Si hablamos de las enzimas en la vida cotidiana, tendríamos que pasar horas y hora, mencionando todas las áreas en las que están involucradas. Cosa que se sabe desde tiempos remotos, el ser humano ha empleado sustancias químicas y biológicas que hacen nuestros quehaceres más sencillos. Ha sabido aprovechar las cualidades de las enzimas para incrementar los procesos productivos y generarlos en masa. Además, de conseguir la fabricación de artículos, sustancias, etc., y adecuarlas a exigencias específicas de salud, o mercado a emplear.
No obstante, muchas personas ignoran la manera de lograr la elaboración de productos como detergentes o telas; pues solo se conoce una pequeñísima parte de los usos de las enzimas en nuestro día a día.
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¿Cómo se obtienen las enzimas en la vida cotidiana?
Las enzimas en la vida cotidiana son obtenidas por procesos de biotecnología, que extraen estas biomoléculas desde microorganismos como bacterias y hongos; sin requerir la presencia del microorganismo para la realización del proceso catalítico. Las enzimas se emplean sobre los sustratos donde ellas tienen especificidad.
Estos procedimientos son posibles por los aportes tecnológicos que brinda la ingeniería genética, una ciencia que toma un gen específico que codifica a una enzima, y la implanta en un organismo; por lo general bacterias, que se reproducen rápidamente y sintetizará a gran escala la enzima requerida.
La importancia de esta área multidisciplinaria, que combina procesos tecnológicos sobre organismos vivos (o sus derivados); radica en que reduce de manera trascendental el empleo de sustancias químicas para la obtención de productos a nivel industrial.
Eso transforma a los métodos industriales en procedimientos respetuosos con el medio ambiente, reduciendo de manera importante la eliminación de desechos.
¿Qué son las enzimas?
Para definir concretamente qué son las enzimas, pudiéramos resumirlo en que son las catalizadoras por excelencia. Pues su participación en diversidad de funciones de índole bioquímico y químico industrial, es actuando como aceleradores de reacciones.
Estas reacciones pueden ser degradando sustratos para la obtención de productos, o desde el punto de vista biológico aceleran procesos de síntesis de aminoácidos y grasas, además de degradación de carbohidratos para la obtención de energía.
Desde el punto de vista de estructura química, las enzimas son proteínas o moléculas de ARN, con una configuración tridimensional globular. Y tendrá actividad al conseguir una ordenación espacial que permita organizar de manera óptima los aminoácidos del sitio catalítico.
De esta manera, actúa acelerando a grandes velocidades una reacción específica. Pero que además no se consume, sino que puede volver actuar sobre otro sustrato. En la actualidad, se conocen cerca de 3.000 clases de reacciones químicas que son catalizadas por estas biomoléculas, que en su mayoría han sido aisladas y cristalizadas.
Propiedades de las enzimas
De manera resumida seguidamente se describen las propiedades de las enzimas:
- Consisten en elementos estructuralmente proteicos.
- Son elaboradas por organismos heterótrofos y autótrofos.
- Tienen actividad tanto en el medio intracelular como en el extracelular.
- Son hidrosolubles y presentan difusibilidad en líquidos orgánicos.
- Muestran gran actividad en pequeñas concentraciones.
- Presentan una elevada especificidad con su sustrato.
- Además de ser verdaderos catalizadores orgánicos, son altamente eficaces y potentes.
Un poco de historia de las enzimas
El nombre “enzima” deriva de raíces del griego y significa “en la levadura”. Pues para el siglo XIX, cuando se le designa el nombre, se pensó que únicamente tenía acción en esas células.
Los hallazgos del padre de la microbiología Luis Pasteur, determinaron la existencia de dos modelos de actividades enzimáticas; llamándolos “fermentos organizados” y aquellos “no organizados”, los cuales estaban relacionados a su acción en el interior de las células o fuera de ellas.
Para el año 1897, los descubrimientos de E. Buchner demostraron que podía obtenerse etanol por fermentación de azúcares, en extractos puros de levaduras, desprovistos de células. Y hasta el año 1926, se descubre la naturaleza proteica de estas biomoléculas, en manos del investigador J. B. Summer, al conseguir la cristalización de la ureasa.
El uso de enzimas en la elaboración de comidas y diversos alimentos, data de tiempos antiguos. Una práctica de pueblos en la antigüedad, era el empleo de hojas de algunas plantas para envolver carnes. Esta pericia favorecía la acción de proteasas vegetales como la papaína, que actuaban sobre la carne estimulando su ablandamiento.
Otra práctica de algunas tribus era el empleo del estómago de becerros y de corderos como envases, provocando fortuitamente un proceso de coagulación de la leche; por acción de enzimas que se encuentran en este órgano. En la actualidad, se conoce la acción de proteasas como la quimosina, que despliegan el proceso de coagulación necesario para la elaboración de queso.
Las enzimas de la vida cotidiana son vitales a nivel industrial
Especialmente, en la industria de alimentos el empleo de estas sustancias se concentra en:
- Los métodos de conservación del alimento en sí o de sus ingredientes.
- El empleo más eficaz de las materias primas.
- La optimización de las propiedades sensoriales de los alimentos, como el sabor y su textura.
Todo esto se aplica para ser empleadas en:
- La producción de alimentos hipocalóricos.
- La exclusión y supresión de sustancias poco nutricionales o dañinas en algunos compuestos empleados como materias primas.
- La generación de compuestos quirales y polímeros especiales desde materias primas no líquidos.
- La elaboración de edulcorantes, entre ellos el aspartamo, mediante el uso de reacciones inversas de las enzimas proteasas.
- La obtención de ciclodextrina desde el almidón.
- Pueden diseñarse enzimas adecuadas a las exigencias de un proceso, alcanzando transformar su especificidad o la estabilidad térmica.
- La elaboración de enzimas, incluso células inmovilizadas empleadas sobre materias primas de utilidad en alimentos; por ejemplo los jarabes fructosados, generación de ácido fumárico o de aminoácidos como la alanina.
Comentamos anteriormente que existen miles de enzimas identificadas en la participación de diferentes reacciones; pero solo unas decenas son sintetizadas a nivel industrial, para emplearse en la elaboración de alimentos o generación de materias primas.
Ha existido un incremento en la cantidad de reacciones industriales que son desarrolladas a través de vías enzimáticas, por a las ventajas que se obtienen. Justificándose en la viabilidad que hay de expresar genes en microorganismos transformados genéticamente.
Ventajas del uso de enzimas
El empleo de estas extraordinarias biomoléculas conlleva a una serie de ventajas, entre ellas podemos mencionar:
- Son elementos altamente específicos en su acción, lo cual reduce la aparición de reacciones no deseables.
- Actúan en moderadas circunstancias de temperatura y pH. Esto implica que las condiciones de procesamientos no son extremas, favoreciendo la integridad de los alimentos, además de que no requiere maquinaria dispendiosa.
- Se requieren en muy bajas concentraciones, alrededor de 10-8 y 10-6 M.
- La rapidez de la acción de las enzimas, puede ser controlada al regular la temperatura, el pH y la concentración.
- Pueden inactivarse de manera sencilla, luego de conseguir el estado de transformación esperado.
La versatilidad de estas moléculas permite su uso en condiciones extremas, como sucede con la hidrólisis del almidón. Este compuesto se gelatiniza a temperaturas oscilantes de 110 a 120 °C. También, en procesos de síntesis orgánica con empleo de solventes, o en medios con reducida humedad.
Origen de las enzimas empleadas a nivel industrial
Fundamentalmente las enzimas de la vida cotidiana, que son de uso industrial, derivan de animales, vegetales y microorganismos; siendo estos últimos los que aportan más cantidades de enzimas. Vemos en las siguientes tablas las principales fuentes biológicas de obtención de enzimas:
Entre las fuentes de origen animal podemos mencionar el estómago de porcino del cual se extrae la pepsina, y del páncreas se extrae la lipasa y la tripsina. La catalasa se obtiene del hígado de bovinos, y del estómago de rumiantes la renina y la lipasa.
La tabla que se muestra a continuación describe los principales microorganismos de los cuales se extraen enzimas.
De todos los microorganismos que se mencionan en las tablas, los más destacados son el A. niger, A. orizae y B. subtilis. Pues con ellos se alcanza un mayor rendimiento en la producción y se obtienen resultados inocuos.
Es importante que las enzimas cumplan con especificaciones precisas de calidad, especialmente sobre la toxicidad del microorganismo que la sintetiza o de su toxicidad per se.
Las ventajas de emplear microorganismos es que los mismos pueden ser genéticamente modificados para transformarlos es hiperproductores de una enzima específica. Sumado a esto, la ingeniería genética tiene la capacidad de aislar genes codificantes de la génesis de una enzima definida e implantarla en otro microorganismo manipulable; para su elaboración en mayores cantidades.
Aplicaciones industriales de las enzimas
Las enzimas forman parte de nuestra cotidianidad, y el más común es en los procesos de elaboración o control de calidad de los alimentos. Pero también, tienen otras aplicaciones industriales, en:
- La industria farmacéutica y en el campo de la medicina.
- En la elaboración de textiles.
- En fábricas de papel.
- En la industria química de los detergentes.
- La generación de energía desde fuentes orgánicas.
Los costos del empleo de enzimas en las industrias
Pese a los provechos y las numerosas aplicaciones que tienen las enzimas, solo una pequeña porción del mercado industrial químico las emplea. Esta situación ocurre principalmente por:
- El desconocimiento sobre los procesos enzimáticos.
- El elevado costo de inversión que admite el cambio sustancial en la industria, al requerir el empleo de equipos y materiales adecuados para su manejo.
- La reserva que presentan algunos sectores en introducir cambios en los procedimientos, y la precisión en la búsqueda de enzimas idóneas para un proceso específico.
No obstante, el mercado de las enzimas ha ido en crecimiento; porque se han planteado alternativas para su adquisición, con la existencia en el mercado de tres tipos de enzimas. Esta clasificación va en función a la disponibilidad, el precio y la pureza.
- Las empleadas a mayor escala, son las más económicas y cuentan con mayor disponibilidad en el mercado, pero resultan poco puras.
- Hay otro grupo que corresponde a las ampliamente empleadas. Estas presenta un alto costo, están disponibles en una cantidad reducida pero resultan tener una alta pureza.
- Por último se encuentran las especializadas, que presentan un costo altísimo, están limitadas a un reducido número de clientes y su pureza es variable.
Nuestro día a día está ligado a algún producto, alimento o medicamento que es una enzima o deriva de la acción catalizadora de ella. Además, es posible modificarlas de acuerdo a los requerimientos de consumo. Y esto es factible con el empleo de las enzimas empleadas mayor escala.
Sus beneficios no se limitan a ofrecernos diversidad de opciones alimenticias, textiles o de limpieza, entre otras; sino que reducen la emisión de sustancias dañinas, que finalmente son liberadas al medio ambiente. Minimizando el impacto ambiental, que por años vienen generando las industrias.
En un futuro serán mayores las aplicaciones de las enzimas en la vida cotidiana. El principal obstáculo que en la actualidad se enfrenta, es el alto costo de su obtención y de transformación de las metodologías industriales para su empleo.
Referencias:
http://www.revista.unam.mx/vol.15/num12/art91/art91.pdf
https://www.porquebiotecnologia.com.ar/Cuadernos/El_Cuaderno_30.pdf
http://depa.fquim.unam.mx/amyd/archivero/Libro-Badui2006_26571.pdf
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