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unidad1. biotransformación
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Ingeniera de Biorreactores I Unidad 1. Biotransformaciones
Ciencias de la Salud, Biolgicas y Ambientales | Ingeniera en Biotecnologa
Ingeniera en Biotecnologa
Quinto semestre
Ingeniera en biorreactores I
Unidad 1. Biotransformaciones
Clave
19143525
Universidad Abierta y a Distancia de Mxico
Ingeniera de Biorreactores I Unidad 1. Biotransformaciones
Ciencias de la Salud, Biolgicas y Ambientales | Ingeniera en Biotecnologa 1
Presentacin de la unidad
Sabas que hoy en da las transformaciones biolgicas de la materia tienen gran auge
y que los bioprocesos son indispensables para la produccin de antibiticos, probiticos,
biopolmeros, biocombustibles?
La respuesta a esta pregunta tiene fundamento en las biotransformaciones, que son
aquellos procesos por los que una sustancia se convierte en otra a travs de una
reaccin bioqumica o un conjunto de ellas. Estos procesos pueden llevarse a cabo en
equipamientos especficos denominados biorreactores.
Para ser capaz de disearlos, es necesario, como punto de partida, que comprendas
cules son las sustancias y factores que pueden o no favorecer dichos bioprocesos; de
ah la importancia del estudio de esta primera unidad.
Para comenzar, debes considerar que la velocidad de una reaccin qumica se aumenta o
disminuye agregando una sustancia llamada catalizador.
En el caso particular de las reacciones qumicas orgnicas, estos biocatalizadores
reciben el nombre de enzimas, las cuales hacen posibles los procesos de degradacin de
algunas sustancias complejas; la transformacin de una en otra o la produccin de
nuevos compuestos a partir de otros ms pequeos (figura 1).
Figura 1. Representacin del proceso de degradacin de una sustancia (sustrato) por una enzima.
Fuente: personas.ya.com, s.f.
Sabas que las enzimas son importantes en los procesos industriales?
Por ejemplo, el detergente en polvo tiene unas enzimas llamadas lipasas que remueven
selectivamente las manchas de manteca, aceite o lpiz labial de la ropa, o bien, proteasas
que remueven las manchas de sangre y huevo.
Sustrato
Enzima
Nuevos compuestos
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Otra enzima de amplia aplicacin industrial es la lactasa, la cual se emplea para la
produccin de leche deslactosada, o las dextrinas que en presencia de una
amiloglucosidasa y la -amilasa se convierten en jarabes que se usan en industrias, tales
como: produccin de bebidas, confitera, fermentaciones, helados, alimentos infantiles y
muchas ms.
Estas enzimas son amigables con el ambiente ya que permiten remplazar compuestos
qumicos poco biodegradables, minimizar el uso del agua y por supuesto, el consumo de
energa.
Las enzimas que se usan actualmente son producidas por bacterias y hongos, las cuales
se reproducen en grandes equipos llamados biorreactores o fermentadores.
Estos equipos proveen a los microorganismos, los requerimientos necesarios para su
correcto crecimiento y reproduccin, tales como: mezclado, suministro de oxgeno,
nutrientes, control de pH, entre otros.
As, a travs del desarrollo de la presente unidad, conocers con ms detalles qu es y
para qu sirve una enzima, cuales son los factores que afectan su actividad y cmo
puedes medir la velocidad de una reaccin catalizada por este grupo de sustancias.
Propsitos de la unidad
El estudio de esta unidad te permitir:
Identificar que la mayor parte de las enzimas son
especficas de acuerdo al tipo de reaccin que
catalizan.
Diferenciar entre las seis clases principales de enzimas:
oxidorreductasas, transferasas, hidrolasas, liasas,
isomerasas y ligasas.
Describir el mecanismo enzimtico relacionado con el
proceso de catlisis.
Identificar aquellos factores que influyen en las
propiedades catalticas de las enzimas y por ende en su
actividad tales como: especificidad, temperatura, pH,
inhibicin e inmovilizacin.
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Competencia especfica
Analizar el empleo de enzimas dentro de la biocatlisis y
biotransformaciones mediante el estudio de la cintica
enzimtica para describir la influencia de los distintos
factores fsico-qumicos.
1.1. Concepto de biotransformacin
Alguna vez te has preguntado cules son los bioprocesos y los mecanismos
responsables de que la fermentacin de la pia se lleve a cabo? o bien qu sustancias
son las responsables de la conversin del alimento en la boca, en el estmago y en el
intestino? Todos estos fenmenos, se llevan a cabo gracias al empleo de enzimas que
actan como biocatalizadores, a travs del proceso llamado biotransformacin.
Las biotransformaciones son aquellos procesos que emplean biocatalizadores (enzimas)
para la conversin de sustratos y obtener, a partir de ellos, un producto de amplia utilidad
(figura 2).
Figura 2. Ejemplificacin de un proceso de biotransformacin de sacarosa para produccin de
glucosa y fructosa. Fuente: genomasur.com, s.f.
Un ejemplo de biotransformacin tiene lugar cuando la leche se almacena en bolsas
hechas con estmagos de terneras recin sacrificadas (figura 3), as, las enzimas ah
Glucosa
Fructosa
Enzima
Sacarosa
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presentes, dan lugar a la formacin de una sustancia semislida y fcil de almacenar que
conoces con el nombre de queso.
Figura 3. Produccin de queso. Fuente: emverde, s.f.
Te imaginas todo lo que puedes llegar a crear a partir de las biotransformaciones? Hoy
da se acepta incluso, que estos procesos sustituirn en gran parte a la sntesis orgnica,
con lo que, se evitarn problemas de contaminacin ambiental, ya que los
biocatalizadores son biodegradables, las condiciones suaves de trabajo implican poco
consumo energtico y por tanto, poco costo y emisin de contaminantes.
A travs del desarrollo del presente tema comprenders la importancia de la biocatlisis
en los procesos industriales, as como las ventajas y desventajas de su uso, lo que te
permitir analizar el empleo de enzimas dentro de los bioprocesos.
1.1.1. Procesos biocatalizados
Tal como se mencion en la introduccin del tema, el proceso de biotransformacin
tambin recibe el nombre de biocatlisis.
La palabra biocatlisis proviene de dos trminos: bio=vida y catlisis=acelerar. Dentro de
cada ser vivo, se realizan un sin nmero de reacciones qumicas, las cuales se efectan
de manera simultnea y a temperaturas moderadas. Las transformaciones se llevan a
cabo gracias a un conjunto de molculas orgnicas denominadas enzimas, que actan
como catalizadores biolgicos acelerando las reacciones dentro de los organismos.
Por lo tanto, el objetivo de la biocatlisis es el uso de las enzimas y de dichas reacciones
con fines tecnolgicos. Para desarrollar procesos biocatalticos a gran escala, se suelen
seguir las etapas a continuacin citadas:
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Etapas de un proceso biocataltico
La naturaleza proteica de los biocatalizadores permite que las molculas se degraden
fcilmente, recuerda que en contraposicin hay catalizadores qumicos que, al estar
constituidos por metales pesados, son difciles de destruir. Sin duda, las ventajas de los
biocatalizadores no slo se limitan al aspecto ambiental, sino tambin al desarrollo de
diversas reas industriales, tales como: la farmacutica, la alimentara y la de cosmticos,
entre otras.
Para seguir documentndote y comprendiendo el subtema, es
recomendable que realices la lectura del documento
Biotransformacin, de la Escuela Politcnica del Ejrcito de
Ecuador (2012). El este texto encontrars el concepto de
biotransformacin y biocatlisis, los bioprocesos industriales en
los que est involucrado y finalmente, sus ventajas y desventajas.
Etapa 1
Eleccin del organismo a cultivar: este debe contener una cantidad importante de metabolitos que faciliten la generacin del producto de inters, adems de ser fcil de conseguir y cultivar, as como, ser econmicamente viable.
Etapa 2
Ensayos a nivel laboratorio: permite estudiar el comportamiento de los microorganismos, es decir, conocer: su velocidad de crecimiento, condiciones ptimas de nutrientes, pH, temperatura, oxgeno disuelto, velocidad de agitacin, entre otros.
Etapa 3
Escalado a nivel planta piloto: permite determinar los parmetros de diseo, materiales de construccin, operaciones unitarias, impurezas, corrosin, procedimientos operativos y problemas de trabajo y ambientales.
Etapa 4
Escalado a nivel planta industrial: se genera el producto de inters a gran escala y a niveles rentables.
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1.1.2. Fundamentos de la biocatlisis
De acuerdo a lo estudiado en el subtema anterior, las enzimas o biocatalizadores, son las
molculas encargadas de acelerar las biotransformaciones. Para comprender lo
previamente citado, a continuacin se explicar el mecanismo por el que ocurre una
reaccin qumica ordinaria.
En una reaccin qumica una o ms sustancias, dan lugar a la formacin de productos,
por una serie de reacomodos en los enlaces qumicos de los reactivos de partida. Para
que esto ocurra, se requiere de una cierta cantidad de energa, a la que se denomina
energa de activacin.
La forma ms comn de proporcionar dicha
energa, es a travs del incremento de la
temperatura, sin embargo, existen
transformaciones que deben verificarse a
temperatura ambiente. Para favorecer
estos procesos, se emplean catalizadores,
cuya funcin es disminuir la energa
activacin, requirindose de menos calor
para que se lleve a cabo la reaccin
(Figura 4).
Figura 4. Reaccin qumica catalizada. Fuente:
The oil crash, 2013.
Pues bien, las enzimas son complejos protenicos, encargados de disminuir la energa
necesaria para que se realicen reacciones qumicas al interior de los organismos
biolgicos (figura 5).
Figura 5. Biocatlisis de una reaccin. Fuente: Luengo, L., s.f.
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Estos biocatalizadores, actan sobre una sustancia denominada sustrato. Al unirse a l,
a travs del sitio activo (parte funcional de la enzima), se forma un complejo (complejo
enzima-sustrato) que posteriormente da lugar al producto de inters, tal como se
muestra en la siguiente figura 5:
Figura 6. Formacin de complejo enzima-sustrato. Fuente: Luengo, L., s.f.
De acuerdo a ITESCAM (s.f.), la actividad de algunas enzimas depende solamente de su
estructura como protena (tal como la observada en la figura anterior), mientras que otras
necesitan, adems, uno o ms componentes no proteicos, llamados cofactores.
El cofactor puede ser un ion metlico o bien una molcula orgnica, llamada coenzima,
aunque algunos enzimas necesitan de ambos. El cofactor puede estar fuertemente unido
a la protena (suele ser el in metlico, aunque puede igualmente ser un coenzima) y
recibe entonces el nombre de grupo prosttico, o dbilmente unido, por lo que en
realidad acta como un sustrato especfico de la enzima (co-sustrato; suele ser una
molcula orgnica, coenzima). El complejo enzima-cofactor catalticamente activo recibe
el nombre de holoenzima. Cuando se separa el cofactor, la protena restante, que por s
misma es inactiva catalticamente, se designa con el nombre de apoenzima (Figura 7).
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Figura 7. Holoenzima-apoenzima. Fuente: Pearson Education, 2006.
Las enzimas se clasifican, de acuerdo al tipo de reaccin que catalizan, en:
Oxidorreductasas: catalizan reacciones de transferencia de electrones.
Transferasas: catalizan reacciones de transferencia de grupos qumicos
especficos.
Hidrolasas: catalizan reacciones de ruptura o de unin de grupos qumicos,
asociadas con la ruptura o la sntesis de una molcula de agua.
Liasas: catalizan la ruptura o la formacin de uniones qumicas, con la formacin
o eliminacin de enlaces dobles. Tambin llamadas Sintasas.
Isomerasas: desplazan grupos qumicos dentro de una molcula, sin cambiar la
frmula general del substrato.
Ligasas: catalizan reacciones de unin de molculas, asociadas con la hidrlisis
de nuclesidos trifosfato (principalmente ATP). Tambin llamadas Sintetasas.
Para concluir este tema, es importante enfatizar que los procesos de biotransformacin
o biocatlisis son importantes ya que reducen riesgos de contaminacin, esta es una de
las razones por las que se han convertido en una herramienta valiosa para la sociedad,
especialmente dentro del campo industrial.
La naturaleza proteica de los biocatalizadores permite que las molculas se degraden
fcilmente, recuerda que en contraposicin hay catalizadores qumicos que, al estar
constituidos por metales pesados, son difciles de destruir. Sin duda, las ventajas de los
biocatalizadores no slo se limitan al aspecto ambiental, sino tambin al desarrollo de
diversas reas industriales, tales como: la farmacutica, la alimentara, la de cosmticos,
entre otras.
Coenzima
Apoenzima
Cofactor
Holoenzima
Sitio activo
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Es importante, para el control de un bioproceso, conocer aspectos fundamentales de los
biocatalizadores empleados, tales como los mecanismo de reaccin y cintica
enzimtica, mismos que sern abordados en el siguiente tema.
1.2. Teora de la catlisis enzimtica
Sabas que las enzimas son biocatalizadores que pueden llegar a acelerar unas 106
veces ms la velocidad de una reaccin? As, por ejemplo, un proceso de fermentacin
que sin ayuda de enzimas podra tardar hasta 180 das en efectuarse, bajo condiciones
normales de temperatura, puede reducirse de 15 a 20 das, interesante no crees?
Tal como estudiaste en el tema anterior, en todos los sistemas vivos se realizan
reacciones qumicas que por s mismas ocurren a velocidades muy bajas. Las enzimas
son herramientas moleculares que permiten que dichas reacciones ocurran a niveles
tiles para las clulas (figura 8).
Figura 8. La catlisis permite que las reacciones costosas transcurran por caminos mucho ms
sencillos. Fuente: WILEY-VCH, 2008.
Entonces Cmo se determina la velocidad con que se efecta una reaccin en
presencia de un biocatalizador?
Pues bien, esta incgnita ser respondida a travs del desarrollo del presente tema, que
tiene como propsito que analices cmo la presencia de enzimas dentro de una reaccin
qumica influencia la velocidad de la misma. Asimismo, identificars las herramientas que
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te permitirn calcular la afinidad que tiene un biocatalizador por un sustrato y la velocidad
mxima que puede llegar a adquirir.
1.2.1. Cintica enzimtica
La actividad enzimtica se mide cuantificando la velocidad de reaccin, que
generalmente se expresa como cambios de concentracin por unidad de tiempo, es decir,
la cintica enzimtica estudia la velocidad de las reacciones catalizadas por enzimas.
El comportamiento caracterstico de la mayora de las enzimas se describe a travs de
la ecuacin de Michaelis-Menten que muestra la relacin entre la velocidad inicial y la
concentracin de sustrato.
Tal como se estudio en el tema anterior, las reacciones qumicas que se efectan en
presencia de biocatalizadores, ocurren en dos etapas (figura 9):
Etapa 1. La enzima se une, a travs del sitio activo, al sustrato, formando el
complejo enzima-sustrato.
Etapa 2. El complejo enzima-sustrato da lugar a la generacin del producto,
liberando la enzima para volver a iniciar la etapa 1.
Figura 9. Etapas de una reaccin biocatalizada. Fuente: Biologacelular-iq.blogspot.mx, 2010.
Etapa 1
Etapa 2
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En la etapa 1 puede distinguirse que se forma el complejo enzima-sustrato, sin embargo,
cierta parte de dicho complejo, se disocia para restablecer la enzima libre y el sustrato; en
cambio, en la etapa 2, el complejo enzima-sustrato se disocia para generar la enzima libre
y el producto; de tal forma, que las velocidades con sus respectivas constantes cinticas,
para cada uno de los procesos individuales, se pueden expresar como:
[ ][ ]
[ ]
[ ]
Donde:
k1, k2, k3=constantes microscpicas de velocidad
[E]=concentracin de enzima libre
[S]=concentracin de sustrato
[ES]=concentracin del complejo enzima-sustrato
Dado que la concentracin de enzima permanece constante a lo largo de la reaccin, la
concentracin total de enzima se puede expresar como:
[ ] [ ] [ ]
Donde:
[ET]=concentracin total de enzima
Despejando [E] de la expresin anterior, se tiene que:
[ ] [ ] [ ]
Sustituyendo la ecuacin anterior en la expresin de [ ][ ], se tiene:
([ ] [ ])[ ]
[ ][ ] [ ][ ]
Este modelo cintico adopta la hiptesis del estado estacionario, segn la cual la
concentracin del complejo enzima-sustrato es pequea y constante a lo largo de la
reaccin. Por tanto, la velocidad de formacin del complejo enzima-sustrato (v1) es igual a
la de su disociacin (v2 + v3):
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Entonces, sustituyendo en esta expresin, las ecuaciones respectivas de velocidad, se
tiene:
[ ][ ] [ ][ ] [ ] [ ]
Multiplicando por 1/k1:
( [ ][ ] [ ][ ] [ ] [ ]) (
)
[ ][ ] [ ][ ] [ ]
[ ]
Despejando la [ES]:
[ ][ ] [ ]
[ ] [ ][ ]
[ ] ([ ] ) [ ][ ]
[ ] ([ ]
) [ ][ ]
[ ] [ ][ ]
[ ]
Sustituyendo
, se tiene:
[ ] [ ][ ]
[ ]
Donde:
km=constante de Michaelis-Menten
Sustituyendo la expresin anterior, en la ecuacin de velocidad de formacin del producto,
se tiene:
[ ]
[ ][ ]
[ ]
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Si la velocidad mxima de la reaccin (Vmax) se alcanza cuando toda la enzima se
encuentra unida al sustrato, es decir, [ ], sustituyendo en la ecuacin anterior,
se obtiene que:
[ ]
[ ]
Esta expresin es conocida como la ecuacin de Michaelis-Menten.
A partir del modelo previamente citado, se realiza el clculo de las constantes cinticas
Vmax y km.
De acuerdo a Ehu (s.f.), la constante de Michaelis-Menten (km) es un parmetro cintico
importante por mltiples razones:
La km es la concentracin de sustrato para la cual la velocidad de reaccin es
la mitad de la velocidad mxima. En efecto, si km=[S], la ecuacin de Michaelis-
Menten se reduce a: v=Vmax/2.
El valor de km da idea de la afinidad de la enzima por el sustrato: a menor km,
mayor afinidad de la enzima por el sustrato, y a mayor km, menor afinidad.
Este hecho tiene fcil explicacin si tenemos en cuenta que km se define como
(k2+k3/k1), donde las reacciones 2 y 3 destruyen el complejo ES, mientras que la
reaccin 1 lo forma. As, si km es grande, el complejo ES es inestable pues
predomina la tendencia a destruirlo (poca afinidad hacia el sustrato), y si km es
pequea, el complejo ES es estable, ya que predomina la tendencia a formarlo
(gran afinidad hacia el sustrato).
Para seguir documentndote y comprendiendo el subtema, es
recomendable que realices la lectura del documento Enzimas: qu
son y para qu sirven, de Franco Vera (2007), en el que se
presenta informacin que te permitir comprender el funcionamiento
de una enzima y el control de su actividad.
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1.2.2. Mecanismo de reaccin enzimtica
La representacin grfica de la ecuacin de Michaelis-Menten, deducida en el subtema
anterior, es una hiprbola, tal como puedes observar en la siguiente figura 11:
Figura 11. Representacin grfica de la ecuacin de Michaelis-Mentes. Fuente: Wikimedia
commons, 2010.
El valor de Vmax se puede determinar a partir del valor mximo obtenido de la curva;
mientras que la km corresponde a la concentracin de sustrato a la cual la velocidad de la
reaccin es la mitad de la Vmax.
Otra forma de determinar las constantes cinticas, es a travs de la representacin de
Lineweaver-Burk, en la que se grfica el inverso de la velocidad inicial contra el inverso
de la concentracin de sustrato.
A partir de este grfico, que corresponde con una lnea recta, se toman las siguientes
consideraciones:
La pendiente corresponde a km/Vmax
La abscisa en el origen (1/vo=0) corresponde a -1/km
La ordenada en el origen (1/[S]=0 corresponde a 1/Vmax
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Figura 11. Grfico de Lineaweaver-Burk. Fuente: payala.mayo.uson.mx, s.f.
En conclusin, existen mtodos grficos que facilitan el clculo preciso de km y Vmax. Los
cuales se hacen a partir de la manipulacin matemtica de los datos empleados para la
representacin de Michaelis-Menten y de Lineweaver-Burk (figura 12).
Para seguir documentndote y comprendiendo el subtema,
es recomendable que realices la lectura del artculo Anlisis
informtico de cintica enzimtica por medio de macros de
Ms Excel de Maldonado et al. (2004), en el que se presenta
que mediante el empleo de una hoja de clculo, es posible
evaluar la velocidad de la reaccin en un tiempo dado y a
diferentes concentraciones tanto del sustrato como de un
inhibidor. Tambin podrs entender cmo se efectan los
grficos de Michaelis-Menten y de Lineweaver-Burk y el
clculo de Vmax y km.
Posteriormente, te invitamos a revisar los documentos Enzimas de la Universidad del Pas
Vasco (2012) y Enzimas II de la Universidad de Huelva (2012), en los que se exponen: la
nomenclatura, clasificacin y modo de accin de las enzimas; as como, una introduccin
a la cintica enzimtica en la que debers prestar especial atencin a la ecuacin de
Michaelis-Menten y a la representacin de Lineweaver-Burk.
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1.3. Factores que afectan la cintica enzimtica
Como ya has estudiado en los temas anteriores, las biotransformaciones se pueden
acelerar a travs de enzimas denominadas biocatalizadores y que, a travs de un estudio
de cintica enzimtica, es posible monitorear la velocidad con que se efectan las
reacciones bioqumicas.
Ahora, es conveniente plantearse una serie de preguntas relacionadas con lo previamente
descrito.
Has notado que cuando dejas un alimento a temperatura ambiente, por un determinado
lapso de tiempo, este tiende a descomponerse a mayor velocidad que uno que se
encuentra en el congelador; o que si agregas unas gotas de limn sobre la pulpa, de una
manzana partida por la mitad, disminuye su oxidacin; o que cuando hierves la leche
tiende a descomponerse ms lentamente; o bien, que la fruta se conserva por ms tiempo
cuando la preparas en mermelada? (figura 12).
Figura 12. Descomposicin de alimentos. Fuente: noticiasinteresantes.info, s.f.
Todos los fenmenos descritos indican que existen factores que son capaces de modificar
la velocidad de una reaccin enzimtica.
Un claro ejemplo donde se observa la influencia de la temperatura sobre un biocatalizador
en la vida cotidiana, es en la cocina de tu casa. Por ejemplo, un pastel al ser horneado
acelera las reacciones que transforman la mezcla lquida en un producto esponjoso o
cuando los alimentos se guardan en lugares fros, debido a la baja temperatura, se
retardan las reacciones que los descomponen.
Ahora bien, existen sustancias que son capaces de modificar la velocidad de reaccin
enzimtica pero hacindola ms lenta, es decir, la retrasan. A estas sustancias se les
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llama inhibidores. El uso de inhibidores es muy importante en la industria farmacutica y
en la industria alimenticia ya que al hacer ms lentas las reacciones evitamos la
formacin, durante un tiempo determinado, de sustancias o productos indeseables que
hacen que tanto los medicamentos como los alimentos se descompongan rpidamente.
En la industria alimenticia a estos inhibidores se les llama conservadores. Estos
pertenecen a un grupo de sustancias llamadas aditivos que suelen agregarse a los
alimentos procesados para mejorarlos.
Como ves, existen mltiples factores que aceleran o retardan la velocidad de reaccin,
por lo que, a travs del desarrollo del tema Factores que afectan la cintica enzimtica
podrs analizar el empleo de enzimas en las biotransformaciones y describir la influencia
de dichos factores fisicoqumicos.
1.3.1. Especificidad
Tal como se mencion en la introduccin del tema, la velocidad de una biotransformacin,
catalizada por enzimas, se ve modificada por diversos factores fisicoqumicos, entre los
que se encuentra la especificidad.
Los biocatalizadores son especficos para un determinado tipo de sustrato, o bien de
reaccin.
Cuando la enzima slo puede actuar sobre un tipo de sustrato, se dice que muestra
especificidad absoluta. Si puede actuar sobre sustratos con estructuras muy similares,
se dice que muestra especificidad relativa.
De acuerdo a Rebolledo, L. y Rebolledo, I. (s.f.), la especificidad est determinada por el
sitio activo de la enzima, es decir, el sector de la molcula que contiene los grupos
funcionales particulares que le permiten unirse especficamente con el sustrato.
Generalmente el sitio activo se encuentra en una grieta, en una leve depresin en la
superficie de la molcula proteica. La geometra del sitio activo est estrechamente
relacionada con la conformacin tridimensional de la molcula del sustrato.
Las enzimas aceleran las reacciones alterando la conformacin de sus sustratos para que
logren llegar al estado de transicin. El modelo ms simple para entender esta interaccin
enzimasustrato es el modelo de llave-cerradura, en el cual el sustrato encaja
perfectamente en el sitio activo de la enzima.
En muchos casos, las conformaciones tanto de la enzima como del sustrato son
modificadas cuando logran unirse: es el llamado modelo de encaje inducido. Esta
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alteracin de las conformaciones hace que logren llegar ms rpido al estado de
transicin.
En la siguiente figura 13 se puede observar que el sitio activo ocupa un rea
relativamente pequea de la superficie de la molcula de enzima. Esto significa que una
pequea porcin de la molcula de enzima participa realmente en la catlisis. Las otras
regiones de la superficie de la enzima pueden permitir la unin con otras molculas
involucradas en la regulacin de la actividad enzimtica.
Figura 13. Modelos de especificidad enzimtica. Fuente: Luengo, L., s.f.
1.3.2. Desnaturalizacin
Otros de los factores que afectan la actividad enzimtica es la temperatura. Los aumentos
de temperatura aceleran las reacciones enzimticas, por cada 10C de incremento, la
velocidad de reaccin se duplica. Sin embargo, cuando la temperatura es muy elevada,
dichos biocatalizadores se desnaturalizan, es decir, sufren un cambio en su estructura,
por lo que se observa prdida de actividad cataltica hasta la anulacin.
Modelo de llave-cerradura Modelo de encaje inducido
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Otros factores que intervienen en esta modificacin son: el pH, los cambios de
concentracin, la velocidad de agitacin o la presencia de agentes desnaturalizantes
(figura 14).
Figura 14. Desnaturalizacin. Fuente: Reyes, E. J., 2013.
Se puede concluir que existe prdida o disminucin de la capacidad cataltica de las
enzimas, ya que al modificarse su estructura, la conformacin del sitio activo tambin se
ve alterada.
1.3.3. pH
Los aminocidos que forman a las enzimas estn ionizados, es decir, se encuentran
cargados positiva o negativamente, dependiendo el pH del medio. Los biocatalizadores al
contener ambas cargas a lo largo de su cadena, experimentan fuerzas de atraccin y
repulsin que permiten el mantenimiento de la estructura tridimensional de la protena.
Cualquier modificacin del pH, por encima o debajo del ptimo, afecta drsticamente la
actividad enzimtica.
De acuerdo a Merino, P. J. y a Noriega, B. M. J. (s.f.), dependiendo del pH del medio en el
que se encuentren las enzimas pueden no tener carga, o por el contrario estar cargados,
bien positiva o negativamente. Estas cargas sirven para estabilizar la conformacin
natural de la protena y cuando el pH las cambia, tambin se modifica la estructura,
llevando en ltimo extremo a la desnaturalizacin de la protena, y en el caso de las
enzimas a la prdida de actividad.
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Dependiendo del medio dnde deba ejercer su
accin cataltica, cada enzima tendr su
conformacin ms adecuada, y por lo tanto su
mxima actividad, alrededor de un valor
concreto de pH, que recibe el nombre de pH
ptimo. El cambio, bien sea hacia valores ms
altos o ms bajos provocar una disminucin de
la actividad (figura 15).
Figura 15. Grfica de pH ptimo para dos
enzimas. Fuente: Luengo, L., s.f.
1.3.4. Temperatura
La velocidad de una reaccin enzimtica vara al aumentar la temperatura. Esto es, la
velocidad de una reaccin enzimtica se incrementa al aumentar la temperatura dentro de
un determinado rango, alcanzando un valor mximo a la denominada temperatura
ptima. A valores superiores la actividad disminuye debido a que el enzima, como
cualquier otra protena, sufre procesos de desnaturalizacin y, por lo tanto, de inactivacin
(Tena, A. M. y Jorrn, N. J. V, s.f.) (figura 16).
Figura 16. Grfica de temperatura ptima. Fuente: Luengo, L., s.f.
1.3.5. Inhibicin
La actividad enzimtica disminuye por accin de sustancias que se unen fuertemente al
sitio activo y bloquea la entrada del sustrato. Dichas sustancias reciben el nombre de
inhibidores, (figura 17) los cuales pueden ser:
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Figura 17. Efecto del inhibidor en la actividad enzimtica. Fuente: Luengo, L., s.f.
a) Irreversibles: se enlazan permanentemente a la enzima con lo que la inhibicin
es completa. Los inhibidores reversibles se unen covalentemente a la enzima con
lo cual resultan muy difciles de eliminar.
b) Reversibles: se enlazan a la enzima pero no permanentemente con lo que la
inhibicin es transitoria. Los inhibidores reversibles se pueden eliminar
normalmente mediante dilisis o cambios en el pH o en la disolucin tampn. Hay
tres formas principales de inhibicin reversible: competitiva, no competitiva y
acompetitiva.
De acuerdo a UPCT (2008), un inhibidor
competitivo (figura 18) normalmente es
similar a la enzima en tamao y forma por
lo que compite por la enzima con el
sustrato al unirse a la enzima por el mismo
centro activo. La velocidad de reaccin se
reduce porque baja la proporcin de
molculas unidas al sustrato. Cuanto ms
inhibidor (I) hay presente, ms complejo
enzima-inhibidor se forma y menos
producto se forma.
Figura 18. Inhibicin competitiva. Fuente:
Donoso, J., 2006.
El nivel de inhibicin real que causa un inhibidor competitivo depende de las
concentraciones relativas de inhibidor [I] y de sustrato [S]. Ambas sustancias compiten por
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la enzima, a bajas concentraciones de I, la inhibicin puede vencerse aadiendo una gran
cantidad de S con lo que aumenta la cantidad de complejo enzima-sustrato sobre el
complejo enzima-inhibidor. Ya que es necesario aadir ms sustrato para vencer la
inhibicin, km ser mayor. Matemticamente la ecuacin para una cintica Michaelis
Menten con inhibicin competitiva es:
[ ]
[ ] ( [ ] )
Figura 19. Inhibicin no competitiva. Fuente:
Donoso, J., 2006.
En la inhibicin no competitiva (figura
19), tanto el sustrato como el inhibidor se
enlazan a la enzima pero en sitios activos
diferentes.
El enlace de I ejerce un efecto sobre el
centro activo probablemente afectando a la
estructura de la enzima que ya no funciona
tan eficientemente. En consecuencia Vmax
se altera pero no se altera km (UPCT,
2008).
La expresin matemtica para el mecanismo Michaelis-Menten para este tipo de
inhibicin es:
[ ]
([ ] )( [ ] )
En la inhibicin acompetitiva (figura 20) el inhibidor se enlaza al centro activo pero solo
despus de que el sustrato lo haya hecho y, por tanto, el inhibidor y el sustrato no
compiten.
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De esta manera, aunque todo el sustrato est
saturando la enzima y toda la enzima est como
complejo enzima-sustrato, el inhibidor puede
enlazarse produciendo un complejo inactivo
enzima-sustrato-inhibidor.
Como el inhibidor solo se une al complejo
enzima-sustrato estimula la formacin del
complejo enzima-sustrato y, por tanto,
incrementa la unin del sustrato a la enzima,
disminuyendo km. Sin embargo, el complejo
enzima-sustrato-inhibidor no conduce a
productos y Vmax disminuye (UPCT, 2008).
Figura 20. Inhibicin acompetitiva.
Fuente: Donoso, J., 2006.
1.3.6. Inmovilizacin de enzimas
La inmovilizacin de enzimas es un proceso en el que se confina o localiza a la enzima
en una regin definida del espacio, para dar lugar a formas insolubles que retienen su
actividad cataltica y que pueden ser reutilizadas repetidamente (Arroyo, 1998).
Tras una inmovilizacin, la actividad de los biocatalizadores puede disminuir e incluso
perderse por:
Impedimento del paso de sustrato al centro activo por bloqueo durante la unin
al soporte.
Los grupos reactivos del soporte reaccionan con algn grupo del centro activo
de la enzima esencial para la actividad cataltica.
Durante la unin al soporte se puede originar cambio en la estructura
tridimensional de la enzima.
Las condiciones del proceso pueden causar desnaturalizacin.
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Figura 21. Simulacin del efecto de la inmovilizacin en la actividad enzimtica. Fuente: Tripod,
s.f.
De acuerdo a la figura 21, la enzima puede desnaturalizarse por reactivos o productos
involucrados en el procedimiento de inmovilizacin (formacin de la matriz de
atrapamiento, reaccin para el enlace covalente o reacciones de entrecruzamiento;
esquema 1).
Las condiciones de inmovilizacin pueden conducir a la desnaturalizacin o a la
desactivacin (Esquema 2).
La desactivacin enzimtica puede causarse por un grupo reactivo en el sitio activo que
participa en la reaccin de enlace (Esquema 3).
Las fuerzas de enlace pueden mantener la molcula enzimtica en una configuracin
inactiva (cambios conformacionales; Esquema 4).
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La orientacin de la molcula de enzima unida al soporte puede impedir el acceso del
sustrato al sitio activo, o la liberacin del producto (efectos estricos; Esquema 5).
Para seguir documentndote y comprendiendo el subtema, te
recomendamos realizar la lectura del documento Enzimas:
fundamentos que es un fragmento del libro Bioqumica. Texto y
Atlas de Koolman (2004), en el que encontrars informacin
relacionada con la catlisis enzimtica y su dependencia con la
temperatura, presin, pH, fuerza inica y la concentracin de
sustratos, como factores e inhibidores ms importantes.
Puedes continuar con el estudio de la liga:
http://www.lourdesluengo.es/animaciones/unidad8/inhibicion_enzi
matica.swf, en la que observars como se efectan las
inhibiciones competitivas y no competitivas.
Tambin, puedes revisar el texto Enzimas II en el apartado de Inhibicin enzimtica. En el
cual podrs encontrar los diversos tipos de inhibicin e inhibidores, as como su
identificacin a travs del modelo de Lineweaver-Burk.
Finalmente, te recomendamos realizar la lectura y anlisis del artculo Inmovilizacin de
Enzimas. Fundamentos, Mtodos y Aplicaciones de Arroyo (1998). En esta informacin
encontrars que la inmovilizacin de enzimas permite una mejora significativa de su
estabilidad, lo que hace posible su empleo en la industria para la elaboracin de
productos qumicos, farmacuticos, alimenticios; y otras muchas aplicaciones. En esta
revisin se analizan los diferentes mtodos de inmovilizacin de enzimas, y el efecto
sobre las propiedades catalticas y la estabilidad de los biocatalizadores obtenidos.
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Actividad 1. Factores que influyen en la actividad enzimtica
1. Lee con atencin el documento Las enzimas en los nuevos procesos de
panificacin (Tejero, 2008). En este artculo se presentan diversos tipos de
enzimas, las reacciones catalizadas y los factores que influyen durante los
procesos de panificacin, incluyendo la acidez de la masa madre, la temperatura
del horno y los sustratos disponibles en la harina. Esta informacin te permitir
enriquecer los conocimientos adquiridos sobre el concepto de enzima, su funcin,
las causas que alteran su actividad y su aplicacin.
2. Elabora un mapa mental que incluya como mnimo la siguiente informacin:
a) Concepto de enzima.
b) Concepto de tecnologa enzimtica.
c) Factores que influyen en la accin enzimtica (sustratos disponibles
en la harina, efecto de la temperatura y del pH sobre la actividad
enzimtica).
d) Enzimas empleadas en la panificacin (amilasas, pentosanasas,
hemicelulasas, xilanasas, proteasas, lipoxigenasas, lactasas y
oxidasas), funcin y mejoras que promueven.
e) Reacciones catalticas de las enzimas empleadas en la panificacin.
Asegrate de que el mapa mental cumpla con las siguientes caractersticas:
Debe estar formado por un mnimo de palabras, las cuales, expresen
nicamente ideas clave.
El mapa debe iniciar en el centro de la pgina, utilizando una imagen
colorida representativa del tema a tratar.
A partir de la idea central, generar una lluvia de ideas, las cuales se
acomoden alrededor de la imagen central.
Para que las ideas lleven un orden coherente, estas deben
acomodarse en el sentido de las manecillas del reloj.
La imagen central del mapa, debe relacionarse con los subtemas
utilizando lneas o flechas que las une.
Las ideas principales, se deben remarcar encerrndolas en crculos,
subrayndolas, utilizando diversos colores, tamaos de letra ms
grande, imgenes, etc.
3. Integra tu trabajo en un archivo de Word. Gurdalo con la nomenclatura
IBR1_U1_A1_XXYZ y sbelo a la base de datos de la actividad.
4. Revisa y comenta el trabajo de al menos dos compaeros(as), tomando como
base los siguientes aspectos:
Complejidad y coherencia del mapa mental planteado
Importancia de la tecnologa enzimtica
Funcin y clasificacin de las enzimas
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Factores que afectan la actividad enzimtica
5. Posteriormente, atiende las observaciones que recibas de parte de tus
compaeros(as) y de tu Docente en lnea.
*Recuerda que tu documento deber pesar menos de 4MB.
Actividad 2. Ecuacin de Michaelis-Menten y grfico de Lineweaver-
Burk
El propsito de esta actividad es enriquecer los conocimientos adquiridos respecto al
desarrollo de los grficos de Michaelis-Menten y de Lineweaver-Burk, a travs del
anlisis de los parmetros matemticos relacionados con la actividad enzimtica.
Tal como pudiste aprender en los temas anteriores, existen mtodos grficos que facilitan
el clculo preciso de las constantes cinticas, los cuales se desarrollan a partir de la
manipulacin matemtica de los datos empleados para la representacin de Michaelis-
Menten y de Lineweaver-Burk. Para enriquecer y reafirmar estos conocimientos, realiza
la presente actividad, considerando la rbrica de evaluacin disponible en el Apndice de
instrumentos de evaluacin.
1. Lee las pginas 357-377; Captulo 12 Cintica, inhibicin y regulacin de las
enzimas del libro: Fundamentos de Bioqumica (Voet, Pratt; 2009).
2. Con base en la informacin revisada, realiza la curva de Michaelis-Menten y el
grfico de Lineweaver-Burk, considerando que se efecta una cintica enzimtica,
midiendo la velocidad inicial y la concentracin de sustrato, de acuerdo a la
siguiente tabla:
Datos de cintica enzimtica
[S] (mM) Vo (m/s)
1 2.5
2 4.0
5 6.3
10 7.6
20 9.0
Fuente: Voet, D., Voet, J. G., Pratt, C., 2009
3. Determina la km.y Vmax. Incluye:
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a) Los procedimientos para el clculo de las constantes cinticas.
b) Responde: qu indica cada constante cintica?
7. Integra tu trabajo en un documento y gurdalo con la nomenclatura
BIB1_U2_A1_XXYZ. Envalo a tu Docente en lnea mediante la seccin de tareas
para que lo revise y te retroalimente.
*Recuerda que el documento no debe pesar ms de 4 MB
Autoevaluacin
Con el propsito de apoyarte a identificar tus reas de oportunidad, es importante que
realices la autoevaluacin. Lee cuidadosamente las preguntas que a continuacin se
presentan y selecciona la opcin que consideres correcta.
Al concluir, verifica tus repuestas en el Apndice de respuestas. En caso de obtener ms
de 6 respuestas incorrectas, se recomienda revisar nuevamente los temas.
1. Son aquellos procesos que emplean enzimas para la conversin de sustratos y
obtener un producto de amplia utilidad.
a) Biotransformacin
b) Qumicos convencionales
c) Fisicoqumicos convencionales
d) Fisicoqumicos no convencionales
2. Indica cuales de las siguientes aseveraciones son verdaderas (V) y cuales falsas (F).
I. Los biocatalizadores son molculas de naturaleza proteica.
II. Para el desarrollo de un bioproceso se debe seleccionar un organismo que sea
capaz de producir una cantidad baja de metabolitos secundarios que faciliten la
generacin del producto de inters.
III. La composicin de los biocatalizadores permite que las molculas se degraden
fcilmente.
IV. Las ventajas de los biocatalizadores slo se limitan al aspecto ambiental.
V. Los biocatalizadores, actan sobre un sustrato, al unirse a l, a travs del sitio
activo, con lo que se forma el complejo enzima-sustrato, que posteriormente da
lugar al producto de inters.
a) 1V, 2V, 3F, 4F, 5V
b) 1F, 2V, 3F, 4V, 5V
c) 1V, 2F, 3V, 4F, 5V
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d) 1V, 2F, 3F, 4V, 5V
3. Indica cuales de las siguientes aseveraciones son verdaderas (V) y cuales falsas (F).
I. Las oxidorreductasas catalizan reacciones de transferencia de electrones.
II. Las transferasas catalizan reacciones de ruptura o de unin de grupos qumicos,
asociadas con la ruptura o la sntesis de una molcula de agua.
III. Las hidrolasas catalizan reacciones de transferencia de grupos qumicos
especficos.
IV. Las liasas catalizan la ruptura o la formacin de uniones qumicas, con la
formacin o eliminacin de enlaces dobles.
V. Las isomerasas desplazan grupos qumicos dentro de una molcula, sin cambiar
la frmula general del sustrato.
a) 1V, 2F, 3F, 4V, 5V
b) 1F, 2V, 3F, 4V, 5V
c) 1V, 2F, 3V, 4F, 5V
d) 1F, 2V, 3V, 4F, 5V
4. Se determina cuando toda la enzima se encuentra unida al sustrato:
a) La constante de Michaelis-Menten
b) La curva de Lineweaver-Burk
c) La ecuacin de Michaelis-Menten
d) La velocidad mxima
5. Se determina cuando la velocidad de la reaccin es la mitad de la velocidad mxima:
a) La constante de Michaelis-Menten
b) El grfico de Lineweaver-Burk
c) La ecuacin de Michaelis-Menten
d) La velocidad de decaimiento
6. En este modelo el sustrato encaja perfectamente en el sitio activo de la enzima:
a) Modelo de Michaelis-Menten
b) Modelo de llave-cerradura
c) Modelo de encaje inducido
d) Modelo de Lineweaver-Burk
7. Cuando las enzimas sufren un cambio en su estructura y se observa prdida de
actividad cataltica, se dice que se han:
a) Desactivado
b) Desnaturalizado
c) Inmovilizado
d) Ionizado
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8. Estas molculas normalmente son similares al biocatalizador en tamao y forma.
Compiten con la enzima por el sustrato. Se unen a la enzima por el mismo centro
activo que el sustrato.
a) Inhibidor irreversible
b) Inhibidor no competitivo
c) Inhibidor acompetitivo
d) Inhibidor competitivo
9. Proceso en el que se confina o localiza a la enzima en una regin definida del
espacio:
a) Sedimentacin
b) Isomerizacin
c) Inmovilizacin
d) Desnaturalizacin
10. Indica cuales de las siguientes aseveraciones son verdaderas (V) y cuales falsas (F).
Tras una inmovilizacin, la actividad de los biocatalizadores puede disminuir e incluso
perderse por:
I. Impedimento del paso de sustrato al centro activo por bloqueo durante la unin al
soporte.
II. Los grupos reactivos del soporte reaccionan con algn grupo del centro activo de
la enzima esencial para la actividad cataltica.
III. Durante la unin al soporte se mantiene original la estructura tridimensional de la
enzima.
IV. Las condiciones del proceso pueden causar desnaturalizacin.
V. Las fuerzas de enlace pueden mantener la molcula enzimtica en una
configuracin inactiva, es decir, no existen cambios conformacionales.
a) 1V, 2V, 3F, 4V, 5F
b) 1F, 2V, 3F, 4V, 5V
c) 1V, 2F, 3V, 4F, 5V
d) 1F, 2V, 3V, 4F, 5V
Evidencia de aprendizaje. Cintica enzimtica
Propsito
Analizar un caso real de cintica de un biocatalizador de inters industrial y aplicar los
conocimientos adquiridos para el desarrollo del grfico de Lineweaver-Burk, con lo que
se favorece la adquisicin de la competencia especifica asociada a esta unidad.
Ingeniera de Biorreactores I Unidad 1. Biotransformaciones
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Desarrollo
En el artculo propuesto para el desarrollo de la presente evidencia, se muestra el estudio
de cintica de la Ficina, una enzima proteoltica que hidroliza pptidos, amidas y steres.
Se describe el mecanismo de la reaccin cataltica, as como, la deduccin de la
ecuacin de Michaelis-Menten.
Para realizar este trabajo, considera la rbrica de evaluacin.
1. Leer el documento Estudio cintico de la actividad proteoltica de la enzima Ficina
(Bertoluzzo et al., 2008). Realiza una ficha tcnica del artculo, la cual debe incluir:
a) La funcin de la Ficina.
b) Las fuentes de obtencin de la Ficina de ltex.
c) La informacin que proporciona la cintica de Michaelis-Menten.
d) Las etapas de las reacciones catalizadas enzimticamente.
2. Identifica la Tabla 1. Velocidad inicial para distintas concentraciones de BAPNA, en
el artculo proporcionado y calcula los siguientes cocientes: 1/[BAPNA] y 1/V0 para
cada uno de los datos proporcionados en la Tabla 1. Registra los resultados
obtenidos en el siguiente cuadro:
[BAPNA]
M
V0
Ab/s
1/[BAPNA] 1/V0
3. Grafica los datos [BAPNA] contra V0, que corresponden a los ejes de las abscisas y
de las ordenadas, respectivamente e indica si la cintica obtenida corresponde a la
propuesta por Michaelis-Menten. Justifica tu respuesta.
4. Elabora el grfico de Lineweaver-Burk, donde los datos de 1/[BAPNA] y 1/V0,
corresponden a los ejes de las abscisas y de las ordenadas, respectivamente.
5. Efecta la lnea de tendencia o regresin lineal.
6. Escribe la ecuacin del grfico.
7. Identifica el valor de la pendiente (m), ya que m=km/Vmax; y el de la interseccin con
el eje y (b).
8. Calcula las contantes cinticas km y Vmax. Recuerda que:
Ingeniera de Biorreactores I Unidad 1. Biotransformaciones
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La abscisa en el origen es -1/km
La ordenada en el origen es 1/Vmax
9. Incluye, adems de la informacin previamente solicitada:
Los procedimientos para el clculo de las constantes cinticas.
Qu indica cada constante cintica?
Tus conclusiones acerca del estudio cintico de Ficina.
12. Integra tu trabajo en un documento con la nomenclatura BIB1_U2_A1_XXYZ y
envalo a tu Docente en lnea mediante la seccin de tareas para que lo revise y te
retroalimente.
*Recuerda que el documento no debe pesar ms de 4 MB
Ingeniera de Biorreactores I Unidad 1. Biotransformaciones
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Cierre de la unidad
A lo largo de la unidad abordaste aspectos relacionados con las biotransformaciones y el
modo en que son catalizadas para incrementar o disminuir la velocidad de la reaccin.
De esta forma, has logrado:
Identificar el tipo de reaccin catalizada de acuerdo a clasificacin enzimtica.
Describir el mecanismo enzimtico relacionado con el proceso de catlisis.
Analizar los factores de influyen en la actividad enzimtica a travs de modelos
matemticos.
Esto te prepara para aplicar los conocimientos adquiridos en el diseo de biorreactores, a
fin de identificar el modo en qu las biotransformaciones son catalizadas y cules son los
parmetros fisicoqumicos que debers cuidar para el correcto escalamiento de dichos
dispositivos.
Para saber ms
Puedes consultar el video realizado por Gonzlez et al. (2010), de Investigadores del 4to.
Grado de PEDECIBA Qumica. El propsito de este documental es profundizar en el
concepto de biocatlisis, sus aplicaciones, usos y fuentes de diversas enzimas con fines
tecnolgicos
(http://www.youtube.com/watch?feature=player_detailpage&v=VgqJ88vBc2E).
Posteriormente, es recomendable que consultes el video desarrollado por el Instituto de
Biotecnologa de la UNAM, campus Morelos (2009), en el que se presenta como la
biocatlisis es importante para reducir, en el ambiente, los impactos negativos
ocasionados por sustancias provenientes de diversos procesos industriales
(http://www.youtube.com/watch?v=kXyCaS6HQ7g&feature=player_detailpage).
Enseguida puedes consultar el problemario propuesto por el Departamento de Bioqumica
y Biologa Molecular de la Universidad de Alcal (2010), en que se podrs visualizar y
analizar paso a paso la resolucin de problemas relacionados con la ecuacin de
Michaelis-Menten, y el clculo de las constantes cinticas km y Vmax
(http://www2.uah.es/sancho/farmacia/problemas%20cinetica%20enzimatica%2010-
11%20con%20respuestas.pdf).
La consulta de la liga: http://csm.jmu.edu/biology/courses/bio220/aotw3.html en el
apartado The model/kinetics_model.xls de Jonathan Monroe (2004), te permitir
descargar los clculos en formato Excel de cintica enzimtica, que te ayudar a
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manipular el grfico representativo de la ecuacin de Michaelis-Menten; podrs observar
cmo se modifican los parmetros de km y Vmax, si manipulas los valores de la
concentracin inicial.
Fuentes de consulta
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