Reacciones catalizadas por enzimas
Las enzimas son proteínas elaboradas por las células a partir de aminoácidos. Cada enzima es una molécula especializada que cataliza únicamente un tipo específico de reacción química. En fracciones de segundo, se catalizan numerosas secuencias de reacciones enzimáticas con un rendimiento del cien por cien sin formación de subproductos. Las enzimas catalizan los millares de reacciones químicas, conocidas colectivamente como metabolismo intermediario de las células.
Funcionamiento de una enzima
El poder catalítico de las enzimas ha sido explotado por los humanos durante miles de años. El producto final se forma por un número de pasos de reacción que son catalizados por un sistema de enzimas específico. El sistema enzimático está localizado generalmente dentro de la célula viviente (microorganismo, célula vegetal o animal). La actividad catalítica de la célula completa o parte de ella, se emplea de la misma forma que la de las enzimas aisladas.
El grado de especifidad de una enzima con respecto a la reacción catalizada o a la función de los reactivos, depende de su función biológica. El sitio activo de una enzima es una región tridimensional formada por unos pocos aminoácidos, orientados en la dirección apropiada para permanecer biológicamente activos y ligarse con el respectivo sustrato. Aún no se han aclarado completamente los mecanismos de enlace y la acción catalítica en el sitio activo, pero el concepto básico de formación de un complejo enzima – sustrato es el fundamento de las ecuaciones de velocidad de muchas reacciones enzimáticas.
Sitio activo de una enzima
Algunas enzimas necesitan un componente químico inorgánico para su actividad denominado cofactor, o una molécula orgánica compleja,
llamada coenzima; algunas requieren cofactor y
coenzima. Frecuentemente el cofactor está ligado con la porción
proteica de la enzima, en cuyo caso recibe el nombre de grupo prostético.
Ciertas enzimas existen en
formas múltiples, llamadas isoenzimas; su forma cambia durante el desarrollo del organismo y según el tejido del cual hacen parte. Las enzimas reguladoras o alostéricas son estimuladas o inhibidas por la unión con
alguna molécula, el efector
o modulador, generalmente un producto metabólico,
cuya concentración en la célula es crítica. Para la modelización de reacciones o administración de procesos, se prefiere el uso de enzimas sencillas
purificadas, pero en algunos casos esta simplificación conlleva a dificultades prácticas
(estabilidad primaria de la enzima y costos de purificación).
Por esta razón, el uso de células completas o partes de ellas que contienen un sistema apropiado de enzimas, puede ser ventajoso
especialmente cuando se involucran reacciones complejas.
Por otro lado, los problemas concernientes a la biomasa residual
y al tratamiento de aguas de desecho involucrados en la
producción de enzimas a gran escala, así como los costos de la
separación y purificación de la enzima, pueden volverse
prohibitivos. La baja actividad específica de las células
completas y una selectividad potencialmente baja son
frecuentemente compensadas por el bajo costo y la simplicidad de
uso. Es extremadamente complicado el modelamiento
matemático de la capacidad metabólica de los microorganismos
para la determinación cuantitativa de la proliferación,
crecimiento, formación de producto, mantenimiento celular y envejecimiento. Por otra parte el
tratamiento cinético de las reacciones con enzimas es
relativamente simple.