concepto

Las enzimas son catalizadores biológicos, o productos químicos que aceleran la velocidad de reacción entre sustancias sin que ellas mismas se consuman en la reacción. Como tales, son vitales para funciones corporales tales como la digestión, y hacen posibles procesos que normalmente no podrían ocurrir excepto a temperaturas tan altas que amenazarían el bienestar del cuerpo. Un tipo de proteína, las enzimas a veces trabajan en conjunto con No proteínas llamadas coenzimas., Entre los procesos en los que las enzimas desempeñan un papel vital está la fermentación, que tiene lugar en la producción de alcohol o la cocción del pan y también juega un papel en muchos otros fenómenos naturales, como la purificación de aguas residuales.

cómo funciona

aminoácidos, proteínas y Bioquímica

Los aminoácidos son compuestos orgánicos hechos de carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y (en algunos casos) azufre Unido en formaciones características., Las cadenas de 50 o más aminoácidos se conocen como proteínas, moléculas grandes que cumplen las funciones de promover el crecimiento normal, reparar el tejido dañado, contribuir al sistema inmunológico del cuerpo y producir enzimas. Estos últimos son un tipo de proteína que funciona como catalizador, una sustancia que acelera una reacción química sin participar en ella. Los catalizadores, de los cuales las enzimas en los cuerpos de las plantas y los animales son un buen ejemplo, no se consumen en la reacción.,

catalizadores

en una reacción química, las sustancias conocidas como reactivos interactúan entre sí para crear nuevas sustancias, llamadas productos. La energía es un componente importante en la reacción química, porque un cierto umbral, denominado energía de activación, debe ser cruzado antes de que una reacción pueda ocurrir. Para aumentar la velocidad a la que se produce una reacción y acelerar el cruce del umbral de energía de activación, es necesario hacer una de tres cosas.,

las dos primeras opciones son aumentar la concentración de reactivos o la temperatura a la que tiene lugar la reacción. Sin embargo, no siempre es factible o deseable hacer cualquiera de estas cosas. Muchos de los procesos que tienen lugar en el cuerpo humano, por ejemplo, normalmente requerirían altas temperaturas—temperaturas, de hecho, que son demasiado altas para sostener la vida humana. Imagina lo que sucedería si la única manera que tuviéramos de digerir el almidón fuera calentarlo hasta el punto de ebullición dentro de nuestros estómagos., Afortunadamente, hay una tercera opción: la introducción de un catalizador, una sustancia que acelera una reacción sin participar en ella ni como reactivo ni como producto. Por lo tanto, los catalizadores no se consumen en la reacción. Las enzimas, que facilitan las reacciones necesarias en nuestro cuerpo sin elevar las temperaturas o aumentar las concentraciones de sustancias, son un excelente ejemplo de un catalizador químico.

el descubrimiento de la catálisis.,

mucho antes de que los químicos reconocieran la existencia de catalizadores, la gente común había estado usando el proceso químico conocido como catálisis para numerosos propósitos: hacer jabón, fermentar vino para crear vinagre, o fermentar pan, por ejemplo. A principios del siglo XIX, los químicos comenzaron a tomar nota de este fenómeno. En 1812 el químico ruso Gottlieb Kirchhoff (1764-1833) estaba estudiando la conversión de almidones a azúcar en presencia de ácidos fuertes cuando notó algo interesante.,

Cuando se hierve una suspensión de almidón (es decir, partículas de almidón suspendidas en agua), Kirchhoff observó que no se produjo ningún cambio en el almidón. Sin embargo, cuando añadió unas gotas de ácido concentrado antes de hervir la suspensión, obtuvo un resultado muy diferente. Esta vez, el almidón se descompuso para formar glucosa, un azúcar simple (Ver carbohidratos), mientras que el ácido, que claramente había facilitado la reacción, no sufrió ningún cambio., En 1835 el químico sueco Jöns Berzelius (1779-1848) dio un nombre al proceso que Kirchhoff había observado: catálisis, derivado de las palabras griegas kata («abajo») y lyein («aflojar»). Solo dos años antes, en 1833, el fisiólogo francés Anselme Payen (1795-1871) había aislado un material de malta que aceleraba la conversión del almidón en azúcar, por ejemplo, en la elaboración de cerveza.

el renombrado químico francés Louis Pasteur (1822-1895), que tenía razón en muchas cosas, llamó a estos catalizadores fermentos y los pronunció como organismos separados., En 1897, sin embargo, el bioquímico alemán Eduard Buchner (1860-1917) aisló los catalizadores que provocan la fermentación del alcohol y determinó que eran sustancias químicas, no organismos. En ese momento, el fisiólogo alemán Willy Kahne había sugerido el nombre de enzima para estos catalizadores en sistemas vivos.

Sustratos y sitios activos

cada tipo de enzima está orientada a interactuar químicamente con una sola sustancia o tipo de sustancia en particular, denominada sustrato., Las dos partes encajan, según una teoría ampliamente aceptada introducida en la década de 1890 por el químico alemán Emil Fischer (1852-1919), como una llave cabe en una cerradura. Cada tipo de enzima tiene una forma tridimensional específica que le permite encajar con el sustrato, que tiene una forma complementaria.

el vínculo entre enzimas y sustratos es tan fuerte que las enzimas a menudo reciben el nombre del sustrato involucrado, simplemente agregando ase al nombre del sustrato., Por ejemplo, la lactasa es la enzima que cataliza la digestión de la lactosa, o azúcar de la leche, y la ureasa cataliza la descomposición química de la urea, una sustancia en la orina. Las enzimas se unen a sus reactivos o sustratos en pliegues y hendiduras especiales, llamados Sitios activos, en la estructura del sustrato. Debido a que se requieren numerosas interacciones en su trabajo de catálisis, las enzimas deben tener muchos sitios activos, y por lo tanto son muy grandes, con cifras de masa atómica tan altas como un millón de uma., (Una unidad de masa atómica, o amu, es aproximadamente igual a la masa de un protón, una partícula cargada positivamente en el núcleo de un átomo.)

supongamos que una molécula de sustrato, como un almidón, necesita romperse para los fines de la digestión en un cuerpo vivo. La energía necesaria para separar el sustrato es bastante grande, más grande que la Disponible en el cuerpo. Una enzima con la forma molecular correcta llega a la escena y se adhiere a la molécula de sustrato, formando un enlace químico dentro de ella., La formación de estos enlaces causa la ruptura de otros enlaces dentro de la molécula de sustrato, después de lo cual la enzima, su trabajo terminado, se mueve a otra molécula de sustrato sin catalizar.

coenzimas

todas las enzimas pertenecen a la familia de las proteínas, pero muchas de ellas no pueden participar en una reacción catalítica hasta que se vinculan con un componente no proteico llamado coenzima. Esto puede ser una molécula de tamaño mediano llamada Grupo protésico, o puede ser un ion metálico (un átomo con una carga eléctrica neta), en cuyo caso se conoce como cofactor., Muy a menudo, sin embargo, las coenzimas están compuestas total o parcialmente de vitaminas. Aunque algunas enzimas se unen muy firmemente a sus coenzimas, otras se pueden separar fácilmente; en cualquier caso, la separación casi siempre desactiva ambos socios.

la primera coenzima fue descubierta por el bioquímico Inglés Sir Arthur Harden (1865-1940) a finales del siglo XIX. Inspirado por Buchner, quien en 1897 había detectado una enzima activa en el jugo de levadura que había llamado zymase, Harden utilizó un extracto de levadura en la mayoría de sus estudios., Pronto descubrió que incluso después de hervir, lo que presumiblemente destruyó las enzimas en la levadura, dicha levadura desactivada podría reactivarse. Este hallazgo llevó a Harden a darse cuenta de que una enzima de levadura aparentemente consta de dos partes: una porción grande y molecular que no podía sobrevivir a la ebullición y era casi con certeza una proteína y una porción más pequeña que había sobrevivido y probablemente no era una proteína. Harden, quien más tarde compartió el Premio Nobel de química de 1929 por esta investigación, calificó a la no proteína como coferment, pero otros comenzaron a llamarla coenzima.,

aplicaciones de la vida real

el cuerpo, los alimentos y la digestión

Las enzimas Permiten Las muchas reacciones químicas que tienen lugar en cualquier segundo dentro del cuerpo de una planta o animal. Un ejemplo de una enzima es el citocromo, que ayuda al sistema respiratorio al catalizar la combinación de oxígeno con hidrógeno dentro de las células. Otras enzimas facilitan la conversión de los alimentos en energía y hacen posible una variedad de otras funciones biológicas necesarias. Las enzimas en el cuerpo humano cumplen una de las tres funciones básicas., El más grande de todos los tipos de enzimas, a veces llamadas enzimas metabólicas, ayudan en una amplia gama de procesos corporales básicos, desde la respiración hasta el pensamiento. Algunas de estas enzimas se dedican a mantener el sistema inmunológico, que nos protege contra las enfermedades, y otras están involucradas en el control de los efectos de las toxinas, como el humo del tabaco, convirtiéndolas en formas que el cuerpo puede expulsar más fácilmente.

una segunda categoría de enzima está en la dieta y consiste en enzimas en alimentos crudos que ayudan en el proceso de digestión de esos alimentos., Incluyen proteasas, que implementan la digestión de proteínas; lipasas, que ayudan en la digestión de lípidos o grasas; y amilasas, que permiten digerir carbohidratos. Estas enzimas ponen en marcha el proceso digestivo incluso cuando los alimentos todavía están en la boca. A medida que estas enzimas se mueven con los alimentos en la parte superior del estómago, continúan ayudando con la digestión.

el tercer grupo de enzimas también está involucrado en la digestión, pero estas enzimas ya están en el cuerpo., Las glándulas digestivas secretan jugos que contienen enzimas que descomponen los nutrientes químicamente en moléculas más pequeñas que son absorbidas más fácilmente por el cuerpo. La amilasa en la saliva comienza el proceso de descomponer los carbohidratos complejos en azúcares simples. Mientras los alimentos todavía están en la boca, el estómago comienza a producir pepsina, que, al igual que la proteasa, ayuda a digerir las proteínas.

más tarde, cuando los alimentos ingresan al intestino delgado, el páncreas segrega jugo pancreático, que contiene tres enzimas que descomponen los carbohidratos, las grasas y las proteínas, en el duodeno, que es parte del intestino delgado., Las enzimas de los alimentos terminan entre los nutrientes que circulan al cuerpo a través del plasma, un líquido acuoso en el que se suspenden los glóbulos rojos. Estas enzimas en la sangre ayudan al cuerpo en todo, desde el crecimiento hasta la protección contra la infección.

una enzima digestiva que debe estar en el cuerpo, pero no siempre está presente, es la lactasa. Como señalamos anteriormente, la lactasa trabaja sobre la lactosa, el principal carbohidrato en la leche, para implementar su digestión. Si una persona carece de esta enzima, el consumo de productos lácteos puede causar diarrea, hinchazón y calambres., Se dice que tal persona es «intolerante a la lactosa», y si va a consumir productos lácteos, deben estar en formas que contengan lactasa. Por esta razón, la leche Lactaid se vende en la sección de productos lácteos especializados de los principales supermercados, mientras que muchas tiendas de alimentos saludables venden tabletas de lactaid.

fermentación

la fermentación, en su sentido más amplio, es un proceso que involucra enzimas en el que un compuesto rico en energía se descompone en sustancias más simples., También se identifica a veces como un proceso en el que grandes moléculas orgánicas (las que contienen hidrógeno y carbono) se descomponen en moléculas más simples como resultado de la acción de microorganismos que trabajan anaeróbicamente, o en ausencia de oxígeno. El tipo más familiar de fermentación es la conversión de azúcares y almidones en alcohol por enzimas en levadura. Para distinguir esta reacción de otros tipos de fermentación, el proceso a veces se denomina fermentación alcohólica o etanólica.

en algún momento de la prehistoria humana, los humanos descubrieron que los alimentos se echan a perder o se estropean., Sin embargo, en los albores de la historia, es decir, en la antigua Sumeria y Egipto, la gente encontró que a veces el «deterioro» (es decir, la fermentación) de los productos podía tener resultados beneficiosos. Por lo tanto, la fermentación de los jugos de frutas, por ejemplo, dio lugar a la formación de formas primitivas de vino. A lo largo de los siglos que siguieron, la gente aprendió a hacer bebidas alcohólicas y pan a través del uso controlado de la fermentación.

bebidas alcohólicas.,

en la fermentación, el almidón se convierte en azúcares simples, como sacarosa y glucosa, y a través de una compleja secuencia de unas 12 reacciones, estos azúcares luego se convierten en alcohol etílico (el tipo de alcohol que se puede consumir, a diferencia del alcohol metílico y otras formas tóxicas) y dióxido de carbono. Se necesitan numerosas enzimas para llevar a cabo esta secuencia de reacciones,la más importante es la zymase, que se encuentra en las células de levadura. Estas enzimas son sensibles a las condiciones ambientales, de modo que cuando la concentración de alcohol alcanza aproximadamente el 14%, se desactivan., Por esta razón, ningún producto de fermentación (como el vino) puede tener una concentración alcohólica superior a aproximadamente el 14%. Las bebidas alcohólicas más fuertes, como el whisky, son el resultado de otro proceso, la destilación.

las bebidas alcohólicas que se pueden producir por fermentación varían ampliamente, dependiendo principalmente de dos factores: la planta que se fermenta y las enzimas utilizadas para la fermentación., Dependiendo de los materiales disponibles para ellos, varios pueblos han utilizado uvas, bayas, maíz, arroz, trigo, miel, papas, cebada, lúpulo, jugo de cactus, raíces de yuca y otros materiales vegetales para la fermentación para producir vinos, cervezas y otras bebidas fermentadas. El producto natural utilizado en la fabricación de la bebida generalmente determina el nombre del producto sintético. Así, por ejemplo, el vino hecho con arroz—una tradición tradicional en Japón-se conoce como sake, mientras que una bebida fermentada hecha de cebada, lúpulo o azúcar de Malta tiene un nombre muy familiar para los estadounidenses: cerveza., Las uvas hacen vino, pero el «vino» hecho de miel se conoce como aguamiel.

otros alimentos.

por supuesto, el alcohol etílico no es el único producto útil de la fermentación o incluso de la fermentación con levadura; también lo son los productos horneados, como el pan. El dióxido de carbono generado durante la fermentación es un componente importante de estos artículos. Cuando se mezcla la masa para el pan, se agrega una pequeña cantidad de azúcar y levadura., El pan entonces se levanta, que es más que solo una figura de expresión: en realidad se hincha como resultado de la fermentación del azúcar por enzimas en la levadura, lo que provoca la formación de gas dióxido de carbono. El dióxido de carbono le da a la masa un volumen y una textura que carecerían sin el proceso de fermentación. Otra aplicación de la fermentación relacionada con los alimentos es la producción de un tipo de alimento procesado a partir de una variedad cruda y natural., La conversión de aceitunas crudas a aceitunas vendidas en tiendas, de pepinos a encurtidos y de col a chucrut utiliza una bacteria particular que ayuda en un tipo de fermentación.

aplicaciones industriales.

incluso hay investigaciones en curso sobre la creación de productos comestibles a partir de la fermentación del petróleo. Si bien esto puede parecer un poco inverosímil, es menos difícil comprender la alimentación de los automóviles con un producto de fermentación respetuoso con el medio ambiente conocido como gasohol., El Gasohol comenzó a ser noticia en la década de 1970, cuando un embargo de petróleo y los aumentos resultantes en los precios del gas, combinados con crecientes preocupaciones ambientales, plantearon la necesidad de un tipo de combustible que usara menos petróleo. Una mezcla de aproximadamente 90% de gasolina y 10% de alcohol, el gasohol se quema más limpiamente que la gasolina sola y proporciona un método prometedor para el uso de recursos renovables (material vegetal) para ampliar la disponibilidad de un recurso no renovable (petróleo). Además, el alcohol necesario para este producto se puede obtener de la fermentación de residuos agrícolas y municipales.,

las aplicaciones de la fermentación abarcan un amplio espectro, desde medicamentos que entran en el cuerpo de las personas hasta la limpieza de aguas que contienen desechos humanos. Algunos antibióticos y otros medicamentos se preparan por fermentación: por ejemplo, la cortisona, utilizada en el tratamiento de la artritis, se puede hacer fermentando un esteroide vegetal conocido como diosgenina. En el tratamiento de aguas residuales, anaeróbicas o no dependientes del oxígeno, las bacterias se utilizan para fermentar material orgánico. Así, los desechos sólidos se convierten en dióxido de carbono, agua y sales minerales.

dónde aprender más

Asimov, Isaac., Los productos químicos de la vida: enzimas, vitaminas, hormonas. New York: Abelard-Schulman, 1954.

Fruton, Joseph S. un bioquímico escéptico. Cambridge, MA: Harvard University Press, 1992.

Kornberg, Arthur. For the Love of Enzymes: The Odyssey of a Biochemist (en inglés). Cambridge, MA: Harvard University Press, 1989.

términos clave

energía de activación:

umbral que debe cruzarse para facilitar una reacción química., Hay tres maneras de alcanzar la energía de activación: aumentando la concentración de reactivos, elevando su temperatura, o introduciendo un catalizador, como una enzima.

sitios activos:

pliegues y hendiduras en la superficie de una enzima que permiten la fijación a su sustrato particular.

aminoácidos:

compuestos orgánicos hechos de carbono, hidrógeno, oxígeno, nitro gen y (en algunos casos) azufre Unido en formaciones características. Cadenas de aminoácidos componen las proteínas.,

bioquímica:

el área de las ciencias bio lógicas que se ocupa de las sustancias y procesos químicos en los organismos.

carbohidratos:

compuestos naturales, que consisten en carbono, hidrógeno y oxígeno, cuya función principal en el cuerpo es suministrar energía. Incluidos en el grupo de carbohidratos son azúcares, almidones, celulosa, y varias otras sustancias. La mayoría de los carbohidratos son producidos por plantas verdes en el proceso de fotosíntesis.,

catálisis:

el acto o proceso de catalizar, o acelerar la velocidad de reacción entre sustancias.

catalizador:

sustancia que acelera una reacción química sin participar en ella. Los catalizadores, de los cuales las enzimas son un buen ejemplo, no se consumen en la reacción.

coenzima:

Un componente no proteico a veces requerido para permitir que una enzima ponga en movimiento una reacción catalítica.,

enzima:

una proteína que actúa como catalizador, un material que acelera las reacciones químicas en los cuerpos de plantas y animales sin participar en, o ser consumido por, estas reacciones.

fermentación:

un proceso que involucra enzimas en el que un compuesto rico en energía se descompone en sustancias más simples.

metabolismo:

el proceso químico por el cual los nutrientes se descomponen y se convierten en energía o se utilizan en la construcción de nuevos tejidos u otros materiales en el cuerpo.,

molécula:

un grupo de átomos, generalmente ly pero no siempre representando más de un elemento, Unidos en una estructura. Los compuestos típicamente se componen de moléculas.

orgánico:

en un tiempo, los químicos usaron el término orgánico solo en referencia a los seres vivos. Ahora la palabra se aplica a los compuestos que contienen carbono e hidrógeno.

proteínas:

moléculas grandes construidas a partir de largas cadenas de 50 o más aminoácidos. Las proteínas cumplen las funciones de promover el crecimiento normal, reparar el tejido dañado, contribuir al sistema inmunológico del cuerpo y producir enzimas.,

reactante:

una sustancia que interactúa con otra sustancia en una reacción química, lo que resulta en la formación de una o varias sustancias químicas conocidas como el producto.

almidones:

carbohidratos complejos sin sabor ni olor, que son granulares o polvorientos en forma física.

substrato:

Un reactivo que típicamente se empareja con una enzima en particular. Las enzimas a menudo se nombran según sus respectivos sustratos agregando el sufijo ase (por ejemplo, la enzima lactasa se empareja con el sustrato lactosa).,

azúcares:

uno de los tres principales tipos de hidratos de carbono, junto con los almidones y la celulosa. Los azúcares se pueden definir como cualquiera de los diversos carbohidratos solubles en agua de dulzor variable. Lo que pensamos como «azúcar» (es decir, azúcar de mesa) es en realidad sacarosa.

vitaminas:

sustancias orgánicas que, en cantidades extremadamente pequeñas, son esenciales para la nutrición de la mayoría de los animales y algunas plantas., En particular, las vitaminas trabajan con las enzimas en la regulación de los procesos metabólicos; sin embargo, no proporcionan energía por sí mismas, y por lo tanto las vitaminas por sí solas no califican como una forma de nutrición.