17.2D: Enzimas utilizadas en la industria

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Las enzimas son moléculas biológicas que catalizan (aumentan las tasas de) reacciones químicas.

Objetivos de aprendizaje

Describir el uso de enzimas en la industria

Puntos Clave

Dado que las enzimas son selectivas para sus sustratos y aceleran solo unas pocas reacciones de entre muchas posibilidades, el conjunto de enzimas elaboradas en una célula determina qué vías metabólicas ocurren en esa célula.
Las moléculas sintéticas llamadas enzimas artificiales también muestran catálisis similar a la enzima.
Las enzimas se utilizan en la industria química y otras aplicaciones industriales cuando se requieren catalizadores extremadamente específicos.

Términos Clave

reacciones químicas: Procesos que conducen a la transformación de un conjunto de sustancias químicas a otro.
renina: una enzima proteolítica, obtuvo el jugo gástrico del abomaso de terneros, utilizada para coagular la leche y hacer queso
enzimas: Moléculas biológicas que catalizan (es decir, aumentan las tasas de) reacciones químicas.
Sintético: La combinación de dos o más partes, ya sea por diseño o por procesos naturales. Puede implicar estar preparado o hecho artificialmente, en contraste con lo natural.

Las enzimas son moléculas biológicas que catalizan (aumentan las tasas de) reacciones químicas. En las reacciones enzimáticas, las moléculas al inicio del proceso, llamadas sustratos, se convierten en diferentes moléculas, llamadas productos. Casi todas las reacciones químicas en una célula biológica necesitan enzimas para que ocurran a velocidades suficientes para la vida. Dado que las enzimas son selectivas para sus sustratos y aceleran solo unas pocas reacciones de entre muchas posibilidades, el conjunto de enzimas elaboradas en una célula determina qué vías metabólicas ocurren en esa célula.

imagen — Figura: **Catálisis enzimática**: Modelo de catálisis enzimática

Como todos los catalizadores, las enzimas funcionan disminuyendo la energía de activación para una reacción, aumentando así drásticamente la velocidad de la reacción. Como resultado, los productos se forman más rápido y las reacciones alcanzan su estado de equilibrio más rápidamente. La mayoría de las velocidades de reacción enzimática son millones de veces más rápidas que las de reacciones no catalizadas comparables.

Al igual que con todos los catalizadores, las enzimas no son consumidas por las reacciones que catalizan, ni alteran el equilibrio de estas reacciones. Sin embargo, las enzimas difieren de la mayoría de los otros catalizadores en que son altamente específicas para sus sustratos. Algunas moléculas de ARN llamadas ribozimas también catalizan reacciones, siendo un ejemplo importante algunas partes del ribosoma. Las moléculas sintéticas, llamadas enzimas artificiales, también muestran catálisis similar a enzimas.

La actividad enzimática puede verse afectada por otras moléculas. Los inhibidores pueden disminuir la actividad enzimática; los activadores pueden aumentar la actividad. Muchos fármacos y venenos son inhibidores enzimáticos. La actividad también se ve afectada por la temperatura, la presión, el ambiente químico (por ejemplo, el pH) y la concentración del sustrato. Algunas enzimas se utilizan comercialmente; por ejemplo, en la síntesis de antibióticos. Además, algunos productos domésticos utilizan enzimas para acelerar las reacciones bioquímicas (por ejemplo, las enzimas en los detergentes biológicos descomponen las manchas de proteína o grasa en la ropa; las enzimas en los tenderizadores de carne descomponen las proteínas en moléculas más pequeñas, haciendo que la carne sea más fácil de masticar).

Las enzimas se utilizan en la industria química y otras aplicaciones industriales cuando se requieren catalizadores extremadamente específicos. Sin embargo, las enzimas en general están limitadas en el número de reacciones que han evolucionado para catalizar, y por su falta de estabilidad en disolventes orgánicos y a altas temperaturas. Como consecuencia, la ingeniería proteica es un área activa de investigación e implica intentos de crear nuevas enzimas con propiedades novedosas, ya sea a través del diseño racional o de la evolución in vitro. Estos esfuerzos han comenzado a ser exitosos, y ahora se han diseñado algunas enzimas “desde cero” para catalizar reacciones que no ocurren en la naturaleza.

En el procesamiento de alimentos, las enzimas utilizadas incluyen amilasas de hongos y plantas. Estas enzimas se utilizan en la producción de azúcares a partir del almidón, como en la elaboración de jarabe de maíz con alto contenido de fructosa. En la cocción, catalizan la descomposición del almidón en la harina a azúcar. La fermentación de levadura del azúcar produce el dióxido de carbono que eleva la masa. Las proteasas son utilizadas por los fabricantes de galletas para disminuir el nivel de proteína de la harina. La tripsina se utiliza para predigerir alimentos infantiles. Para el procesamiento de zumos de frutas, se utilizan celulasas y pectinasas para aclarar los jugos de frutas. La papaína se utiliza para ablandar la carne para cocinar.

En la industria láctea, la renina, derivada de los estómagos de los rumiantes jóvenes (como terneros y corderos) se utiliza para la fabricación de queso, utilizado para hidrolizar proteínas. Las lipasas se implementan durante la producción de queso Roquefort para mejorar la maduración del queso de molde azul. Las lactasas se utilizan para descomponer la lactosa en glucosa y galactosa.

En la industria cervecera, las enzimas de la cebada se liberan durante la etapa de maceración de la producción de cerveza. Degradan el almidón y las proteínas para producir azúcar simple, aminoácidos y péptidos que son utilizados por la levadura para la fermentación. Las enzimas de cebada producidas industrialmente son ampliamente utilizadas en el proceso de elaboración de la cerveza para sustituir las enzimas naturales que se encuentran en la cebada. La amilasa, las glucanasas y las proteasas se utilizan para dividir polisacáridos y proteínas en la malta. Se utilizan betaglucanasas y arabinoxilanasas para mejorar las características de filtración de mosto y cerveza. La amiloglucosidasa y las pululanasas se utilizan para la cerveza baja en calorías y el ajuste de la fermentabilidad. Las proteasas se utilizan para eliminar la nubosidad producida durante el almacenamiento de las cervezas.

En la industria del almidón, amilasas, amiloglucosasas y glucoamilasas convierten el almidón en glucosa y diversos jarabes. La glucosa isomerasa convierte la glucosa en fructosa en la producción de jarabes con alto contenido de fructosa a partir de materiales almidonados.

En la industria papelera, se utilizan amilasas, xilanasas, celulasas y ligninasas para degradar el almidón a menor viscosidad, ayudando a aprestar y recubrir el papel.

En la industria de los biocombustibles, las celulasas utilizaron para descomponer la celulosa en azúcares que pueden fermentarse (ver etanol celulósico).

En la producción de detergentes biológicos, las proteasas, producidas en forma extracelular a partir de bacterias, se utilizan en condiciones de pre-remojo y aplicaciones líquidas directas, ayudando con la eliminación de manchas de proteínas de la ropa.

En biología molecular, las enzimas de restricción, la ADN ligasa y las polimerasas se utilizan para manipular el ADN en ingeniería genética, importantes en farmacología, agricultura y medicina, y son esenciales para la digestión de restricción y la reacción en cadena de la polimerasa. La biología molecular también es importante en la ciencia forense.

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