / aula de idiomas

7

5

Prácticas clínicas hospitalarias

0

0

Tutorías grupales

4

2,7

Prácticas Externas

0

0

Sesiones de evaluación

0

0

No presencial

Trabajo en Grupo

10

7

90 horas

Trabajo Individual

80

53

Total

150

De forma excepcional, si las condiciones sanitarias lo requieren, se podrán incluir actividades de docencia no presencial. En cuyo caso, se informará al estudiantado de los cambios efectuados.

A) Periodo lectivo y convocatoria ordinaria

Se empleará un sistema de evaluación continua (50% de la calificación final) y examen final (50% de la calificación final).

La distribución del porcentaje correspondiente a la evaluación continua es:

(1) Participación activa de los alumnos en las actividades de clase (10%).

(2) Resultados de cuatro controles escritos distribuidos a lo largo del periodo lectivo (20%).

(3) Exposición y defensa de un tema de actualidad propuesto por el profesor (10%).

(4) Prácticas de laboratorio (10%).

Para superar la asignatura se establecen dos requisitos:

(1) Alcanzar una media ponderada final de 5 o más puntos (en una escala de 0 a 10).

(2) Tener una nota mínima de 3,5 puntos en cada uno de estos dos apartados: nota media de controles y examen final.

Los controles escritos, de unos 25-30 minutos de duración, se realizarán durante las clases presenciales. Su objetivo es comprobar la progresiva asimilación de conocimientos y la capacidad de razonamiento de los alumnos. En consecuencia, podrán hacerse sin previo aviso, en cuyo caso sólo afectarían a materia fundamental de las tres últimas sesiones presenciales (incluida la del día del control). Si se pretendiese que fueran algo más extensos, habrían de anunciarse con dos días de antelación.

Los profesores podrán alterar ligeramente los anteriores porcentajes de ponderación con el fin de tener en cuenta situaciones personales o generales justificadas que puedan sobrevenir a lo largo del curso.

B) Convocatoria extraordinaria de junio-julio

Un examen general de toda la asignatura, cuya calificación se trasladará directamente al acta.

C) Detalles específicos

Las pruebas escritas podrán versar sobre contenidos teóricos específicos (pero no consistirán en desarrollos amplios de temas), aunque se orientarán preferentemente a la resolución de ejercicios prácticos. Todas las respuestas habrán de estar razonadas breve pero claramente, de forma similar a la metodología seguida en las actividades presenciales. Se tendrá en cuenta el empleo del vocabulario científico adecuado, la capacidad de síntesis y de interrelación de conceptos y, en general, la claridad expositiva. 

De forma excepcional, si las condiciones sanitarias lo requieren, se podrán incluir métodos de evaluación no presencial. En cuyo caso, se informará al estudiantado de los cambios efectuados

Bibliografía

• K. Faber, Biotransformations in Organic Chemistry, Séptima edición, Springer, 2018.

• V. Gotor-Fernández, M, J. Hérnaiz Gómez-Dégano, Anales de Química 2017, 113, 27-35 .

• K. Drauz, H. Gröger, O. May (Eds.), Enzyme Catalysis in Organic Synthesis vol. 1-3, 3rd Ed., Wiley-VCH, 2012.

• U. T. Bornscheuer, R. J. Kazlauskas, Hydrolases in Organic Synthesis. Regio- and Stereoselective Biotransformations, 2nd Edition, Wiley-VCH, 2006.

 Los alumnos manejarán el material específico de un laboratorio avanzado de Síntesis Orgánica.