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Enzimas

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by

Ester Cancho

on 29 October 2015

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Transcript of Enzimas

Características de las enzimas
Enzimas

Catálisis y control de las reacciones bioquímicas
Principales clases de enzimas
Según su acción catalítica
(6 clases):

1) Oxidoreductasas

2) Transferasas

3) Hidrolasas

4) Liasas

5) Isomerasas

6) Ligasas
CATALIZADORES biológicos DE NATURALEZA PROTEICA.

Aceleran la velocidad de reacción.

Actúan sobre reacciones químicas que ya existen (termodinámicamente posibles).

Disminuyen la energía de activación .

No modifican el equilibrio de la reacción

Alto grado de especificidad

Se requieren en cantidades mínimas.

Catalizan una sola reacción química.

No se consumen.

Pueden ser regulables.

Son susceptibles de ser inhibidas por diversas sustancias.

Modifica la estructura química del sustrato.
.
Sin enzimas la vida no es posible.



Una enzima es una proteína que cataliza las reacciones bioquímicas del metabolismo.

Las enzimas actúan sobre las moléculas conocidas como sustratos y permiten el desarrollo de los diversos procesos celulares.


Definición de enzima
Características
Diferencias entre catalizadores biológicos y químicos
Ribozimas
Biomoléculas no proteicas con capacidad catalítica.

RNA catalítico
Se conocen seis tipos de ribozimas:
tres producen reacciones de automodificación (es decir, modifican a otras moléculas de ARN), como sucede en el proceso de eliminación de intrones del ARN inmaduro;
las otras dos (ribonucleasa P y ARN ribosómico) actúan sobre otros tipos de sustratos.
Ribonucleasa P: orta moléculas precursoras de ARNt inactivo que son transformadas en ARNt funcionales
Thomas Chech y Sidney Altman (1982). Premio Nobel de Química (1989)
1) Oxidoreductasas
Catalizan reacciones de oxido-reducción:
Transferéncia de hidrógeno (H) o electrones (e-) de un sustrato a otro.




Ejemplo: Alcohol deshidrogenasa (EC 1.1.1.1)
(oxidación con NAD+)
2. Transferasas
Catalizan la transferencia de grupos funcionales (que contengan C, N o P) desde un compuesto donante a otro aceptor .


A-X + B = A + B-X

Ejemplo: Hexoquinasa (EC 2.7.1.2)
(Fosforilación)
D-Glucosa D-Glucosa-6-fosfato
3. Hidrolasas
Catalizan las reacciones de hidrólosis:

Ruptura de enlaces en presencia de agua
A-B + H2O = A-OH + H-B
Ejemplo: Carboxipeptidasa A (EC 3.4.17.1)
(ruptura de enlace peptídico)
4. Liasas
Catalizan eliminaciones de un grupo o adiciones de un grupo a un doble enlace, u otras rupturas que comportan reordenamiento electrónico.
(ruptura de enlaces C-C, C-N, C-S)
A=B +X ----- AXB
Ejemplo: Piruvato descarboxilasa (EC4.1.1.1)
(descarboxilación)
Subclases de enzimas
5. Isomerasas
6. Ligasas
Catalizan el movimiento de un grupo, átomo dentro de la molécula. No modifica su composición

A ------ "A"
Catalizan la unión de dos moléculas para formar una única, con la hidrólisis simultánea de un nucleótido trifosfato.

A + B + xTP ------ A-B + xDP +Pi
Ej. Piruvato carboxilasa (EC 6.4.1.1)
(carboxilación)
Ej. maleato isomerasa (EC 5.2.1.1)
(isomerización cis-trans)
Nomenclatura


en zyme  “en fermento”


Nombre Trivial o Antiguo:

Sustrato + asa 
Procedencia o Sitio de Acción + asa

Nombre Sistemático:
Número Clave 

Nombre Recomendado

Sustrato + Acción + asa
Sustrato + asa

• Amilasa Almidón
• Lipasa  Lípidos
• Ureasa  Urea 

Procedencia o Sitio de Acción + asa
• Ptialina (Ptyalos = Saliva)
• Tripsina (Triptus = Páncreas)
• Pepsina (Pepsus = Estómago)
• Renina (Riñón)

Nombre Trivial o Antiguo
COMISIÓN ENZIMÁTICA (E.C.)

Número Clave:

E.C. + 4 dígitos
E.C. 2.7.1.1

El primer dígito:  clase de enzima.
El segundo dígito:  subclase de enzima.
El tercer dígito:  sub-subclase (grupos químicos que intervienen).
El cuarto dígito:  el número progresivo de orden para la enzima específica.
Nombre Sistemático
E. C. 2 .7.1.1 (Glucoquinasa)

2  denota la clase (una transferasa)
7  subclase (transferencia de fosfato) 
1  sub-subclase (una función alcohol como aceptor de fosfato) 
1  enzima hexoquinasa o ATP: D-hexosa-6- fosfotransferasa

 Enzima que cataliza la transferencia de fosfato desde el ATP al grupo hidroxilo del carbono 6 de la glucosa
Ejemplos:
• Succinato Deshidrogenasa
• Piruvato Carboxilasa
• Citrato Sintasa
• Triosa P Isomerasa
• Fumarato Hidratasa
• Glucosa 6 Fosfatasa
• Glucosa Oxidasa

Nombre Recomendado 
Todas las enzimas deben llevar:

a) El nombre del sustrato.
b) El nombre de la reacción química catalizada.
c) Terminación asa. 

Información adicional, si es necesario aclarar la reacción, puede seguir al paréntesis.
Sustrato + Acción + asa
Estructura del enzima: sitio activo
Los enzimas, son proteínas y presentan todos los rasgos estructurales y propiedades químicas que caracterizan a esta clase de biomoléculas.

La conformación tridimensional nativa intacta de la proteína enzimática resulta
indispensable para que ésta desempeñe su función.

Al igual que otras muchas clases de proteínas, presentan un
centro activo
a través del cual interactúan con la(s) molécula(s) de
ligando
, que en este caso recibe(n) el nombre de
sustrato
(s)

La interacción del centro activo con el sustrato se lleva a cabo mediante:

a)
acoplamiento espacial
(las superficies moleculares de ambos tienen formas complementarias)
b)
químico
(grupos funcionales complementarios del enzima y el (los) sustrato(s) establecen diferentes tipos de interacciones débiles entre sí).

Tanto la actividad catalítica como el elevado grado de especificidad química que presentan los enzimas residen en esta interacción específica entre el enzima y su sustrato.
Centro activo
a)
Aminoácidos estructurales:
ayudan a mantener la conformación tridimensional catalíticamente activa del enzima

b)
Aminoácidos de unión.
- Son una serie de aminoácidos cuyas cadenas laterales R poseen grupos funcionales que pueden establecer interacciones débiles (puentes de hidrógeno, interacciones iónicas, etc.) con grupos funcionales complementarios de la molécula de sustrato. Su función consiste en
fijar la molécula de sustrato al centro activo
en la posición adecuada para que los aminoácidos catalíticos puedan actuar.

c)
Aminoácidos catalíticos.
- Son uno o más aminoácidos cuyas cadenas laterales R poseen unas peculiaridades químicas tales que los facultan para desarrollar una
función catalítica
. Constituyen el verdadero centro catalítico del enzima.


El sitio activo es la región de la enzima donde se une el sustrato y se lleva a cabo la catálisis.
Características
parte pequeña de la superfície de la enzima
estructura tridimensional en forma de cavidad que facilita la unión del sustrato
formado por aminoácidos alejados entre sí en la cadena polipeptídica, pero próximos por el plegamiento própio de la proteina
Tipos de aminoácidos del centro activo
centro activo
Cofactores enzimáticos
Componentes no proteicos necesarios para la actividad catalítica de la enzima.

a) Enzimas estrictamente proteicas

b)
Holoenzimas: Apoproteina + Cofactor
Los iones metálicos que actúan como cofactores enzimáticos son generalmente cationes mono o divalentes (Fe ++ , Mg ++ , Mn ++ , Zn ++ etc) .

Modo de acción:

1) constituye el verdadero centro catalítico; en estos casos el ion suele presentar por sí solo una cierta actividad catalítica, que se ve incrementada cuando forma parte del enzima.

2) constituye un grupo puente para unir el sustrato al centro activo.

3) actua como como agente estabilizador de la conformación nativa del enzima (alejado del centro activo).
Iones metálicos
Ejemplos de cofactores inorgánicos
Coenzimas
Cofactor de naturaleza orgánica no proteico
Actúan generalmente como transportadores intermediarios de grupos funcionales o de determinados átomos o electrones, los cuales son transferidos de una sustancia a otra durante la reacción enzimática.

Cuando los coenzimas se encuentran unidos a la molécula mediante enlaces covalentes, forman un grupo prostético.

A diferencia de las enzimas, las coenzimas se modifican durante la reacción química; y por tanto se agotan.

Muchas vitaminas, o sus derivados, actúan como coenzimas:
Ejemplos de Coenzimas
Coenzima a
Cinética enzimática
Reacción enzimática
La enzima
(E)
y el sustrato
(S)
se combinan para formar un complejo intermedio enzima sustrato
(E-S)
, el cual se descompone formando un producto
(P)
y liberando la enzima
(E)
.
Ejemplo:
Maltasa (E) + Maltosa (S) -----> Maltasa-Maltosa (ES) ------> Maltasa + 2x Glucosa (E+P)
Unión enzima-sustrato
Unión del sutrato en el centro activo (complementariedad estructural y de cargas)
El enzima y el sustrato se combinan de modo transitorio para formar un complejo enzima-sustrato en el que se alcanza el estado de transición

Estado de transición
: configuración particular a lo largo de la reacción que se define como el estado que corresponde al máximo de energía a lo largo de la misma.
El ES es una estructura intermedia inestable por su alta energía.
En el comlejo ES se modifica las propiedades químicas del sustrato
En este estado se debilitan los enlaces existentes y se facilita la formación de otros.
En este punto se asume que las especies reactantes al colisionar conducirán siempre a la formación de productos.
Estado de
transición
Hipótesis de uniones enzima-sustrato
Modelo llave-cerradura (Fischer 1890):

Centro activo y sustrato son perfectamente complementarios.

El sustrato encaja perfectamente en el centro activo gracias a unas complementariedades moleculares y electrostáticas con la enzima de manera tal que este no cambia su forma.
El enzima, una vez liberado, puede combinarse con una nueva molécula de sustrato para formar un nuevo complejo enzima-sustrato cerrándose así el ciclo catalítico del enzima.
Modelo Ajuste inducido (Koshland, 1958):
El sustrato NO encaja perfectamente en el centro activo de la enzima.

La unión del sustrato induce un cambio conformacional en el centro activo que aumenta la complementariedad para proceder con la catálisis.
Menor especificidad de sustrato.
Estado de transición
La reacción transcurre a través de un estado de transicón (S*)

- Intermediario entre S y P
- De mayor energía que S
(barrera de energía de activación)

La enzima facilita la formación de S*

- Reduce la energía de activación
(acelerando la reacción)
- S* es complementario con el
centro activo
Modo de acción
Al inicio, la reacción requiere un aporte de energía.

Energía inicial: energía de activación (Ea).

Cuanto menor es la Ea más fácilmente transcurre la reacción.

Los productos finales tienen menos energía libre de Gibbs ( Δ G) que los reactantes.

En las reacciones espontáneas se libera energía de Gibbs ( Δ G<0).

Acción de los catalizadores: Disminuir la E a .
Las enzimas son catalizadores especialmente eficaces: ya que disminuyen la E a aún más que los catalizadores inorgánicos.

Ejemplo: H 2 O 2 ------> H 2 O + O 2

Sin catalizador: 18 Kcal/mol
Catalizador inorgánico (platino): 12 Kcal/mol (~20.000 veces)
Enzima específica (catalasa): 6 Kcal/mol (~370.000 veces).
Reacciones catalizadas por enzimas
Velocidad de las reacciones catalizadas por enzimas.

Proporcionan información sobre:
Mecanismo de la reacción catalítica
Especificidad de la enzima.

La medida de la velocidad de una reacción en condiciones favorables:
Condiciones óptimas de pH
Temperatura,
Presencia de cofactores, etc
Concentraciones saturantes de sustrato.


En estas condiciones: la velocidad de reacción = velocidad máxima (Vmax).


La velocidad puede determinarse midiendo la desaparición de los sustratos o la aparición de los productos.
Cinética enzimática
Cinética química
Cinética química
Finales del siglo XIX.
En1882: concepto del complejo enzima-sustrato ( intermediario del proceso).

Leonor Michaelis y Maud Menten (1913): Ecuación de velocidad que explica el comportamiento cinético de las enzimas.
MODELO CINÉTICO DE MICHAELIS-MENTEN
Las reacciones catalizadas enzimáticamente ocurren en dos etapas:
1ra etapa:
se forma el complejo enzima-sustrato
2a etapa:
el complejo enzima-sustrato da lugar a la formación del producto, liberando e enzima
Cinética enzimática
Modelo cinético Michaelis-Menten
Relaciona la velocidad de catálisis con la concentración de sustrato
Parte de los siguientes suposiciones:
Equación Michaelis-Menten
Estado estacionario
Representación de Michaelis-Menten
Km Y Vmax

La acción catalítica de una enzima sobre un sustrato determinado se describe mediante dos parámetros Km y Vmax

Los valores de km y Vmax aproximados de una enzima se determinan midiendo y graficando las velocidades iniciales de reacción a varias concentraciones de sustrato.
Factores que afectan la velocidad de la reacción enzimática
Temperatura

pH

Concentración del enzima

Concentración del sustrato

Presencia de inhibidores
Efecto de la temperatura
Temperatura óptima :
la actividad catalítica es máxima.

Por encima de la temperatura óptima: pérdida de actividad catalítica debido a la
desnaturalización
de la enzima.
La actividad enzimática decrece rápidamente hasta anularse
Un incremento de temperatura, aumentará la energía cinética de las moléculas en una reacción química, favoreciendo un mayor numero de choques entre ellas, lo que aumentará la probabilidad de formación de producto.

Todas las enzímas tienen una temperatura óptima, para su actividad máxima.
Efecto del pH
Enzimas son sensibles a cambios de pH.

La concentración de H+, afecta la velocidad de la reacción. Usualmente se requiere que la enzima y el sustrato tengan grupos químicos específicos en estado ionizado o no ionizado para interactuar.

pH óptimo :
Conformación más adecuada de la enzima para la actividad catalítica:

Por encima o por debajo del pH óptimo: se afecta la actividad y pueden provocar la desnaturalización de la enzima.
Efecto de [E], sobre la velocidad inicial (V0 ) de una reacción catalizada a una [S] fija de saturación.

Baja  [E] : velocidad de la reacción directamente proporcional a la E.
Alta [E]  : se alcanza Vmax, se agota el sustrato.
Efecto de la conentración de la enzima
Efecto concentración del sustrato
La velocidad (Vo) de una reacción es el número de moléculas de substrato convertidas en producto por unidad de tiempo (µmol/minuto).
La velocidad se incrementa con la concentración del substrato hasta alcanzar una máxima velocidad (Vmax).

La velocidad de la reacción se detiene a altas concentraciones de substrato y es el reflejo de la saturación de todos los sitios activos de las moléculas de enzima presentes en ese momento.
La mayoría de las enzimas muestran una cinética de Michaelis-Menten:

Al graficar la velocidad inicial (Vo) de reacción contra la concentración de substrato se obtiene una curva hiperbólica.
k1= constante de velocidad de formación de ES
k-1=constante de velocidad de disociación de ES
k2= constante de velocidad de la formación y liberación del producto.

suposiciones: K-1 es despreciable con respecto a k1
K-1 y k2 son iguales→”suposición de estado estacionanario”
ECUACIÓN DE MICHAELIS-MENTEN

 Describe como la velocidad de la reacción varía con la concentración del sustrato: Km es la constante de Michaelis-Menten

Suposiciones:
La concentración del sustrato [S], es mucho mayor que la concentración de la enzima [E], por lo que el porcentaje del sustrato unido a la enzima en cualquier momento es pequeño.
[ES] no cambia con el tiempo, es decir, la velocidad de formación de ES es igual a la de su degradación (E+P), se le llama suposición de estado estacionario.

Se utiliza la velocidad inicial de reacción (Vo), ya que la velocidad de la reacción se mide tan pronto como el substato y la enzima se mezclan, por lo que la concentración de producto es muy pequeño y la reacción de P a→ S puede ignorarse
Se determina experimentalmente y se considera una constante
Es característica de la enzima y el sustrato particular en condiciones específicas y refleja la afinidad enzima-sustrato.

Km es la concentración de sustrato a la cual, la velocidad de la reacción es igual a ½ de la Vmax. Vmax mide la velocidad máxima de la reacción.

Si conocemos el valor de Km y Vmax, podemos calcular la velocidad de una reacción enzimática para cualquier concentración de substrato.
Km (
constante de Michaelis-Menten)

y Afinidad enzimática

Un
Km pequeño
refleja una alta afinidad de la enzima por el substrato, porque se requiere una baja concentración de substrato para saturar la enzima a la mitad, esto es para que alcance la velocidad ½ Vmax.

Un
Km grande
refleja una baja afinidad de la enzima por el substrato porque se requiere una alta concentración de substrato para saturar la enzima a la mitad.
Linealización de la Ecuación de M-M
Para determinar
Vmax
y
Km
con precisión la ecuación de Michaelis-Menten se transforma en una función lineal
Representación de Lineweaber-Burk (o de dobles inversos)
donde:
x= 1/V
y= 1/[S]
m y b son constantes
m=pendiente=Km/Vmax
b= 1/Vmax
La ecuación de Lineweaver-Burk genera una línea recta:

y= mx + b
Inhibición enzimática
La función catalítica de las enzimas está regulada por inhibidores.

Los inhibidores son esenciales en la regulación del metabolismo

Algunas drogas y toxinas actúan como inhibidores y bloquean rutas metabólicas esenciales para las células.
Un inhibidor irreversible se disocia muy lentamente de su enzima diana porque está estrechamente unido a la enzima mediante enlaces covalente o no covalentes (toxinas, drogas, etc.)

La inhibición reversible está caracterizada por una disociación rápida del complejo enzima-inhibidor (E-I).
Inhibición irreversible
Ejemplos:

» La penicilina: Modifica covalentemente una transpeptidasa responsable de la síntesis de la pared celular bacteriana
» La aspirina: Modifica covalentemente una ciclooxigenasa que produce señales inflamatoria
Inhibición competitiva
El inhibidor puede ocupar temporalmente el sitio activo por semejanza estructural con el sustrato original.
Efecto sobre
Vmax.
A una concentración de sustrato suficientemente alta, se alcanza la Vmax observada en auscencia del inhibidor.

Efecto sobre la
Km.
La Km se incrementa en presencia del inhibidor.
FÁRMACOS CON INHIBICIÓN COMPETITIVA•

Las estatinas (fármacos que disminuyen el colesterol) son drogas que inhiben un paso limitante en la síntesis de colesterol, que es catalizado por la HMG-CoA reductasa.•

Ejemplo: lovastatin (una estatina), es unanálogo de la HMG-CoA y compite por el sitioactivo de la HMG-CoA reductasa.
•Bajan los niveles plasmáticos de colesterol y a que se inhibe su síntesis de novo.HMG-CoA →hidroximetilglutaril CoA reductasa.
El inhibidor y el sustrato se unen a sitios diferentes sobre la enzima.

El inhibidor puede unirse sobre la enzima libre o bien en el complejo ES, evitando que la reacción ocurra. Tiene un efecto característico sobre la Vmax.

Inhibición competitiva
Efecto sobre
Vmax:
la inhibición no puede superarse por un incremento en la concentración del sustrato, por lo que estos inhibidores disminuyen la Vmax de la reacción.

Efecto sobre
Km
: no afectan la unión del sustrato a la enzima, por lo que la enzima muestra la misma Km similar en presencia o ausencia del inhibidor.
Ciertos insecticidas cuyo efecto neurotóxico es el resultado de su unión irreversible al sitio catalítico de la enzima.

Ejemplo: insecticidas que actúan como inhibidores de la acetylcholinesterasa (enzima que degrada al neurotransmisor acetilcolina).
Inhibición acompetitiva
El Inhibidor se une al complejo ES

EIS solamente, no a la enzima libre.
Esta inhibición es rara, decrecen los valores de Vmax y Km

El aumento de la [S] acelera la reacción pero nunca como sin inhibidor

La reacciónn puede retrasarse pero no impedirse. Se presenta cuando hay mas de un sustrato en la reacción.
Mecanismos moleculares de regulación enzimática
Permiten la adaptación de la actividad a necesidades fisiológicas, estados del desarrollo o condiciones ambientales

– Regulación temporal/espacial
• Utilización de isoenzimas

– Regulación lenta
• Control de la disponibilidad y de la vida media de la enzima

– Regulación rápida
• Control alostérico
• Modificación covalente
Son distintas formas de una misma enzima
– Enzimas homólogas presentes en un mismo organismo

• Cada isoenzima se encuentra en un tejido diferente o en un momento del desarrollo diferente

• Catalizan la misma reacción, con pequeñas diferencias – Pequeñas diferencias en su secuencia
» Diferencias en su estructura
» Distintos valores de KM y/o Vmax
» Distintas propiedades reguladoras
Isozimas
• Muchas enzimas presentan una vida media corta

– En las células existe un recambio proteico constante

– La concentración de las enzimas se encuentra regulada:
• A través de la regulación de su síntesis

– Regulación de la transcripción y de la traducción
• A través de la regulación de su degradación

– Mediada por ubiquitina y ejecutada por el proteasoma 26
Vida Media y Disponibilidad de las Enzimas
 Las enzimas alostéricas, generalmente están formadas por varias subunidades, con varios sitios activos los cuales presentan cooperatividad.

 Son reguladas por moléculas llamadas efectores, los cuales se les unen no covalentemente en un sitio diferente a su sitio activo.

El efector alostético puede alterar la afinidad de la enzima por su substrato o afectar la máxima actividad catalítica de la enzima.

Generalmente catalizan pasos iniciales limitantes de las vías metabólicas
Enzimas Alostéricas
REGULACIÓN ALOSTÉRICA.

Las enzimas alostéricas pueden ser inhibidas o estimuladas por sus efectores o moduladores, es decir, los efectores pueden ser positivos (aceleran la reacción), o negativos (disminuyen la reacción). Con respecto a su naturaleza los efectores pueden ser homotrópicos o heterotrópicos.
FECTORES HOMOTRÓPICOS Efector homotrópico: el mismo sustrato funciona como efector (por ej. la unión de un sustrato influye sobre la unión de otra molécula sustrato), generalmente son efectores positivos. Al unirse a un sitio de la enzima, la molécula sustrato aumenta las propiedades catalíticas de otros sitios de unión a otros sutratos, esto es, presentan cooperatividad. Estas enzimas muestran una curva sigmoidea cuando la velocidad de reacción (Vo) se grafica contra la concentración de sustrato [S]
70. EFECTORES HETEROTRÓPICOS Efector heterotrópico: el efector es diferente del sustrato de la reacción. Los efectores heterotrópicos pueden ser negativos o positivos. Ejemplo: Inhibición por Feed- back.En un paso irreversible (limitante), una enzima convierte el producto D en E,esta misma tiene un sitio alostérico que se une al producto final G.Cuando G se incrementa (porque no se consume tan rápidamente), elpaso irreversible de la vía se inhibe.
Biocatálisis
Aplicación de las enzimas en un amplio número de industrias dedicadas a la fabricación de fármacos y otros compuestos químicos, así como alimentos o biocombustibles.
La capacidad catalítica de las enzimas presentes en los microorganismos como la levadura
Saccharomyces cerevisiae
o las bacterias lácticas (
Streptococcus thermophilus
y
Lactobacillus bulgaricus
) se han utilizado desde hace siglos en la producción de alimentos como el vino, la cerveza, el queso, el vinagre o el pan.
La utilización de células o sus enzimas aisladas para catalizar reacciones o transformaciones que conducen a la obtención de compuestos de interés.

La Biocatálisis se encuentra enmarcada en la denominada Biotecnología Blanca, y va estrechamente relacionada con el desarrollo tecnológico.
Actualmente , la mayor parte de procesos biotecnológicos se llevan a cabo mediante la utilización de células o de sus enzimas aisladas.
En 1875, en Copenhague, Christian Hansen:

compañía de fabricación del queso,
a partor de una preparación enzimática estandarizada llamada RENNET.

RENNET: mezcla de quimosina (o renina) y pepsina, obtenida con una extracción con sal de la cuarta cavidad estomacal de terneras lactantes (método que se sigue utilizando en la actualidad.

En 1913, Alemania, Otto Röhm:

descubrimiento de la eficacia de la tripsina pancreática en la eliminación de manchas de origen proteico como sangre, leche etc.,
inicios de la utilización de las enzimas en los detergentes.

Primeros usos industriales de las enzimas
Aplicaciones de la Biocatáisis
Ciclo biocatalítico
Aplicaciones de las enzimas en la industria alimentaria
las enzimas se utilizan para recuperar subproductos, facilitar la fabricación, mejorar el aroma, y/o estabilizar la calidad de los alimentos.

Las enzimas industriales más utilizadas son carbohidrasas, proteasas y lipasas, y también se emplean oxidorreductasas e isomerasas.

La mayoría de estas enzimas son de origen microbiano, y solo unas pocas proceden de animales o vegetales superiores.
Ejemplos
Obtención industrial de glucosa:
mediante hidrólisis enzimática del almidón de maíz.
Para la fabricación de jarabes ricos en glucosa
(empleados en la preparación de bebidas refrescantes y caramelos, en panadería y en destilerías, se utilizan enzimas inmovilizadas de
Bacillus
y/o
Aspergillus
en dos etapas:
(1) α-
amilasas
capaces de hidrolizar los enlaces glicosídicos α-(1,4) de la amilosa del almidón para dar lugar a dextrinas y maltosa, en un proceso denominado licuefacción;
(2)
glucoamilasas
que consiguen la hidrólisis total del almidón en glucosa si se emplean en combinación con enzimas que son capaces de hidrolizar los enlaces α-(1,6) de las ramificaciones de la amilopectina, en un proceso denominado sacarificación.
Para la obtención de jarabes ricos en fructosa
(empleados en bebidas refrescantes, conservas, salsas, yogures y frutas enlatadas, debido a su mayor poder edulcorante) se recurre a una
glucosa isomerasa
inmovilizada, enzima que cataliza la conversión de la glucosa en fructosa, y que ha sido aislada de bacterias (
Bacillus
) o actinomicetos (
Actinoplanes
y
Streptomyces
).

En países donde se cultiva caña de azúcar, la sacarosa se puede convertir en glucosa y fructosa utilizando la enzima
invertasa,
generalmente procedente de la levadura Saccharomyces cerevisiae. El producto obtenido de la hidrólisis enzimática de la sacarosa se denomina “
azúcar invertido

Preparación de leche deslactosasa.
La intolerancia a la lactosa es una enfermedad hereditaria, muy prevalente en países como la India o Egipto (76% de la población), que cursa con episodios diarreicos y otros trastornos intestinales tras la ingesta de leche y otros derivados lácteos.

En la industria, la eliminación de este azúcar se puede lograr mediante el tratamiento de la leche con β-
galactosidasa
(procedente generalmente de levaduras del género
Kluyveromyces
) inmovilizada.

En los procesos de
clarificación de zumos
incluyen el empleo de enzimas fúngicas como
pectinesterasas, pectinliasas, hemicelulasas y celulasas,
que permiten la obtención de zumos menos viscosos, más concentrados y estables.

Los métodos tradicionales de
elaboración del pan
se han basado en la presencia de enzimas endógenas en la masa que se obtiene a partir de la mezcla de la harina con el agua.

La levadura que se utiliza en panadería son hongos unicelulares de la especie
Saccharomyces cerevisiae
que se alimentan de azúcares para liberar dióxido de carbono, etanol y otros compuestos. Su función es hacer que el pan crezca tierno y esponjoso.

La levadura contiene 3 enzimas:
maltasa, inverteasa y zimasa.
Las dos primeras convierten ciertos compuestos en fermentables, y la tercera lleva a cabo la fermentación
Actualmente, las harinas se suplementan con α-
amilasas, proteasas y lipasas
, enzimas que mejoran el proceso de fabricación del pan, su sabor, textura de la masa y calidad de la corteza.


Aplicaciones de las enzimas en industria química y farmacéutica
Enfocada principalmente a:
(1) la obtención de precursores de fármacos (APIs) y semisíntesis de fármacos;
(2) la resolución enzimática de mezclas racémicas.

1) las empresas farmacéuticas suelen acudir a métodos de semisíntesis de fármacos de origen natural, en su mayor parte moléculas complejas ,debido a la escasez de la fuente natural del fármaco o la complejidad del proceso de Síntesis Orgánica.
Ej. P
aclitaxel-TaxolR
(agente antimitótico empleado para el tratamiento de cáncer de pulmón, ovario, mama)


2)Resolución de mezclas racémicas para obtención de isómeros puros, difíciles de separar por métodos químicos clásicos.
De vital importancia en el caso de aquellas moléculas de fármacos que contengan algún carbono asimétrico, ya que actualmente es obligatorio realizar los ensayos clínicos pertinentes con ambos isómero.
Generalmente, solamente uno de los isómeros (“eutómero”) es el que interacciona con su diana terapéutica (centro activo de una enzima, un receptor) para producir el efecto farmacológico, mientras que el otro isómero (“distómero”) es inactivo o apenas presenta actividad en el mejor de los casos, ya que incluso puede ser tóxico.
Ej.
talidomida.
Fármco comercializado entre 1958 y 1963 como sedante y calmante durante el embarazo.
Distómero con efecto teratogénico: miles de nacimientos de bebés afectados de focomelia, una anomalía congénita caracterizada por la carencia o excesiva cortedad de las extremidades.
Otras aplicaciones industriales de las enzimas
Las enzimas también tienen aplicación en la industria textil, peletera, papelera, y de fabricación de biocombustibles y bioplásticos.

Por ejemplo, el efecto
“lavado a la piedra”
de prendas vaqueras se puede conseguir mediante métodos mecánicos abrasivos, o por acción de diferentes
celulasas
microbianas.

Las celulasas contribuyen a suavizar tejidos de algodón, y pueden estar en la composición de algunos
detergentes
. En este sentido, prácticamente todos los detergentes comunes contienen
lipasas
o
proteasas
que contribuyen a la eliminación de manchas de grasa y/o restos de comida (o sangre).

El
tratamiento de las pieles
en la industria peletera incluye procesos de depilación enzimática con proteasas, y eliminación de grasa que facilita el teñido homogéneo de la piel.

Los
biocombustibles
, el “
bioetanol
” procede de la fermentación de la glucosa obtenida previamente por hidrólisis enzimática del almidón (normalmente de maíz, aunque presente en otras fuentes vegetales), proceso biocatalizado por distintas enzimas como las
amilasas, las glucoamilasas y las pululanasas
.

el
“biodiesel”
se obtiene mediante transesterificación con metanol de los triglicéridos procedentes de distintos aceites vegetales, reacción que puede ser catalizada por distintas
lipasas
microbianas.
Los productos de esta reacción son el glicerol, y los ésteres metílicos de los ácidos grasos.
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