El Cuaderno 30_1

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Edicin N 30

Las enzimas, "aliadas" de la Biotecnologa

La historia de las enzimasAlgunos productos que hoy son cotidianos fueron el resultado de descubrimientoscasuales a los que, con el tiempo, la ciencia pudo dar una explicacin.or e!emplo, se cuenta que alrededor del a"o 3000 a.#. en Egipto, un aprendi$ depanadero descuid una masa ya preparada que qued expuesta al aire durante m%stiempo que el acostumbrado. &a superficie h'meda de la masa se hinch, y aumentmucho su (olumen. )e cree que este fue el primer pan blando y espon!oso.Algo similar habr*a sucedido con la cer(e$a. )eg'n un grabado que se remonta a +.000a"os a.#., un pan ol(idado se humedeci y se transform en una pulpa de la que seextra*a un l*quido que, seg'n expresa el grabadotransforma la gente en alegre,extro(ertida y feli$-.ambi/n cuenta una leyenda que un pastor %rabe, de regreso a su casa despu/s de unalarga !ornada en el campo, guard la leche orde"ada de sus o(e!as dentro de una bolsahecha con la tripa de ternero despu/s de caminar y caminar a pleno sol, abri la bolsapara saciar su sed y se sorprendi cuando encontr que la leche estaba separada endos partes1 un l*quido acuoso p%lido y un cua!o 2grumo blanco slido.4na masa que se infla, la leche que se coagula, una bebida con propiedades nue(as...5En qu/ consist*an esos procesos que misteriosamente transformaban los alimentos657u/ componentes desconocidos pro(ocaban estos cambios6 )e necesitaron muchosa"os de traba!o para conocer las sustancias responsables de estos procesos, entreellas las enzimas.

El descubrimiento de las enzimas8oy se sabe que la obtencin del pan y la cer(e$a fueron resultado del proceso defermentacin alcohlica, uno de los procesos en$im%ticos m%s antiguos. 9 que laproduccin del queso a partir de la leche, tambi/n se debe a un proceso en$im%tico.Antes del siglo :;:, se cre*a que estos fenmenos y otros similares eran reaccionesespont%neas. No se conoc*a de la existencia y funcin de las en$imas. 8asta que en? el qu*mico franc/s &ouis asteur comprob que la fermentacin slo ocurre enpresencia de c/lulas (i(as. @%s tarde, en

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Edicin N 30en$imas. )in embargo, todos los intentos de aislar e identificar su naturale$a qu*mica

fracasaron.En

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Edicin N 30Kuente1http)**imagesencartamsncom*+re'media*eencmed*targets*illus*ilt*-./0112gi'ara reali$ar su funcin, una en$ima reconoce una mol/cula espec*fica, llamada sustrato. #adaen$ima une a su sustrato espec*fico en el sitio acti!oy pro(oca en /l un cambio qu*mico, por elcual se obtiene un producto. El cambio implica la formacin o rotura de un enlace co(alente. &aen$ima que participa en la reaccin no sufre modificaciones, y puede (ol(er a actuar sobre otrosustrato del mismo tipo. En ausencia de las en$imas, las reacciones bioqu*micas ser*anextremadamente lentas y la (ida no ser*a posible. &as en$imas pueden aumentar la (elocidad delas reacciones en un milln de (eces.

@odificado de 1http)**3ebeducasturprincastes*proyectos*biogeo4o!*5bch*b/4metabolismo*t/.4metabol*diapositi!as*diapositi!a.5gi'

&os estudios de laboratorio muestran, que al igual que todas las prote*nas, las en$imasson muy sensibles a los cambios de temperatura y acide$. &as en$imas funcionancorrectamente dentro un limitado rango de temperatura y p8. En condiciones detemperatura ele(ada o p8 alto 2por encima de las condiciones ptimas para sufuncionamiento , se rompen las uniones d/biles y se desarma la estructuratridimensional de la prote*na 2se desnaturali$a y pierde su capacidad para actuarcomo en$ima."El Cuaderno de PorquBiotecnologa" es una herramienta didctica creada y desarrollada por elequipo pedaggico del Programa Educati!o PorquBiotecnologa #u reproduccin est autorizada ba$ola condicin de que se aclare la autora y propiedad de este recurso pedaggico por parte delPrograma Educati!o PorquBiotecnologa

roducto roducto

En$ima)ubstrato )ubstrato
http://images.encarta.msn.com/xrefmedia/eencmed/targets/illus/ilt/T013944A.gifhttp://images.encarta.msn.com/xrefmedia/eencmed/targets/illus/ilt/T013944A.gifhttp://web.educastur.princast.es/proyectos/biogeo_ov/2bch/b3_metabolismo/t31_metabol/diapositivas/diapositiva12.gifhttp://web.educastur.princast.es/proyectos/biogeo_ov/2bch/b3_metabolismo/t31_metabol/diapositivas/diapositiva12.gifhttp://images.encarta.msn.com/xrefmedia/eencmed/targets/illus/ilt/T013944A.gifhttp://web.educastur.princast.es/proyectos/biogeo_ov/2bch/b3_metabolismo/t31_metabol/diapositivas/diapositiva12.gifhttp://web.educastur.princast.es/proyectos/biogeo_ov/2bch/b3_metabolismo/t31_metabol/diapositivas/diapositiva12.gif

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2cti!idad enzimtica en 'uncin de la

temperatura

0

50

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0 20 40 60 80 100

temperatura (C)

actividad

enzimtica

(% )

Edicin N 30#ada tipo de en$ima funciona ptimamente a una determinada temperatura si la

temperatura del medio en el que est% la en$ima se ale!a de la ptima, la en$imadisminuye su acti(idad. Esta particularidad de las en$imas se puede representar en ungr%fico como el siguiente1

El gr%fico muestra cmo (ar*a la acti(idad de la en$ima 2expresada en porcenta!es a medida que aumentala temperatura. &a temperatura ptima de esta en$ima es +0#. A esa temperatura la en$ima funciona al

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4so de en$imas en la fabricacin de alimentos&a 'ermentacin alcohlicaes un e!emplo conocido de los procedimientos en que seefect'an alteraciones en$im%ticas, tanto cuando se agrega alguna en$ima como cuandose a"ade alg'n microbio (i(o que las contiene 2por e!emplo, le(aduras. @uchosproductos que se consumen en la actualidad se fabrican por un proceso fermentati(o,tales como el yogur, las bebidas alcohlicas, el (inagre, los embutidos, etc. ore!emplo, la elaboracin de (inagre con alcoholes es un proceso en$im%tico producidopor un microbio (i(o 2Acetobacter aceti. El alcohol es oxidado y con(ertido en %cidoac/tico con ox*geno de la atmsfera. )i bien, aislada de las bacterias, la en$imacatali$a igualmente la oxidacin, el desarrollo del producto se reali$a con elmicroorganismo entero, por resultar m%s econmico.

"El Cuaderno de PorquBiotecnologa" es una herramienta didctica creada y desarrollada por elequipo pedaggico del Programa Educati!o PorquBiotecnologa #u reproduccin est autorizada ba$ola condicin de que se aclare la autora y propiedad de este recurso pedaggico por parte delPrograma Educati!o PorquBiotecnologa

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Edicin N 30En la fabricacin de queso, por e!emplo, se utili$a la en$ima renina para producir la

coagulacin de las prote*nas de la leche 2case*na, que luego se trata para con(ertirlaen queso. )i bien, originariamente, esta en$ima era extra*da del cua!o de terneros,hoy en d*a se est% utili$ando en$ima quimosina de origen recombinante 2(er #uadernosN ?,

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Edicin N 30&as lipasas, que rompen los l*pidos por hidrlisis, sacando manchas de grasa y aceite.

&as celulasasproducidas por el hongo 8umicolainsolensson utili$adas para remocinde suciedad, y para restaurar la sua(idad y color de fibras de algodn.

En$imas utili$adas en la industria del papelAl igual que en el tratamiento de telas, en la fabricacin de papel, se utili$an lasen$imas celulasaspara degradar la celulosa, componente principal de la madera.Adem%s de la celulosa, la madera contiene lignina, un compuesto que debe se eliminadoen la fabricacin de papel. &a eliminacin se reali$a con compuestos qu*micos que soncontaminantes del medio ambiente.&a elucidacin de los mecanismos en$im%ticos implicados en el proceso de

biodegradacin de la lignina est% proporcionando nue(as herramientas biotecnolgicaspara un me!or apro(echamiento de la biomasa (egetal en sectores industriales, talescomo la produccin de pasta de papel y la obtencin de biocombustibles.

2plicacin de las enzimas en anlisis clnicos&as en$imas se emplean como reacti(os est%ndar en los laboratorios para eldiagnstico de enfermedades, para el control y el seguimiento de enfermedades y dela respuesta del paciente hacia la terapia seguida, y para la identificacin y control dela concentracin de drogas o sus metabolitos en la sangre u otros fluidos corporales.&as t/cnicas de inmunoan%lisis en$im%tico 2E&;)A representan un nue(o e importante

a(ance al asociar anticuerpos espec*ficos a en$imas como la peroxidasa o lagalactosidasa cuya unin genera una reaccin colorim/trica 2se obser(a colorproporcional a la extensin de unin del anticuerpo 2Ser cuaderno NQ D=.&as en$imas se emplean rutinariamente para diagnosticar enfermedades hep%ticas,mioc%rdicas, pancre%ticas y prost%ticas, anemias, leucemias, distrofia muscular,tumores y toxemias del embara$o.&as t/cnicas en$im%ticas tambi/n se utili$an en la deteccin de drogas, an%lisis deantibiticos, deteccin de ant*genos o anticuerpos, o en la deteccin de en$imas ymetabolitos en los fluidos intracelulares. Estas t/cnicas son generalmente m%sr%pidas, espec*ficas ya baratas que otros m/todos de deteccin como el

inmunoan%lisis, los an%lisis fotom/tricos, cromatogr%ficos.6so de enzimas como productos mdicos y 'armacuticosA diferencia de otros usos industriales para las en$imas, las aplicaciones m/dicas yfarmac/uticas de las mismas requieren generalmente peque"as cantidades de en$imas


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Edicin N 30muy purificadas. Esto se debe a que si el destino de una en$ima o de un producto

obtenido por m/todos en$im%ticos es su administracin a un paciente, resulta e(identeque el preparado debe contener las menores cantidades posibles de material extra"opara e(itar probables efectos secundarios.4no de los productos obtenidos mediante el uso de en$imas son los aminocidos. )ibien se pueden sinteti$ar empleando un proceso qu*mico, el resultado es una me$cla dedos tipos distintos 2H y & ismeros. uesto que solamente el &Mismero esbiolgicamente acti(o, la me$cla debe ser separada en sus dos componentes.Adem%s de amino%cidos, las en$imas son utili$adas para la produccin de antibiticossemi7sintticos &as penicilinas semisint/ticas son los principales productosfarmac/uticos obtenidos por tecnolog*a en$im%tica.

ambi/n se utili$an en$imas en la produccin de esteroides. &os esteroides se utili$anen un gran n'mero de preparados farmac/uticos 2por e!emplo en los antinflamatorios,por lo que los procesos empleados en la produccin de estas sustancias presentan unaconsiderable importancia econmica.

6so de enzimas para generacin de energaPtra aplicacin biotecnolgica de las en$imas es la produccin de energ*a, a partir defuentes org%nicas en (e$ de combustibles fsiles, no reno(ables.#ada a"o crecen unos C00 mil millones de toneladas de biomasa 2madera, cereales,etc, de las cuales se usan slo un 3L. or lo tanto, este rubro ofrece un enorme

potencial que puede ser apro(echado. 4n e!emplo cl%sico de biocombustible es elalcohol obtenido por fermentacin de material rico en a$'cares y almidn, o deresiduos org%nicos como los forestales 2(er #uaderno N >=. El principal obst%culopara la (iabilidad de esta propuesta es el costo, puesto que el petrleo sigue siendom%s barato. )in embargo, los a(ances tecnolgicos permitir%n en un futuro aumentarel desarrollo de estos productos biodegradables.

&a tecnolog*a en$im%tica tiene como ob!eti(o superar aquellos incon(enientes quepuedan retrasar la aplicacin de las en$imas en procesos a escala industrial. Este %reatiene aplicaciones desde tiempos remotos, y actualmente se utili$a en diferentesindustrias, ya que implica la utili$acin de sistemas en$im%ticos di(ersos que optimi$an

el procesamiento en la obtencin de detergente, aditi(os alimenticios, productosqu*micos y farmac/uticos. &a tecnolog*a en$im%tica se presenta como alternati(abiotecnolgica para que las industrias desarrollen productos de calidad homog/nea,apro(echen ptimamente sus materias primas, aceleren sus procesos de produccin,minimicen desperdicios y disminuyan el deterioro del medio ambiente.


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C89#:;E?:C2#El tema de las en$imas se aplica en diferentes instancias del aprendi$a!e. En los a"osinferiores se trata de manera general, tal como al hablar de las en$imas que degradanalimentosJ. En a"os superiores es posible introducir conceptos de metabolismo2con!unto de reacciones qu*micas que ocurren en las c/lulas, y la participacin deen$imas en diferentes reacciones, su estructura qu*mica y modo de accin.)e sugiere introducir este tema al traba!ar las biomol/culas, particularmente laestructura proteica y m'ltiples funciones de las prote*nas. Es con(eniente traba!ar encoordinacin con docentes de qu*mica la estructura qu*mica de las mol/culas proteicas,

los enlaces pept*dicos que unen amino%cidos y los enlaces m%s d/biles 2puente dehidrgeno, electro(alente, hidrofbico que mantiene la estructura terciaria.Asimismo, en f*sicoMqu*mica se puede traba!ar el concepto de energ*a de acti(acinJ yel modo de accin de las en$imas que catali$an las reacciones qu*micas.8ay un concepto fundamental en este tema, que no solo ata"e a la estructura proteicasino a todas las mol/culas que inter(ienen en procesos metablicos, y que se relacionacon la importancia de la estructura espacial de las mol/culas en relacin con sufuncin. &a formaJ o estructura qu*mica de las prote*nas, as* como la de otrasmol/culas es esencial para que puedan cumplir con su funcin, y la p/rdida de estaestructura espacial puede afectar la funcin. En este sentido se sugiere traba!ar el

concepto de desnaturali$acinJ de las prote*nas, las condiciones que lle(an a lap/rdida de la estructura terciaria 2espacial, tridimensional de la prote*na y laconsecuente p/rdida de funcin.Ptro concepto b%sico para comprender la accin en$im%tica es la de temperaturaptimaJ, que es aquella temperatura a la cual las en$imas proteicas funcionanptimamente. En este punto hay dos ideas que se sugiere traba!ar con los alumnos1- la temperatura ptima depende del organismo y de la en$ima en cuestin. 4na en$ima

del cuerpo humano puede actuar ptimamente a los 3DM3?#, mientras que lasen$imas de un organismo extremfilo que habita aguas termales puede estar prximaa los =0#.

-

Es interesante plantear con los alumnos qu/ significa que la acti(idad en$im%tica esdel 0L. or e!emplo, una acti(idad del >0L significa que la mitad de lasmol/culas en$im%ticas est%n acti(as o que las mol/culas en$im%ticas funciones en lamitad de su capacidad6 )e sugiere de!ar a los alumnos exponer sus ideas, ya quesuele resultar una discusin muy enriquecedora. &a respuesta ser*a que un

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Edicin N 30acti(idad en$im%tica significa que el 0L de acti(idad significa que la mitad de las mol/culasen$im%ticas se encuentran acti(as y la otra mitad no.Este #uaderno permite tambi/n traba!ar en el aula el concepto de nutricin 2obtencinde materia y energ*a, diferenciarlo del concepto de alimentacin con el que sueleconfundirse, y destacar la respiracin celular 2aerbica y la fermentacin2respiracin anaerbica como procesos por los cuales se obtiene energ*a en el procesode nutricin.Ptro tema interesante, y habitualmente desconocido, es el hecho de que las en$imasrecombinantes 2obtenidas mediante t/cnicas de ingenier*a gen/tica se encuentran yaen el mercado comercial y participan en diferentes acti(idades cotidianas. or otra

parte, comprender los m'ltiples usos y beneficios que aportan los microorganismos alas acti(idades humanas, como fuente de en$imas.

C89CEP8#

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2cti!idades

2cti!idad .) Proteasas del ananEn la siguiente acti(idad, se propone probar la acti(idad de ciertas en$imas presentesen el anan% y compararlas con otras frutas.Algunas frutas tropicales producen en$imas con acti(idad proteasa, es decir, querompen las prote*nas el romper las uniones co(alentes entre los amino%cidos que laconstituyen. or e!emplo, la papaya produce una proteasa conocida con el nombre depapa*na y el anan% produce la bromelina 2nombre deri(ado del nombre del grupo deplantas al cual pertenece el anan%, las Bromeliades.

Procedimiento)

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Edicin N 30ara ellos se repiten los experimentos pero calentando pre(iamente el !ugo de las

frutas o los tro$os de fruta, por e!emplo 3 minutos a

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Edicin N 30Q #.

+. 57u/ nue(as propiedades tiene las le(aduras recombinantes desarrolladas6

Gta1 &as le(aduras recombinantes poseen sus propias en$imas reductasas.Hebido a estos, en la fabricacin de la cer(e$a, ya no hace falta agregar estasen$imas para e(itar reacciones indeseadas en el producto.

=aterial de Consulta

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