Tecnologia Enzimatica
Tecnologia Enzimatica
Tecnologia Enzimatica
Resumen
2. Tecnologia enzimatica
3. Las enzimas como catalizadores
4. Tecnologia enzimatica moderna
5. Industrias tradiconales y enzimas asociadas
6. Aplicaciones industriales
7. Alimentos
8. Detergentes
9. Energía
10. Tratamiento de desechos
11. Productos médicos y farmacéuticos
12. Fuentes de enzimas
13. Mecanismo de biosistesis de enzimas
14. Manipulación genética
15. Cinetica de la biosisntesis de enzimas
16. Produccion de enzimas a gran escala
17. Medios de fermentación
18. Recuperacion de las enzimas
19. Conclusiones
20. Referencias bibliograficas
21. Bibliografía
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.
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).
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.
- 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)
- 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.
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.
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.
- 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.
- 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.
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.
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. “
- 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)
Vías ramificadas
Inducción
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.
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
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.
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)
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.
Conclusiones
1. Las enzimas son catalizadores de origen biológico que cumplen muchos requicitos para
impulsar nuevas industrias químicas.
4. Las enzimas utilizadas dependen de la industria y del tipo de acción que se desee obtener.
Referencias bibliograficas
Citas bibliográficas
7.1. P Gaseosa y J. Hube, tecnología de las enzimas, Editorial acribas. S.A., Segunda
Edición, Zaragoza España, 1990., Pas 3.
7.2. Kira, Raymond, Enciclopedia de Tecnología Química, Tomo VI, primera Edición, Editorial
Uteha, España 1962., paj. 1006.
7.3. IBID (2), Paj. 1007
7.4. IBID (2) Paj. 1007
7.5. IBID (2). Paj. 1008, 1009, 1010.
7.6. IBID (1), Paj. 104
7.7. IBID (1) Paj 106
7.8. IBID (1) Paj 108, 109.
7.9. IBID (1), Paj. 74
7.10. IBID (1) paj. 76
7.11. IBID (1) paj 81
7.12. IBID (1) paj 86
7.13. IBID (2) paj. 1111
7.14. Perry, Manual del Ingeniero Químico, sexta Edición,Tomo VI, Editorial
McGraw-Hill, 1992., paj 27-20-
7.15. IBID (2) paj. 1014.
Bibliografía
- P Gasesa y J. Hubble, tecnología de las enzimas, Editorial acribis. S.A., Segunda Edición,
Zaragoza España, 1990.
- Perry, Manual del Ingeniero Químico, sexta Edición,Tomo VI, Editorial McGraw-Hill, 1992.
- Kirk, Raymond, Enciclopedia de Tecnología Química, Tomo VI, primera Edición, Editorial
Uteha, España 1962.
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
Autor:
Arias Edison - Lastra Jorge
Bart_j_s@hotmail.com