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Biotecnología ambiental II

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Curso de Biotecnología ambiental, el curso ha finalizado, quien desee una copia del mismo puede enviarme un correo a erlopez@itesi.edu.mx y solicitarlo

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  • 1. ITESI EXT. ABASOLO BIOTECNOLOGÍA AMBIENTAL II Semestre Agosto – Diciembre 2013 9º Semestre Ing. Ambiental Abasolo, Gto. Desarrollado por: M. en E. IBQ. Erick R. López Almanza. erlopez@itesi.edu.mx
  • 2. APORTACIÓN DE LA ASIGNATURA AL PERFIL DEL EGRESADO  Desarrollar actividades de consultoría relacionados con problemas ambientales, participar en el diseño de sistemas de tratamiento de residuos contaminantes sólidos, líquidos y gaseosos, así como en procesos de optimización a nivel industrial de sistemas de tratamiento de residuos, proponer sistemas de recuperación y mejoramiento de suelos.
  • 3. OBJETIVOS GENERALES DEL CURSO  Conocer y aplicar los conocimientos necesarios para la obtención de productos de la biotecnología de carácter comercial, manejar cultivos de microorganismos, además de diseñar estrategias experimentales para abordar problemas científicos, así como el uso de material biológico como biocatalizador en sustitución de procesos industriales de naturaleza puramente química, a fin de no generar contaminantes.
  • 4. APRENDIZAJES REQUERIDOS  Conocimientos de las asignaturas de: Biología, Ecología, Química Inorgánica, Química Orgánica, Microbiología Bioquímica, Bioquímica microbiana, Biotecnología Ambiental I.
  • 5. TEMARIO Numero Temas Subtemas I Rutas metabólicas 1.1 Metabolismo energético 1.2 Flujo de energía en la biosfera 1.3 Metabolismo intermediario 1.4 Definición de rutas metabólicas 1.5 Rutas metabólicas principales 1.6 Regulación del metabolismo 1.7 Fermentación 1.8 Respiración II Aplicaciones industriales 2.1 Características de las enzimas 2.2 Selección de la fuente enzimática 2.2 Métodos de extracción 2.3 Técnicas de purificación y caracterización cinética molecular 2.4 Inmovilización enzimática
  • 6. III Bioproducción de compuestos 3.1 Producción de biomasa 3.1.1 Introducción a la producción de biomasa 3.1.2 Cultivo de microorganismos a gran escala 3.1.3 Sistemas de producción de biomasa de organismos fotosintéticos 3.1.4 Valor de las proteínas de organismos celulares 3.2 Bioproducción de compuestos químicos industriales 3.2.1 Producción de ácidos orgánicos (angelica c.) 3.2.2 Producción de disolventes (clara e.) 3.2.3 Biopolímeros (mariana) 3.2.4 Bioinsecticidas (luis fernando) 3.3 Bioproducción de combustibles 3.3.1 Cultivos agroenergéticos (adriana) 3.3.2 Producción de hidrocarburos y etanol (ana) 3.3.3 Producción de hidrógeno (blanca) 3.3.4 Producción de agua oxigenada (karla) 3.3.5 Producción de amoníaco (yasmin)
  • 7. 3.4 Bioproducción de compuestos de interés alimentario 3.4.1 Producción de aminoácidos (eusebia) 3.4.2 Producción de vitaminas (selene) 3.4.3 Producción de grasas y aceites (claudia) 3.4.4 Producción de carotenoides y antioxidantes (yohana) 3.5 Bioproducción de compuestos para uso médico 3.5.1 Producción de antibióticos (pablo) 3.5.2 Producción de esteroides (ovidio) 3.5.3 Producción de alcaloides (sandra) 3.5.4 Obtención de vacunas (ana clara) 3.5.5 Producción de agentes anticancerígenos (m. griselda) 4 Bioeliminación de compuestos tóxicos y biosensores 4.1 Bioeliminación de contaminantes de N, S y P 4.1.1 Eliminación de nitrato, nitrito y amonio por asimilación (gilberto) 4.1.2 Eliminación de nitrato, nitrito y amonio por procesos combinados de nitrificación y denitrificación (francisco ) 4.1.3 Eliminación de sulfatos y sulfuros (angelica) 4.1.4 Eliminación de fosfatos (clara e.)
  • 8. 4.2 Bioeliminación de metales 4.2.1 Respuesta a estrés metálico (mariana) 4.2.2 Bioadsorción (luis fernando) 4.2.3 Péptidos especializados y fitoquelatinas (adriana) 4.2.4 Bioeliminación de Cd, Hg, Cr, As y otros (ana) 4.3 Bioeliminación de hidrocarburos 4.3.1 Factores que afectan la biodegradación de Hidrocarburos (blanca) 4.3.2 Degradación de alcanos y alquenos (karla) 4.3.3 Degradación de hidrocarburos halogenados y aromáticos (yasmin) 4.4 Biosensores 4.4.1 Conceptos generales (eusebia) 4.4.2 Electrodos biológicos (selene) 4.4.3 Genes responsables de la información (claudia) 4.4.4 Genes lux (yohana) 4.4.5 Biosensor de naftaleno (pablo) 4.4.6 Biosensor de mezclas BTEX (ovidio, sandra) 4.4.7 Biosensor de mercurio (a. clara, m. griselda) 4.4.8 Otros biosensores (gilberto, francisco)
  • 9. EVALUACIÓN Conceptos % de Evaluacion 1 % de Evaluacion 2 % de Evaluación 3 1.- Examen 30 30 30 4.- Asistencia 20 20 20 6.- Exposición 30 30 30 9.- Prácticas de laboratorio 20 20 20
  • 10. FECHAS DE EXÁMENES Parcial Ordinario Regularización 1 Del Del 2 Del Del 3 Del Del
  • 11. REGLAS DEL CURSO  Solo habrá 12 minutos de tolerancia para entrar a clase.  Después de los 12 minutos de plazo, esta prohibido entrar al salón  Si entran cuando se esta pasando lista se tomara cono retardo.  Tres retardos se convierten automáticamente en una falta, estos retardos y esta falta no se quitan ni con justificante  Si acumulan 5 faltas (no justificadas) pierden derecho a examen parcial  En clase los celulares deberán estar apagados o en modo de vibración
  • 12.  Para poder presentar examen de regularización deberán de haber obtenido una calificación minina de 30 en el PARCIAL  Quien llegue a reprobar el tercer parcial, el examen de regularización de dicho parcial será un examen general del curso.  Las tareas se entregan a la clase siguiente  Trabajos de investigación se entregan dos días después a menos que se diga otra cosa  Los trabajos de investigación y exposiciones deberán de estar referenciados en formato APA, revisar la siguiente liga para ver ejemplos de cómo se hace esto: http:www.cibem.org/paginas/img/apa6.pdf
  • 13.  Están prohibidas las paginas de: buenastareas.com, rincondelvago.com, monografias.com, Wikipedia, etc. para trabajos de investigación  Cualquier duda con la calificación, deberá de resolverse minino 1 día después de entregado el examen
  • 14. LINEAMIENTOS PARA LA SELECCIÓN DE SITIOS WEB DE INTERÉS ACADÉMICO  Los sitios web son una fuente de información muy rica siempre y cuando sepa cómo utilizarse.  A continuación se te presentan algunos criterios que te permitirán evaluar el recurso web para ser utilizado como material de consulta confiable:
  • 15. CRITERIO DESCRIPCIÓN Autoridad. En el sitio se puede identificar claramente quien es el responsable intelectual de la información y/o que institución lo auspicia Exactitud y utilidad El autor del sitio brinda su información de contacto y la información en el sitio es precisa, exacta y relevante al tema que se aborda. Accesibilidad Es fácilmente accesible, navegable, su estructuración es adecuada e incluye enlaces de interés y dado su contexto académico difícilmente será removido de la web. Actualidad El sitio es de reciente creación y/o está en actualización constante en cuanto a contenidos y enlaces. Cobertura Cuenta con amplitud de información en cuanto a cantidad y calidad. No requiere un software especial para verla o se lo brinda el mismo sitio. Es gratuito y libre de uso. Objetividad La información es presentada de manera objetiva sin sesgo alguno y busca brindar información pertinente. Seguridad El sitio garantiza la privacidad de los datos personales y las transacciones que ofrece el sitio para el usuario que lo visita.
  • 16.  Por ningún motivo se aceptarán referencias bibliográficas de páginas como wikipedia, monografías, rincón del vago, o cualquier otra página en donde los datos del autor o la información incluida no puedan ser corroborados, ni exista una revisión profesional respaldada por alguna organización o institución reconocida y en el caso de sitios como Slideshare, Scribd, Blogs, etc. solo se confiara en aquellos sitios que muestren claramente el nombre y apellido del autor intelectual (Ojo¡¡ no el nickname), la fecha de publicación, nombre del documento consultado, forma de contactar al autor.
  • 17. ¿Dudas?
  • 18.  ¿Qué es el metabolismo? Metabolismo, que proviene del latín, meta (global o mitad) y bolia (cambio o transformación), se puede definir entonces como el conjunto global de reacciones químicas que ocurren en un ser vivo. Las reacciones que ocurren durante el metabolismo se clasifican como procesos catabólicos o procesos anabólicos. UNIDAD I: RUTAS METABÓLICAS.
  • 19. ¿PERO….? Cata = oxidación Ana = reducción Por ejemplo:
  • 20. ENTONCES…  Anabolismo: Construcción de moléculas complejas a partir de otras más simples (formación de proteínas a partir de los aminoácidos)  Catabolismo: Destrucción de moléculas complejas a otras sustancias más simples, útiles para los organismo con fines “plásticos” (descomponemos en ladrillos para construir posteriormente nuestra propia pared) o con fines energéticos.
  • 21.  ¿QUÉ ES UNA RUTA METABÓLICA? Una ruta metabólica puede considerarse entonces como una sucesión de reacciones químicas que conducen de un sustrato inicial (donde actúa la enzima) a uno o varios productos finales, a través de una serie de metabolitos intermediarios. El conjunto de estos metabolitos intermediarios da lugar al metabolismo. Sustrato Aa→Metabolito Bb→Metabolito Cc→Producto Dd RUTAS METABÓLICAS
  • 22. ENTONCES… METABOLISMO Conjunto de reacciones bioquímicas y procesos físico-químicos que ocurren en la célula y en el organismo. Catabolismo Anabolismo Rutas Catabólicas Anabólicas Anfibólicas
  • 23. DIFERENTES PROCESOS PARA DIFERENTES RUTAS • Rutas oxidantes; se libera energía y poder reductor y a la vez se sintetiza ATP. • La glucólisis y la beta-oxidación.Catabólicas • Rutas reductoras en las que se consume energía (ATP) y poder reductor. • Gluconeogénesis y el ciclo de Calvin.Anabólicas • Rutas mixtas, catabólicas y anabólicas, • Ciclo de Krebs, que genera energía y poder reductor y precursores para la biosíntesis, Ciclo de la urea. Anfibólicas Anabolismo y catabolismo son simultáneos y a veces sin límites precisos y requieren de enzimas para poderse llevar a cabo.
  • 24. ¿QUÉ PUEDE AFECTAR LA VELOCIDAD DE UNA RUTA METABÓLICA?  Como cualquier reacción química, las reacciones que ocurren durante el metabolismo, su velocidad de reacción puede verse afectada por:  Concentración del sustrato  El pH del medio  La temperatura  La presencia de un catalizador (enzimas)  La presencia de disolventes orgánicos
  • 25. 1.1 METABOLISMO ENERGÉTICO ¿Por qué se considera que el metabolismo es un proceso energético?
  • 26. POR…  El ATP, Adenosin Tri-fosfato
  • 27. ¿PERO… POR QUÉ SE PRODUCE ENERGÍA?  La estructura del ATP se basa en enlace de una molécula de ADENOSIN y tres de fosfato, unidos por unos enlaces con gran cantidad de energía. Cuando uno de los tres enlaces se rompe, se libera la energía que contenía y se convierte en ADP. Esa misma energía es reutilizada para volver a formar ATP
  • 28.  Las reservas de ATP en el organismo no exceden de unos pocos segundos de consumo.  El ATP se produce de forma continua, pero cualquier proceso que bloquee su producción provoca la muerte rápida.  En reposo se pueden llegar a utilizar más de 40 kcal de ATP.  Con ejercicio intenso se podrían consumir 720 kcal de ATP.  Cada molécula de ATP produce aproximadamente 7,3 kcal. DATOS ENERGETICOS
  • 29. ¿PARA QUE SE UTILIZA EL ATP?  Transporte activo en la membrana celular (contra el gradiente de concentración).  Síntesis de compuestos químicos (anabolismo).  Trabajo mecánico en la fibra muscular
  • 30. ¿DÓNDE SE LLEVA A CABO LA PRODUCCIÓN DE ATP?  En las mitocondrias Tarea de investigación. ¿Qué son las mitocondrias? ¿Por qué se considera que las mitocondrias eran células? ¿Dónde surgió esta teoría? ¿Los cloroplastos tendrán el mismo origen, si , no, porqué?
  • 31. TODOS LOS COMPUESTOS PUEDEN TRANSFORMARSE EN ATP En un primer paso, todos los grupos alimenticios se simplifican al dividirse en sus compuestos más sencillos, tal es el caso de los diversos carbohidratos que acaban simplificándose en glucosa, o las proteínas en aminoácidos. Posteriormente estas "unidades menores" o simplificadas sufren transformaciones para convertirse en piruvato (o ácido pirúvico) para el caso de los carbohidratos y en acetoacetato para el caso de los lípidos y las proteínas.
  • 32.  Al final de este proceso que ocurre en el citoplasma celular, tanto el piruvato como el acetoacetato se transforman en acetil CoA, compuesto que ingresa a las mitocondrias para participar en la síntesis de ATP
  • 33.  A través de la vía aeróbica además podríamos obtener energía del resto de principios inmediatos.  La comparativa energética sería:  Oxidación completa de glucosa: 38 ATP  Oxidación completa de grasas: 400 ATP  Oxidación completa de proteínas: 1 ATP Trabajo de investigación ¿Cómo fluye la energía en la biosfera?
  • 34. METABOLISMO INTERMEDIARIO  El metabolismo intermediario comprende un sinfín de mecanismos por los cuales los seres vivos regulamos y mantenemos en equilibrio los procesos energéticos y de administración de precursores metabólicos, macromoléculas, metabolitos y los desechos que serán degradados. Metabolismo intermediario = Metabolismo = Metabolismo Energético?
  • 35. ENTONCES …  Los procesos metabólicos que se realizan en todos los organismos, proceden mediante una serie de reacciones sucesivas catalizadas por enzimas, cada paso es un cambio químico único muy especifico que origina un producto y este se transforma en un reactivo del siguiente paso.
  • 36. A este proceso se le conoce como metabolismo intermediario, porque cada reacción origina un producto estable o intermediario, al que se le conoce como metabolito
  • 37. FUNCIONES DEL METABOLISMO INTERMEDIARIO  Obtención de energía metabólica.  Suministro de precursores para la síntesis de macromoléculas y otras sustancias necesarias al organismo.  Interconversión de estas biomoléculas.  Eliminación de sustancias de desecho.
  • 38. 1.4 DEFINICIÓN DE RUTAS METABÓLICAS ¿Y que es una ruta metabólica?  Un ruta metabólica es por lo tanto una serie de reacciones que tienen un propósito particular, por ejemplo, la degradación de la glucosa en piruvato. Una ruta metabólica puede ser:  Lineal, como la glucolisis  Ramificada, como la síntesis de aa  Cíclica, como el ciclo de Krebs  Espiral, como la degradación de ácidos grasos
  • 39. A  B  C  D  E E1 E2 E3 E4 Lineal A  B C  E D  G Ramificada convergente E1 E2 E3 E4 E5 E  F A  B C  D E5 E3 E4 E1 E2 Ramificada divergente
  • 40. B A F D E C E1 E6 E5 E4 E3 E2 E7 H Ciclica A etc H G F E D E6 E5 E4 E3 E1 E1 E7 Espiral G
  • 41. 1.5 PRINCIPALES RUTAS METABÓLICAS  Glucolisis Gluco =dulce; lisis= ruptura  Es la secuencia de reacciones que metabolizan una molécula de glucosa en dos moléculas de piruvato con la producción neta de dos moléculas de ATP, 2 NADH + H+ y 2 H2O.  La ruta glucolítica.la conforman 10 reacciones catalizadas por enzimas que comienzan con un sustrato de hexosa (glucosa) y se dividen en dos moléculas de piruvato
  • 42. LA REACCIÓN GENERAL DE LA GLUCOLISIS ES POR LO TANTO… 4
  • 43.  La glucolisis se realiza en todas las células, tanto procariotas como eucariotas.  En las células eucariotas, la glucolisis se realiza en el citosol.  La glucólisis es un proceso anaerobio  Durante este proceso, parte de la energía potencial almacenada en la estructura de la hexosa se libera y es utilizada para la síntesis de ATP y la generación del transportador de e- NADH.
  • 44. ¿ES LO MISMO LA GLUCOLISIS QUE LA GLICOLISIS?  Si y No, aunque es el mismo proceso, la hexosa que se utiliza como sustrato, no es la misma, en la GLUCOLISIS, el sustrato es glucosa, y en la GLICOLISIS, el sustrato es cualquiera de las otras hexosas que existen, manosa, galactosa, fructosa, etc.
  • 45. Y QUE SUCEDE DESPUÉS CON EL PIRUVATO? Condiciones anaeróbicas, levaduras Condiciones aeróbicas, músculo de los animales Condiciones anaeróbicas
  • 46. ¿Y COMO SE GENERAN NUEVAS MOLÉCULAS DE GLUCOSA?  Mediante la GLUCONEOGENESIS, proceso por el cual ocurre la síntesis de glucosa a partir de precursores de tres y cuatro carbonos.  Pues si, el piruvato que se obtuvo en la glucolisis, entra en un proceso contrario, para volver a formar nuevamente glucosa. PRECURSORES DE TRES CARBONOS, ¿ACASO SERÁ EL PIRUVATO?
  • 47. CICLO DE KREBS  El ciclo de Krebs es la última vía común para la oxidación de carbohidratos, ácidos grasos y aminoácidos que se lleva a cabo en la mitocondria.  También se le llama ciclo del ácido cítrico o ciclo de los ácidos tricarboxílicos.
  • 48. ¿Y PARA QUE SIRVE EL CICLO DE KREBS?  El ciclo de Krebs tiene dos funciones: 1.- la degradación de la unidad de C2 de la acetil CoA en CO2 para generar energía que se captura en forma de ATP o GTP y una energía reductora en forma de NADH y FADH2 2.- Suministrar precursores para la biosíntesis de aa, porfirinas, bases púricas o pirimídinicas para la formación de nucleótidos.
  • 49. EN RESUMEN… El ciclo opera de la siguiente forma:  1.- el acetato, C2 entra como acetil CoA y los dos carbonos se liberan del ciclo como CO2 en dos reacciones separadas  2.- tres moléculas de NAD+ se reducen a NADH mediante reacciones catalizadas por deshidrogenasas.  3.- una molécula de FAD se reduce a FADH  4.- de la energía almacenada en un enlace CoA tioester se genera un enlace fosfoanidrido de ATP o GTP
  • 50. LA REACCIÓN GENERAL ES POR LO TANTO… Acetil CoA + 3NAD+ FAD + ADP o GDP + Pi + 2H2O  2CO2 + 3NADH + 3H+ + FADH2 + ATP o GDP + CoA
  • 51. ALGUNOS DETALLES DEL CICLO DE KREBS La mayoría de las vías catabólicas y anabólicas convergen en el ciclo de Krebs. El rendimiento de un ciclo es (por cada molécula de piruvato): 1 GTP, 3 NADH, 1 FADH2, 2CO2. Cada NADH, cuando se oxida en la cadena respiratoria, originará 2,5 moléculas de ATP mientras que el FADH2 dará lugar a 1,5 ATP. El ciclo de Krebs siempre es seguido por la fosforilación oxidativa. El ciclo de Krebs no utiliza directamente O2, pero lo requiere al estar acoplado a la fosforilación oxidativa. Muchas de las enzimas del ciclo de Krebs son reguladas por unión alostérica del ATP, que es un producto de la vía y un indicador del nivel energético de la célula.
  • 52. ¿EL ACETIL COA SOLO SE FORMA A PARTIR DEL PIRUVATO?  No, el acetil CoA, también puede provenir de la ruta de la β-oxidación de los ácidos grasos, o también el acetil Coa puede formarse a partir de los aa leucina, isoleucina, fenilalanina, triptófano y tirosina.
  • 53. ENTONCES LOS PROCESOS CATABÓLICOS SON… Glucólisis Fermentación Respiración Ciclo de los ácidos tricarboxílicos Catabolismo de Lípidos Catabolismo de prótidos Catabolismo de aminoácidos
  • 54. Y LOS PROCESOS ANABÓLICOS SON… Fotosíntesis (plantas) Quimiosíntesis Síntesis de aminoácidos Síntesis de glúcidos Síntesis de lípidos Síntesis de nucleótidos Gluconeogénesis
  • 55. 1.6 REGULACIÓN METABÓLICA  Como hemos visto las rutas metabólicas sirven para satisfacer las necesidades de materia y energía del organismo.  En esta complicada maraña de reacciones químicas hemos visto algunos de los controles que se ejercen sobre las mismas.  Sin embargo, esto puede producir la impresión errónea de que cada reacción o ruta funciona con independencia de las demás; lo cual es todo lo contrario.
  • 56.  Ciertamente cada una de las vías tiene una regulación propia, pero existe una estrecha interrelación entre ellas, y la actividad de todas se halla integrada en el metabolismo.  Aunque los procedimientos de control resulten complejos, todos ellos suelen responder a unas estrategias comunes que, ajustadas siempre al principio de economía celular, permiten que con pocas variantes puedan ser aplicados a todas las rutas metabólicas.
  • 57.  La regulación de los procesos metabólicos es necesaria para equilibrar el aporte de materia y energía en los diversos momentos de la vida celular.  La presencia de gran cantidad de nutrientes, activará rutas de aprovechamiento de los mismos; mientras que en periodos de carencia, la célula utilizará las reservas almacenadas anteriormente
  • 58.  Existen diferentes formas mediante las cuales el metabolismo se puede regular, entre las que se pueden mencionar: 1. Disponibilidad de sustrato. 2. Compartimentación celular. 3. Modificación alostérica. 4. Modificación covalente 5. Especialización celular. 6. Mecanismos múltiples 7. Casos particulares
  • 59. NIVELES DE REGULACIÓN  La regulación metabólica puede ejercerse a varios niveles o escalas: a) A nivel molecular: mediante el control de las moléculas que participan en las reacciones metabólicas; las más importantes son las enzimas..
  • 60. b) A nivel celular: en las células eucariotas, la existencia de compartimentos u orgánulos subcelulares determina muchas pautas de actividad metabólica.  Algunas rutas metabólicas están circunscritas a un compartimento, mientras que otras pueden desarrollarse en varios compartimentos; incluso dos reacciones idénticas, integradas en vías metabólicas diferentes, son catalizadas por enzimas cuya cinética y regulación es diferente.
  • 61. c. A nivel corporal: en el caso de los organismos pluricelulares, como el ser humano, se alcanza el nivel más alto de regulación ya que al estar formados por una enorme cantidad de células, es necesaria la existencia de sistemas de integración, que permitan la realización de funciones especializadas en diferentes grupos celulares y que al mismo tiempo, permitan la acción concertada de células, órganos y aparatos o sistemas.
  • 62.  Los principales sistemas de integración pluricelular son dos, el hormonal y el nervioso. Las señales hormonales y nerviosas coordinan el metabolismo entre órganos que están alejados unos de otros.
  • 63. Y CON RESPECTO AL METABOLISMO ENERGÉTICO?
  • 64. 1.7 RESPIRACIÓN CELULAR  La respiración celular es el conjunto de reacciones químicas mediante las cuales se obtiene energía a partir de la degradación de sustancias orgánicas, como los azúcares y los ácidos principalmente.  Su importancia radica en: - Crecimiento celular - Transporte activo de sustancias energéticas - Regeneración de células - Síntesis de proteínas - División de células
  • 65. LA RESPIRACIÓN SIGUE UN SOLO CAMINO?  No, así como existen células eucariotas y procariotas, la respiración puede llevarse a cabo mediante vías aeróbicas y anaeróbicas.  La respiración anaeróbica es un proceso biológico de oxidorreducción de azúcares y otros compuestos. Lo realizan exclusivamente algunos grupos de bacterias y comprende dos fases: -La glucolisis -La fermentación láctica
  • 66. FERMENTACIÓN  Es un proceso catabólico de oxidación completa, siendo el producto final de un compuesto orgánico.  Dependiendo del lugar donde se lleve a cabo se clasifica en: Fermentación láctica Fermentación alcohólica  La primera de ellas ocurre en células musculares y eritrocitos, y la segunda la realizan levaduras y algunas bacterias.
  • 67. EN QUE CONSISTE LA FERMENTACIÓN LÁCTICA? •Cada piruvato se convierte en acido láctico. •Esta reacción puede ser reversible. •El acido láctico se difunde hacia la sangre y es trasportado hacia el hígado. •Se realiza en células musculares y eritrocitos. •Se regula mediante la lactato deshidrogenasa.
  • 68. COMO SE REGULA LA FERMENTACIÓN LÁCTICA?
  • 69. ¿CUÁL ES AL DIFERENCIA CON LA FERMENTACIÓN ALCOHÓLICA? •Se realiza en levaduras y algunas bacterias. •Se convierte el piruvato en etanol y CO2 •Las enzimas son la piruvato descarboxilasa y la alcohol deshidrogenasa.
  • 70. ENTONCES…
  • 71. RESPIRACIÓN AEROBIA Es un proceso básico dentro de la nutrición celular. Conjunto de reacciones bioquímicas que ocurre en la mayoría de las células, en las que el ácido pirúvico producido por la glucólisis se desdobla a dióxido de carbono y agua y se producen hasta 38 moléculas de ATP. En las células eucariotas l a respiración se realiza en las mitocondrias y ocurre en tres etapas Oxidación del ácido pirúvico. Ciclo de los ácidos tricarboxílicos (ciclo de Krebs) Cadena respiratoria y fosforilación oxidativa del ADP a ATP.
  • 72. PROBLEMAS DE ESTUDIO 1. Defina los siguientes términos en menos de 25 palabras: catabolismo, anabolismo, organismos anaerobios, vía metabólica, ATP, convergencia de vías, deshidrogenasas, PEP 2. Los siguientes términos se pueden utilizar para caracterizar el catabolismo o el anabolismo, relaciona cada termino con el metabolismo apropiado: reacciones de reducción, necesita entrada de energía, se libera energía, convergencia de reacciones, ruptura de ATP, biosíntesis, reacciones de oxidación, producción de ATP, divergencia de reacciones, degradación.
  • 73. 3. ¿Cuántos enlaces fosfoanhídrido están presentes en cada una de las siguientes biomoléculas? ATP, ADP, AMP, 1,3-Bifosfoglicerato, Fosfoenolpíruvato, Glucosa 1- fosfato, Gliceraldehído 3-fosfato, Fructosa 1,6-bifosfato, Pirofosfato. 4. Conteste las siguientes preguntas acerca del ATP a) ¿Cuántos enlaces fosfoanhídrido tiene? b) ¿Qué tipo de enlace químico conecta a la ribosa con el grupo trifosfato? c) ¿Cómo se neutralizan las cargas negativas del ATP en la célula? d) ¿Qué tipo de enlace químico conecta a la adenina con la ribosa?
  • 74. 5. La siguiente reacción es catalizada por la enzima alcohol deshidrogenasa, contesta las siguientes preguntas acerca de esta reacción suponiendo que procede de izquierda a derecha, ¿Cuál es el agente reductor?, ¿Cuál es el agente oxidante? 6. Vuelve a examinar la reacción del problema anterior y contesta las siguientes preguntas acerca de la reacción, supón que procede ahora de derecha a izquierda, ¿Cuál es el agente reductor?, ¿Cuál es el agente oxidante?
  • 75. 7. ¿Por qué resulta ventajoso para la célula que las reacciones catabólicas de la ruta principal converjan en el intermediario común acetil CoA? 8. Discuta las diferencias metabólicas que existen entre los organismos autótrofos y los heterótrofos?
  • 76. RESPUESTAS a) Ruta de degradación metabólica en la cual se transforman moléculas orgánicas complejas en simples moléculas de CO2, H2O y NH3. b) Ruta de síntesis del metabolismo, en cual se caracteriza por la construcción de biomoléculas grandes a partir de precursores simples. c) Aquellos organismos que no necesitan del O2 para lograr un crecimiento y desarrollo adecuados d) Una secuencia de reacciones bioquímicas que tiene un propósito definido e) Una molécula que sirve como transportador universal de energía y como agente de transferencia de energía en los procesos bioquímicos f) Dos o mas rutas metabólicas que vienen del mismo intermediario g) Enzimas que catalizan reacciones de oxido reducción h) Fosfoenolpiruvato, un metabolito muy energético formado en la glucolisis
  • 77. 2. Catabolismo: liberación de energía, convergencia de reacciones, reacciones de oxidación, producción de ATP, degradación. Anabolismo: reacciones de reducción, necesita entrada de energía, ruptura de ATP, biosíntesis, divergencia de reacciones. 3. 2, 1, 0, 1, 1, 0, 0, 0, 1 4. 2, fosfoester, formando complejos con Mg2+, N- Glucosidico. 5. Agente oxidante: NAD+, agente reductor: CH3CH2OH 6. Agente oxidante: , agente reductor: NADH+H+
  • 78. 7. Solo se necesita un conjunto de reacciones después de la acetil CoA. Esto significa que se necesita menos entrada de energía y menos recursos para el catabolismo. 8. Autótrofos: organismo “autoalimentados”; esto es, pueden sintetizar todas las moléculas orgánicas que necesitan a partir del carbono inorgánico que toman como CO2 Heterótrofos: organismos que se “alimentan de otros”; esto es, sintetizan los compuestos orgánicos a partir de otros compuestos orgánicos que consumen.
  • 79. UNIDAD II. ENZIMAS. APLICACIONES INDUSTRIALES  Las enzimas son catalizadores biológicos, es decir, proteínas que tienen la capacidad de acelerar ciertas reacciones químicas.  Los procesos catalizados por enzimas en la industria son cada día más numerosos, ya que presentan ventajas frente a los catalizadores no biológicos
  • 80.  Las enzimas tienen muchas aplicaciones en diversos tipos de industrias, entre las que se destaca la alimenticia.  En algunos casos, como la obtención de yogur, o la producción de cerveza o de vino, el proceso de fermentación se debe a las enzimas presentes en los microorganismos que intervienen en el proceso de producción.
  • 81.  Sin embargo, otros procesos de producción de alimentos, pueden realizarse mediante la acción de las enzimas aisladas, sin incluir a los microorganismos que las producen.
  • 82. Ejemplos …
  • 83. CARACTERÍSTICAS DE LAS ENZIMAS  Como catalizadores, las enzimas actúan en pequeña cantidad y se recuperan indefinidamente.  No llevan a cabo reacciones que sean energéticamente desfavorables, no modifican el sentido de los equilibrios químicos, sino que aceleran su velocidad. Y a todo esto….
  • 84. QUE ES UN CATALIZADOR?  Un catalizador es una sustancia que acelera una reacción química, hasta hacerla instantánea o casi instantánea. Un catalizador acelera la reacción al disminuir la energía de activación.  ¿Y que es la energía de activación (Ea)?
  • 85.  Los enzimas son catalizadores específicos.  En una reacción catalizada por un enzima: 1. La sustancia sobre la que actúa el enzima se llama sustrato 2. El sustrato se une a una región concreta del enzima, llamada centro activo 3. Se forman los productos y el enzima ya puede comenzar un nuevo ciclo de reacción
  • 86.  En función de su acción catalítica específica, distinguimos 6 grandes grupos o clases: • Clase 1: OXIDORREDUCTASAS • Clase 2: TRANSFERASAS • Clase 3: HIDROLASAS • Clase 4: LIASAS • Clase 5: ISOMERASAS • Clase 6: LIGASAS
  • 87. Y CUAL ES SU FUNCIÓN? Clase de enzima Tipo de reacción catalizada Oxidoreductasas Transferencia de e-, casi siempre en forma de iones hidruro o átomos de hidrogeno Transferasas Transferencia de grupos funcionales de una molécula a otra Hidrolasas Ruptura de enlaces por hidrólisis Liasas Formación de dobles enlaces por eliminación de grupos o adición de grupos a un doble enlace Isomerasas Transferencia de grupos dentro de una molécula para dar formas isoméricas Ligasas Formación de enlaces C-C, C-S, C-O y C-N por condensación acoplada con la ruptura de ATP
  • 88. TRABAJO DE INVESTIGACIÓN PARA EL MIÉRCOLES…  Dos ejemplos de cada uno de los tipos funcionales de enzimas y definir por que entran dentro de esa clasificación.  Mismos requisitos que el trabajo anterior
  • 89. 2.1 CARACTERÍSTICAS DE LA ACCIÓN ENZIMÁTICA  La acción enzimática se caracteriza por la formación de un complejo que representa el estado de transición del sustrato al producto. E + S ES E + P  El sustrato se une al enzima a través de numerosas interacciones débiles como son: puentes de hidrógeno, fuerzas electrostáticas, hidrófobas, etc., en un lugar específico , el centro activo.
  • 90. Así sucede…
  • 91. SIEMPRE SUCEDE DE ESTA MANERA?  No, en ocasiones algunas enzimas actúan con la ayuda de estructuras no proteicas.  Las cuales en función de su naturaleza se denominan: 1. Cofactor. Cuando se trata de iones o moléculas inorgánicas. 2. Coenzima. Cuando es una molécula orgánica. Se puede señalar, que muchas vitaminas funcionan como coenzimas.
  • 92. FACTORES QUE INFLUYEN EN REACCIONES ENZIMATICAS  Cambios en el pH  Cambios en la temperatura  Presencia de cofactores  Las concentraciones del sustrato y de los productos finales  Activación / Presencia de Inhibidores  Costes  Disponibilidad
  • 93. ¿CÓMO PUEDE AFECTAR EL PH A LAS ENZIMAS?
  • 94. SIEMPRE ES UN EFECTO ADVERSO LA INFLUENCIA DEL PH EN LAS ENZIMAS?
  • 95. INHIBIDORES  Ciertas moléculas pueden inhibir la acción catalítica de un enzima, a estas moléculas se les conoce como inhibidores.  Estos inhibidores bien pueden ocupar temporalmente el centro activo por semejanza estructural con el sustrato original (inhibidor competitivo) o alteran la conformación espacial del enzima, impidiendo su unión al sustrato (inhibidor no competitivo)
  • 96. INHIBIDOR COMPETITIVO
  • 97. INHIBIDOR NO COMPETITIVO
  • 98. SELECCIÓN DE LA FUENTE ENZIMATICA. El futuro de la producción de enzimas se registra en procedimientos no comunes, como son en aparatos automatizados para uso clínico y seguimiento de procesos y también como catalizadores industriales para producir productos químicos de gran pureza que hoy en día solo se obtienen por medios químicos.
  • 99. La producción de una determinada enzima se basa en la selección de la fuente, la extracción y la purificación.
  • 100. ¿QUÉ SE DEBE DE TENER EN CUENTA AL MOMENTO DE HACER LA SELECCIÓN DE LA ENZIMA?  La consideración dominante en el contexto del procesado industrial es la del costo.  De poco sirve dar con un enzima que es teóricamente mejor, si su costo es excesivo, tanto de extracción como de producción. .  Hay que tener en cuenta el costo tanto por unidad de conversión como en porcentaje respecto al costo total del procesado
  • 101. OTRO ASPECTO A CONSIDERAR ES…  La abundante disponibilidad de la enzima y por lo tanto de su fuente es de importancia fundamental.  No sólo la enzima debe de ser fácilmente disponible, sino que tanto la enzima como su fuente han de ser aceptables desde el punto de vista de la inocuidad.
  • 102.  Esto es de vital importancia si se van a destinar al procesado de alimentos o puedan entrar en contacto con las personas.
  • 103. TAMBIÉN… Especificidad: Si la enzima que se desea, ha de ser usado en un proceso en el que se requiera alto grado de especificidad, esto puede inmediatamente determinar la elección de la fuente.
  • 104. LOS MICROORGANISMOS SON LA FUENTE PRINCIPAL DE ENZIMAS DE APLICACIÓN INDUSTRIAL. PRESENTAN NUMEROSAS VENTAJAS  Los microorganismos son muy versátiles y teóricamente se puede encontrar un microorganismo que produzca un enzima concreto.  Los microorganismos pueden ser modificados genéticamente para producir mayor cantidad de enzima.
  • 105.  La recuperación de las enzimas microbianas suele ser fácil, puesto que, generalmente, son extracelulares  La producción de enzimas microbianas requiere materias primas fáciles de conseguir ya que crecen en medios de cultivo con escasos requerimientos.
  • 106.  Los microorganismos son fáciles de cultivar, tienen velocidades de crecimiento y de producción de enzimas muy alta (baratas, abundantes).  La tecnología a gran escala para su producción se encuentra hoy bien establecida. Fácil escalado.  Las enzimas microbianas son más estables que sus homólogas de plantas y animales.
  • 107. MATERIAL DE PARTIDA ROTURA CELULAR ELIMINACIÓN DE ÁCIDOS NUCLEICOS SEPARACIÓN SÓLIDO-LÍQUIDO CONCENTRACIÓN PURIFICACIÓN Detergente Tratamiento con álcali Tamización líquida Agitación con abrasivos Tratamiento enzimático Choque osmótico Tamización sólida Centrifugación Filtración Precipitación Adsorción Ultrafiltración EXTRACCIÓN, AISLAMIENTO Y PURIFICACIÓN Secado Liofilización Cromatografía Sistemas en dos fases
  • 108.  Este es link de las exposiciones:  http://www.slideshare.net/lobezno81/presentacione s-exposicion
  • 109. Y COMO SE PUEDEN EXTRAER LAS ENZIMAS?  Las etapas para la obtención de enzimas industriales comprenden: -Selección de la fuente de enzimas. -Rotura celular (enzimas intracelulares) -Eliminación de los restos celulares (enzimas intracelulares) -Concentración y enriquecimiento -Purificación con alta resolución (dependiendo de su uso final) -Concentración y terminado
  • 110. ELECCIÓN DEL MÉTODO DE ROTURA  Susceptibilidad de la célula  Características de estabilidad del enzima  Velocidad del método  Facilidad de separación de los restos celulares  COSTO del proceso
  • 111. MÉTODOS DE ROTURA 1. Métodos químicos de lisis celular:  álcali  lisozima y EDTA  detergentes: iónicos /no iónicos 2. Métodos físicos de lisis celular:  sonicación  shock por enfriamiento  choque osmótico  congelación y descongelación  tamización sólida  homogeneización con abrasivos  tamización líquida
  • 112. TÉCNICAS DE PURIFICACIÓN Y CARACTERIZACIÓN CINÉTICA MOLECULAR 1er paso: Eliminación de ácidos nucleicos: pH alto, fuerza iónica baja, nucleasas 2º paso: Eliminación de restos celulares: • Centrifugación • Filtración 3er paso: Concentración: • Precipitación • Adsorción • Ultrafiltración • Secado • Liofilización
  • 113. FACTORES QUE INACTIVAN LAS ENZIMAS DURANTE SU AISLAMIENTO Y PURIFICACIÓN Factor inactivante Fuente de enzima Frecuencia Modo de contrarrestarlo Calor Cualquiera Universal Enfriamiento Frio Cualquiera Raro Calentamiento Proteasa Mayoría Común Inhibidores de proteasas o frío Productos oxidación de fenoles Plantas y hongos Bastante común Agentes reductores Oxidación Cualquiera Común Agentes reductores Dilución proteína Cualquiera Bastante común Concentración rápida Pérdida de estabilidad Cualquiera Bastante común Restauración de ese factor Inhibidores específicos Plantas y bacterias Raro Separación del inhibidor Metales pesados Cualquiera Raro Agentes quelantes Cambios de fase Cualquiera Común Mínima agitación
  • 114. INMOVILIZACION ENZIMATICA  Se le conoce así al proceso por medio del cual se confina o localiza a la enzima en una región definida del espacio, para dar lugar a formas insolubles que retienen su actividad catalítica y que pueden ser reutilizadas repetidamente.
  • 115.  Esta definición se ha ampliado a aquel proceso por el cual se restringen, completa o parcialmente, los grados de libertad de movimiento de enzimas, orgánulos, células, etc. por su unión a un soporte
  • 116.  La inmovilización de enzimas permite una mejora significativa de su estabilidad, lo que hace posible su empleo en la producción industrial de productos químicos, farmacéuticos, alimentos; en el tratamiento de residuos; en el diagnóstico y tratamiento de enfermedades, y otras muchas aplicaciones
  • 117. VENTAJAS DE LA INMOVILIZACIÓN DE ENZIMAS 1. El aumento de la estabilidad de la enzima; 2. La posible reutilización del derivado, por lo que disminuyen los costes del proceso. 3. La posibilidad de diseñar un reactor enzimático de fácil manejo y control, adaptado a la aplicación de la enzima inmovilizada. Estos reactores con enzimas inmovilizadas permiten el empleo de cargas elevadas de enzima, la cual mantendrá su actividad durante más tiempo.
  • 118. Y LAS DESVENTAJAS… 1. La alteración de la conformación de la enzima respecto de su estado nativo. 2. La gran heterogeneidad del sistema enzima- soporte donde pueden existir distintas fracciones de proteínas inmovilizadas con un diferente número de uniones al soporte. 3. Siempre suele haber una pérdida de actividad de la enzima durante la movilización. 4. El biocatalizador es más caro que la enzima nativa.
  • 119. ¿COMO SE INMOVILIZAN LAS ENZIMAS?  Las enzimas se pueden inmovilizar mediante métodos físicos o métodos químicos.  Dentro de los métodos físicos están el atrapamiento y el encapsulamiento.
  • 120. ATRAPAMIENTO  Consiste en la retención física de la enzima en las cavidades interiores de una matriz sólida porosa.  El proceso de inmovilización se lleva a cabo mediante la suspensión de la enzima en una solución de monómero  Seguidamente se inicia la polimerización por un cambio de temperatura o mediante la adición de un reactivo químico.
  • 121.  El atrapamiento puede ser en geles o en fibras, este método requiere poca cantidad de enzima para obtener derivados activos.  Como ventaja adicional, la enzima no sufre ninguna alteración en su estructura
  • 122. ENCAPSULAMIENTO  Microencapsulación: En esta técnica, las enzimas están rodeadas de membranas semipermeables que permiten el paso de moléculas de sustrato y producto, pero no de enzima  Reactores de membrana: Estos reactores emplean membranas permeables al producto final, permeables o no al sustrato inicial y obviamente impermeables a la enzima. Mediante una bomba se establece un flujo líquido de sustrato que atraviesa el reactor.
  • 123. MÉTODOS QUÍMICOS.  Unión a soportes: Son los métodos de inmovilización más utilizados y de los que se dispone de una mayor información.  Se han utilizado una gran variedad de materiales como soportes para la inmovilización de numerosas enzimas. Estos materiales difieren en tamaño, densidad, porosidad y forma.  Las enzimas se pueden unir a estos soportes mediante adsorción o por unión covalente
  • 124.  Reticulado: El método del reticulado consiste en uso de reactivos bifuncionales que originan uniones intermoleculares entre las moléculas de enzima .  El co-reticulado, permite eliminar las pérdidas de actividad enzimática debidas a efectos difusionales, mediante el entrecruzamiento de las enzimas con una proteína sin actividad enzimática y rica en residuos de lisina
  • 125. APLICACIONES DE LA ENZIMAS INMOVILIZADAS  Las aplicaciones más importantes de las enzimas inmovilizadas se pueden clasificar en: 1. Aplicaciones analíticas: biosensores 2. Aplicaciones médicas: tratamientos con enzimas inmovilizadas 3. Aplicaciones industriales: en la industria química, farmacéutica, alimentaria y de tratamiento de residuos
  • 126. PROBLEMAS DE ESTUDIO  Defina en 25 palabras o menos los siguientes términos: enzima, energía de activación, grupo prostético, apoenzima, sitio activo, inhibidor irreversible, inhibidor competitivo, isoenzima  Por lo general se suele representar al grupo enzima-sustrato con un modelo de llave-cerradura, ¿a que crees que se deba esta similitud?  Escriba la reacción catalizada por cada una de las siguientes enzimas, utilizando estructuras o palabras: catalasa, celulasa, tripsina, acetilcolinesterasa, amilasa
  • 127.  Cuando los químicos desean que una reacción ocurra mas rápido en el laboratorio, a menudo utilizan calor. ¿hasta que punto utilizarían este método los organismos vivos para acelerar las reacciones metabólicas?  ¿Cuáles de los siguientes factores van a influir en la velocidad de reacción de una enzima típica?, ¿El cambio aumenta, disminuye o no tiene efecto sobre la velocidad de reacción?: incremento en la concentración de sustrato, aumento en la temperatura de 25º C a 37º C, adición de un inhibidor competitivo, elevación de la presión, desde 1 atm a 1.5 atm, cambio de pH de 7 a 1, aumento en la temperatura de 37º C a 150º C, incremento en la concentración de la enzima
  • 128.  Describa los principios bioquímicos subyacentes al uso de las peptidasas: pepsina y papaína como ablandadores de carne.  Describa que tipos de enzimas se añaden a los detergentes para disolver manchas de leche o de sangre.  ¿Qué diferencias existen entre los términos coenzima y grupo prostético?
  • 129. RESPUESTAS a) Una biomolécula, por lo general una proteína que cataliza reacciones químicas b) El nivel de energía que debe de superarse para transformar los reactivos en productos c) Una pequeña molécula orgánica o ion metálico que se asocia con una enzima mediante enlaces iónicos o covalentes, ayuda en la acción catalítica de la enzima d) Una enzima en su forma polipeptídica sin los grupos prostéticos o cofactores necesarios e) Es la región especifica de una enzima en la que se une la molécula de sustrato
  • 130. f) Un compuesto que forma enlaces covalentes o no covalentes muy fuertes con una enzima y la daña permanentemente g) Un compuesto que hace mas lenta la actividad de una enzima al unirse con su sitio activo  Por que con este modelo se pueden describir las interacciones de unión entre una enzima y su molécula de sustrato tal como se correlaciona una llave con su correspondiente cerradura de forma especifica. a. 2H2O2 2H2O + O2 b. Celulosa + H2O  Glucosa
  • 131. c) Proteína + H2O  ruptura de enlaces peptídicos en el lado del C de Arg y Lys d) . e) Almidón + H2O  Glucosa CH3COCH2CH2N+(CH3)3 + H2O  CH3CO- + CH2CH2N+(CH3)3 O O OH
  • 132.  La mayoría de las enzimas se desnaturalizan y se inactivan a temperaturas superiores a los 50º C a) Se incrementa la vel. de reacción b) Se incrementa la vel. de reacción c) Disminuye la vel. de reacción d) No produce efecto e) Produce disminución porque desnaturaliza la mayoría de las enzimas f) Disminuye la velocidad de reacción por desnaturalización térmica g) Incrementa la velocidad de reacción
  • 133.  La pepsina y la papaína catalizan la hidrólisis de enlaces peptídicos de las proteínas. Las largas proteínas fibrosas de la carne se degradan en cadenas de polipéptidos mas cortos con lo cual se suaviza la carne  Las manchas de sangre y leche sueles estar hechas de proteínas, las peptidasas que se encuentran en los detergentes las degradan en unidades polipeptídicas mas pequeñas y son mas solubles en agua que las proteínas mas grandes
  • 134.  Coenzima: una pequeña molécula orgánica u organometalica que ayuda en la acción catalítica de una enzima, suele se un derivado de una vitamina  Grupo prostético: una pequeña molécula orgánica o ion metálico estrechamente asociado con una proteína, por lo general mediante enlaces covalentes o iónicos.
  • 135. III. BIOPRODUCCIÓN DE COMPUESTOS 3.1 Producción de biomasa  Podríamos preguntarnos ¿Qué es la biomasa?, varios autores manejan este termino “Biomasa es toda materia orgánica susceptible de aprovechamiento energético”, pero la realidad de la biomasa es mas profunda, estamos hablando de un vector energético a corto plazo, puede ser básico en nuestra sociedad, tanto desde el punto de vista ambiental como el desarrollo socioeconómico de zonas rurales.
  • 136.  La energía que se puede obtener de la biomasa proviene directamente de la luz solar, la cual gracias al proceso de fotosíntesis, es aprovechada por las plantas verdes mediante reacciones químicas en las células, las que toman CO2 del aire y lo transforman en sustancias orgánicas, según una reacción del tipo: CO2 + H2O  (H-COH) + O2.
  • 137.  En estos procesos de conversión la energía solar se transforma en energía química que se acumula en diferentes compuestos orgánicos (polisacáridos, grasas) y que es incorporada y transformada por el reino animal, incluyendo al ser humano, el cual invierte la transformación para obtener bienes de consumo.
  • 138.  Desde el punto de vista del aprovechamiento energético, la biomasa se caracteriza por tener un bajo contenido de carbono, un elevado contenido de oxígeno y compuestos volátiles.  Estos compuestos volátiles (formados por cadenas largas del tipo CnHm, y presencia de CO2, CO e H2) son los que concentran una gran parte del poder calorífico de la biomasa.
  • 139.  Durante la fotosíntesis, cada atomo‐gramo de carbono (14 gr) absorbe y almacena 112 kcal de energía solar, que es precisamente la que después se recupera.  Los carbohidratos tienen enlaces químicos covalentes difíciles de romper. Al hacerlo, durante el proceso de conversión de la biomasa, vuelven a su forma de dióxido de carbono y agua liberando gran cantidad de energía en forma de calor.
  • 140. PROCESOS BIOQUÍMICOS  Los procesos bioquímicos se basan en la degradación de la biomasa por la acción de microorganismos, y pueden dividirse en dos grandes grupos: los que se producen en ausencia de aire (anaeróbicos) y los que se producen en presencia de aire (aeróbicos).
  • 141. PROCESOS ANAERÓBICOS  La fermentación anaeróbica, para la que se utiliza generalmente residuos animales o vegetales de baja relación carbono / nitrógeno, se realiza en un recipiente cerrado llamado digestor y da origen a la producción de un gas combustible denominado biogás.  Adicionalmente, la biomasa degradada que queda como residuo del proceso de producción del biogás, constituye un excelente fertilizante para cultivos agrícolas.
  • 142.  Las tecnologías disponibles para su producción son muy variadas pero todas ellas tienen como común denominador la simplicidad del diseño y el bajo costo de los materiales necesarios para su construcción.  El biogás, constituido básicamente por metano (CH4) y dióxido de carbono (CO2), es un combustible que puede ser empleado de la misma forma que el gas natural.  También puede comprimirse para su uso en vehículos de transporte, debiéndose eliminar primero su contenido de CO2.
  • 143. PROCESOS AERÓBICOS  La fermentación aeróbica de biomasa de alto contenido de azúcares o almidones, da origen a la formación de alcohol (etanol), que además de los usos ampliamente conocidos en medicina y licorería, es un combustible líquido de características similares a los que se obtienen por medio de la refinación del petróleo.  Las materias primas más comunes utilizadas para la producción de alcohol son la caña de azúcar, mandioca, sorgo dulce y maíz.
  • 144.  El proceso incluye una etapa de trituración y molienda para obtener una pasta homogénea, una etapa de fermentación y una etapa de destilación y rectificación.
  • 145. 3.1.2 CULTIVO DE MICROORGANISMOS A GRAN ESCALA  Trabajo de investigación
  • 146. SISTEMAS DE PRODUCCIÓN DE BIOMASA DE ORGANISMOS FOTOSINTÉTICOS  ¿Qué organismos fotosintéticos se pueden producir a gran escala?  Plantas y algas unicelulares, en el caso de las algas unicelulares estamos refiriéndonos a otro reino diferente al plantae, el reino protista.  El reino Protista consiste en organismos compuestos de células eucarióticas individuales y sumamente complejas. Se clasifican como semejantes a hongos, semejantes a plantas y semejantes a animales.
  • 147.  El reino Protista incluyen algunas de las células eucarióticas más complejas que existen, con organelos que asumen funciones que están a cargo de órganos en los organismos multicelulares.  Los protistas fotosintéticos, conocidos de forma colectiva como algas, se encuentra ampliamente distribuidos en océanos y lagos. La mayoría de las especies son unicelulares, pero algunas forman agregados multicelulares comúnmente conocidos como algas marinas.
  • 148.  Son los organismos fotosintéticos más importantes del planeta, pues capturan mayor cantidad de energía solar y producen más oxígeno que todas las plantas juntas.  Las algas constituyen, además, el primer eslabón de la mayor parte de las cadenas alimentarias acuáticas, al formar parte del plancton, y sustentan a una gran diversidad animal.
  • 149.  Las algas se pueden clasificar de acuerdo a su tamaño en:  Microalgas: todo tipo de microorganismos fotosintéticos, procariotas o eucariotas, unicelulares o filamentosos, de tamaño inferior a 0.02 cm.  Mesoalgas: microorganismos fotosintéticos, procariotas o eucariotas, unicelulares o filamentosos o coloniales, unialgal o plurialgal, con un rango entre 0.02 y 3 cm.  Macrolagas: algas pluricelulares de diversas formas y tamaños que van de pocos centímetros a varios metros de largo
  • 150. CLASIFICACIÓN
  • 151.  Se estima que hay de 30,000 a 100,000 especies de microalgas que incluyen representantes tanto eucarióticos como procarióticos (cianobacterias o algas verde-azuladas).  Por otro lado, se considera que hay unas 15,800 especies de macroalgas repartidas entre macroalgas rojas (6,000 especies), pardas (1,800 especies) y verdes (8,000 especies, de las cuales 1,000 son especies marinas y el resto de agua dulce).
  • 152.  El problema de la producción de algas para obtener biomasa no es tanto la producción, sino como cosecharla.  En el caso de las microalgas, el cosechado de organismos que miden entre 10 y 200 µg, y que además normalmente se cultivan a unas densidades de cosechado bajas, es muy costoso tanto en equipos como en energía especialmente si la tecnología de cosechado se basa en la centrifugación
  • 153.  Entre las tecnologías de cosechado disponibles que actualmente se están investigando, se encuentran:  Filtración: aplicable a Mesoalgas, permite un óptimo reciclado del efluente.  Floculación – decantación.  Nanopartículas.
  • 154.  Los sistemas de cultivo son muy diferentes entre macroalga y microalga.  Debido a su pequeño tamaño (µm) las microalgas han de ser cultivadas en sistemas diseñados para tal fin (colocadas en tierra o flotando en el agua), mientras que las macroalgas pueden ser cultivadas en mar abierto.
  • 155.  Para el cultivo de algas existen unas pocas condiciones, relativamente simples, que se deben de proveer: luz, fuente de carbono, agua, nutrientes y un control adecuado de la temperatura.  A lo largo de los años se han ido desarrollando una gran variedad de sistemas de cultivo que satisfacen dichos requisitos
  • 156.  Un prerrequisito importante a la hora de cultivar algas para la producción energética a nivel comercial es la necesidad de sistemas a gran escala que pueden ir desde un simple sistema al aire libre en o a mar adentro, (lo cual expone al cultivo a las condiciones medio-ambientales), hasta sistemas cerrados altamente controlados y tecnificados (mucho más caro).
  • 157.  Algunos ejemplos:  A, Tanques tipo raceways; B, lagunas de sedimentación; C, centrifugación y estación de bombeo y D, depósito de algas. (Cotas en m).
  • 158. BIORREACTORES
  • 159. ENTONCES, ¿SISTEMA ABIERTO O CERRADO?
  • 160. VALOR BIOLÓGICO DE LAS PROTEÍNAS DE ORGANISMOS CELULARES  Las proteínas son uno de los macronutrientes que encontramos en los alimentos junto a los hidratos de carbono y lípidos.  Son los elementos básicos del cuerpo, esenciales en todo el metabolismo.  Su principal función no es energética sino estructural, es decir, contribuyen a la formación, desarrollo y renovación de todos los órganos y sistemas del organismo y desempeñan también un gran número de funciones en las células de los seres vivos
  • 161.  Las proteínas son macromoléculas que están formadas por carbono, oxigeno, hidrogeno y nitrógeno fundamentalmente, aunque también pueden contener minerales como azufre, hierro y fósforo.  La parte más pequeña en que pueden dividirse son unas unidades estructurales denominadas aminoácidos.
  • 162.  Los aminoácidos se caracterizan por poseer un grupo carboxilo (-COOH) y un grupo amino (- NH2).
  • 163. FORMACIÓN DEL ENLACE PEPTÍDICO
  • 164.  Los alimentos que ingerimos nos aportan estas proteínas pero se absorben en forma de aminoácidos y cadenas cortas de péptidos después de su hidrólisis en el proceso de digestión.  Existen 20 aminoácidos y con ellos se forman todas las proteínas
  • 165.  Nueve de éstos se obtienen de la dieta y son conocidos como aminoácidos esenciales y los otros restantes pueden ser producidos por el cuerpo y no es necesario ingerirlos y reciben el nombre de aminoácidos no esenciales..
  • 166. TRABAJO DE INVESTIGACIÓN  Investigar la estructura, el nombre abreviado de tres letras y el nombre abreviado de una letra de los 20 aminoácidos que existen.  También investigar cuales son las funciones de las proteínas.  Para entregar el próximo martes
  • 167. AMINOÁCIDOS ESENCIALES  Estos deben ser aportados en la dieta, ya que no podemos fabricarlos en el organismo.  Comprenden la histidina, isoleucina, leucina, lisina, metionina, fenilalanina, treonina, triptófano y valina.  Entre estos la leucina, isoleucina y valina, denominados también ramificados, actúan de forma conjunta en la síntesis de proteínas, en la producción de energía y en la protección del sistema inmunológico.
  • 168.  La fenilalanina, es importante en la formación de determinados neurotransmisores y permite a determinadas hormonas, mejorar el equilibrio de los estados de ánimo y reducir la percepción del dolor.  La lisina es esencial en la construcción de tejidos y forma parte importante de los músculos.
  • 169.  La metionina es uno de los principales elementos de consolidación de las proteínas implicadas en la formación de células y tejidos y es importante para la salud de piel y uñas.  El triptófano es importante precursor de neurotransmisores como la serotonina y la melatonina
  • 170. AMINOÁCIDOS NO ESENCIALES  Se pueden fabricar a partir de los aa. esenciales, por ejemplo; la cisteína (y cistina) a partir de metionina y la tirosina a partir de fenilalanina.  Comprenden la alanina, arginina, ácido aspártico, asparragina, cisteína, ácido glutámico, glutamina, glicina, prolina, serina y tirosina.  La arginina puede ser esencial para los niños muy pequeños ya que sus requerimientos son mayores que su capacidad para sintetizarlo.
  • 171.  La tirosina es precursora de neurotransmisores tan importantes como la dopamina, noradrenalina y adrenalina y es fundamental para el movimiento y el metabolismo.  La cisteína es un antioxidante que contiene azufre y además es coadyuvante en la salud de piel, pelo y uñas y tiene también un papel fundamental en el metabolismo de los ácidos grasos.
  • 172.  La glicina es imprescindible en la producción de energía ya que almacena la glucosa en forma de glucógeno.  El glutation es un potente antioxidante y desintoxicante
  • 173. Y A TODO ESTO…¿QUÉ ES EL VALOR BIOLÓGICO DE LAS PROTEÍNAS?  Se considera que el valor o calidad biológica de una proteína, viene determinada por su capacidad de aportar o no todos los aminoácidos necesarios para el organismo.  Aquellas que contienen cantidades suficientes de cada uno de los aminoácidos esenciales son proteínas de alto valor biológico y si falta algún aminoácido esencial, el valor biológico de esa proteína disminuye
  • 174.  Todos los aminoácidos esenciales se encuentran presentes en las proteínas de origen animal (huevo, carnes, pescados y lácteos), por tanto, estas proteínas son de mejor calidad o de mayor valor biológico que las de origen vegetal (legumbres, cereales y frutos secos), deficitarias en uno o más de esos aminoácidos.
  • 175.  Sin embargo, proteínas incompletas bien combinadas pueden dar lugar a proteínas de mayor calidad equiparables a las de la carne, el pescado y el huevo como por ejemplo: leche y arroz, legumbre con arroz, legumbre y trigo, arroz con frutos secos
  • 176. ENTONCES…  Clasificación de las proteínas  a) Según su contenido en aminoácidos esenciales:  Proteínas completas o de alto valor biológico: si contienen los aminoácidos esenciales en cantidad y proporción adecuadas. Son denominadas también, de buena calidad.  Proteínas incompletas o de bajo valor biológico: carecen de alguno de los aminoácidos esenciales.
  • 177.  b) Según su estructura química:  Holoproteínas o simples: están formadas exclusivamente por aminoácidos. Incluyen la albúmina del huevo, las globulinas del plasma sanguíneo, las prolaminas, el colágeno, queratina, elastina
  • 178.  Heteroproteínas, proteínas complejas o conjugadas: constan de una fracción nitrogenada y otra de naturaleza no proteica que se denomina también grupo prostético. En este grupo se encuentran las lipoproteínas, las glucoproteínas, las cromoproteínas y las nucleoproteínas
  • 179. BIOPRODUCCIÓN DE COMPUESTOS QUÍMICOS INDUSTRIALES  La microbiología industrial y la biotecnología emplean microorganismos para sus objetivos específicos. ya sean la obtención de nuevos productos de interés económico, o para una mejora ambiental.
  • 180.  La microbiología industrial fue inicialmente desarrollada para la obtención de productos. como compuestos farmacéuticos o médicos (antibióticos, hormonas, esteroides modificados), materias primas en general, solventes. ácidos orgánicos, compuestos químicos aminoácidos y enzimas de valor económico
  • 181.  La microbiología industrial ha proporcionado productos que han impactado significativamente en nuestras vidas, directa o indirectamente, en ocasiones desapercibidamente; e incluso en nuestra esperanza de vida.  Entre estos productos se encuentran productos industriales y agrícolas, aditivos de alimentos, productos médicos para la saludo animales y humana y biocombustibles.
  • 182.  Los microorganismos empleados en la industria se han aislado de la naturaleza y, en muchos casos, fueron modificados mediante los procedimientos clásicos de mutación-selección o por métodos modernos de ingeniería genética..
  • 183.  La selección y uso de microorganismos en microbiología industrial y biotecnología son desafíos; que requieren un conocimiento profundo del crecimiento y manipulación microbianos, así como de las interacciones con otros organismos.
  • 184.  Particularmente en los últimos años, compuestos no-antibióticos empleados en medicina han hecho grandes contribuciones para mejorar el bienestar de los animales y el hombre.
  • 185.  La utilización de microorganismos en microbiología industrial y biotecnología sigue una secuencia lógica.  En primer lugar. es necesario identificar o crear unos microorganismos que realicen el proceso deseado de la forma más eficiente.  A continuación, estos microorganismos se utilizan en un ambiente adecuado, como un gran incubador (fermentador), o en un sistema complejo, como en el suelo o las aguas, para lograr los objetivos específicos.
  • 186.  El primer objetivo para un procesos microbiológico industrial es encontrar un microorganismo adecuado para su empleo en el proceso deseado.  Para ello, se pueden emplear varios procedimientos, que van desde el simple aislamiento del microorganismo en la naturaleza, hasta el empleo de sofisticadas técnicas moleculares para modificar un determinado microorganismo.
  • 187. NÚMERO TOTAL ESTIMADO DE ESPECIES CONOCIDAS DE DIFERENTES GRUPOS MICROBIANOS
  • 188. VALORES ESTIMADOS DEL PORCENTAJE DE MICROORGANISMOS «CULTIVADOS» PROCEDENTES DE VARIOS MEDIOS NATURALES
  • 189.  Una vez que se selecciona o crea el microorganismo deseado para ser utilizado con un propósito específico, el interés se centra en la conservación del mismo para su posterior empleo.  La transferencia periódica de cultivos a medios frescos se ha empleado en el pasado, aunque este método puede derivar en mutaciones y cambios fenotípicos en los microorganismos.
  • 190.  Para evitar estos problemas, pueden utilizarse diversas técnicas de conservación de cultivos para mantener las características deseadas del cultivo  Con frecuencia se. utilizan la liofilización o deshidratación por congelación, y el almacenamiento en nitrógeno líquido de los microorganismos.  Aunque estas dos técnicas son complicadas y requieren un equipo costoso, permiten almacenar los cultivos microbianos durante años sin que pierdan viabilidad ni acumulen mutaciones
  • 191. MÉTODOS EMPLEADOS PARA CONSERVAR CULTIVOS DE INTERÉS EN MICROBIOLOGÍA INDUSTRIAL Y BIOTECNOLOGÍA
  • 192.  En numerosos procesos industriales, los microorganismos deben multiplicarse utilizando medios específicamente diseñados y en condiciones cuidadosamente controladas, incluyendo la temperatura, aireación y adición de nutrientes durante el curso de la fermentación.  El crecimiento de microorganismos en tales condiciones controladas es costoso, y este enfoque únicamente se emplea cuando el producto deseado puede venderse con un gran beneficio.
  • 193.  Estos costes tan elevados derivan del cultivo del microorganismo en fermentadores a gran escala, del propio equipo. la preparación del medio, la purificación del producto y el empaquetado, y los esfuerzos de marketing .  Además, si es un producto para su uso para la salud animal o humana, se puede recurrir una inversión de millones de dólares.  Estos sistemas suelen patentarse para asegurar la recuperación de la inversión a largo plazo.
  • 194. FERMENTACIÓN: UN TERMINO CON MUCHOS SIGNIFICADOS
  • 195.  El medio utilizado para cultivar un microorganismo es decisivo. ya que puede afectar a la competitividad económica de un proceso concreto.  Como fuentes de carbono, nitrógeno y fósforo suelen emplearse materiales sin refinar de menor coste
  • 196.  A menudo, se utilizan hidrolizados vegetales crudos como fuente compleja de carbono, nitrógeno y factores de crecimiento.  Los productos de desecho procedentes de la industria de elaboración de bebidas se utilizan con frecuencia debido a su menor coste y a su mayor disponibilidad.  Otras fuentes de carbono útiles son las melazas y el suero procedente de la elaboración del queso
  • 197. PRINCIPALES COMPONENTES DE LOS MEDIO DE CULTIVO UTILIZADOS EN PROCESO INDUSTRIALES
  • 198.  Una vez que se desarrolla un medio. se debe definir el ambiente fisico para el funcionamiento microbiano en el sistema de cultivo masivo.  Esto suele conllevar un control preciso de la agitación. refrigeración, cambios de pH y oxigenación.
  • 199.  Pueden utilizarse búferes fosfato para controlar el pH al mismo tiempo que actúan como fuente de fosforo.  Las limitaciones de oxígeno pueden ser especialmente decisivas en los procesos de crecimiento aeróbicos
  • 200.  Es fundamental asegurarse de que estos factores físicos no limitan el crecimiento microbiano.  Esto es aún más crítico durante el incremento en escala (scaleup), en el que un procedimiento desarrollado con éxito en un pequeño matraz se modifica para usarlo en un fermentador de gran tamaño.
  • 201.  Es preciso conocer el microambiente del cultivo y mantener unas condiciones similares cerca de la célula individual a pesar del incremento del volumen del cultivo.  Si se consigue una transición con éxito desde un proceso originalmente desarrollado en un matraz Erlenmeyer de 250 mL a un reactor de 100,000 L, el incremento en escala se ha llevado a cabo correctamente.
  • 202.  El cultivo de microorganismos se realiza en tubos, matraces y fermentadores con agitación u otros sistemas de cultivo masivo.  El tamaño de los fermentadores con agitación puede variar entre 3 ó 4 y 100,000 o más litros, dependiendo de las necesidades de producción
  • 203. TAMAÑOS DE FERMENTADOR PARA DIVERSOS PROCESOS INDUSTRIALES
  • 204.  Todos los pasos necesarios en el crecimiento y en la recolección de los productos deben llevarse a cabo en condiciones de asepsia.  No sólo se debe esterilizar el medio, sino que la aireación. la regulación del pH, el muestreo y la vigilancia del proceso han de realizarse en condiciones estrictamente controladas.  En ciertos casos hay que añadir agentes para limitar la formación de espuma, sobre todo con medios de alto contenido proteico
  • 205.  Con frecuencia se utilizan ordenadores para controlar y determinar el rendimiento mediante sondas que determinan la biomasa microbiana. los niveles de los productos metabólicos críticos, el pH, la composición del gas de entrada y de salida, y otros parámetros.
  • 206.  Las condiciones ambientales pueden ser cambiadas o mantenerse constantes en el tiempo. dependiendo de los objetivos particulares del proceso.  Además del tradicional fermentador de agitación aeróbico o anaeróbico. se pueden emplear otros métodos para cultivar microorganismos.
  • 207.  Los productos microbianos a menudo se clasifican como metabolitos primarios y secundarios.  Los metabolitos primarios son compuestos relacionados con la síntesis de células microbianas en la fase activa de crecimiento.  Entre ellos se encuentran los aminoácidos, los nucleótidos y los productos finales de la fermentación como el etanol y los ácidos orgánicos
  • 208.  Los metabolitos secundarios suelen acumularse durante el período de limitación de nutrientes o de acumulación de productos de desecho que sigue a la fase de crecimiento activo.  Estos compuestos, no tienen relación directa con la síntesis de las estructuras celulares ni con el crecimiento normal.
  • 209.  El producto deseado puede formarse durante o después del crecimiento, dependiendo del organismo y del producto de que se trate.  Los metabolitos primarios se forman durante la fase de crecimiento activo, en tanto que los metabolitos secundarios se forman cuando el crecimiento ha finalizado.
  • 210. BIOPRODUCCIÓN DE COMBUSTIBLES  Los procesos bioquímicos utilizan las características bioquímicas de la biomasa y la acción metabólica de organismos microbiales para producir combustibles gaseosos y líquidos.  Son más apropiados para la conversión de biomasa húmeda que los procesos termo-químicos.
  • 211.  Los más importantes son:  Digestión anaeróbica: la digestión de biomasa humedecida por bacterias en un ambiente sin oxígeno (anaeróbico) produce un gas combustible llamado biogás.  En el proceso, se coloca la biomasa (generalmente desechos de animales) en un contenedor cerrado (el digestor) y allí se deja fermentar; después de unos días, dependiendo de la temperatura del ambiente, se habrá producido una mezcla de metano y dióxido de carbono.
  • 212.  La materia remanente dentro del digestor es un buen fertilizante orgánico. También se pueden utilizar aguas negras y mieles como materia prima, lo cual sirve, además, para tratar el agua.
  • 213.  Combustibles alcohólicos: de la biomasa se pueden producir combustibles líquidos como etanol y metanol.  El primero se produce por medio de la fermentación de azúcares y, el segundo por la destilación destructiva de madera.
  • 214.  Esta tecnología se ha utilizado durante siglos para la producción de licores y, más recientemente, para generar sustitutos de combustibles fósiles para transporte.  Estos combustibles se pueden utilizar en forma pura o mezclados con otros, para transporte o para la propulsión de máquinas.
  • 215.  Biodiesel: a diferencia del etanol, que es un alcohol, el biodiesel se compone de ácidos grasos y ésteres alcalinos, obtenidos de aceites vegetales, grasa animal y grasas recicladas.  A partir de un proceso llamado transesterificación, los aceites derivados orgánicamente se combinan con alcohol (etanol o metanol) y se alteran químicamente para formar ésteres grasos como el etil o metilo éster.
  • 216.  Estos pueden ser mezclados con diesel o usados directamente como combustibles en motores comunes.  El biodiesel es utilizado, típicamente, como aditivo del diesel en proporción del 20%, aunque otras cantidades también sirven, dependiendo del costo del combustible base y de los beneficios esperados. Su gran ventaja es reducir considerablemente las emisiones, el humo negro y el olor.
  • 217.  Gas de rellenos sanitarios: se puede producir un gas combustible de la fermentación de los desechos sólidos urbanos en los rellenos sanitarios.  Este es una mezcla de metano y dióxido de carbono.
  • 218.  La fermentación de los desechos y la producción de gas es un proceso natural y común en los rellenos sanitarios; sin embargo, generalmente este gas no es aprovechado.  Además de producir energía, su exploración y utilización reduce la contaminación y el riesgo de explosiones en estos lugares y disminuye la cantidad de gases de efecto invernadero.
  • 219.  La producción de biocombustibles tiene el potencial para reemplazar cantidades significativas de combustibles fósiles en muchas aplicaciones de transporte.  El uso extensivo de etanol en Brasil ha demostrado, durante más de 20 años, que los biocombustibles son técnicamente factibles a gran escala. En los EU y Europa su producción está incrementándose y se están comercializando mezclados con derivados del petróleo.
  • 220.  Por ejemplo, la mezcla denominada E20, constituida 20% de etanol y 80% de petróleo, resulta aplicable en la mayoría de motores de ignición.  Actualmente, este tipo de combustible es subsidiado por los gobiernos, pero, en el futuro, con el incremento en los cultivos energéticos y las economías de escala, la reducción de costos puede hacer competitiva su producción.
  • 221.  Este es el link para que descarguen las ultimas presentaciones sobre bioproducción:  http://www.slideshare.net/lobezno81/bioproduccion- exposiciones
  • 222. BIOPRODUCCIÓN DE COMPUESTOS PARA USO MÉDICO  Una de las principales aplicaciones que ha tenido la biotecnología durante las ultimas décadas se refiere a la producción de sustancias de uso medico, entre las que destacan la producción de antibióticos, esteroides, vacunas, alcaloides, agentes anticancerígenos y en los últimos años se han desarrollado nuevas técnicas como las terapias génicas
  • 223.  De los productos de origen microbiano de forma comercial, probablemente los antibióticos son los mas importantes.  Los antibióticos son sustancias químicas producidas por microorganismos que matan o inhiben el crecimiento de otros microorganismos.  El desarrollo de los antibióticos como agentes para el tratamiento de las enfermedades infecciosas ha sido sin duda, el que ha tenido mayor impacto en la practica de la medicina.
  • 224.  Aunque las compañías farmacéuticas actualmente realizan gran parte de la búsqueda y descubrimiento de nuevos medicamentos por modelización computarizada, la forma tradicional por la que se descubren nuevos antibióticos consiste en el rastreo (screening).  Con este tipo de aproximación se aísla de la naturaleza, en cultivo axénico (puro), un gran numero de posibles moos productores de antibióticos.
  • 225.  Muchos antibióticos son producidos por hongos principalmente actinomicetos del género Streptomyces, y hongos filamentosos y en algunos casos específicos por bacterias del grupo de los actinomicetos.  Un ejemplo mas claro de un antibiótico producido por medio un microorganismo, es la penicilina, producida por el hongo Penicillium chrysogenum
  • 226.  La penicilina constituye un ejemplo magnífico de una fermentación en la que se aplica el ajuste cuidadoso de la composición del medio para lograr producciones máximas.  La producción rápida de células, que puede ocurrir cuando se utilizan niveles elevados de glucosa como fuente de carbono, no conduce a las producciones máximas de antibiótico
  • 227.  El aporte del disacárido lactosa, lentamente hidrolizado, junto con una disponibilidad de nitrógeno limitada, estimulan una mayor acumulación de penicilina. ya que ésta se produce una vez que el crecimiento se ha detenido
  • 228.  La síntesis de penicilina comienza cuando el nitrógeno del amoniaco se hace limitante.  Una vez que la mayor parte de la lactosa ha sido degradado. se añade glucosa utilizando una cantidad baja de nitrógeno.  Estas adiciones estimulan al máximo la transformación de las fuentes de carbono en penicilina.
  • 229.  Si el objetivo es una penicilina concreta, se añade al medio el precursor específico. Por ejemplo. el ácido fenilacético se añade para potenciar al máximo la producción de bencilpenicilina, que tiene una cadena lateral bencilo.
  • 230.  El pH de la fermentación se mantiene próximo a la neutralidad mediante la adición de álcalis estériles, que aseguran la estabilidad máxima de la penicilina recién sintetizada.  Una vez que la fermentación se ha completado, normalmente a los 6 ó 7 días el caldo se separa del micelio fúngico y se procesa mediante absorción, precipitación y cristalización para producir el producto final.
  • 231.  Este producto básico pueden modificarse después mediante procedimientos químicos con el fin de producir diversas penicilinas semisintéticas.
  • 232.  Otro tipo de antibiótico producido mediante técnicas biotecnológicas es la estreptomicina, esta es un metabolito secundario producido por Streptomyces griseus.  Los cambios en las condiciones ambientales y en la disponibilidad del sustrato también influyen en la acumulación del producto final. En esta fermentación se utiliza un medio basado en semillas de soja con glucosa como fuente de carbono.
  • 233.  La fuente de nitrógeno se encuentra en una forma combinada (harina de soja), lo que lim.ita el crecimiento.  Los niveles de antibiótico en el cultivo comienza a aumentar tras el crecimiento activo en condiciones de limitación controlada de nitrógeno.
  • 234.  El campo en el desarrollo de antibióticos está en continua expansión. Actualmente. se han descrito 6000 antibióticos, 4000 de los cuales derivan de actinomicetos.  Cada año se descubren unos 300 nuevos antibióticos.
  • 235. ALGUNOS ANTIBIÓTICOS PRODUCIDOS COMERCIALMENTE
  • 236. BIOELIMINACIÓN DE HIDROCARBUROS  La biorremediación es una tecnología basada en la utilización de los microorganismos y su potencial degradador para eliminar los contaminantes del medio, mediante su transformación en productos inocuos como el CO2 y el H2O
  • 237.  Entre las ventajas que las tecnologías de biorremediación para el tratamiento de sitios contaminados presentan sobre los métodos fisicoquímicos tradicionales, se encuentran:  (i) disminución en costos de operación  (ii) los contaminantes son destruidos o transformados  (iii) normalmente no se requiere o se necesita un mínimo de tratamientos adicionales.
  • 238.  De entre todos los tipos de contaminantes, los hidrocarburos son los que han mostrado mejores resultados en la aplicación de la tecnología de la biorremediación
  • 239.  Dado que los productos petrolíferos son mezclas complejas de hidrocarburos y derivados, la biodegradación es selectiva ya que los microorganismos no degradan por igual las distintas familias de hidrocarburos  Después de una biorremediación pueden quedar concentraciones residuales de algunos hidrocarburos.
  • 240.  Cuando hablamos de biodegradación microbiana de hidrocarburos nos referimos al hecho de que los microorganismos pueden crecer a expensas de la utilización de estos compuestos químicos  El petróleo, debido a la existencia de filtraciones naturales, ha mantenido siempre contacto con la biosfera. Sin embargo, la magnitud de este fenómeno natural es pequeña si se compara con la cantidad de crudo extraído en las perforaciones petrolíferas, que se calcula en unos 2000 millones de toneladas anuales.
  • 241.  Por eso de la preocupación actual. Aún así podemos decir que los componentes del petróleo son biodegradables gracias a la acción de los microorganismos aunque su degradación es relativamente lenta.
  • 242.  El petróleo es una mezcla compleja de hidrocarburos alifáticos, alicíclicos y aromáticos. También contiene una menor proporción de compuestos que no son hidrocarburos como ácidos nafténicos, fenoles, tioles, compuestos heterocíclicos de nitrógeno, compuestos de azufre y metaloporfirinas.  Además cada tipo de crudo tiene varios cientos de componentes diferentes.
  • 243.  Estos sistemas de descontaminación se basan en la digestión de las sustancias orgánicas por los microorganismos, de la cual obtienen la fuente de carbono necesaria para el crecimiento de sus células y una fuente de energía para llevar a cabo todas las funciones metabólicas que necesitan sus células para su crecimiento. Para que estos procesos metabólicos se lleven a cabo, y puedan ser utilizados como una técnica remediativa, será necesario que existan en el medio unas condiciones fisico-químicas óptimas
  • 244. ¿QUÉ SE REQUIERE PARA QUE LOS MOOS LLEVEN A CABO UNA BIORREMEDIACION?  Cada técnica de biorremediacion precisa de unos parámetros de evaluación adecuados a cada uno, que deben encontrarse dentro de un intervalo óptimo para que la aplicación de dicha técnica sea factible y efectiva.  En general, se necesitará la existencia de determinadas poblaciones de microorganismos autóctonos capaces de utilizar los hidrocarburos como fuente nutricional y de energía.
  • 245.  A su vez, será necesario un determinado número de aceptores de electrones que enzimáticamente oxide los carbonos procedentes de los hidrocarburos, así como unas condiciones adecuadas de pH, nutrientes, temperatura, humedad, textura y estructura del suelo, y concentración de los contaminantes.
  • 246.  El diseño de estos sistemas de tratamiento se llevará a cabo estableciendo varias etapas de trabajo: –Investigación y caracterización de la contaminación y del emplazamiento – Análisis y elección de las medidas biocorrectivas – Evaluación de la efectividad del sistema elegido – Diseño y evaluación del sistema – Evaluación del control y seguimiento – Análisis e interpretación de resultados
  • 247. FACTORES QUE AFECTAN LA BIODEGRADACIÓN DE HIDROCARBUROS  Existen tres grupos de factores que condicionan o afectan la biodegradación microbiana de hidrocarburos, los relacionados con las características del producto petrolífero, los relacionados con el medio y los relacionados con los microorganismos presentes en el emplazamiento
  • 248.  Si bien los microorganismos pueden degradar una parte importante de un crudo de petróleo, tienen preferencias por algunos hidrocarburos.  Los crudos de petróleo están formados por cuatro familias de compuestos o fracciones: los hidrocarburos alifáticos, los hidrocarburos aromáticos, las resinas y los asfaltenos.  Los microorganismos degradan con facilidad los hidrocarburos lineales de la fracción alifática, especialmente los que contienen menos de 28 carbonos, aunque se han llegado a describir biodegradaciones de hidrocarburos de hasta 44 carbonos.
  • 249.  Respecto a los hidrocarburos aromáticos, a medida que aumenta el número de anillos y los sustituyentes alquilo, aumenta su resistencia a la biodegradación .
  • 250.  El medio donde se encuentra el contaminante debe proporcionar las mejores condiciones a los microorganismos para que su actividad metabólica sea la adecuada para degradar los hidrocarburos.  En el caso de los hidrocarburos, aunque existen microorganismos que pueden degradarlos anaeróbicamente, sabemos que el metabolismo más eficaz es el aeróbico por lo que la presencia de oxígeno será un requisito imprescindible. En el caso de la zona no saturada del suelo, una variable muy importante es la humedad que deberá encontrar un valor óptimo entre aquel que requieren los microorganismos para su metabolismo y el que permita una buena aireación.
  • 251.  Por lo que respecta a los factores relacionados con los microorganismos, se define el período de aclimatación como aquel tiempo que requieren las poblaciones microbianas presentes en un emplazamiento para empezar a degradar los contaminantes
  • 252. DEGRADACIÓN DE ALCANOS Y ALQUENOS  Los hidrocarburos alifáticos los podemos clasificar en alcanos, alquenos y alquilos dependiendo de lo saturados que estén sus enlaces. Como norma general decir que como mas insaturado sea una cadena carbonatada ( más dobles y triples enlaces) más difícil o lenta será su degradación.  Los alcanos de cadena larga son más resistentes a la biodegradación a medida que la longitud de su cadena aumenta.  En general también la presencia de ramificaciones reduce la tasa de biodegradación porque los átomos de carbono terciarios y cuaternarios interfieren con los mecanismos de degradación o lo bloquean totalmente.
  • 253.  Los microorganismos que utilizan hidrocarburos como sustrato deben de tener enzimas denominada monooxigenasas que son dependientes de oxigeno.  La mayoría de los microorganismos en teoría si son capaces de sobrevivir en ese ambiente pueden degradar sin mas problemas hidrocarburos de cadena larga.
  • 254. DEGRADACIÓN DE HIDROCARBUROS AROMÁTICOS  En el caso de los hidrocarburos aromáticos, el principal problema para degradarlos es romper este anillo aromático que pueden ser muy variados. Los microorganismos que utilizan estos compuestos aromáticos como fuente de carbono, lo que hacen es que en lugar de utilizar una enzima monooxigenasa específica para cada molécula diferente, utilizan unas vías bioquímicas llamadas vías altas o periféricas que consisten en modificar los diferentes anillos aromáticos. Esta segunda fase en la degradación seria lo que se conocería como vías bajas
  • 255. BIOSENSORES CONCEPTOS GENERALES  Los biosensores son instrumentos analíticos que transforman procesos biológicos en señales eléctricas u ópticas y permiten su cuantificación.
  • 256.  Desde que en el año 1962 surgió el primer concepto de biosensor (biosensor de glucosa) el campo de investigación sobre biosensores ha ido creciendo de una forma exponencial hasta convertirse en un área fundamental de trabajo
  • 257.  Utilizan la especificidad de los procesos biológicos:  Enzimas - Sustratos  Anticuerpos - Antígenos  Lectinas - Carbohidratos  Complementariedad de ácidos nucleicos.  Ventajas:  Reutilización  Menor manipulación  Menor tiempo de ensayo  Repetitividad  Tipos y usos mas comercializados: 1. Tiras colorimétricas 2. Electroquímicos:  Potenciométricos: Glucosa, Lactato, Glicerol, Alcohol, Lactosa, L-aminoácidos, Colesterol  Amperométricos: Glucosa, Sacarosa, Alcohol 3. Ópticos: BIAcore: Ag proteicos.
  • 258. ¿PARA QUE SE USAN?
  • 259. ¿CÓMO SE PRODUCE UN BIOSENSOR?
  • 260. 1. BIOSENSORES ELECTROQUÍMICOS  Amperométricos: Determinan corrientes eléctricas asociadas con los electrones involucrados en procesos redox  Potenciométricos: Usan electrodos selectivos para ciertos iones  Conductimétricos: Determinan cambios en la conductancia asociados con cambios en el ambiente iónico de las soluciones 2. BIOSENSORES TERMOMÉTRICOS 3. BIOSENSORES PIEZOELÉCTRICOS 4. BIOSENSORES ÓPTICOS  De onda evanescente  Resonancia de plasma superficial 5. BIOSENSORES CELULARES 6. INMUNOSENSORES
  • 261. EJEMPLOS DE BIOSENSORES CELULARES
  • 262.  El resto de los temas los pueden descargar de la siguiente liga:  http://www.slideshare.net/lobezno81/presentacione s-exposicion

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