INDICE

1. OBJETIVOS

2. CATALISIS2.1 Evolución

2.2 Catálisis enzimática

3. ENZIMAS

4. ANIMALES, PLANTAS Y MICROORGANISMOS COMO FUENTES DE ENZIMAS

5. APLICACIONES INDUSTRIALES5.1 Enzimología Médica. 5.2 Enzimología Veterinaria. 5.3 Enzimología Farmacéutica5.4 Enzimología Agraria. 5.5 Enzimología Alimentaría. 5.6 Enzimología y Energía. 5.7 Enzimología y Materiales.5.8 Enzimología Textil5.9 Enzimología Medioambiental.5.10 Enzimología química

6. CINETICA ENZIMATICA

7. ARTICULOS

8. CONCLUSIONES

BIBLIOGRAFIA

AVANCE DE CONTENIDO EXPOSIICION DE BIOCATALISIS

1. OBJETIVOS

Revisión de las aplicaciones industriales de enzimas y sistemas celulares. Estudiar la biocatálisis en base a la interrelación entre enzimas y células. Efectuar una revisión de la enzimología, cinética molecular fundamental de losprocesos enzimáticos.

2. CATALISIS

2.1 Evolución

La biocatalisis se puede considerar en cierto modo la tercera etapa de la biotecnología. Aunque indudablemente la naturaleza nos ha provisto ya con un gran numero de enzimas útiles sin modificación, resulta paradójico que los millones de proteínas naturales seguramente quedaran muy lejos de satisfacer las necesidades humanas. La razón es simple: las proteínas contemporáneas han evolucionado para cumplir funciones específicas dentro de las células y sistemas biológicos a los que pertenecen. La implementación de bioprocesos, las transformaciones químicas requeridas e, incluso, la administración de proteínas naturales en la práctica médica, operan siempre en condiciones que se apartan de las naturales.Un importante campo de aplicación de la ingeniería de proteínas es desde luego, el desarrollo de nuevos biocatalizadores, y existe una amplia gama de oportunidades para aplicar técnicas de mejoramiento. Esto se puede observar tanto en las aplicaciones en que las enzimas son aditivos en un proceso complejo (detergentes biológicos o en aditivos para la industria alimentaria, entre otros) como en aquellas en que la enzima aislada es parte central de un bioproceso, por ejemplo, con biocatalizadores empacados en columnas o en aquellas en los que se emplean solventes orgánicos, o en un biocatalizador que se emplea dentro de una célula viva (biotransformaciones).Durante los últimos 20 años, la tendencia que se observa en las empresas que comercializan biocatalizadores ha transitado desde el empleo de enzimas en su estado natural, recuperadas también del organismo que originalmente las producía, y a una grande mayoría de enzimas provenientes de genes aislados y clonados de sistemas genéricos, hasta la situación actual en la que la mayoría de de los nuevos productos que incorporan algún componente de ingeniería de proteínas.En el trayecto hacia el desarrollo de una industria química más amplia, los procesos biotecnológicos tienen un papel importante en cuanto a su inherente potencial menos contaminante. La posibilidad de tener menos temperatura y presión moderadas. La ingeniería de proteínas y particularmente la evolución dirigida, están contribuyendo de manera más definitiva a disminuir estos tiempos de desarrollo.

3. ENZIMAS

Las enzimas son moléculas de proteínas que tienen la capacidad de facilitar y acelerar las reacciones químicas que tienen lugar en los tejidos vivos, disminuyendo el nivel de la "energía de activación" propia de la reacción. Se entiende por "energía de activación" al valor de la energía que es necesario aplicar (en forma de calor, electricidad o radiación) para que dos moléculas determinadas colisionen y se produzca una reacción química

entre ellas. Generalmente, las enzimas se nombran añadiendo la terminación "asa" a la raíz del nombre de la sustancia sobre la que actúan.

Las enzimas no reaccionan químicamente con las sustancias sobre las que actúan (que se denominan sustrato), ni alteran el equilibrio de la reacción. Solamente aumentan la velocidad con que estas se producen, actuando como catalizadores. La velocidad de las reacciones enzimáticos dependen de la concentración de la enzima, de la concentración del sustrato (hasta un límite) y de la temperatura y el PH del medio.

Las enzimas para la biocatálisis pueden usarse de varias maneras, pueden ser del tipo salvaje, recombinadas, o genéticamente modificadas para incrementar su actividad o especificidad. Una o más enzimas que llevan a cabo los pasos sintéticos requeridos pueden estar presentes en las células completas de un microorganismo y actuar simultáneamente sin interferencias. El microorganismo involucrado puede estar en pleno crecimiento, en fase estacionaria o inmovilizada. Alternativamente, las enzimas libres pueden estar en solución, en un reactor de membrana, como suspensión, “cross-linked” o inmovilizadas. El medio de reacción puede ser acuoso, orgánico o en dos fases.

4. ANIMALES, PLANTAS Y MICROORGANISMOS COMO FUENTES DE ENZIMAS

FUENTES DE ENZIMAS DE ANIMALES El descubrimiento de enzimas digestivas sucedió en el siglo XIX. Las Enzimas Digestivas son todas aquellas enzimas que participan del proceso digestivo realizando la degradación de los polímeros orgánicos en monómeros para su posterior absorción. Éstas se caracterizan por su propiedad hidrolítica, es decir, que utilizan una molécula de agua en sus reacciones de desintegración de enlaces entre monómeros, los cuales en éste caso son enlaces covalentes. El desarrollo de métodos para obtención de enzimas de matanza de animales. Pepsina del forro de estómago de cerdos y ganado, del cuajo del estómago de becerros. Cócteles de enzimas con tripsina, quimiotripsina, lipasas y amilasas del páncreas de cerdo.

FUENTES DE ENZIMAS DE PLANTASExisten plantas fuentes potenciales de enzimas a escala industrial. Los granos se remojan y germinan; estos se convierten en malta que contiene amilasas y proteasas usadas en la producción de cerveza y la destilación de bebidas alcohólicas. En el sigllo XIX, se descrubieron métodos simples para obtención de grandes cantidades de proteasas de la savia de plantas tropicales. Otro tipo de función puede ser de ablandadores de carne, digestión y limpieza de lentes de contacto. Papaina y quimiopapaina del árbol de la papaya. Ficina de higueras. Bromelaina del tallo de la planta de la piña.

FUENTES DE ENZIMAS DE MICROORGANISMOS.La sustitución de los procesos químicos, por naturales, es el principio básico de la biotecnología, la cual busca reducir el impacto negativo de dichos procesos en el medio ambiente, ya que además de requerir gran inversión de capital, demandan condiciones especiales para la obtención de productos de gran interés como las enzimas; para remediar esta situación la investigación científica ha desarrollado nuevas fuentes de los productos de origen microbiológico para contribuir en el desarrollo sostenible.

La necesidad de acelerar los procesos con baja velocidad generó la búsqueda de alternativas para agilizarlos, dando como resultado la utilización de enzimas, principalmente obtenidas a partir de microorganismos, las cuales permiten la realización de un proceso más sencillo, la optimización del producto al generar, mayor calidad, mayor utilidad en su aplicación, mayor rentabilidad, y la obtención de un producto diferente o en mayor cantidad que sirva para compensar su reducida disponibilidad.Los procesos en los cuales son necesarias las enzimas generalmente comprenden baja concentración e inestabilidad de los productos formados y obtención de mezclas complejas que impiden conseguir el producto deseado, por lo cual éste debe ser recuperado; por ello, el aislamiento de microorganismos, como recursos renovables, para su uso en la producción de enzimas es muy usual en la industria y la salud, debido a los beneficios que éstos ofrecen como estabilidad, especificidad y la aplicación general viable. El uso de enzimas microbianas proporciona grandes ventajas en actividades necesarias como en la biorremediación del agua, en la industria alimentaria y en la producción de antibióticos.La actividad biocatalítica de los microorganismos hace que éstos, como seres unicelulares, sean usados de forma eficaz como enzimas extracelulares, las cuales facilitan su aislamiento y purificación, generan mayor volumen, son más puras y estables, porque poseen puentes disulfuro. También se pueden obtener enzimas intracelulares, pero es un proceso más complejo, ya que se debe provocar una lisis celular, separar sus restos y purificar el extracto de la enzima.

Las fuentes de enzimas como las plantas y animales son buenas, pero es preferible usar las originadas por microorganismos, ya que poseen diversas actividades catalíticas, se pueden obtener en gran cantidad, son económicas, se producen de forma regular, son más estables y su proceso de producción es más factible y seguro, debido a que son fáciles de cultivar por sus simples exigencias nutritivas y su tiempo de generación es más reducido.

5. APLICACIONES INDUSTRIALES

5.1 Enzimología Médica.

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 el compuesto de interés contenido en un fluido o tejidos fisiológicos complejo. Estas aplicaciones se basan en el fenómeno general de que las células enfermas pierden una parte de sus enzimas que ocasionalmente van a parar a la sangre, provocando la elevación de la actividad enzimática del suero, dependiendo de la gravedad de la enfermedad. Las enzimas se usan como reactivos para control y seguimiento de enfermedades y para la observación de la respuesta de los pacientes en terapia. Por ejemplo para el análisis del colesterol del suero se usa la enzima colesterol oxidasa, que se obtiene a partir de Pseudomonas fluorescens, que al ser suministrado un inductor, el enzima se acumula en forma intra- y extracelular y se purifica.

Las técnicas enzimáticas también se utilizan en la detección de drogas, análisis de antibióticos, detección de antígenos o anticuerpos o en la detección de enzimas y metabolitos en los fluidos intracelulares y son usualmente más rápidas, especificas y

económicas que otras pruebas.

El uso de enzimas microbianas en la cuantificación de drogas quimioterapéuticas toxicas en el suero, como en el análisis colorimétrico. En el tratamiento de enfermedades, por ejemplo, las enzimas tripsina o colagenasa, que se usan para eliminar los tejidos muertos de heridas, quemaduras, etc, para acelerar el crecimiento de nuevos tejidos e injertos de piel e inhibir el crecimiento de organismos contaminantes.

Actividad antitumoral, como la enzima pterin-desaminasa desamina la pterina, el ácido pteroico y el ácido fólico. Antiinflamatorio, como la enzima superóxido dismutasa.

Un grupo de investigadores alemanes de Hamburgo y Dresde (este de Alemania) publicó en un artículo en la revista científica Science que consiguió una enzima, denominada "rekombinase", que actúa como una tijera al cortar el código genético del virus del sida de la célula infectada, que queda salvada. Se considero que esta técnica puede combinarse con las actuales terapias antirretrovirales porque los medicamentos evitan que se infecten células sanas y la enzima cura las células infectadas, aunque todavía es todo muy teórico. Existen tratamientos terapéuticos con enzimas, tienen 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.

Organos artificiales. 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.

La L-asparraginasa se utiliza en el tratamiento de leucemias y canceres diseminados que requieren asparraginasa para crecer (Mauser y simeone, 1976); se obtiene a partir de E. coli, serratia marcesens y varias especies de Erwinia. Pseudomonas fluorescens produce una interesante proteína con actividad asparraginosa y glutaminasa. La incorporación de un aminoácido al medio de cultivo, como el L glutamico, estimula la producción de enzimas, que se libera mediante lisis de las células con álcalis, las endotoxinas de pirogenos contaminantes se eliminan con resinas cambiadoras de iones ( Grabner et al., 1975) o bien la enzima se purifica mediante precipitación con glicerol y alcoho etilico.La tripsina o la colagenasa se utilizan para eliminar los tejidos muertos de heridas, quemaduras, ulceras etc., para acelerar el crecimiento de nuevos tejidos e injertos de piel, y también para inhibir el crecimiento de algunos organismos contaminantes. Las queratinasas se pueden utilizar de una forma similar para eliminar los callos de la piel o el exceso de queratina formado, por ejemplo, en la psoriasis asi como el pelado de las pieles durante la preparación del cuero y la lana. La enzima se obtiene a partir de Trichrophyton mengagrophytes. La bromolaina tambien se puede utilizarse.

La pterin-desaminasa desamina la uterina, el acido pteroico y el acido folico. Y tiene tambien actividad antitumoral. La enzima esta ampliamente distribuida entre mohos y ha sido purificada a partir de cepas de Aspergillus ( Kusakabe et al., 1976).

La uriniquinasa también se utiliza por su actividad fibrinolitica/trombolitica. La uriniquinasa se extrae en general de la orina humana, aunque se ha desarrollado mediante la ingeniería genética cultivos de celulas mas eficaces como fuentes de enzimas. La estreptoquinasa es secretada por un estreptococo hemolitico y es barata y facil de conseguir ( Huna et al., 1981). 5.2 Enzimología Veterinaria.

Las enzimas proteolíticas se han utilizado para ayudar a la eliminación de tejido dañado, en conjunto con antibióticos, especialmente en casos de mastitis de verano causadas por Corynebacterium pyogenes. Algunas enzimas utilizadas son fibrinolisina, desoxirribonucleasa, estreptoquinasa, estreptodornasa, plasminógeno y tripsina.

La superoxido dismutasa se utiliza como antiinflamatorio en veterinaria y la estreptoquinasa para la disolución de coágulos sanguíneos.

Los preparados enzimáticos utilizados como aditivos en la alimentación animal actúan a nivel del sistema digestivo, ejerciendo diferentes acciones como son eliminar factores antinutritivos de los alimentos, aumentar la digestibilidad de determinados nutrientes, complementar la actividad de las enzimas endógenas de los animales y reducir la excreción de ciertos compuestos. Las principales enzimas utilizadas en la alimentación de los animales monogástricos son: b -glucanasa, xilanasa, a -amilasa, a -galactosidasa, fitasa, celulasas y proteasas. Los preparados enzimáticos resultan especialmente eficaces en el caso de las aves, en las que se han descrito mejoras de su crecimiento.

En el caso del ganado porcino también se han descrito mejoras similares en la ganancia diaria de peso, si bien en todos los casos la magnitud de la respuesta depende del tipo de preparado enzimático y de los componentes de la ración que reciben los animales.

En cuanto a los animales rumiantes, la utilización de enzimas en su alimentación no está muy extendida. En estos animales pueden resultar pueden resultar muy útiles las enzimas fibrolíticas (celulasas, xilanasas, etc.) en aquellas ocasiones en las que las prácticas de alimentación provocan un ambiente ruminal desfavorable para la degradación de la fibra.

5.3Enzimología Farmacéutica.

Las penicilinas semisintéticas son los principales productos farmacéuticos obtenidos por tecnología enzimática. 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.

La lovastatina se usa en el tratamiento de los individuos con valores elevados de colesterol en sangre. Este fármaco inhibe la enzima HMG-CoA reductasa, fundamental para producir colesterol en el organismo.

La base actual del tratamiento de la Infección por VIH es utilizar fármacos que impidan la acción de las enzimas del VIH. Los más conocidos y disponibles son los que actúan sobre la Transcriptasa y la Proteasa.

5.4 Enzimología Agraria.

El suelo es un recurso natural clave para la vida. La importancia fundamental de la actividad de las enzimas del suelo radica en que el funcionamiento de ese ecosistema no se puede entender correctamente sin la participación de los procesos enzimáticos, ya que las enzimas determinan la pauta de gran parte de las transformaciones químicas que se producen en dicho suelo. Burns, en 1978, realizó el primer estudio serio sobre las enzimas del suelo en el que se recoge su origen, rango, cinética e historia, e incluye temas aún hoy en día tan actuales como la interacción de las enzimas y diversos agroquímicos, su significado, y algunos aspectos metodológicos.

Las enzimas del suelo más estudiadas son las oxidoreductasas (deshidrogenasas, catalasas y peroxidasas) y las hidrolasas (sobre todo fosfatasas, proteasas y ureasa). Una parte de las enzimas del suelo son extracelulares, siendo liberadas durante el metabolismo y muerte celular. Otras son intracelulares, formando parte de la biomasa microbiana. Por ultimo, existen las enzimas inmovilizadas que son las que pueden mantener un nivel constante y estable de actividad enzimática en el suelo, independiente de la proliferación microbiana y de las formas usuales de regulación de la síntesis y secreción de enzimas

Las enzimas del suelo ofrecen información sobre su capacidad potencial para llevar a cabo reacciones específicas, las cuales son importantes dentro del ciclo de nutrientes importantes tales como el C, N, P y S, pudiendo aportar información clave sobre aspectos relacionados con la Calidad de los Suelos. Ciertas enzimas muestran una gran sensibilidad frente a procesos no deseables tales como la contaminación de suelos, su degradación e incluso su desertificación. De ahí que si bien la componente física y química del suelo es importante para el mismo, ésta puede considerarse relativamente estable.

5.5 Enzimología Alimentaría.

EDULCORANTESLos sustratos del almidón se pueden convertir en edulcorantes a través de la catálisis de enzimas. En india, la alfa-amilasa bacteriana y glucomilasa fungica se utilizan en la producción de dextrosa y glucosa liquida del almidón. La producción de la enzima de dextrosa involucra la licuefacción de almidón por la alfa-amilasa bacteriana, seguida de la sacarificación hasta el 95% de glucoamilasa fungica. En china se produce jarabe alto en frutota a partir del almidón.La aplicación de enzimas en la producción de edulcorantes a partir de almidones, tiene el potencial de hacer el procesamiento de alimentos menos dependientes del azúcar de caña en áreas en donde es poco probable la producción de azúcar, o en donde los almidones son las accesibles y baratos que los azucares.

ELABORACION DE LA CERVEZAEDC tiene una amplia gama de enzimas para descomponer almidones, así como otros polímeros naturales que pueden ser fermentados y convertidos en etanol. Bebidas fermentadas tales como la cerveza y el vino han sido producidas por miles de años a

partir de enzimas y levaduras naturales presentes en granos y azúcares. Se cree que la China antigua fue la primera civilización que produjo bebidas alcohólicas destiladas. En los tiempos modernos, el rendimiento de la fermentación y la destilación ha mejorado considerablemente. Desde alrededor de 1960 el uso de enzimas microbianas y levaduras especialmente seleccionadas, ha jugado un papel fundamental en Norteamérica; gracias a ello se han producido grandes volúmenes de etanol a partir de granos para su uso en los mercados de las bebidas e industriales y los combustibles. En Brasil la caña de azúcar, que produce sacarosa, ha sido usada para producir etanol para su mercado de combustibles. En climas más templados es más económico usar almidón, generalmente proveniente del maíz, como materia prima fermentable. Sin embargo, a diferencia de la sacarosa, el almidón debe primero ser descompuesto en azúcares simples fermentables, tales como la maltosa y dextrosa, usando enzimas obtenidas, preferentemente, de fuentes microbianas.

El maíz puede ser simplemente molido, enzimáticamente hidrolizado y luego fermentado como puré. Este es el sistema que requiere de una menor inversión para producir etanol en forma económica para los mercados industriales y de combustibles. Sin embargo, la mayoría del etanol de la fermentación que se destila es producido a partir del almidón de maíz al que se le han removido algunos componentes del grano, tales como el gluten, el germen y la fibra. De cualquier forma el almidón se cuece generalmente bajo presión a 105° C, en presencia de alfa-amilasa termoestable y luego se licua a 90° C. La mezcla dextrinizada es enfriada y sacarificada a 60° C con glucoamilasa o simplemente enfriada a 32° C y simultáneamente se le sacarificada con glucoamilasa y fermentada con alguna levadura. La fermentación toma generalmente de 1 a 3 días. La cerveza fermentada normalmente contiene 18% de etanol antes de ser destilada y procesada hasta una forma casi 100% anhidra.

Algunas compañías investigan hoy en día métodos que eliminen la necesidad de cocinar el grano o almidón antes de la fermentación. Nuevas enzimas que trabajen eficientemente a la temperatura de fermentación ayudarían a la industria del alcohol a mejorar el rendimiento y a reducir aún más los niveles de glicerol y ácidos orgánicos, lo que incrementaría el nivel de etanol.

Los mercados estadounidense y canadiense de etanol combustible han crecido a casi 20 mil millones de litros por año, pero los mercados industriales y de bebidas son mucho más antiguos y más maduros, tanto que han sobrepasado los mil millones de litros anuales. Estos volúmenes de producción de etanol requieren grandes cantidades de alfa amilasa, glucoamilasa y levadura. Entretanto, los productores de enzimas y levaduras se encuentran desarrollando activamente nuevas tecnologías a través de una selección intensiva de cepas y otras técnicas modernas de mejoramiento, por lo que el rendimiento y las propiedades de las enzimas y levaduras mejoran constantemente para beneficio de los productores y consumidores de etanol industrial y combustible.

El etanol es un recurso renovable que posee un alto grado de octanaje y además se quema de forma limpia. Estas características han dado a los productores de etanol un papel significativo en el reemplazo de tetraetil-plomo y el MTBE como mejoradores de octanaje en la gasolina. Las propiedades de quemado limpio del etanol han ayudado a las grandes áreas metropolitanas a mejorar la calidad del aire. También la protección del agua potable se ha convertido en una preocupación, la cual ha permitido al etanol encontrar nuevos mercados como mejorador de octanaje y productos oxígenados en California y el noreste de los Estados Unidos. El crecimiento de la industria del etanol

derivado de granos también ha significado un mercado creciente para la agricultura. El uso de etanol como combustible ayuda a conservar las reservas de petróleo, que cada vez son menores, y a extender la capacidad de la industria de la refinación del mismo.

LEGUMINOSASPerfeccionamiento de la calidad nutricionalLa alfa-galactosidasas bacterianas pueden explotarse potencialmente como aditivos para la procuccion de alimentos a base de legumbres que contienen bajos niveles de carbohidratos. La infusión presurizada de alfa-galactosidasas tambien puede obtener una ventaja para degradar oligosacaridos de leguminosas.

FRUTAS Y VEGETALESAl prensar fruta y vegetales para la obtención de jugo, las pectinas de alto peso molecular reducen la producción. Pectinasas procedentes de cultivos sumergidos de Aspergillus y Rhizopus. Se pica la fruta y se añaden pectinasas para degradar las pectinas de larga cadena. Se reduce la viscosidad del zumo, facilitando la filtración y se obtiene más cantidad. Alimentación de bebés, las pectinasas maceran las fruta y los vegetales para hacerlos más suaves y fáciles de comer.

PRODUCTOS LACTEOSEn la industria láctea, en la hidrólisis de la lactosa en glucosa y galactosa, para que pueda ser consumida por personas con intolerancia a la lactosa; para evitar la pérdida de nutrientes en el suero del queso, éstos problemas se pueden eliminar o reducir con la hidrólisis enzimática de la lactosa por medio de la enzima galactosidasa inmovilizada, obtenida principalmente de Saccharomyces lactis y Escherichia coli. Para el cuajo de la leche se emplean enzimas provenientes de Mucor pusillus. También algunas enzimas producen un olor y sabor que identifica el producto, y aceleran la maduración del queso, como el Bacillus spp y lipasas para generar aromas agradables en productos como la mantequilla.

PRODUCCION DE PANEl uso de enzimas en panadería se ha vuelto popular. Las amilasas aceleran la degradación del almidón, y así aumenta el contenido de azúcar en la masa, acelerando el proceso de fermentación. El volumen del pan preparado con enzimas aumenta.Las enzimas catalizan el abultado y maduración del pan, aumentado su volumen; la harina se suplementa con enzimas como la a-amilasa y la proteasa, para elevar la velocidad de fermentación y reducir la viscosidad, mejorando el volumen y textura del producto y generando azúcares que mejoran el sabor y la calidad.

5.6 Enzimología y 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. 5.7 Enzimología y Materiales.5.8 Enzimología Textil

En la actualidad, la industria textil está constituida por subsectores diferentes aunque interrelacionados, que producen, desde las fibras hasta productos para el hogar. Cada subsector puede considerarse como una industria por separado, aunque el producto que se obtiene en cada etapa de la producción constituye el principal insumo de materia prima para la siguiente. En todas las etapas se emplea una amplia variedad de tintes y otros compuestos químicos (ácidos, bases, sales, agentes humectantes, colorantes), cuyos productos son desechados en los efluentes, y pueden impactar en el ambiente.

Por esto, uno de los objetivos de los tratamientos textiles modernos es obtener el efecto deseado en las fibras, utilizando procesos que conlleven el mínimo impacto ambiental. Dentro de este contexto, se comenzaron a utilizar diversos procesos biotecnológicos, mediante el empleo de enzimas. Éstas cumplen el requisito de ser respetuosos con el medio ambiente (debido a que las enzimas son biodegradables), actúan sobre moléculas específicas y actúan bajo condiciones suaves.

Uso de enzimas en la industria textilEn términos del proceso de fabricación, la industria textil puede dividirse en cuatro etapas principales:

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1) producción de la hebra 2) hilado, tejido3) acabado de los tejidos4) fabricación del producto textil.

En la industria textil las enzimas se pueden aplicar tanto al tratamiento de fibras proteicas naturales (lana y seda), como en fibras celulósicas (algodón, lino y cáñamo) y en fibras sintéticas.Estas enzimas se usan en las fases de hilado, teñido y acabado de los tejidos con el objetivo de limpiar la superficie del material, reducir las pilosidades y mejorar la suavidad.En el siguiente esquema, se muestran las etapas de la fabricación de telas y las enzimas utilizadas en cada etapa. La rama inferior muestra la producción de tela Denim, con la que se confeccionan los jeans.

Stone wash: Tipo de lavado industrial utilizando piedras que le da al material un aspecto “usado” o “gastado”.

Las lipasas son enzimas que degradan lípidos y son usadas en la industria textil, junto con las amilasas, para el desengrasado de las fibras.En el tratamiento de las fibras de algodón, se deben extraer las pectinas de la pared de las células primarias del algodón. Las enzimas pectinasas (que degradan esta sustancia) son utilizadas en el lavado alcalino del algodón. Numerosos estudios realizados muestran que un tratamiento usando solamente pectinasa, seguido por un enjuagado en agua caliente, es capaz de hacer que la fibra de algodón se vuelva hidrófila y absorbente, facilitando su posterior utilización.

En la industria textil la catalasa es utilizada para descomponer en oxígeno y agua el peróxido de hidrógeno (H202) residual después del blanqueo de las fibras de algodón. La remoción de este producto es necesaria para que las fibras puedan luego ser teñidas. La catalasa es una enzima que se encuentra en organismos vivos y su empleo disminuye el consumo de productos químicos, de energía y de agua.

Después del blanqueo, se produce el enjuague, se aplica ácido acético y se aplica la catalasa en un baño nuevo o en propio baño de teñido por aproximadamente 10 minutos, a temperaturas entre 20 y 50ºC, con un pH de entre 6 y 10.

Los restos de peróxido de hidrógeno utilizados en la etapa de blanqueo, en contacto con pigmentos sensibles a la oxidación, pueden provocar pequeñas alteraciones en la tonalidad causando reducción en el color. En el proceso convencional, los residuos de peróxido de hidrógeno son removidos a través de varios enjuagues o de la adición de un reductor inorgánico, el cual causa gran carga de sales en los efluentes. Para minimizar este efecto, se utilizan las peroxidasas que reducen el peróxido de hidrógeno. La cantidad de enzimas usada es menor que la cantidad de agente reductor inorgánico y no causan problemas ecológicos, como la elevada carga de sales.Las peroxidasas también pueden ser utilizas después del teñido, para la reducción de colorantes residuales.

Son enzimas del tipo fenol-oxidasa dependiente de cobre que tiene la capacidad de catalizar reacciones de desmetilación. Este es un paso importante en la biodegradación de polímeros que contengan grupos aromáticos fenólicos.Debido a esta propiedad, la lacasa es utilizada en la oxidación del índigo (colorante de tipo fenólico) en la preparación de telas para jeans. Esta enzima es extraída de hongos, como Trametes hirsuta y Sclerotium rolfsii .Además, en procesos de oxidación de muchos compuestos (principalmente de compuestos fenólicos) la lacasa presenta una gran especificidad para un gran número de compuestos no biodegradables, por lo cual se empezó a utilizar en tratamientos de efluentes industriales.

5.9 Enzimología Medioambiental.5.10 Enzimología química.

Una aplicación de la biocatalisis es la producción de compuestos químicos útiles. Un ejemplo importante es la obtención de una versión de penicilino acilasa, independiente de proteolisis a través de permutación circular (es decir, la unión por un enlace peptídico de los extremos amino y carboxilo terminales originales y la creación de nuevos extremos amino y carboxilo situados en algún punto que anteriormente se encontraba en el interior de la secuencia). La enzima penicilino acilasa se emplea ampliamente en la producción de penicilinas samisinteticas, y es producida como un precursor en el citoplasma de bacterias, el cual es posteriormente procesado mediante la escisión de un péptido señal y un endopeptido, produciendo un heterodimero activo en periplasma, constituido por una subunidad A de 209 aminoácidos y una subunidad B de 557 aminoácidos. Dado el numero de variantes posibles que se podían producir se decidió montar un método de selección para la actividad de penicilina acilasa en E. coli. El sistema de selección cosiste en la utilización de una ß- lactamasa modificada que es especifica para la hidrólisis de 6-APA (acido ß- amino panicilinico), de tal forma que la actividad de la penicilina acilasa daría como resultado la hidrólisis de penicilina G con la formación de 6-APA y acido fenilacetico y la ß- lactamasa 6-APA especifica se encargaría de eliminar al 6-APA producido por la penicilina acilasa. El resultado neto seria una resistencia de la bacteria a concentraciones superiores de penicilina G. mediante técnicas PCR se genero el banco de la penicilina acilasa permutada con variabilidad en el conector. Se transformaron las bacterias con esta construcción y se seleccionaron variantes con actividad de penicilino acilasa. Se les determino la actividad a partir de extractos proteicos

y se encontraron variantes con actividad, aunque esta resulto disminuida en 80% respecto a la enzima silvestre a lo que, por ensayos posteriores, parece deberse a que las mutantes se expresan en menor cantidad que la silvestre.Penicilino acilasa: la estructura tridimensional de la enzima activa muestra que sus extremos carboxilo y amino originales (situados en diferentes subunidades señaladas en color verde y rojo, respectivamente, después de la reacción proteolitica) se encuentran cercanos. Para unirlos se requirió un diseño que eliminara algunos residuos de cada uno de estos extremos y la inclusión de un pequeño “péptido conector”. Se nota también que el extremo amino Terminal generado por la proteolisis, que contiene la serina catalítica, queda situado hacia el interior de la estructura. Este extremo se codifica como el primer aminoácido en la construcción permutada.

9. CINETICA ENZIMATICA