Inmovilización de Enzimas y Células
Proceso por el cual se restringen, completa o parcialmente, los grados de libertad de movimiento de enzimas, orgánulos, células, etc. por su unión a un soporte.
Ventajas de la Inmovilización:
- Catálisis heterogénea.
- Reutilización.
- Facilita el control del microentorno.
- Incrementa la estabilidad.
- Tolerancia a disolventes orgánicos.
- Incrementa la cantidad de catalizador por unidad de volumen.
Ventajas Adicionales:
- Permite el reuso de las enzimas.
- Ideal para operaciones continuas.
- Los productos están libres de enzima.
- Permite un mejor control de los procesos catalíticos.
- Mejora la estabilidad de las enzimas.
- Permite el desarrollo de sistemas de reacción multienzimáticos.
- Ofrece un potencial considerable en uso médico e industrial.
- Reduce los problemas de tratamiento de efluentes.
Desventajas:
- La alteración de la conformación de la enzima respecto de su estado nativo.
- La gran heterogeneidad del sistema enzima-soporte.
- Siempre suele haber una pérdida de actividad de la enzima durante la movilización.
- El biocatalizador es más caro que la enzima nativa.
- Alto costo de soportes y reactivos.
Métodos de Inmovilización
I. Retención Física
Atrapamiento
- Enzima retenida en red polimérica.
- Pérdida de la actividad escasa.
Ventajas:
- No hay modificación química de la enzima.
Desventajas:
- La difusión del sustrato o producto hacia o desde el sitio activo es dificultosa; puede resultar en inactivación de la enzima.
- Pérdida continua de enzima por diferencias en el poro.
- No es efectivo para sustratos macromoleculares.
Inclusión en Membrana
Microencapsulación:
- Membrana semipermeable.
- Utilizada en biosensores, industrias farmacéuticas, cosméticos, etc.
Ventajas:
- Pueden encapsular simultáneamente una gran variedad de enzimas.
Desventajas:
- La difusión del sustrato o producto hacia o desde el sitio activo es dificultosa; puede resultar en inactivación de la enzima.
Reactor de Membrana:
- Enzima puede estar libre o unida a la membrana.
- Formas de membranas: láminas, placas, fibras huecas.
Ventajas:
- Facilita la obtención de los productos (ultrafiltración).
Desventajas:
- Membranas son costosas.
II. Unión Química (Unión a Soportes)
Adsorción
- Unión enzima-soporte.
- Intervienen enlaces: interacciones iónicas, Van der Waals, puentes de hidrógeno, interacciones hidrofóbicas, etc.
Ventajas:
- Simple, barato, sin modificación de la enzima; es posible regenerar el soporte.
Desventajas:
- Cambios en la fuerza iónica pueden causar desorción; la enzima está sujeta a ataque microbiano o proteolítico.
Enlace Covalente
- Se basa en la activación de grupos químicos del soporte para que reaccionen con la enzima.
- Intervienen grupos funcionales de la enzima, como: Funciones aminadas, funciones ácidas carboxílicas, funciones triol, anillos fenólicos.
- Intervienen grupos funcionales de los soportes, ejm: sustancias orgánicas – celulosa (-OH) // proteínas – colágena (-NH2).
- Reacciones químicas que se producen: Acilación, alquilación, disulfuración, etc.
Ventajas:
- No se afecta por el pH, fuerza iónica o concentración de sustrato.
Desventajas:
- El sitio activo puede modificarse; proceso costoso.
Reticulado
- Llamado: entrecruzamiento o cross-linking.
- Consiste en uso de reactivos bifuncionales que originan uniones intermoleculares entre las moléculas de enzima.
- 1.- Se pueden emplear glutaraldehído, dialdehídos, diiminoésteres, entre otros.
- 2.- Se tiene enzimas con enlaces intermoleculares irreversibles (resisten condiciones extremas de pH y temperatura).
- 3.- Se obtiene los cristales enzimáticos entrecruzados (CLEC).
- Co-reticulado, entrecruzamiento de las enzimas con una proteína sin actividad enzimática.
Ventajas:
- La enzima está unida muy fuerte, no se pierde.
Desventajas:
- Pérdida de actividad enzimática durante la preparación; no es efectiva para sustratos macromoleculares.
Problemas en el Atrapamiento de Células:
- Alta resistencia a la transferencia de masa entre el interior del biocatalizador inmovilizado y el entorno.
- Formación de la matriz polimérica exige condiciones severas que dañan o reducen la viabilidad de las células.
- Pérdida del biocatalizador por difusión en zonas en contacto con el medio.
Biocatalizador
Conjunto de sustancias biológicas capaces de transformar muchas moléculas de sustrato en producto sin modificarse ellas mismas.
Tipos:
- Enzimas aislados.
- Células vivas.
- Células muertas (orgánulos celulares).
Propiedades de Interés de los Biocatalizadores:
Ventajas:
- Eficacia.
- Catalizar muchos más tipos de reacciones.
- Específicas en cuanto al tipo de reacción.
- Son operativas en condiciones muy suaves.
- Requieren menores aportes energéticos.
- Se pueden utilizar varias enzimas en combinación.
- Ocupan un espacio pequeño.
Desventajas:
- Mecanismos de regulación.
- Requerimiento de cofactores.
- Falta de estabilidad en condiciones de operación.
- Son costosas de purificar.
Enzimas
Son biomoléculas cuya función es aumentar la velocidad de las reacciones bioquímicas, actúan por lo tanto como catalizadores biológicos.
Antecedentes:
- 1890. Christian Hansen: Renina.
- 1960 adelante. Producción de enzimas en hongos y bacterias. Antes el 70% se extraía de plantas y órganos de animales.
- En la actualidad: 75% son enzimas microbianas. 25% a partir de quimiosina, plantas y órganos de animales.
Aplicaciones de las Enzimas en Medicina:
- Enzimoterapia: La mayoría hidrolasas vegetales o animales.
- Requiere pureza, alta estabilidad (Tº, pH, baja antigenicidad, accesibilidad al sitio corporal).
- Eliminación de metabolitos tóxicos.
- Tratamiento de deficiencias metabólicas congénitas.
- Eliminación selectiva de nutrientes específicos de células malignas.
Producción de Enzimas con Microorganismos Manipulados Genéticamente
Logros:
- Producción de organismos superiores en sistemas microbianos.
- Capacidad fermentativa de los organismos: biorreactores.
- Aumento en la producción y pureza: inducción y sobreexpresión.
- La quimiosina bovina producida en Kluyveromyces lactis mediante ingeniería genética en 1988. Se convirtió en la primera proteína recombinante aprobada para consumo humano.