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FERMENTACIÓN PROCESOS BIOLÓGICOS Que pueden clasificarse en: FERMENTACIONES PROCESOS FISIOLÓGICOS ELEMENTALES ACCIÓN DE SERES VIVOS FERMENTACIONES Reacciones por las cuales una materia orgánica se convierte en producto por acción de: ENZIMAS MICROORGANISMOS Ambos actúan como catalizadores Productos químicos producidos por microorganismos No se reproducen Levaduras, bacterias, algas, mohos, protozoos DIFERENCIA Se reproducen TIPOS DE ENZIMAS • Las que producen eliminación de agua • Las que ayudan a la transferencia de electrones • Las que transfieren radicales • Las que actúan sobre un enlace simple C-C Fermentación Enzimática: Sustrato Enzima Producto E A R Zimasa Ej : Glucosa Alcohol CO2 Fermentación Microbiana: Sustrato Microorgan ismo Producto Microorganismo C A RC L e v a d u ra ( C ) Ej : Gl ucosa Al cohol CO2 C FERMENTACIÓN ENZIMÁTICA Concentración Producto Enzima Sustrato Tiempo FERMENTACIÓN MICROBIANA Concentración Producto Microorganismo Sustrato Tiempo Velocidad [rR] FERMENTACIÓN ENZIMÁTICA Concentración del sustrato Velocidad [rR] FERMENTACIÓN ENZIMÁTICA Concentración del sustrato FERMENTACIÓN ENZIMÁTICA CE03 Velocidad (-rA) CE02 CE01 Concentración del Sustrato (CA) Leonor Michaelis Maud Menten FERMENTACIÓN ENZIMÁTICA • Mecanismo propuesto: A E AE* k2 * AE A E donde CE 0 CE C AE* k3 * AE R E k1 FERMENTACIÓN ENZIMÁTICA • Ecuación cinética de Michaelis-Menten C A CE 0 rA k CM C A Donde CM es la constante de Michaelis -Menten • CA alta reacción de orden cero • CA baja reacción de primer orden RELACIÓN ENZIMA LIBRE-COMBINADA C AE* CE • CA= CM CA CM la mitad de la enzima se halla combinada y la otra mitad está en estado libre • CA>> CM la mayor parte de la enzima está combinada • CA<< CM la mayor parte de la enzima está libre FERMENTACIÓN ENZIMÁTICA FORMACIÓN DEL COMPLEJO ENZIMA-SUSTRATO MODELO LLAVE-CERRADURA • Emil Fisher descubrió que las enzimas que hidrolizaban glucósidos eran capaces de distinguir entre formas estereoisómeras de éstos. • En 1894 enunció el principio de que la molécula del sustrato se adapta al centro activo de la enzima del mismo modo que lo harían una llave y una cerradura, es decir, que tienen una relación complementaria. • El centro activo es el lugar de la enzima que se adapta exactamente a la estructura molecular del sustrato y actúa sobre éste para dar lugar al producto. La estructura del centro activo explica la especificidad de acción de las enzimas. MODELO LLAVE-CERRADURA MODELO LLAVE-CERRADURA MODELO DE AJUSTE INDUCIDO • No obstante, los datos actuales sobre la estructura de las enzimas han llevado a modificar el modelo clásico de la llave y su cerradura para explicar la especificidad de la reacción enzimática. • Actualmente se considera que esa esfecificidad radica en la naturaleza de los aminoácidos de fijación del centro activo. Realizada esa fijación o anclaje, la enzima puede modificar su forma y amoldarse parcialmente sobre el sustrato, de forma que el centro catalítico quede correctamente situado para actuar. Entonces no existiría como en la llave y la cerradura una adaptación predeterminada, sino una adaptación inducida por los aminoácidos de fijación. Ecuación cinética de MichaelisMenten C A CE 0 rA k3 CM C A CM = k2 + k3 k1 REACTOR MEZCLA COMPLETA C A0 C A rA C A0 C A CM C A k3C E 0C A REACTOR MEZCLA COMPLETA CA k3 -CM CM k3 C E 0C A C A0 C A REACTOR FLUJO PISTÓN C A0 k3CE 0 CM l n C A0 C A CA F2 1,2 1,0 Orden cero CA 0,8 0,6 0,4 Orden uno 0,2 0,0 0 2 4 TAU (FP) o t (TAD) 6 REACTOR FLUJO PISTÓN C A0 C A ln C A0 C A tiempo k3 -CM C E 0 C ln A0 CA GRÁFICO DE EADIE (-rA) k3CE0 Régimen de orden cero Régimen de primer orden (-rA) CA INHIBIDORES ENZIMÁTICOS • Los inhibidores enzimáticos son moléculas que se unen a enzimas y disminuyen su actividad. Modelo estructural de la proteasa del virus del SIDA unida a un inhibidor de la proteasa, el ritonavir. La estructura de la proteasa se muestra mediante cintas de color rojo, azul y amarillo, mientras que el inhibidor es representado por una estructura de esferas y varillas cerca del centro de la proteasa. INHIBICIÓN COMPETITIVA Sustrato A A Enzima B Inhibidor B A A B Enzima B INHIBICIÓN COMPETITIVA A A R+E B Enzima B k 3 A E AE R E k2 donde C E 0 C E C AE* C BE* k4 * B E BE k5 k1 * INHIBICIÓN COMPETITIVA k3CE 0C A rR k4 CM 1 CB C A k5 Reactor Mezcla Completa: Comparación de reacciones enzimáticas sin inhibición con reacciones con inhibición competitiva Inhibición competitiva CA CA CB = 0 Sin inhibición k3 CB aumenta k3 -CM CM k3 C E 0C A C A0 C A -CM k CM 1 4 CB k5 CM k3 C E 0C A C A0 C A Reactor TAD o FP: Comparación de reacciones enzimáticas sin inhibición con reacciones con inhibición competitiva C A0 C A ln C A0 / C A Inhibición competitiva C A0 C A ln C A0 / C A CB = 0 Sin inhibición k3 k3 -CM CM k3 CE 0 ln C A0 / C A -CM k CM 1 4 CB k5 CM k3 CB aumenta CE 0 ln C A0 / C A GRÁFICO DE EADIE: Comparación sin inhibición y con inhibición competitiva (-rA) k3CE0 (-rA) Régimen de orden cero k3CE0 CB=0 -CM Régimen de primer orden k3C E 0 CM Sin inhibición (-rA) CA Aumenta CB (-rA) CA Inhibición competitiva INHIBICIÓN NO-COMPETITIVA Sustrato Inhibidor Enzima • El sustrato y el inhibidor no compiten por el mismo sitio activo. Cada uno posee su sitio activo específico. INHIBICIÓN NO-COMPETITIVA Sustrato Inhibidor Enzima • Caso en el que el sustrato ingresa primero en su sitio activo correspondiente. INHIBICIÓN NO-COMPETITIVA Sustrato Inhibidor Enzima • Luego, cuando el inhibidor ingresa en su sitio activo, impide que el sustrato se separe, y por ello no se obtiene el producto deseado. INHIBICIÓN NO-COMPETITIVA Sustrato Inhibidor Enzima • En este caso el inhibidor ingresa primero a su sitio activo, e impide el ingreso del sustrato. INHIBICIÓN NO-COMPETITIVA Sustrato A Inhibidor Enzima B Sustrato A Inhibidor Enzima B Sustrato A Inhibidor Enzima B k 3 A E AE R E k2 k4 B E BE* donde C E 0 C E C AE* C BE* C BAE* k5 k 6 B AE* BAE* k7 k1 * INHIBICIÓN NO-COMPETITIVA k3CE 0C A rR k4 k6 CM 1 CB C A C ACB k7 k5 Reactor Mezcla Completa: Comparación de reacciones enzimáticas sin inhibición con reacciones con inhibición no-competitiva Inhibición no-competitiva CA CA CB = 0 Sin inhibición k3 k3 -CM CM k3 CB aumenta k3 k 1 6 CB k7 C E 0C A C A0 C A -CM k 1 4 CB k5 CM k 6 1 k CB 7 CM k3 C E 0C A C A0 C A Reactor TAD o FP: Comparación de reacciones enzimáticas sin inhibición con reacciones con inhibición competitiva C A0 C A ln C A0 / C A C A0 C A ln C A0 / C A Sin inhibición k3 k3 -CM CM k3 CB = 0 CE 0 ln C A0 / C A -CM k 1 4 CB k5 CM k6 1 k CB 7 Inhibición nocompetitiva CB aumenta CE 0 ln C A0 / C A GRÁFICO DE EADIE: Comparación sin inhibición y con inhibición no-competitiva (-rA) k3CE0 (-rA) Régimen de orden cero k3CE0 CB=0 -CM Régimen de primer orden k3C E 0 CM Sin inhibición (-rA) CA Aumenta CB (-rA) CA Inhibición no-competitiva Reactor Mezcla Completa: Comparación de reacciones enzimáticas con inhibición competitiva con reacciones con inhibición no-competitiva Inhibición competitiva CA Inhibición no-competitiva CA CB = 0 CB = 0 k3 -CM k CM 1 4 CB k5 CM k3 k3 CB aumenta C E 0C A C A0 C A CB aumenta k3 k6 1 CB k7 -CM k4 1 CB k5 CM k6 1 k CB 7 CM k3 C E 0C A C A0 C A Reactor TAD o FP: Comparación de reacciones enzimáticas con inhibición competitiva con reacciones con inhibición no-competitiva Inhibición competitiva C A0 C A ln C A0 / C A CB = C A0 C A ln C A0 / C A CB = 0 0 k3 Inhibición nocompetitiva k CB aumenta CB aumenta 3 -CM k CM 1 4 CB k5 CM k3 CE 0 ln C A0 / C A -CM k4 1 CB k 5 CM k6 1 k CB 7 CE 0 ln C A0 / C A GRÁFICO DE EADIE: Comparación inhibición competitiva con inhibición no-competitiva (-rA) (-rA) k3CE0 k3CE0 CB=0 CB=0 Aumenta CB (-rA) CA Inhibición competitiva Aumenta CB (-rA) CA Inhibición no-competitiva Inhibición por sustrato (Autoinhibición) k1 k3 * A E AE RE k2 * k4 * A AE AAE k5 k3CE 0C A rR k4 2 CM C A C A k5 Inhibición por sustrato (Autoinhibición) Reactor FP o Discontinuo Baja inhibición C A0 C A ln C A0 / C A Sin inhibición Alta inhibición -CM CM k3 CE 0 ln C A0 / C A
