Enzimas
Etimología
Desde finales del siglo XVIII y principios
del siglo XIX,
se conocía la digestión de la carne por las
secreciones del estómago y la conversión del almidón en azúcar por
los extractos de plantas y la saliva. Sin embargo, no había sido identificado
el mecanismo subyacente.
En el siglo XIX,
cuando se estaba estudiando la fermentación del azúcar en
el alcohol con levaduras, Louis Pasteur llegó
a la conclusión de que esta fermentación era catalizada por una fuerza vital
contenida en las células de la levadura, llamadas fermentos,
e inicialmente se pensó que solo funcionaban con organismos vivos. Escribió que "la
fermentación del alcohol es un acto relacionado con la vida y la organización
de las células de las levaduras, y no con la muerte y la putrefacción de
las células". Por el contrario, otros científicos de la época
como Justus von Liebig, se mantuvieron en la
posición que defendía el carácter puramente químico de la reacción de
fermentación.
En 1897 Eduard Buchner comenzó a estudiar la
capacidad de los extractos de levadura para fermentar azúcar a pesar de la
ausencia de células vivientes de levadura. En una serie de experimentos en la Universidad Humboldt de Berlín,
encontró que el azúcar era fermentado inclusive cuando no había elementos vivos
en los cultivos de células de levaduras.11Llamó a
la enzima que causa la fermentación de la sacarosa,
“zimasa”. En 1907 recibió el Premio Nobel de Química "por
sus investigaciones bioquímicas y el haber descubierto la fermentación libre de
células". Siguiendo el ejemplo de Buchner, las enzimas son usualmente
nombradas de acuerdo a la reacción que producen. Normalmente, el sufijo
"-asa" es agregado al nombre del sustrato (p. ej., la lactasa es
la enzima que degrada lactosa) o al tipo de reacción (p. ej., la ADN
polimerasa forma polímeros de ADN).
El descubrimiento de que las enzimas podían ser
cristalizadas permitía que sus estructuras fuesen resueltas mediante técnicas
de cristalografía y difracción de rayos X. Esto se llevó a
cabo en primer lugar con la lisozima, una enzima encontrada en las lágrimas,
la saliva y los huevos, capaces de digerir la pared de algunas bacterias.
La estructura fue resuelta por un grupo liderado por David Chilton Phillips y
publicada en 1965. Esta estructura de alta resolución de las lisozimas,
marcó el comienzo en el campo de la biología estructural y el esfuerzo
por entender cómo las enzimas trabajan en el orden molecular.
Las enzimas pueden actuar de diversas
formas, aunque, como se verá a continuación, siempre dando lugar a una
disminución del valor.
·
Reducción de la energía de
activación mediante la creación de un ambiente
en el cual el estado de transición es estabilizado (por ejemplo, forzando la
forma de un sustrato: la enzima produce un cambio de conformación del sustrato
unido el cual pasa a un estado de transición, de modo que ve reducida la
cantidad de energía que precisa para completar la transición).
·
Reduciendo la energía del estado de transición, sin afectar la forma del
sustrato, mediante la creación de un ambiente con una distribución de carga
óptima para que se genere dicho estado de transición.
·
Proporcionando una ruta alternativa. Por ejemplo, reaccionando
temporalmente con el sustrato para formar un complejo intermedio
enzima/sustrato (ES), que no sería factible en ausencia de enzima.
·
Reduciendo la variación de entropía necesaria para alcanzar el estado de
transición (energía de activación) de la reacción mediante la acción de
orientar correctamente los sustratos, favoreciendo así que se produzca dicha
reacción.
·
Incrementando la velocidad de la enzima mediante un aumento de temperatura.
El incremento de temperatura facilita la acción de la enzima y permite que se
incremente su velocidad de reacción. Sin embargo, si la temperatura se eleva
demasiado, la conformación estructural de la enzima puede verse afectada,
reduciendo así su velocidad de reacción, y sólo recuperando su actividad óptima
cuando la temperatura se reduce. No obstante, algunas enzimas son termolábiles
y trabajan mejor a bajas temperaturas.
Cabe destacar que este efecto entrópico
implica la desestabilización del estado basal, y su contribución a la catálisis
es relativamente pequeña.
Las enzimas presentan una amplia variedad
de funciones en los organismos vivos. Son indispensables en la transducción de
señales y en procesos de regulación, normalmente por medio de quinasas y fosfatasas. También son
capaces de producir movimiento, como es el caso de la miosina al hidrolizar ATP para
generar la contracción muscular o el movimiento de vesículas por medio delcitoesqueleto. Otro tipo
de ATPasas en la membrana celular son
las bombas de iones implicadas
en procesos de transporte activo.
Además, las enzimas también están implicadas en funciones mucho más exóticas,
como la producción de luz por la luciferasa en las luciérnagas. Los virus también
pueden contener enzimas implicadas en la infección celular, como es el caso de
la integrasa del virus HIV y
de la transcriptasa inversa,
o en la liberación viral, como la neuraminidasa del virus de la gripe.
Una importante función de las enzimas es
la que presentan en el sistema digestivo de los animales.
Enzimas tales como las amilasas y las proteasas son capaces de degradar
moléculas grandes (almidón o proteínas, respectivamente) en otras más
pequeñas, de forma que puedan ser absorbidas en el intestino. Las moléculas de almidón, por
ejemplo, que son demasiado grandes para ser absorbidas, son degradadas por
diversas enzimas a moléculas más pequeñas como la maltosa, y finalmente a glucosa, la cual sí puede ser absorbida a
través de las células del intestino. Diferentes enzimas digestivas son capaces
de degradar diferentes tipos de alimentos. Los rumiantes que tienen una dieta herbívora, poseen en sus intestinos una serie
de microorganismos que producen otra enzima, la celulasa, capaz de degradar la celulosa presente en la pared celular de las plantas
Varias enzimas pueden actuar conjuntamente
en un orden específico, creando así una ruta metabólica. En una ruta metabólica, una
enzima toma como sustrato el producto de otra enzima. Tras la reacción
catalítica, el producto se transfiere a la siguiente enzima y así
sucesivamente. En ocasiones, existe más de una enzima capaz de catalizar la
misma reacción en paralelo, lo que permite establecer una regulación más
sofisticada: por ejemplo, en el caso en que una enzima presenta una actividad
constitutiva pero con una baja constante de actividad y una segunda enzima cuya
actividad es inducible, pero presenta una mayor constante de actividad.
Las enzimas determinan los pasos que
siguen estas rutas metabólicas. Sin las enzimas, el metabolismo no se
produciría a través de los mismos pasos, ni sería lo suficientemente rápido
para atender las necesidades de la célula. De hecho, una ruta metabólica como
la glucolisis no podría existir sin enzimas.
La glucosa, por ejemplo, puede reaccionar
directamente con el ATP de forma que quede fosforilada en uno o más carbonos.
En ausencia de enzimas, esta reacción se produciría tan lentamente que sería
insignificante. Sin embargo, si se añade la enzima hexoquinasa que fosforila el carbono 6 de
la glucosa y se mide la concentración de la mezcla en un breve espacio de
tiempo se podrá encontrar únicamente glucosa-6-fosfato a niveles significativos.
Por tanto, las redes de rutas metabólicas dentro de la célula dependen del
conjunto de enzimas funcionales que presenten.
A continuación se muestra una tabla con
diversas aplicaciones industriales de las enzimas:
Aplicación
|
Enzimas utilizadas
|
Usos
|
Procesado
de alimentos
La amilasa cataliza la
degradación del almidón en azúcares sencillos.
|
Amilasas de hongos y plantas.
|
Producción de azúcares desde el almidón, como por ejemplo en la producción
de jarabe de maíz. En la cocción al horno,
cataliza la rotura del almidón de la harina en azúcar. La fermentación del azúcar llevada a cabo
por levaduras produce el dióxido de carbono que
hace "subir" la masa.
|
Proteasas
|
Los fabricantes de galletas las utilizan para reducir la
cantidad de proteínas en la harina.
|
Alimentos
para bebés
|
Tripsina
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Para pre-digerir el alimento dirigido
a bebés.
|
Elaboración de
cerveza
Cebada germinada utilizada para la elaboración
de malta.
|
Las enzimas de la cebada son liberadas
durante la fase de molido en la elaboración de la cerveza.
|
Las enzimas liberadas degradan el
almidón y las proteínas para generar azúcares sencillos, aminoácidos y péptidos que son usados
por las levaduras en el proceso de fermentación.
|
Enzimas de cebada producidas a nivel
industrial
|
Ampliamente usadas en la elaboración de
cerveza para sustituir las enzimas naturales de la cebada.
|
Amilasa, glucanasa y proteasas
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Digieren polisacáridos y proteínas en la malta.
|
Betaglucanasas y arabinoxilanasas
|
Mejoran la filtración del mosto y la
cerveza.
|
Amiloglucosidasas y pululanasas
|
Producción de cerveza baja en calorías y
ajuste de la capacidad de fermentación.
|
Proteasas
|
Eliminan la turbidez producida durante
el almacenamiento de la cerveza.
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Acetolactatodecarboxilasa (ALDC)
|
Incrementa la eficiencia de la
fermentación mediante la reducción de la formación de diacetilo.
|
Zumos
de frutas
|
Celulasas, pectinasas
|
Aclarado de zumos de frutos.
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Industria láctea
Queso de Roquefort.
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Renina, derivado del estómago de animales rumiantes jóvenes (como terneros y
ovejas).
|
Producción de queso, usada para hidrolizar proteínas.
|
Enzimas producidas por bacterias
|
Actualmente, cada vez más usadas en la
industria láctea.
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Lipasas
|
Se introduce durante el proceso de
producción del queso Roquefort para
favorecer la maduración.
|
Lactasas
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Rotura de la lactosa en glucosa y galactosa.
|
Digestión
de carne
|
Papaína
|
Ablandamiento de la carne utilizada para
cocinar.
|
Industria del almidón
Glucosa.
Fructosa.
|
Amilasas, amiloglucosidasas y
glucoamilasas
|
Conversión del almidón en glucosa y diversos azúcares invertidos.
|
Glucosa isomerasa
|
Conversión de glucosa en fructosa durante la producción de jarabe de maíz partiendo de sustancias
ricas en almidón. Estos jarabes potencian las propiedades edulcorantes y
reducen las calorías mejor que la sacarosa y manteniendo el mismo nivel
de dulzor.
|
Industria del papel
Una fábrica de papel
en Carolina del Sur.
|
Amilasas, xilanasas, celulasas y ligninasas
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Degradación del almidón para reducir suviscosidad, añadiendo apresto. Las xilanasas reducen el
blanqueador necesario para la decoloración; las celulasas alisan las fibras,
favorecen el drenaje de agua y promueven la eliminación de tintas; las lipasas
reducen la oscuridad y las ligninasas eliminan la lignina para ablandar el
papel.
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Industria del biofuel
Celulosa en 3D.
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Celulasas
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Utilizadas para degradar la celulosa en azúcares que puedan ser
fermentados.
|
Ligninasas
|
Utilizada para eliminar residuos
de lignina.
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Detergentes
biológicos
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Principalmente proteasas, producidas de forma extracelular
por bacterias.
|
Utilizadas para ayudar en la eliminación
de tintes proteicos de la ropa en las condiciones de prelavado y en las
aplicaciones directas de detergente líquido.
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Amilasas
|
Detergentes de lavadoras para eliminar
residuos resistentes de almidón.
|
Lipasas
|
Utilizadas para facilitar la eliminación
de tintes grasos y oleosos.
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Celulasas
|
Utilizadas en suavizantes biológicos.
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Limpiadores de lentes
de contacto
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Proteasas
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Para eliminar restos proteicos de
las lentes de contacto y
así prevenir infecciones.
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Industria
del hule
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Catalasa
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Para generar oxígeno desde el peróxido, y así convertir el látex en hule espumoso.
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Industria fotográfica
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Proteasa (ficina)
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Disolver la gelatina de las películas
fotográficas usadas, permitiendo así la recuperación de su
contenido en plata.
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Biología molecular
ADN de doble hélice.
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Enzimas de
restricción, ADN ligasa y polimerasas
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Utilizadas para manipular el ADN mediante ingeniería genética.
De gran importancia en farmacología, agricultura, medicina y criminalística. Esenciales para digestión de
restricción y para la reacción
en cadena de la polimerasa.
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