Introducción             Si los genes son los patrones absolutos e irreemplazables de la vida, las enzimas son los obreros especializados que hacen posible que la vida celular tenga lugar. Las enzimas son proteínas que facilitan las reacciones entre moléculas que pueden reaccionar naturalmente entre sí, pero en presencia de una enzima, la velocidad de la reacción se incrementa de tal modo que ocurre en tiempo de segundos o menos. Las enzimas son catalizadores, es decir, son sustancias que, sin consumirse en una reacción, aumentan notablemente su velocidad. No es que hagan factibles reacciones imposibles, sino que aceleran las que podrían producirse espontáneamente. Ello hace posible que, en condiciones fisiológicas, tengan lugar reacciones que sin catalizador requerirían condiciones extremas de presión, temperatura o pH. La función de las enzimas como partícipe fundamental en una reacción bioquímica fue conocida en los albores de la bioquímica clásica. En resumen, las enzimas son obreros calificados que unen, cortan, transfieren y/o modifican los grupos químicos participantes de las reacciones bioquímicas vitales para la vida.             En los capítulos 13, 14 y 15 de este curso nos referimos a las enzimas que intervienen en los procesos de síntesis de ADN y otros relacionados, pero no nos detuvimos a explicar con detalle qué son las enzimas. En este capítulo daremos un panorama general de su constitución y funciones y luego nos detendremos en el análisis de cómo si se engaña a una enzima se puede atacar una enfermedad. ¿Qué son las enzimas? Su nombre proviene del griego énsymo (dentro de la levadura). Las enzimas son catalizadores (aumentan la rapidez) muy potentes y eficaces, químicamente son proteínas. Al igual que los catalizadores metálicos, sólo se requiere una masa pequeña para funcionar, la que se recupera indefinidamente. No llevan a cabo reacciones que sean energéticamente desfavorables, no modifican el sentido de los equilibrios químicos, sino que aceleran su consecución.Las enzimas son grandes proteínas que aceleran las reacciones químicas. En su estructura globular, se entrelazan y se pliegan mediante una o más cadenas polipeptídicas, que así aportan un pequeño grupo de aminoácidos para formar el sitio activo, o lugar donde se reconoce el sustrato, y donde se realiza la reacción. Una enzima y un sustrato no llegan a interaccionar si sus formas no encajan con exactitud. Algunos fragmentos de ARN también tienen capacidad de catalizar reacciones relacionadas con la replicación y maduración de los ácidos nucleicos, dichos fragmentos se denominan ribozimas. (1) La figura 18.1 esquematiza los pasos de un reacción enzimática en términos generales.

 

        Figura 18.1: Esquematización de una reacción enzimática (tomada de la figura 7 del capítulo 13 de este curso) muestra una reacción enzimática. En el primer dibujo vemos un corte de una enzima que parecería tener forma globular que muestra su sitio activo (señalado con una flecha fina) cuya forma permite la interacción con el sustrato que debe ajustarse a la misma geometría.  Es como como si calzáramos dos bolas en dos hoyos que las contengan. En este caso las dos bolas serían el sustrato que será modificado por la enzima, por ejemplo: fosforilado, hidrolizado es decir separado como en el ejemplo, etc. Como resultado final la enzima queda inalterada y sin consumir mientras que el sustrato original desapareció y se convirtió en un producto diferente.

¿Cómo funcionan?

Las enzimas son esenciales para todos los procesos biológicos ya que son las responsables de las reacciones que mantienen la vida. Cualquier mutación o disfunción en un gen responsable de la codificación de una enzima puede causar un enfermedad severa y hasta la muerte.

 La acción de las enzimas se caracteriza por la formación de un

complejo que representa el estado de transición. El sustrato se une a la enzima a través de numerosas interacciones débiles como ser: puentes de

hidrógeno, electrostáticas,hidrófobas, etc, en un lugar específico llamado el centro activo. Este centro es una pequeña porción de la enzima, constituido por una serie de aminoácidos que interaccionan con el sustrato. Para ejercer su actividad las enzimas requieren, a menudo, de moléculas auxiliares, que se ubican en el centro activo de la enzima; en el caso de ser moléculas orgánicas reciben el nombre de coenzimas, mientras que si son iones metálicos (generalmente oligoelementos) se llaman cofactores entre los que se encuentran el hierro, cobre, yodo, manganeso, selenio, zinc, cromo, cobalto, flúor, litio y silicio. El conjunto enzima + cofactor o coenzima se denomina holoenzima, mientras que la parte proteica propiamente dicha se conoce como apoenzima. Usualmente las llamadas coenzimas no son simples moléculas auxiliares de las enzimas sino verdaderos sustratos de las reacciones pero que a diferencia del sustrato principal se regeneran fácilmente mediante reacciones simples.

Las enzimas tienen una estructura tridimensional sin la que no pueden desarrollar su actividad. En esa estructura poseen el centro activo al que se unen los sustratos y en el que se produce la reacción catalítica. Cuando el sustrato accede al centro activo, se produce un cambio en la estructura del conjunto enzima-sustrato pero una vez finalizada la catalización (catálisis: transformación química motivada por sustancias que no se alteran en el curso de la reacción) la enzima es recuperada sin ningún cambio en su estructura. 

Las enzimas son esenciales para la vida ya que, de otra forma, las reacciones en las células ocurrirían lentamente.

 Factores que influyen en la velocidad de las reacciones enzimáticas

Temperatura: Un aumento en la temperatura provoca un aumento de la velocidad de reacción hasta cierta temperatura óptima, ya que después de aproximadamente 450 C se comienza a producir la desnaturalización térmica. Las enzimas de muchos mamíferos tienen una temperatura óptima de 370 C, por encima de esa temperatura comienzan a inactivarse y se destruyen. Sin embargo, existen especies de bacterias y algas que habitan en fuentes de aguas termales y, en el otro extremo, ciertas bacterias árticas tienen temperaturas óptimas cercanas a 00 C. Un ejemplo interesante lo constituyen las ADN polimerasas aisladas de las bacterias que crecen en aguas termales. Cuando explicamos en el capítulo 15 la reacción de la polimerasa en cadena (PCR) comentamos que constaba de ciclos de calentamiento y enfriamento, durante el calentamiento se separaban las hebras de ADN y durante el enfriamiento se volvía a restaurar el dúplex. Lo que hizo posible esta reacción fue el descubrimiento de ADN polimerasas que funcionan a temperaturas altas.

Thermus aquaticus, denominado también Thermophilus aquaticus, es una bacteria termófila que vive en la proximidad de las fuentes de agua caliente (de 50 a 80 °C) fue descrito por Thomas Brock en 1969 en una fuente del parque de Yellowstone en Estados Unidos.  Es una bacteria gram-negativa ( Gram es una tinción que permite diferenciar las bacterias según el tipo de membrana que las rodea; las gram- positivas se tiñen de violeta y las gram-negativas de rosa), aerobia  (requiere oxígeno) y heterótrofa ( se alimenta de sustancias orgánicas fabricadas por otros organismos). Esta bacteria vive a temperaturas comprendidas entre 50 y 80 °C, debido a que su cóctel enzimático resiste tales condiciones. Normalmente a esas temperaturas, las proteínas constitutivas de la mayoría de los seres vivos se desnaturalizan y no vuelven a ser funcionales. Es por ello por lo que, una de sus enzimas, la ADN polimerasa de Thermus aquaticus, la llamada Taq polimerasa, es ampliamente utilizada por sus propiedades de termorresistencia en las reacciones de PCR. En efecto, esta enzima tiene una temperatura óptima de funcionamiento alrededor de los 75 °C.

Figura 18.2. Microfotografía electrónica de Thermus aquaticus (tomada de la Wikipedia en la página dedicada a esta bacteria).

 

 

 pH (grado de acidez de la solución) El pH no afecta la actividad enzimática directamente sino que modifica la concentración de protones (H+). Los protones además de alterar la estructura de la enzima y el sustrato, pueden participar también en la reacción como sustrato o producto. En esos casos, la concentración de protones afecta directamente la velocidad de la reacción. Sabiendo que las enzimas son proteínas, cualquier cambio brusco de pH, puede alterar el carácter iónico de los grupos amino (NH2-) y carboxilo (-COOH) en la superficie proteica, afectando así las propiedades catalíticas de una enzima. A pH alto o bajo se puede producir la desnaturalización de la enzima y en consecuencia su inactivación . El pH óptimo de algunas enzimas se muestra a continuación:

Pepsina (1,5) ; Tripsina (7,7); Catalasa (7,6); Arginasa (9,7); Ribonucleasa (7,8)

Clasificación

El Comité de Enzimas (EC) de la Unión Internacional de Bioquímica y Biología Molecular clasifica a las enzimas en 6 clases, de acuerdo con del tipo de reacción que catalizan, se muestra en el cuadro 18.1. Se conocen al presente más de 5000 enzimas, algunas trabajan solas y otras necesitan un cofactor. Para medir la velocidad de reacción de una enzima lo que se hace es determinar la velocidad de formación del producto y la cantidad que se obtiene, la actividad se expresa como la cantidad de enzima que produce un mol de producto por minuto de reacción.

Cuadro 18.1 Clasificación de las enzimas según su función

Número

Clasificación

Propiedades bioquímicas

1 Oxidorreductasas

Actúan sobre muchos grupos químicos para agregar o remover átomos de hidrógeno

2 Transferasas

Transfieren grupos funcionales entre moléculas donantes y aceptoras. Las quinasas son transferasas especializadas que regulan el metabolismo transfiriendo fosfatos desde el ATP a otras moléculas

3 Hidrolasas

Agregan agua a una ligadura hidrolizándola

4 Liasas Agregan agua, amoníaco o dióxido de carbono actuando sobre las dobles ligaduras o los remueven para producir enlaces dobles.

5 Isomerasas

Transforman ciertas sustancias en sus isómerass

6 Ligasas

Permiten la unión de dos moléculas con la degradación del ATP que provee la energía necesaria para que la reacción tenga lugar.

  Estructura tridimensional de las enzimas.             El avance en el conocimiento de la estructura tridimensional de las

proteínas surgió mediante la tecnología que comprende primero: la cristalización de las moléculas y luego la determinación del patrón de distribución de sus átomos. Esto se logra cuando un haz de rayos X se hace atravesar el cristal, los rayos son desviados (difractados) al chocar contra los átomos de la red cristalina y se forma sobre una pantalla una figura característica. Por supuesto que sólo los expertos pueden reconstruir la forma de una molécula compleja pero lo hacen con la ayuda de programas de computación que generan estructuras en tres dimensiones. De esta forma se puede establecer cuántos polipéptidos forman la molécula, cuáles son sus plegamientos y localizar además el sitio activo si es que la molécula en cuestión es una enzima.

Consideraremos un solo ejemplo por la belleza de su estructura y su importancia vital en la duplicación y transcripción del ADN. La enzima ADN girasa o helicasa. Como ustedes recordarán de capítulos anteriores (capítulo 13) ambas hebras de un ADN se encuentran enlazadas formando una hélice. En los momentos en que se necesita copiar una de ellas, el ADN se va desenrollando por sectores, este trabajo que requiere de una máquina muy especial es la enzima ADN girasa o helicasa. La estructura de la helicasa se describió recién en 1999 y resultó ser una molécula compleja formada por seis polipéptidos individuales acomodados formando un anillo tal como se ve en la figura 18.2. 

Figura 18.2 Estructura de la helicasa, se trata de una molécula compleja formada por seis helicasas individuales ensambladas de tal modo que conforman un motor en forma de anillo que desenrrolla el ADN. El motor se desplaza por el agujero central de una de las hebras y fuerza su paso a través de los pares de bases de la molécula de ADN doble. Las esferas rojas que anidan entre dos lóbulos representan las moléculas de dTTP

(deoxitimidina trifosfato) que es la molécula que le provee de energía a la enzima para actuar. Los rulos rosados representan la parte de la molécula que se aferra al ADN. (2)            No todas las helicasas son hexaméricas, hay toda una familia de helicasas de estructuras más simples. A medida que la helicasa avanza a lo largo de la cadena a razón de 300 nucleótidos por segundo va quitándole, mediante hidrólisis, los fosfatos a la molécula de dTTP que es su moneda energética, ya que sabemos que tanto de este nucleótido como del ATP la célula toma energía que le permite llevar a cabo sus reacciones. En la figura 18.3 se muestra la fórmula del dTTP que al hidrolizarse y perder pirofosfato (molécula formada por dos fosfatos) cede energía. 

 Figura 18.3. Fórmula química del dTTP. Cómo engañar a una enzima: la base de muchos medicamentos             En una reacción típica catalizada por una enzima tanto la concentración del producto como la del reactivo son cientos de veces o miles de veces más grandes que la concentración de la enzima.  La serie de eventos complejos que ocurren en esta reacción son:

E+S ES ES* EP E+ P Donde  ES* es un estado de transición. La cinética o velocidad de esta reacción bioquímica fue descrita por Michaelis-Menten que la formularon como ecuación y que tiene gran aplicabilidad en todas las reacciones

enzimáticas bioquímicas y que permite la graficación y obtención de curvas características. La presencia en la reacción de inhibidores permite determinar en muchos casos el uso de estas sustancias como medicamentos. Para todos los interesados les recomiendo consultar la página: http://web.indstate.edu/mwking/home.html muy completa y actualizada.             Nosotros, en cambio, siguiendo la tónica de nuestro curso y completando los conocimientos impartidos en los capítulo 13,14 y 15 vamos a ver ejemplos de cómo engañar a una enzima que interviene en la síntesis de ADN virales y de ese modo conseguir moléculas  antivirales eficaces. En primer lugar,  vamos a analizar la acción de los análogos de nucleósidos sobre las enzimas ADN polimerasa y retrotranscriptasa.  ADN polimerasas.            La ADN polimerasa es la enzima principal involucrada en la síntesis de cadenas nuevas de ADN, esencialmente lo que hace es ir enganchando nucleótidos  de adenina (A), guanina (G), citosina (C) o timina (T) unos a continuación de los otros formando una hebra larga y siguiendo el patrón de apareamiento posible que le dicta la secuencia de la cadena molde. Pero el procedimiento no es tan sencillo  como lo mostramos en el capítulo 13 sino que, en realidad, para que se duplique la cadena funcionan al unísono varias enzimas debido a algunas restricciones de la propia polimerasa. Todas las ADN polimerasas conocidas (hay varias) sintetizan el ADN en la dirección 5´ 3´ de modo que no puede comenzar  a sintetizar desde el extremo, porque sólo puede enganchar en un grupo 3´-OH y por lo tanto necesita de un cebador  o primer al que pueda enganchar el primer nucleótido. Los cebadores son bases de ARN o ADN que son sintetizados por otra enzima llamada primasa.  Recordemos también que, como vimos antes, se necesita una helicasa para que desenrrolle las cadenas y ofrezca a la polimerasa una cadena simple para copiar. Las ADN polimerasas son estructuras altamente conservadas lo que significa que sus subunidades catalíticas están altamente conservadas y varían poco de una especie a otra. La ADN polimerasa es una holoenzima ya que requiere ión magnesio como cofactor para funcionar adecuadamente. Algunas polimerasas tienen una función correctora esto significa que si se coloca por error un nucleótido que no corresponde al par, entonces la misma enzima lo remueve. Para ello vuelve hacia atrás un par de bases y con su actividad de exonucleasa 3’5’ corta (separa el par erróneo) y vuelve a colocar el par correcto y continuando la replicación. Esta actividad se conoce con el de proofreading y es equivalente a corregir un texto en la prueba de galera. Cómo se engaña a una enzima.            Las enzimas no son infalibles, pueden ser engañadas ofreciéndoles

sustratos parecidos a su sustrato natural pero que posean algún cambio químico que pueda paralizar la reacción natural. Este es el principio de la obtención de muchos medicamentos contra virus que se conocen con el nombre genérico de antivirales. Así por ejemplo, si queremos combatir la infección con virus Herpes que es un ADN virus que produce esas vesículas molestas en la boca pero también que puede matar por una encefalitis, nosotros podemos evitar que se duplique su ADN dentro de la célula administrando al paciente análogos de nucleósidos. En la figura 18.4 encontramos la fórmula correspondiente a la guanosina (base normal del ADN) y en la figura 18.5 de la acicloguanosina, más conocida como aciclovir- droga efectiva contra el herpes- y del ganciclovir, droga efectiva contra el citomegalovirus (CMV). 

Figura 18.4 Fórmula estructural de la guanosina, resulta de la unión de la base guanina a una ribosa.  

Figura 18.5. Fórmulas estructurales del aciclovir y ganciclovir. Nótese que el anillo de la  ribosa está abierto y carece del OH necesario para que se

enganche el próximo nucleótido. Cuando la ADN polimerasa enganche una guanidina en la cadena que se está sintetizando porque tiene que aparearse a una citosina lo hará pero la cadena quedará cortada ya que el próximo nucleótido no tendrá dónde hacerlo, de este modo, la cadena viral no podrá ser sintetizada y no se formarán las partículas virales. Enzima transcriptasa reversa 

Se denomina así a la ADN polimerasa dependiente de ARN, que utiliza al ARN como molde en lugar del ADN. Esta enzima forma parte de los llamados retrovirus entre los que se encuentra el virus causante de SIDA, el virus HIV. Normalmente transcribe la información del ARN y la convierte en un ADN complementario formándose un híbrido ARN-ADN. Luego se digiere el ARN y se duplica la cadena de ADN dando origen a un ADN doble.  Como mencionamos en otros capítulos el uso de la palabra reversa se debe a que normalmente en la células el flujo de información es ADN ARN proteína, en este caso ocurre el proceso reverso ARN ADN. Así como se engaña a la ADN polimerasa del virus herpes se puede engañar a la transcriptasa reversa del HIV. Como se puede observar en la figura 18.6 hay moléculas análogas a la timidina, como el conocido AZT y 3 TC que al tener bloqueado el OH de la ribosa al que debe unirse el próximo nucleótido, cortan la cadena creciente de esto modo impiden la replicación viral.                     

 Figura 18.6. Fórmulas estructurales de timidina y análogos de timidina. En el AZT el OH está reemplazado por nitrógeno y en el 3TC por azufre. Proteasas

Las proteasas (proteinasas, peptidasas, o enzimas proteolíticas) son enzimas que rompen las uniones peptídicas entre los aminoácidos que forman las proteínas. Recordemos que las proteínas son largos polímeros de aminoácidos con muchas funciones dentro de una célula de vital importancia como la digestión, la apoptosis, la coagulación de la sangre y otros. En la figura 18.7 se muestra la síntesis de un péptido (unión de dos aminoácidos) destacándose la unión peptídica.

 

Figura 18.7 Reacción entre dos aminoácidos para dar un péptido. Como resultado de la unión se pierde una molécula de agua.

   La acción de estas enzimas consiste en un proceso de ruptura

proteolítica en la que usan una molécula de agua de ahí que de acuerdo a la clasificación general se las considere hidrolasas. Las proteasas pueden también servir de blancos para el ataque de microorganismos. Hay numerosas proteasas que cortan las proteínas en determinados  aminoácidos, por ejemplo la familia de las caspasas de gran importancia en la apoptosis o muerte celular programada, hidrolizan la unión cuando encuentran en la cadena el aminoácido aspartato. Como esta actividad la realizan por medio de la cisteína se dice que pertenecen al grupo de las cisteín-proteasas. Otras proteasas hacen otro tipo de cortes.

 ReferenciasMichael W. King, Ph.D / IU School of Medicine / miking at iupui.edu Biositesis de las enzimas

RESUMEN

 La tecnología enzimática tiene como objetivo la superación de todos aquellos inconvenientes que parecen retrasar la aplicación de las enzimas en estos procesos a escala industrial, las enzimas son proteínas cuya función biológica es catalizar las reacciones que suceden en las células. Esta área tiene aplicaciones desde tiempos remotos como la fermentación, actualmente en diferentes industrias a diferentes niveles, ya que implica la utilización de sistemas enzimáticos diversos que optimizan el procesamiento en la obtención de detergente, aditivos alimenticios, productos químicos y farmacéuticos. La tecnología enzimática se presenta como alternativa biotecnológica basada en que las industrias desarrollen productos de calidad homogénea, aprovechen óptimamente sus materias primas, aceleres sus procesos de producción, minimicen desperdicios y disminuyan el deterioro del medio ambiente.

DESCRIPTORES: Enzimas/ Catalizadores/ Industrias/ Biosíntesis/ Manipulación genética/ Producción de enzimas.

 

TECNOLOGIA ENZIMATICA

9.1 LAS ENZIMAS COMO CATALIZADORES

Las enzimas son catalizadores de origen biológico que parecen cumplir muchos de los requisitos necesarios para impulsar esta nueva industria

química. Son catalizadores muy activos en medios acuosos y en condiciones muy suaves de temperatura, presión, pH, etc. Son catalizadores muy específicos: pueden modificar un único substrato en una mezcla de substratos muy similares e incluso pueden discernir entre dos isómeros de una mezcla racémica de un compuesto quiral, Son catalizadores muy selectivos: pueden modificar un único enlace o un único grupo funcional en una moléculas que tenga varias posiciones modificables.

A pesar de esas excelentes propiedades catalíticas, las enzimas han ido evolucionando a través de los siglos para cumplir mejor las necesidades fisiológicas de los seres vivos y no para ser utilizadas en sistemas químicos industriales. Así, las enzimas son catalizadores solubles, generalmente muy inestables y que sufren inhibiciones por substratos y productos. Además, las enzimas muchas veces no poseen todas las propiedades ideales (actividad, selectividad, etc) cuando queremos que catalicen procesos distintos de los naturales (por síntesis en lugar de hidrólisis), sobre substratos no naturales, en condiciones experimentales no convencionales (en disolventes orgánicos no-tóxicos).

9.2 TECNOLOGIA ENZIMATICA MODERNA

A mediados de los años 50, la tecnología de las enzimas vivió su época de gran esplendor, creciendo a un ritmo desenfrenado. El progreso de la bioquímica ha derivado en una mejor comprensión de la gran variedad de enzimas presentes en las células vivas, así como un mejor conocimiento acerca de su modo de acción. Por ejemplo, su eficacia se puede aumentar extrayéndolas de los microorganismos y manteniéndolas aisladas. Las enzimas purificadas a través de este sistema no pierden sus propiedades; al contrario, estas preparaciones "sin células" devienen incluso más eficaces.

"A comienzos de 1970 la tecnología enzimático comenzaba a entrar en periodo de desarrollo industrial, dirigido a la producción de aminoácidos y azúcares a partir de glucosa isomerizada. En aquel momento, los mercados Europeos y Americanos se encontraban dominados por la comercialización de las enzimas proteolíticas utilizadas en la industria de los detergentes, pero existian grandes expectativas sobre el mercado de enzimas aplicadas a la industria alimentaría, al cual se le auguraba un crecimiento importante (Dunnill, 1980; Lewis y Kristiansen, 1985).

En 1981 el mercado mundial del azúcar se valoró en 200 millones de dólares y en 1985 la oficina de Valores Tecnológicos de USA lo cifraban en 250 millones. La interpretación mas clara es el mercado para las enzimas utilizadas en la industria ha crecido espectacularmente a lo largo de los años 1970, y que este crecimiento ha sido paralelo al desarrollo de un gran

número de aplicaciones a la industria alimentaría. Se puede esperar en el futuro que el mercado experimente un aumento cuando las enzimas comiencen a utilizarse en procesos de producción de la industria química."(1)

En época más reciente se ha visto que puede utilizarse diversos tejidos vegetales y homogenados tisulares, obtenidos de distintas fuentes, como alternativas a las células microbianas y a las enzimas purificadas. Por consiguiente, la conclusión evidente es que existen una serie de preparaciones biocatalíticas para resolver una situación concreta, entre las cuales debe realizarse una elección. Por tanto, es conveniente considerar los criterios que debe manejarse en la elección del biocatalizador.

 

9.3 INDUSTRIAS TRADICONALES Y ENZIMAS ASOCIADAS

Las aplicaciones industriales tradicionales se refieren a la producción de una transformación útil por alguna enzima, bien sea natural o añadida intencionalmente. Entre las que podemos citar:

• Fermentación.- "La fermentación alcohólica es un ejemplo conocido de los procedimientos en que se efectúan alteraciones enzimáticas, tanto cuando se agrega alguna enzima como cuando se añade algún microbio vivo (levadura). Primero se calienta el grano amiláceo para gelatinizar el almidón, y luego se añade malta ( que contienen enzimas diastásicas) para convertir el almidón en azúcar fermentable (maltosa). Si el producto que se desea obtener es alcohol, se agrega entonces levadura. El empleo de amilasa en forma de malta es indudablemente la mayor aplicación industrial que tiene las enzimas, pero no es del todo conocida la acción de estas amilasas. La elaboración de vinagre con alcoholes es un proceso enzímico producido por un microbio vivo (Acetobacter aceti). Como el alcohol es oxidado y convertido en ácido acético con oxígeno de la atmósfera. Aislada de las bacterias, la enzima cataliza igualmente la oxidación, pero es mucho más económico valerse de la célula viva intacta."(2)

• Curtición.-" Primero se quitan a las pieles el pelo y el exceso de carne y luego se ponen en remojo para que se hinchen y se vuelvan más o menos porosas y permeables a las sustancias curtientes. El primer remojo se ha efectuado siempre mediante la acción enzimática. Cuando se observó que la hinchazón era producida parcial o

totalmente por enzimas protealítina impura. La cantidad de material enzimático que se usa en la industria de curtiduría representa probablemente la mayor aplicación industrial de las enzimas después de la industria de fermentación."(3)

• Fabricación de queso.- "La operación más importante en la fabricación de queso es la coagulación de la caseína de la leche, que luego se trata para convertirla en queso. Se puede coagular la caseína mediante la adición de ácido o de enzimas quesos se fabrica coagulada la caseína con rennina, esta probablemente tiene una acción proteolítica muy débil que continua en el queso. La rennina produce un coágulo elástico del que se exprime fácilmente el suero. No es la única porteínasa que se usa en la elaboración del queso, pues también se emplea mezclas de rennina con pepsina. Asimismo se ha usado la papaína, y en este caso al parecer se asegura la proteólisis durante el añejamiento del queso. En los países balcánicos se emplea jugo de higos ( que contiene gran proporción de enzimas proteolíticas ficina). Para preparar el coágulo. La diferentes enzimas coagulantes hacen variar notablemente la naturaleza del queso."(4) Elaboración de pan.- Aún se discute el papel que desempeñan en la fabricación del pan las enzimas que se hallan en la harina. La harina cruda contiene cantidad relativamente pequeña de muchas enzimas, incluso una proteína del tipo de la papaína, que según creen algunos reblandece la masa. Al igual que todas las enzimas del tipo de la papaína, la proteinasa de la harina es inactivada por la oxidación. La harina de trigo contiene también pequeñas cantidad de -amilasa y gran proporción de -amilasa -amilasa. La adición de la -amilasa a la harina, generalmente en forma de harina de trigo malteado, ocasiona aumento de volumen de la hogaza. La amilasa agregada hidroliza parte del almidón y lo convierte en maltosa, con lo cual suministra mas azúcar para que fermente la levadura y origina la generación de mayor cantidad de dióxido de carbono. La -amilasa que ya existe en la harina coopera probablemente en el proceso mediante la desintegración de las dextrinas formadas por la -amilasa."Proteinasas.- Son sustratos de las poteinasa todas las proteínas excepto las queratinaass. La hidrólisis es ordinariamente muy lenta. Las proteinasas desintegran también péptidos sencillos, pero de ordinario con mucha lentitud. Los productos superiores de degradación de las proteínas son descompuestos rápidamente. Los aminoácidos pueden ser liberados por acción proteolítica.

• Renina.- Se halla en el cuarto estómago de las terneras. Su acción proteolítica, si la tiene, es muy débil. Es un poderoso agente coagulador de la leche ( pH óptimo aproximadamente 5.4)

• Papaína .- Se halla en el látex del fruto verde de la papaya. Es típica de

muchas enzimas vegetales como la ficina de la leche de higuerón, la asclepaína del vencetósigo y la bromelina del ananás. Una de sus características es su contenido de grupos SH, de que parece depender la actividad de la enzima. Por oxidación ligera se vuelve inactiva, pero es reactivada por agentes reductores, como la cisteína, HCN y otros, incluso los grupos SH en las proteínas que están siendo digeridas por las enzimas parcialmente activas. La papaína es relativamente resistentee con el calor, y empleada a temperaturas de 50 a 60°C, es muy rápida la proteólisis. La enzima coagula fácilmente la leche. Los microorganismos vivos son atacados rara vez por las proteinasas, pero la papaína ataca ciertos parásitos intestinales (áscaris) vivos. Descompone la hipurilamida con desprendimiento de amoniaco.

• Carbohidrasas.- Descomponen residuos de azúcares de carbohidratos superiores.

• -Amilasa .- Se hallan en las glándulas salivales, el páncreas, hongos, bacterias y la malta, que las contienen en abundancia. Descomponen los almidones y el glucógeno en dextrinas y disocian lentamente las dextrinas en maltosa y cantidad mínima de glucosa. Destruyen la estructura en cadenas ramificada del almidón (amilo pectina) y el glucógeno. Con el tempo pueden efectuar la destrucción casi total del almidón. La -amilasa de malta requiere calcio y puede ser una proteína cálcica. La -amilasa animal necesita cloruro.

• -amilasa .- Se halla en las plantas superiores, los granos la producen en abundancia. La enzima de los granos descomponen totalmente la amilasa y la convierte directamente en maltosa, también descompone la amilo pectina ( la porción de cadena ramificada del almidón) y el glucógeno, pero su acción se detiene donde se ramifica la cadena de hidratos de carbono. Cuando se rompe las cadenas ramificadas de hidratos de carbono entre las ramas ( en presencia de -amilasa), la -amilasa ataca los fragmentos de cadena recta así formados. De esta manera, las dos enzimas juntas hidrolizan más rápidamente el almidón que cualquiera de ellas por separado."(5)

 

9.4 APLICACIONES INDUSTRIALES

En relación con las enzimas, la tecnología moderna contribuye al ahorro. Por ejemplo, permite la utilización del excedente de suero derivado de la fabricación del queso. La lactosa transforma el azúcar del suero en una mezcla de glucosa y galactosa con un sabor más dulce. Así, se refina el producto y se concentra en una especie de jarabe cuyo sabor recuerda el de la miel, con lo que las aplicaciones en el sector de la confitería industrial

se hacen innumerables. Se usan también muchos otros tratamientos de las enzimas en la producción de edulcorantes modernos. Por ejemplo, EE.UU. se puede constatar que el jarabe del almidón de maíz tiene un alto contenido en fructosa, razón por la cual ha llegado a eclipsado a la sacarosa.

Las enzimas presentan muchísimas aplicaciones. Con los procedimientos modernos de fabricación de alimentos, benefician tanto a los sectores industriales como a los consumidores. Sus características específicas permiten a los industriales ejercer un control de calidad más estricto. Con un menor consumo de energía y unas condiciones de tratamiento más ligeras, su eficacia favorece el entorno. Pueden utilizarse para tratar los desechos biológicos resultantes de la fabricación de alimentos, puesto que las propias enzimas son biodegradables. Mediante una rápida absorción natural, las enzimas son el típico ejemplo de "tecnología verde".

 

9.4.1 Alimentos

La utilización empírica de preparaciones enzimáticas en la elaboración de alimentos es muy antigua. El cuajo, por ejemplo, se utiliza en la elaboración de quesos desde la prehistoria, mientras que las civilizaciones precolombinas ya utilizaban el zumo de la papaya. Sin embargo, hasta 1897 no quedó totalmente demostrado que los efectos asociados a ciertos materiales biológicos, como el cuajo o las levaduras pudieran individualizarse en una estructura química definida, llamada enzima, aislable en principio del organismo vivo global. Desde hace unas décadas se dispone de enzimas relativamente puros y con una gran variedad de actividades susceptibles de utilizarse en la elaboración de alimentos. Los progresos que están realizando actualmente la ingeniería genética y la biotecnología permiten augurar un desarrollo cada vez mayor del uso de los enzimas, al disponer de un suministro continuo de materiales con la actividad deseada aprecios razonables.

Los enzimas son piezas esenciales en el funcionamiento de todos los organismos vivos, actuando como catalizadores de las reacciones de síntesis y degradación que tienen lugar en ellos.

La utilización de enzimas en los alimentos presenta una serie de ventajas, además de las de índole económica o tecnológica. La gran especificidad de acción que tienen los enzimas hace que no se produzcan reacciones laterales imprevistas. Asimismo se puede trabajar en condiciones moderadas, especialmente de temperatura, lo que evita alteraciones de los

componentes más lábiles del alimento. Desde el punto de vista de la salud, puede considerarse que las acciones enzimáticas son, en último extremo, naturales. Además los enzimas pueden inactivarse fácilmente cuando se considere que ya han realizado su misión, quedando entonces asimilados al resto de las proteínas presentes en el alimento.

Para garantizar la seguridad de su uso deben tenerse en cuenta no obstante algunas consideraciones: en aquellos enzimas que sean producidos por microorganismos, estos no deben ser patógenos ni sintetizar a la vez toxinas, antibióticos, etc. Los microorganismos ideales son aquellos que tienen ya una larga tradición de uso en los alimentos (levaduras de la industria cervecera, fermentos lácticos, etc.). Además, tanto los materiales de partida como el procesado y conservación del producto final deben ser acordes con las prácticas habituales de la industria alimentaría por lo que respecta a pureza, ausencia de contaminantes, higiene, etc.

Los enzimas utilizados dependen de la industria y del tipo de acción que se desee obtener, siendo éste un campo en franca expansión. A continuación se mencionan solamente algunos ejemplos.

• Industrias lácteas "Como se ha indicado, el cuajo del estómago de los rumiantes es un producto clásico en la elaboración de quesos, y su empleo está ya citado en la Iliada y en la Odisea. Sin embargo, el cuajo se obtuvo como preparación enzimática relativamente pura solo en 1879. Está formado por la mezcla de dos enzimas digestivos (quimosina y pepsina) y se obtiene del cuajar de las terneras jóvenes. Estos enzimas rompen la caseína de la leche y producen su coagulación. Desde los años sesenta se utilizan también otros enzimas con una acción semejante obtenidos a partir de microorganismos o de vegetales.

Actualmente empieza a ser importante también la lactasa, un enzima que rompe la lactosa, que es el azúcar de la leche. Muchas personas no pueden digerir este azúcar, por lo que la leche les causa trastornos intestinales. Ya se comercializa leche a la que se le ha añadido el enzima para eliminar la lactosa. "(6) 

• Panadería  En panadería se utiliza la lipoxidasa, simultáneamente como blanqueante de la harina y para mejorar su comportamiento en el amasado. La forma en la que se añade es usualmente como harina de soja o de otras leguminosas, que la contienen en abundancia. Para facilitar la acción de la levadura, se añade amilasa, normalmente en forma de harina de malta, aunque en algunos países se utilizan enzimas procedentes de mohos ya

que la adición de malta altera algo el color del pan. La utilización de agentes químicos para el blanqueado de la harina está prohibida en España.A veces se utilizan también proteasas para romper la estructura del gluten y mejorar la plasticidad de la masa. Este tratamiento es importante en la fabricación de bizcochos.

• Cervecería  A principios de este siglo (1911) se patentó la utilización de la papaína para fragmentar las proteínas presentes en la cerveza y evitar que ésta se enturbie durante el almacenamiento o la refrigeración, y este método todavía se sigue utilizando. Este enzima se obtiene de la papaya. Un enzima semejante, la bromelaína, se obtiene de la piña tropical.

Un proceso fundamental de la fabricación de la cerveza, la rotura del almidón para formar azúcares sencillos que luego serán fermentados por las levaduras, lo realizan las amilasas presentes en la malta, que pueden añadirse procedentes de fuentes externas, aunque lo usual es lo contrario, que la actividad propia de la malta permita transformar aun más almidón del que contiene. Cuando esto es así, las industrias cerveceras añaden almidón de patata o de arroz para aprovechar al máximo la actividad enzimática.

- Fabricación de zumos

A veces la pulpa de las frutas hace que los zumos sean turbios y demasiado viscosos, produciéndose también ocasionalmente problemas en la extracción y en su eventual concentración. Esto es debido a la presencia de pectinas (Véase página...), que pueden destruirse por la acción de enzimas presentes en el propio zumo o bien por enzimas añadidas obtenidas de fuentes externas. Esta destrucción requiere la actuación de varios enzimas distintos, uno de los cuales produce metanol, que es tóxico, aunque la cantidad producida no llegue a ser preocupante para la salud.

• Fabricación de glucosa y fructosa a partir del maíz  Una industria en franca expansión es la obtención de jarabes de glucosa o fructosa a partir de almidón de maíz. Estos jarabes se utilizan en la elaboración de bebidas refrescantes, conservas de frutas, repostería, etc. en lugar del azúcar de caña o de remolacha. La forma antigua de obtener estos jarabes, por hidrólisis del almidón con un ácido, ha sido prácticamente desplazada en los últimos 15 años por la hidrólisis enizmática, que permite obtener un jarabe de glucosa de mucha mayor calidad y a un costo muy competitivo. De hecho, la CE ha limitado severamente la producción de estos jarabes para evitar el hundimiento de la industria azucarera clásica. Los enzimas utilizados son las alfa-amilasas y las amiloglucosidasas. La glucosa formada puede transformarse luego en fructosa, otro azúcar más

dulce, utilizando el enzima glucosa-someraza, usualmente inmovilizado en un soporte sólido.

• Refinado de azúcar  "La extracción de la sacarosa, a partir de la melaza de la remolacha azucarera puede complicarse por la presencia de rafinosa, un trisacárido que previene la cristalización. Para incrementar la recuperación del azúcar y mejorar el proceso, la rafinosa puede degradarse enzimáticamente. El resultado de esta degradación es doble; por un lado favorece la cristalización y, además, produce sacarosa como uno de los productos de la hidrólisis. La enzima -galactosida es producida por el hongo Morteirella vinaceae raffinosutilizer y puede ser empleada convenientemente para inmovilizar los residuos micelares que producen este organismo. La reacción hidrolítica se efectúa a pH superior a 5 para evitar la inversión de la sacarosa catalizada por el medio ácido. Algunas veces, se requiere un tratamiento similar en el proceso de obtención a partir de la caña de azúcar, donde el almidón es hidrolizado antes de la cristalización mediante el uso de -amilasa."(7)

 

• Otras aplicaciones  Los enzimas se utilizan en la industria alimentaría de muchas otras formas, en aplicaciones menos importantes que las citadas anteriormente. Por ejemplo, en la fabricación de productos derivados de huevos, las trazas de glucosa presentes, que podrían oscurecerlos, se eliminan con la acción combinada de dos enzimas, la glucosa-oxidasa y la catalasa. Por otra parte, la papaína y bromelaína, enzimas que rompen las proteínas, se pueden utilizar, fundamentalmente durante el cocinado doméstico, para ablandar la carne.

Algunas enzimas, como la lactoperoxidasa, podrían utilizarse en la conservación de productos lácteos.

9.4.2 Detergentes

Entre otros aditivos importantes que se encuentran en los detergentes están las enzimas, los cuales por lo general son sustancias de naturaleza proteínica, que se encargan de catalizar las reacciones en los seres vivos. La tecnología de enzimas en los detergentes se desarrolló a partir de la década de los años 60, como una herramienta más de éstos para atacar ciertos sustratos (generalmente protéicos) específicos. Las más comunes son las llamadas proteasas, las cuales degradan restos de proteínas; y las lipasas que pueden atacar restos de sustratos lípidos que son los que

comúnmente se adhieren a la ropa y a ellas se les adhieren el resto de la suciedad como polvo, restos de otros compuestos orgánicos etcétera. Los detergentes que contienen enzimas se les llama detergentes biológicos.

Efectos de enzimas activas

Como se mencionó anteriormente, algunos detergentes contienen enzimas, las cuales atacan sustratos orgánicos específicos. El problema se presenta al usar exceso de estos detergentes, con lo cual se desechan enzimas activas al drenaje, las cuales al llegar a los cuerpos de agua provocarán daños en los seres vivos presentes en éstos, por acción directa sobre ellos o sobre los nutrientes que componen su dieta alimenticia.

Otros efectos.

Entre otros efectos secundarios producidos por los detergentes es que afectan procesos de tratamiento de las aguas residuales, por ejemplo: cambios en la demanda bioquímica de oxígeno y en los sólidos suspendidos, efectos corrosivos en algunas partes mecánicas de las plantas, interferencias en el proceso de cloración y en la determinación de oxígeno disuelto y algunos aditivos en los detergentes pueden intervenir en la formación de flóculos (agrupaciones de partículas suspendidas).

9.4.3 Energía

Otra actividad que llama a las aplicaciones biotecnológicas es la producción de energía, siendo la ventaja de las fuentes orgánicas con respecto a los combustibles fósiles el que las primeras sean renovables. Cada año crecen unas 200 mil millones de toneladas de biomasa (madera, cereales, etc), de las cuales los humanos usamos sólo un 3%. Por lo tanto, este rubro ofrece un enorme potencial que puede ser aprovechado. Un ejemplo clásico de biocombustible es el alcohol obtenido por fermentación de material rico en azúcares y almidón, o de residuos orgánicos varios, incluyendo los forestales. El principal obstáculo para la viabilidad de esta propuesta es el costo, puesto que el petróleo sigue siendo más barato. Sin embargo, los avances tecnológicos están permitiendo acortar la brecha.

Hay también diversos sectores de la industria en los que la adaptación o sustitución de procesos químicos o físico-químicos por otros de base biológica puede contribuir al desarrollo sustentable. Beneficios concretos a escala industrial ya se observan con la introducción de enzimas en la producción de celulosa, de textiles y del cuero, entre otros. "

9.4.4 Tratamiento de desechos

"Pero es el tratamiento de desechos donde la biotecnología puede tener un mayor impacto a nivel mundial. Los Estados Unidos gastan US$ 40 mil millones al año para combatir la polución que generan los 600 millones de toneladas de desechos industriales. Bacterias, microalgas, levaduras, hongos y plantas han mostrado una notable eficiencia para metabolizar residuos orgánicos, xenobióticos y metales pesados (biorremediación y fitorremediación), reduciendo hasta 20 veces el costo involucrado en la incineración de dichos residuos. Por otra parte, se han hecho grandes avances en el tratamiento de derrames de petróleo con microorganismos.

En fin, hay muchas otras áreas suceptibles de ser abordadas exitosamente mediante el empleo de diversas biotecnologías. Sin embargo, a pesar de los promisorios resultados obtenidos hasta el momento, persisten aún varias limitaciones técnicas y económicas que requieren ser resueltas. Por ello, la biotecnología no debe ser vista como una panacea y en cada caso habrá que ponderar sus ventajas con respecto a las tecnologías tradicionales.

Al considerar las aplicaciones enzimáticas en el tratamiento de los residuos, se debe hacer hincapié entre las situaciones donde el residuo de un proceso es el material crudo y los siguientes, por ejemplo, conversión de almidones, y procesos que ayudan a reducir los costos asociados del tratamiento. Existen un amplio número de industrias de procesamiento de alimentos que producen residuos que necesariamente deben ser posteriormente tratados.

La aplicaciones de grupos de enzimas depende de la necesidaddd de hidrolizar polímeros complejos para incrementar su posterior degradación microbiolígica. Entre los diversos ejemplos se puede incluir el empleo de las lipasas asociadas con cultivos bacterianos para eliminar los depósitos de grasa procedentes de las paredes de las tuberías que transportan el efluente.

Otra enzima degradante de polímeros utilizados de forma similar son las celulosas, proteinasas y amilasas. Una aplicación particular que puede describirse como tratamiento de residuos, es el emplio de proteinasas en las preparaciones comerciales de detergentes, denominadas como polvo de lavado biológico.

Además de estas hidrólisis de materiales poliméricos, existen también aplicaciones de enzimas capaces de degradar compuestos altamente tóxicos que podrían inhibir procesos de tratamiento basado en el empleo microbiógico. Un ejemplo específico es el uso de la peroxidasa de la cola de caballo para iniciar la degradación de fenoles y aminas aromáticas que se presentan en muchas industrias con aguas residuales. "(8)

En términos más amplio es posible anticipar que los procesos basados en el empleo de organismos construidos genéticamente para degradar los compuestos indicados anteriormente, podría representa un proceso mucho más económico.

9.4.5 Productos médicos y farmacéuticos

Aunque las posibilidades de utilización de las enzimas en la medicina y campos relacionados sea potencialmente inmersa, en la actualidad el número concreto de aplicaciones es relativamente pequeño. No obstante, los resultados obtenidos con este pequeño número de ideas afortunadamente son realmente excitantes y demuestran claramente la capacidad potencial existente en las técnicas empleadas. Puesto que las aplicaciones médicas y farmacéuticas de las enzimas abarcan un amplio espectro de materias, es conveniente dividirlas en tres áreas importantes de interés: terapia enzimática, uso analítico y productos de compuestos farmaceúticos. Cada una de estas áreas, auque cubre un gran número de aplicaciones, presenta una serie de principios predominantes que son esencialmente para que la utilización de las enzimas se realice con éxito.

A diferencia de otros usos industriales para las enzimas, las aplicaciones médicas y farmacéuticas de las mismas requieren generalmente pequeñas cantidades de enzimas muy purificadas. En parte, esto refleja el hecho de que para una enzima sea efectiva sólo debe modificarse heléelos compuestos de interés contenido en un fluido o tejidos fisiológicos complejo. Esto contrasta con muchos procesos industriales en los que el medio de cultivo está relativamente bien definido y por, consiguiente, puede utilizarse un extracto enzimático sin purificar. Además, si el destino de una enzima o de un producto obtenido por métodos enzimáticos es su administración a un paciente, resuelta evidente que el preparado debe contener las menores cantidades posibles de material extraño para evitar probables efectos secundarios. 

• Producción de aminoácidos enzimáticamente  La producción de aminoácidos mediante tecnología con enzimas está adaptada convenientemente. Aunque se pueden sintetizar empleando un proceso químico, se debe señalar que en este caso se obtiene una mezcla de D y L isómeros. Puesto que solamente el L-isómero es biológicamente activo, la mezcla debe ser separada en sus dos componentes. Este proceso puede llevarse a cabo mediante el empleo de la enzima aminoacilasa. Una vez sintetizado, la mezcla del DL aminoácidos se acetila.

En la producción de otros aminoácidos se han incluido también una etapa mediada por enzimas, incluyendo a la D-feniglicina, utilizada en la síntesis

de penicilina semisintética, y en el caso del L-triptófano, un aminoácido esencial que puede sintetizarse a partir del indol. Estas son dos áreas importantes en el desarrollo de esta tecnología. En términos de aplicación a gran escala, la producción de aminoácidos esenciales como suplementos dietéticos presenta una importancia particular. Si unas proteína celular sencilla queda establecida en los mercados de alimentación animal y humana, se puede esperar que la demanda para aminoácidos esenciales incrementaría, ya que muchas proteínas microbianas son deficitarias en algunos de estos residuos cruciales.

• Tratamientos terapéuticos con enzimas .-" El fundamento de esta forma de terapia es simplemente la administración de una enzima concreta a un paciente, esperando con optimismo que produzca una progresiva mejoría en el mismo. El problema principal relacionado con este método es que las respuestas defensivas del organismo inactive o eliminen los compuestos extraños incorporados. En consecuencia cualquier tratamiento que utilice la administración de una enzima, bien por vía sanguínea o por cualquier otra, debe tener en cuenta este posible inconveniente."(9)

• Organos artificiale .- "Para sustituir algunas funciones del riñón y el hígado se han desarrollado órganos artificiales que contienen enzimas. Una lesión renal crónica se trata con hemodiálisis periódica, a menos que sea posible el transplante del órgano. El hígado es un órgano multifuncional y sería imposible conseguir un sustituto artificial con la tecnología disponible actualmente. Sin embargo, sí puede reproducirse una función importante del hígado: la desintoxicación. A partir de células hepáticas se pueden obtener varias enzimas microsomales capaces de llevar a cabo la desintoxicación de una gran variedad de compuestos."(10)

• Aplicaciones Analíticas .- "En la medicina moderna, el análisis de las distintas muestras fisiológicas tiene un papel clave y, dentro del mismo el uso de las enzimas(tanto en forma libre como inmovilizadas) constituyen un aspecto muy destacado. Los tipos de aplicación de las encimas al análisis se pueden dividir en dos granes grupos. El primero de ellos recije aquellos métodos que miden directamente un compuesto, mientras que el segundo lo hace con aquellos que utilizan una enzima para amplificar otra respuesta (por ejemplo inmunoencarios con enzimas acopladas)."(11)

• Antibióticos semi-sintéticos.- Las penicilinas semisintéticas son los principales productos farmacéuticos obtenidos por tecnología enzimático. El método de fermentación tradicional permite producir la bencil-penisilína (penisilina g) como la fenoximetil- penisilina (penisilina b) y en el pasado estos dos antibióticos con gran éxito. Sin

embargo, estos compuestos presentan limitaciones en su eficacia contra ciertas bacterias patógenas

• Esteroides.-" Los esteroides se utilizan en un gran número de preparados farmacéuticos (por ejemplo la píldora contraceptiva y los antinflamatorios), por lo que los procesos empleados en la producción de estas sustancias presentan una considerable importancia económica."(12)

9.5. FUENTES DE ENZIMAS

Las fuentes de enzimas pueden ser de tipo vegetal, animal y microbiana.

• Las enzimas de tipo vegetal, se encuentran las porteasas, carbohidrasas ( las cuales descomponen residuos de azúcares de carbohidratos superiores, a-amilasas y b-amilasa

• Entre las enzimas de tipo animal están las esterasa ( Lipasa se produce en la mucosa gástrica, el páncreas y las semillas de ricino, fosfotasas: Se obtiene de tejidos animales óseo, muscular, tripsina y quimotripsina se produce en el páncreas y , pectasas )

• Las enzimas del tipo microbiano provienen de. Bacterias, hongos.9.6. MECANISMO DE BIOSISTESIS DE ENZIMAS

La degradación de compuestos requiere enzimas. Los agentes que afectan a la presencia o actividad de las enzimas afectan también al crecimiento de los organismos. Las enzimas constitutivas se producen estén presentes o no los substratos (ej. glicolisis). Las enzimas inducibles sólo se producen cuando los substratos están presentes. El control de enzimas es por medio de actividad o síntesis.

Generalmente, el control de actividad de las enzimas es por encendido o apagado de las enzimas y está asociado con enzimas alostéricas durante

la inhibición de feedback:V Cuando los productos en una vía aumentan, ellos mismos producen feedback a la primera enzima de la vía y cierran la síntesis de los productos finales e intermedios.

Vías ramificadas

Feedback acumulativo: ni F ni H pueden reducir separadamente por completo la actividad de e1, posiblemente cada uno puede lograr una reducción parcial pero juntos pueden pararla totalmente.

 

Feedback secuencial: F y H provocan feedback en e4 y e6 respectivameante provocando la acumulación de D. D entonces produce

feedback sobre e1.

 

Feedback multivalente: ni F ni H por separadoproducen efecto alguno en e1 pero juntos tienen actividad inhibitoria.

 

Pero también puede darse un control de la síntesis de enzimas a nivel genético (operón).

Inducción

El gen regulador sintetiza un represor activo. En ausencia de substrato (inductor), el represor activo se une al operador e impide a la ARN polimerasa unirse al promotor para la transcripción del mRNA. Si el substrato está presente se une al represor activo que se inactiva y permite la transcripción del mRNA.

Represión del producto final

El gen regulador sintetiza un represor inactivo. Si hay poca cantidad de producto final el represor inactivo no se une al operador y permite la transcripción del mRNA. Si el producto final es abundante se une al represor inactivo que se activa y ahora el represor activo se une al operador y previene la transcripción del mRNA.

 9.7 MANEJO DE LA BIOSINTESIS DE ENZIMAS

El criterio de viabilidad económica de un proceso esta estrechamente reacionado con las normas legislativas que rigen tanto par las operaciones que los componen como para la pureza del producto final. Muchas restricciones legales se refieren a materias de seguridad que afectan, por un lado, a la maquinaria utilizada en el proceso y, por otro, a los planes posteriores con el producto. Eientemente a la hora de calcular los costos de un proceso, deben tenerse en cuenta los destinados a cubrir los requisitos legales correspondientes. En el caso de materiales biológicos existen varias áreas que presentan u riesgo potencial de efectos nocivos.

• Microbiologia• Toxicidad química• Toxicidad relacionada con la actividad de las encimas• Reacciones alérgicas 

9.7.1 Manipulación genética

El interés de los explotadores agrícolas y los empresarios del sector alimentario por las cosechas modificadas genéticamente se explica debido a todo el potencial económico y ecológico que se ha demostrado. Sin duda alguna, la biotecnología desempeña una función muy importante en una producción y preparación de víveres duradera de cara al futuro. Sin embargo, aunque los especialistas han admitido que la modificación genética de las plantas es un mecanismo económico y ecológico para la producción de alimentos, el gran público no deja de darle vueltas al tema de la seguridad de los productos.

La industria de la biotecnología es consciente de esta reticencia. Es la razón por la cual favorece hoy el diálogo con las diferentes partes interesadas, en particular sobre las cuestiones siguientes:

• ¿Son seguros los alimentos que contienen organismos modificados genéticamente?

• ¿Los genes introducidos en las plantas pueden trasmitirse al medio ambiente?

• ¿Es posible que la transferencia de genes de un organismo a otro provoque alergias en el ser humano?

La manipulación genética es "la introducción de genes extraños en una célula"; siendo esta célula generalmente un embrión; o sea el producto del huevo fecundado. Recuérdese que se llama "huevo" o "cigoto"; cuando la célula sexual femenina, el óvulo, es fecundado por la célula sexual masculina, el espermatozoide. La fecundación se realiza en el aparato genital femenino, más específicamente, en las trompas uterinas (en el ser humano, se produce en la parte superior de las trompas). Este nuevo huevo o cigoto no tiene al principio, un solo núcleo, sino dos, uno es el pronúcleo del espermatozoide, y otro, es el pronúcleo del óvulo que lo conformaron (luego éstos se unirán para formar el núcleo del huevo). Dicho huevo se extrae del aparato genital, y fuera del mismo, se le introduce material genético, que son fragmentos de A.D.N. contenidos en los genes. El lugar específico donde se realiza esta inoculación es, en el pronúcleo masculino del huevo. Al introducir material genético extraño, se pretende producir nuevos caracteres hereditarios que no estaban en el material genético

original. 

La ingeniería genética consiste en la manipulación del ácido desoxirribonucleico, o ADN. En este proceso son muy importantes las llamadas enzimas de restricción producidas por varias especies bacterianas. Las enzimas de restricción son capaces de reconocer una secuencia determinada de la cadena de unidades químicas (bases de nucleótidos) que forman la molécula de ADN, y romperla en dicha localización. Los fragmentos de ADN así obtenidos se pueden unir utilizando otras enzimas llamadas ligasas. Por lo tanto, las enzimas de restricción y las ligasas permiten romper y reunir de nuevo los fragmentos de ADN. También son importantes en la manipulación del ADN los llamados vectores, partes de ADN que se pueden autorreplicar (generar copias de ellos mismos) con independencia del ADN de la célula huésped donde crecen. Estos vectores permiten obtener múltiples copias de un fragmento específico de ADN, lo que hace de ellos un recurso útil para producir cantidades suficientes de material con el que trabajar. El proceso de transformación de un fragmento de ADN en un vector se denomina clonación, ya que se producen copias múltiples de un fragmento específico de ADN. Otra forma de obtener muchas copias idénticas de una parte determinada de ADN es la reacción de la polimerasa en cadena, de reciente descubrimiento. Este método es rápido y evita la clonación de ADN en un vector.

La terapia génica consiste en la aportación de un gen funcionante a las células que carecen de esta función, con el fin de corregir una alteración genética o enfermedad adquirida. La terapia génica se divide en dos categorías. La primera es la alteración de las células germinales, es decir espermatozoides u óvulos, lo que origina un cambio permanente de todo el organismo y generaciones posteriores. Esta terapia génica de la línea germinal no se considera en los seres humanos por razones éticas. El segundo tipo de terapia génica, terapia somática celular, es análoga a un trasplante de órgano. En este caso, uno o más tejidos específicos son objeto, mediante tratamiento directo o extirpación del tejido, de la adición de un gen o genes terapéuticos en el laboratorio, junto a la reposición de las células tratadas en el paciente. Se han iniciado diversos ensayos clínicos de terapia genética somática celular destinados al tratamiento de cánceres o enfermedades sanguíneas, hepáticas, o pulmonares.

La ingeniería genética tiene un gran potencial. Por ejemplo, el gen para la insulina, que por lo general sólo se encuentra en los animales superiores, se puede ahora introducir en células bacterianas mediante un plásmido o vector. Después la bacteria puede reproducirse en grandes cantidades

constituyendo una fuente abundante de la llamada insulina recombinante a un precio relativamente bajo. La producción de insulina recombinante no depende del, en ocasiones, variable suministro de tejido pancreático animal. Otra aplicación importante de la ingeniería genética es la fabricación de factor VIII recombinante, el factor de la coagulación ausente en pacientes con hemofilia. Casi todos los hemofílicos que recibieron factor VIII antes de la mitad de la década de 1980 han contraído el síndrome de inmunodeficiencia adquirida (SIDA) o hepatitis por la contaminación viral de la sangre utilizada para fabricar el producto. Desde entonces se realiza la detección selectiva de la presencia de VIH (virus de la inmunodeficiencia humana) y virus de la hepatitis C en los donantes de sangre, y el proceso de fabricación incluye pasos que inactivan estos virus si estuviesen presentes. La posibilidad de la contaminación viral se elimina por completo con el uso de factor VIII recombinante. Otros usos de la ingeniería genética son el aumento de la resistencia de los cultivos a enfermedades, la producción de compuestos farmacéuticos en la leche de los animales, la elaboración de vacunas, y la alteración de las características del ganado.

Riesgos

Mientras que los beneficios potenciales de la ingeniería genética son considerables, también lo son sus riesgos. Por ejemplo, la introducción de genes que producen cáncer en un microorganismo infeccioso común, como el virus influenza, puede ser muy peligrosa. Por consiguiente, en la mayoría de las naciones, los experimentos con ADN recombinante están bajo control estricto, y los que implican el uso de agentes infecciosos sólo se permiten en condiciones muy restringidas. Otro problema es que, a pesar de los rigurosos controles, es posible que se produzca algún efecto imprevisto como resultado de la manipulación genética.En ingeniería genética, los científicos utilizan enzimas de restricción para aislar un segmento de ADN que contiene un gen de interés —por ejemplo, el gen que regula la producción de insulina. 2. Un plásmido extraído de su bacteria y tratado con la misma enzima de restricción puede formar un híbrido con estos extremos 'pegajosos' de ADN complementario.3. El plásmido híbrido se reincorpora a la célula bacteriana, donde se replica como parte del ADN celular.4. Se pueden cultivar un gran número de células hijas y obtener sus productos genéticos para el uso humano.

 

9.8 CINETICA DE LA BIOSISNTESIS DE ENZIMAS

"Aunque las leyes generales de la catálisis debieran ser válidas para las enzimas, el hecho de que éstas sean sustancias complejas, de alto peso molecular, de tamaño coloidal y de composición difícil de precisar, impide la aplicación de dichas leyes de una manera estricta; por ejemplo, su tamaño coloidal puede causar fenómenos de adsorción o diversas reacciones debidas a sus numerosas cargas eléctricas. No obstante, los factores que afectan la velocidad de la reacción enzimática son los ya señalados a propósito de las reacciones químicas en general, como la temperatura y las concentraciones de las sustancias reaccionantes que, en este caso particular, son la enzima el sustrato. Además intervienen el PH medio donde se realiza la reacción, la presencia de los productos de la reacción, y otros factores secundarios como las radiaciones y los efectos óxido – reductores."(14)

9.9 PRODUCCION DE ENZIMAS A GRAN ESCALA

"La producción de encimas para empleo industrial y como alimento se ha desarrollado en forma independiente en diversas industrias. La fuente original de enzimas de cereales, principalmente de las distintas clases de malta, es la industria de la malta de cebada.

Las proteasas de las plantas, como la papaina, bromalaeina y ficina, que se

emplean en los estados unidos son de omportanción, y generalmente los importadores tienen poco control sobre las condiciones del proceso de producción."(15)

La industria empacadora de carnes es la fuente principal de las enzimas derivada del páncreas, estómago e hígado de los animales. Finalmente, las enzimas de fuentes microbiológicas: Bacterias, Hongos y levaduras, se producen en la industria de la fermentación.

Los procesos microbianos en los que el hombre controla las condiciones del desarrollo microbiológico, se llaman fermentaciones."(15)

9.9.1 Medios de fermentación

Las fermentaciones con células libres constituyen todavía el método mas utilizado. Su manipulación es relativamente fácil, y, en algunos casos no requiere un medio de cultivo estéril. Ya que las células se producen con la misma rapidez con la que son eliminadas del reactor, existe una síntesis constante de nuevo catalizado. De esta forma, y suministrando al reactor condiciones apropiadas para el crecimiento, la fermentación puede transcurrir en un estado estacionario en el que la eficiencia catalítica no cambia. Además, a partir de la degradación catabólica de los nutrientes, la célula que crece activamente es capaz de suministrar la energía necesaria para la síntesis. Sin embargo, el mayor número de reacciones requeridas para el metabolismo significa también aumento de probabilidades para la formación de productos secundarios no deseados.

Este hecho, junto con la producción de un exceso de biomasa, limita el rendimiento del medio del cultivo y, por consiguiente la economía del proceso.

La células inmovilizadas pueden considerarse como un estado intermedio entre la fermentación, la células libres y las enzimas inmovilizadas. En algunos casos las células se destruyen antes de inmovilizarlas y se utiliza un solo componente enzimático, por lo que, en ellos, la distinción entre células y encimas inmovilizadas constituye una cuestión puramente semántica.

9.10 RECUPERACION DE LAS ENZIMAS

La presencia de sustancias pépticas en las frutas origina importantes problemas en su procesado industrial para la obtención de zumo, debido a que retienen parte del zumo durante el prensado de la fruta, aumentando considerablemente su viscosidad y disminuyendo así el rendimiento de la

extracción. El desarrollo de la tecnología enzimática ha permitido la preparación de enzimas pectinolíticas inmovilizadas que pueden utilizarse repetidamente en operaciones simultáneas o de manera continuada, capaces de degradar estas sustancias pécticas. Con estas perspectivas, el objetivo principal en este trabajo fue la preparación de enzimas pectinolíticas estables, mediante técnicas de inmovilización por adsorción en geles de alginato de calcio, estudiando las características de los biocatalizadores inmovilizados en comparación con sus contrapartidas solubles, con objeto de mejorar y facilitar el uso de estas enzimas en los procesos de clarificación de zumos de plátano y de kiwi, estudiando además la posibilidad de reutilización de las enzimas.

En relación a los principales resultados obtenidos al determinar las actividades enzimáticas de poliglacturonasa (PG), pectina liasa (PL) y endopectinasa (endoP), obtenidas de preparados comerciales (Rapidase C80, Biopectinase CCM, Pectinex 3 XL y Grindamyl 3PA, se puede concluir que :(i) cuando se inmovilizaban las pectinasas sobre geles de alginato, la PL y endoP de Rapidase C80 presentaban los niveles más elevados de actividad en los inmovilizados (7,2 % y 12,5% de inmovilización, respectivamente), mientras que el mayor nivel de inmovilización de PG (25%) se obtuvo con Pextinex 3XL . (ii) La aplicación de las enzimas a un biorreactor, que contenía una solución de pectina, confirmaba su idoneidad para reducir la viscosidad de la solución. Como tendencia general la eficacia de las enzimas inmovilizadas seguía el siguiente orden descendente: Rapidase>Biopectinase>Grindamyl>Pectinex. (iii) La regeneración de las perlas de alginato con Cl2 Ca y su reactivación con una nueva solución de enzima, permitía reciclar el mismo inmovilizado cinco veces consecutivas. Al aumentar la concentración enzimática, se reducían los tiempos de tratamiento y, con ello, la inestabilidad de las enzimas inmovilizadas, lo que aumentaba la operatividad del reciclado hasta ocho reutilizaciones. (iv) La posibilidad de reutilización de las enzimas inmovilizadas en los zumos de plátano y kiwi se veía limitada a tres, como consecuencia directa de la desestabilización del soporte de inmovilización por efecto de los componentes del zumo, lo cual podía reducirse o anularse modificando el soporte de inmovilización aplicado. (v) Por último, con vistas a la aplicación biotecnológica de ese estudio, podría concluirse que la inmovilización de enzimas pectinolíticas sobre geles de alginato de calcio optimiza la estabilidad operacional de las enzimas y permite su reutilización. Reduciendo los costes finales del proceso sin pérdida apreciable de la calidad y cualidades organolépticas de los zumos tratados.

La presencia de sustancias pécticas en las frutas origina importantes problemas en su procesado industrial para la obtención de zumo, debido a

que retienen parte del zumo durante el prensado de la fruta, aumentando considerablemente su viscosidad y disminuyendo así el rendimiento de la extracción. El desarrollo de la tecnología enzimática ha permitido la preparación de enzimas pectinolíticas inmovilizadas que pueden utilizarse repetidamente en operaciones simultáneas o de manera continuada, capaces de degradar estas sustancias pécticas. Con estas perspectivas, el objetivo principal en este trabajo fue la preparación de enzimas pectinolíticas estables, mediante técnicas de inmovilización por adsorción en geles de alginato de calcio, estudiando las características de los biocatalizadores inmovilizados en comparación con sus contrapartidas solubles, con objeto de mejorar y facilitar el uso de estas enzimas en los procesos de clarificación de zumos de plátano y de kiwi, estudiando además la posibilidad de reutilización de las enzimas.

En relación a los principales resultados obtenidos al determinar las actividades enzimáticas de poliglacturonasa (PG), pectina liasa (PL) y endopectinasa (endoP), obtenidas de preparados comerciales (Rapidase C80, Biopectinase CCM, Pectinex 3 XL y Grindamyl 3PA, se puede concluir que :(i) cuando se inmovilizaban las pectinasas sobre geles de alginato, la PL y endoP de Rapidase C80 presentaban los niveles más elevados de actividad en los inmovilizados (7,2 % y 12,5% de inmovilización, respectivamente), mientras que el mayor nivel de inmovilización de PG (25%) se obtuvo con Pextinex 3XL . (ii) La aplicación de las enzimas a un biorreactor, que contenía una solución de pectina,

confirmaba su idoneidad para reducir la viscosidad de la solución. Como tendencia general la eficacia de las enzimasinmovilizadas seguía el siguiente orden descendente: Rapidase>Biopectinase>Grindamyl>Pectinex. (iii) La regeneración de las perlas de alginato con Cl2 Ca y su reactivación con una nueva solución de enzima, permitía reciclar el mismo inmovilizado cinco veces consecutivas. Al aumentar la concentración enzimática, se reducían los tiempos de tratamiento y, con ello, la inestabilidad de las enzimas inmovilizadas, lo que aumentaba la operatividad del reciclado hasta ocho reutilizaciones. (iv) La posibilidad de reutilización de las enzimas inmovilizadas en los zumos de plátano y kiwi se veía limitada a tres, como consecuencia directa de la desestabilización del soporte de inmovilización por efecto de los componentes del zumo, lo cual podía reducirse o anularse modificando el soporte de inmovilización aplicado. (v) Por último, con vistas a la aplicación biotecnológica de ese estudio, podría concluirse que la inmovilización de enzimas pectinolíticas sobre geles de alginato de calcio optimiza la estabilidad operacional de las enzimas y permite su reutilización. Reduciendo los costes finales del proceso sin pérdida apreciable de la calidad y cualidades organolépticas de los zumos tratados.

CONCLUSIONES

1.Las enzimas son catalizadores de origen biológico que cumplen muchos requicitos para impulsar nuevas industrias químicas.

2.La tecnología enzimática tiene múltiples aplicaciones, como fabricación de alimentos, los progresos que están realizando actualmente la ingeniería genética y la biotecnología permiten augurar el desarrollo cada vez mayor del uso de las enzimas.

3.La utilización de enzimas en los alimentos presentan una serie de ventajas, además de las de índole económico y tecnológico.

4.Las enzimas utilizadas dependen de la industria y del tipo de acción que se desee obtener.

5.Las fuentes de enzimas pueden ser de origen vegetal, animal o microbiano.

6.se puede manipular genéticamente, la biosíntesis de enzimas para optimizar los procesos, pero se debe tener en cuenta, las respectivas normas.

7.La producción de enzimas a gran escala tiene su principal aplicación en la industria de la fermentación.

 

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

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• Url• http:://www.icp.csis.es/biocatálisis/web3lineas.html• http:www.mty.itesm.mx/data/cd/html• http//www.unav.es/memoria/8-99/ingenieria.html