2. •Las enzimas son catalizadores de origen
biológico.
•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.
3. FUENTES DE ENZIMAS
• Las enzimas pueden ser de origen vegetal, animal
y microbiana.
• Entre las enzimas de tipo vegetal, se encuentran
las proteasas, 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, fosfotasas: Se obtiene de tejidos
animales óseo, muscular, tripsina y quimotripsina
se produce en el páncreas )
• Las enzimas del tipo microbiano provienen de
bacterias, arqueas y de hongos.
4. ENZIMAS EXTRACELULARES
• Todos los organismos producen enzimas de
actividad muy variada y en general en cantidades
bajas para sus procesos celulares.
• Un caso particular es el de los Microorganismos
(M.O.) que pueden producir algunas enzimas en
concentraciones muy altas y las excretan al medio.
• Las enzimas extracelulares son capaces de digerir
muchos materiales poliméricos insolubles como
celulosa, almidón, proteínas; cuyos monómeros
son utilizados como nutrientes por los M.O.
5. USO DE ENZIMAS
• Una cantidad importante de las enzimas se utilizan
en alimentos, para usar un microorganismo que
produzca enzimas de consumo humano, se deben
de cumplir una serie de requisitos legales, que se
centran en que tal microorganismo debe figurar en
la llamada lista “GRAS” (generally aknowledged
as secure), es decir, que haya demostrado una
larga historia de seguridad.
• También se utilizan enzimas para producir
sustancias de uso médico e industrial, sin tener
que usar M.O. completos, esto tiene como ventaja
que evita problemas de contaminación y reduce
pasos de separación.
6. Enzima Proceso industrial Millones$/año
Sacarasas Proc. almidón, endulzantes 150
Isomerasas jarabes ricos en fructosa
Proteasas Detergentes, carnes, 400
quesos, pescado, tejidos
Reninas Coagulación de leche 60
Lipasas Detergentes, proc. pieles, 20
saborizantes, proc. carne
Celulasas jugos de frutas, envejec. tejidos 20
7. PRODUCCIÓN DE ENZIMAS
• Los procesos de producción de enzimas
microbianas se realizan mediante cultivos
aeróbicos.
• En general las enzimas se producen en pequeñas
cantidades durante la fase de crecimiento activo,
pero se acumulan en grandes cantidades en la fase
estacionaria del crecimiento.
• Las enzimas inducibles se producen sólo cuando
en el medio se encuentra el inductor (sustrato).
8. • Las enzimas microbianas que se producen
en mayor cantidad son proteasas, utilizadas
como aditivos en los detergentes para lavar
ropa.
• También los detergentes contienen amilasas,
lipasas, reductasas y otras.
• Muchas de estas enzimas son producidas a
partir de bacterias alcalófilas,
especialmente de Bacillus licheniforme.
• Estas enzimas tienen pH óptimo entre 9 y
10, así permanecen activas al pH alcalino de
las soluciones de los detergentes.
9. • Amilasas, se producen mediante
fermentación y se utilizan en la conversión
de cereales en el producto final llamado
jarabe de cereales rico en fructosa.
• Alfa amilasa provoca ataque inicial al
polímero, acortando la cadena y reduciendo
la viscosidad del polímero, clarificante.
• Glucoamilasa produce monómeros de
glucosa, sacarificante.
• Glucosa isomerasa realiza la conversión
final de glucosa en fructosa, isomerización.
10. • Invertasa se produce a partir del cultivo de
Saccharomyces cerevisiae, se utiliza para
impedir la cristalización de azúcares, pues
convierte sacarosa en azúcares más solubles.
También se inyecta en el interior de los
caramelos.
• Pectinasas, producidas por cepas de Aspergillus,
se utiliza para licuar jugos de frutas.
• Renina, producida por cepas de Mucor se utiliza
para coagular la leche en la producción de
quesos.
• Proteasas, para ablandar carnes de Bacillus y
Aspergillus.
• Lactasa, de Kluyveromyces fragilis, para evitar la
cristalización de helados.
11. ENZIMAS MICROBIANAS Y SUS
APLICACIONES
Enzima Fuente Ap.industrial. Industria
Amilasa Hongos Pan Panadería
Bacterias Almidonado en
frío ropa
Almidón
Hongos Ayuda
digestiva
Farmaceútico.
Bacterias Elimina
Manchas
Detergentes
Lipasa Hongos Degradar grasa Lechería,
lavandería
Celulasa bacterias Suavizar y
ablandar.
Tejidos.
lavandería
12. ENZIMAS MICROBIANAS Y SUS
APLICACIONES
Enzima Fuente Ap.indust. Industria
Proteasa Hongos Pan Panadería
bacterias Ablandador
carnes
carnes
bacterias Limpieza
heridas
Medicina
bacterias Detergente
doméstico
Lavandería
Invertasa levadura Relleno
blando caram.
Confitería
Gluc. oxidasa hongos Elim.gluc.y O Alimentación
13. ESTABILIDAD DE ENZIMAS
• La principal restricción del uso de enzimas
como biocatalizadores de proceso radica en
su inherente labilidad derivada de su
compleja estructura molecular.
• La estabilidad de una enzima puede
definirse como la capacidad de retener su
actividad en una condición ambiental
determinada.
• Son importantes la temperatura y la
presencia de compuestos químicos
inactivantes.
14. • Diversas estrategias han sido elaboradas
para producir biocatalizadores
intrínsecamente más estables y para
incrementar la estabilidad durante el
proceso catalítico.
• Entre las estrategias elaboradas para
producir enzimas más estables y para
incrementar la estabilidad durante el
proceso catalítico se encuentra el uso de
M.O. extremófilos y de organismos
mutantes y recombinantes, obtenidos por
técnicas de mutagénesis dirigida e
ingeniería genética, como fuentes de
enzimas de elevada estabilidad.
15. • Otra estrategia para asegurar la estabilidad
es el uso de enzimas soportadas o
contenidas en matrices y el uso de enzimas
en medios de reacción no convencionales.
• Las enzimas inmovilizadas pueden ser
notablemente más estables que sus
contrapartes solubles, al reducirse la
movilidad molecular y crearse un
microambiente eventualmante protector.
16. EXTREMOZIMAS
• Los microorganismos extremófilos son capaces
de crecer a altas temperaturas, en algunos
casos por encima de la temperatura de
ebullición del agua.
• Los hipertermófilos son capaces de crecer a
estas temperaturas tan altas porque producen
moléculas estables al calor, incluidas enzimas.
• Se utiliza el nombre de extremozima para
referirse a enzimas que funcionan a
temperaturas extremadamente altas, pero
también a aquellas que funcionan bien a
cualquier condición, frío o altas
concentraciones salinas o ph ácidos.
17. • Muchos procesos industriales funcionan
mejor a altas temperaturas, por lo que las
extremozimas provenientes de M.O.
hipertermófilos se están haciendo cada vez
más atractivas como biocatalizadores para
las aplicaciones industriales y también para
uso en investigación, que requieren
enzimas.
• Muy conocidas son la Taq y Pfu
polimerasas que se utilizan en la reacción de
la PCR.
19. • Otras extremozimas producidas por M.O.
hipertermófilos son: proteasas, celulasas,
pululanasas y xilanasas extremadamente
termoestables.
• Thermococcus litoralis, relacionado con
Pyrococcus woesei produce una pululanasa
catalíticamente más activa a 118oC.
• Pyrococcus furiosus produce una
ferredoxina, proteína ferro-sulfurada
implicada en transporte electrónico, activa a
temperaturas similares y que no se
desnaturaliza hasta 140oC.
20. • Otras extremozimas son activas a bajas
temperaturas, enzimas psicrófilas.
• Otras son activas en presencia de altas
concentraciones de sales (de halófilos) o
activas a pH muy altos o muy bajos (de
alcalófilos y acidófilos respectivamente y
muy seguramente serán utilizadas en los
próximos años a nivel industrial en
situaciones que requieren biocatálisis en
condiciones extremas.
21. ENZIMAS INMOVILIZADAS
• Para su utilización en procesos industriales,
es mejor utilizar una enzima en forma
inmovilizada.
• La inmovilización no sólo hace más fácil
realizar la reacción en condiciones a gran
escala, sino que además estabiliza la enzima
frente a la desnaturalización.
• Existen tres formas de realizar la
inmovilización:
22. • Formación de enlaces transversales
(polimerización) de las moléculas de la
enzima.
• La unión de las moléculas de enzima entre
si se suele hacer mediante reacción química
con un agente bifuncional formador de
enlaces transversales, como el
glutaraldehido, reaccionando grupos aminos
con este reactivo.
• Si se hace la reacción adecuadamente, la
enzima puede mantener la mayor parte de
su actividad.
24. • Unión de la enzima a un soporte. La
unión puede ser por absorción, por
enlaces iónicos o por enlaces
covalentes.
• Entre los soportes utilizados figuran
celulosas modificadas, carbón
activado, minerales de la arcilla, óxido
de aluminio y perlas de vidrio.
26. • Inclusión de la enzima, que implica la
incorporación de la enzima a una membrana
semipermeable.
• Las enzimas pueden encerrarse en
microcápsulas, geles, membranas de
polímeros semipermeables o polímeros
fibrosos como el acetato de celulosa.
• Cada uno de estos métodos tiene ventajas e
inconvenientes y el procedimiento utilizado
depende de la enzima y de la aplicación
industrial concreta.
27. CÉLULAS INMOVILIZADAS
• En algunos casos no es necesario usar la enzima
purificada .
• Las células ricas en enzimas pueden ser
inmovilizadas y realizar el proceso industrial en
forma continua.
• Bacillus coagulans que produce glucosa
isomerasa, se utiliza para la producción de jarabe
de cereales rico en fructosa.
• El jarabe rico en fructosa se hace pasar a través de
columnas que contienen las células inmovilizadas
y se produce el jarabe de fructosa.
• Las instalaciones son más pequeñas.
28. ENZIMAS RECOMBINANTES
• Utilizando DNA recombinante ha sido
posible producir una serie de enzimas de
gran utilidad en la actualidad.
• La producción de enzimas por
microbiología industrial era ya un negocio
floreciente antes de la era del DNA
recombinante, pero precisamente la I.G. se
adapta perfectamente a los objetivos de
mejora de esta biotecnología comercial, y
empezó a usarse de modo casi inmediato en
cuanto estuvieron a punto las técnicas.
29. • La ingeniería genética está realizando
progresos importantes en la producción
de enzimas recombinantes en
microorganismos.
• Para garantizar la seguridad de su uso
debe controlarse que los
microorganismos de donde se extraen no
sean patógenos, ni fabriquen compuestos
tóxicos. Los ideales son aquellos que
tienen una larga tradición de uso en los
alimentos como las levaduras de la
industria cervecera y los fermentos
lácticos.
30. • Bacillus, Aspergillus y Sacharomyces
son tres especies de microorganismos
bien conocidas, su manipulación es
segura, son de crecimiento rápido y
producen grandes cantidades de
enzimas, generalmente mediante
fermentación.
• El medio de cultivo óptimo para estos
microorganismos es igualmente bien
conocido, lo que reduce los costos de
experimentación.
31. • Cuando una enzima nueva es identificada
en un microorganismo, el gen que
codifica para la misma puede ser
transferido a cualquiera de las especies
anteriores.
• De esta manera se puede producir mayor
cantidad de dicha enzima en el tanque de
fermentación.
• El producto obtenido, la enzima
recombinante, es de mayor pureza, lo
cual contribuye a una mejor calidad del
producto.
32. • En la industria alimentaria:
• Quimosina recombinante (rennina) para la
elaboración de quesos. Muy empleada en
EE.UU y Gran Bretaña (90% de los quesos
duros), sustityendo a la escasa quimosina de
terneros y a la biotecnológica tradicional
obtenida de hongos (Rhizomucor, Endothia
parasitica). La quimosina recombinante se
obtiene en Kluyveromyces lactis y
Aspergillus niger manipulados.
• Somatotropina bovina recombinante parece
estimular la producción de leche de vacas
en los EE.UU. (aprobada por la FDA en
1994).
33. • En la industria de detergentes:
• La Lipolasa® de Novo-Nordisk (ahora
Novozymes) es la primera enzima
recombinante aprobada para detergentes. El
gen de esta lipasa, aislado de hongo
filamentoso Humicola se transfirió a
Aspergillus oryzae.
• La cutinasa de Fusarium, buena
degradadora de ácidos grasos, se expresa
por ingeniería genética en la levadura
Saccharomyces cerevisiae.
34. • Entre las proteasas, hay que destacar la
subtilisina de Bacillus licheniformis y B.
amyloquefaciens, que ayuda a eliminar
manchas de sangre, comida, etc. Por
ingeniería de proteínas ha sido posible
mejorar las ya de por sí buenas
cualidades de la subtilisina, creando
variantes resistentes a la oxidación por
peróxido de hidrógeno derivado de los
perboratos, resistentes a pH alcalinos y
termorresistentes.