INSTITUTO POLITECNICO NACIONALUNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINARIA DE BIOTECNOLOGA

Investigacin sobre propiedades y aplicaciones de la enzima: D Xilosa Comment by FolkenIneluki: Calificacin: 9.5Isomerasa.

Materia: Ingeniera Enzimtica.

Profesor: Csar A. Jimnez Sierra.

Grupo: 4BM1..

Equipo:Figueroa Romero Jorge LuisGordillo Alfonso Jos PabloPealoza Figueroa Mara VictoriaSosa Martnez Eduardo

Fecha de entrega: 04 de marzo del 2014

Enzima: Glucosa Isomerasa (D - Xilosa Isomerasa).Histricamente cuatro enzimas han sido llamadas glucosa isomerasa. El primer reporte de la actividad de una glusoca isomerasa apareci en 1937 en un artculo de Marshall y Kooi, mostrando que la D Xilosa Isomerasa de Pseudomona hydrofila, contrario a los reportes anteriores, podra convertir glucosa en fructosa. Adems, Mrashall y Kooi indicaron que cuando el arseniato fue usado en la isomerizacin, fue observada mayor eficiente la conversin de glucosa a fructosa. La produccin de la Xilosa Isomerasa fue absolutamente dependiente de la presencia de una fuente de Xilosa en el medio de crecimiento del microorganismo que la producira. Tambin se describi el pH y la temperatura ptima de funcionamiento, los cuales fueron un pH de 8.5 y una temperatura que oscilaba entre 42 43 C. La importancia de la D Xilosa Isomerasa radica en que es una enzima termoestable ya que el rango de temperaturas en las que puede funcionar es desde los 43 hasta los 65 C, y adems la reaccin de isomerizacin de glucosa a fructosa no requiere molculas energticas como ATP o NAD+, lo cual hace que esta enzima sea rentable para su comercializacin y produccin. Su peso molecular ronda entre los 165,000 a 191,000 Da, y as mismo tiene requerimientos de iones metlicos como Co+2, Mn+2, Mg+2, o bien Cr+2. La reaccin que cataliza esta enzima como se ha mencionado anteriormente es la conversin de D - glucosa a D fructosa, como muestra la siguiente figura:

Clasificacin.E.C. 5.3.1.5.5 Isomerasas.5.3 Isomerasas intromoleculares.5.3.1 Interconversin de aldosas y cetosas.5.3.1 Xilosa Isomerasa.Nombre aceptado:Xilosa Isomerasa.Nombre sistemtico:D-Xilosa aldosa-cetosa-isomerasa.Otros nombres:D-Xylosa Isomerasa;D-xylose Cetoisomerasa;D-Xylosa Cetol-isomerasa.

Aplicaciones de la enzima D Xilosa Isomerasa.La D - Xilosa isomerasa es capaz de isomerizar D - glucosa a D - fructosa, y su uso principal se encuentra en la elaboracin de jarabe rico en alta fructosa. El jarabe rico en alta fructosa es una clase de almidn de azcar en forma de lquido claro con un contenido de fructosa de aproximadamente 50%. La fructosa de alta concentracin es producida a travs de un tratamiento bioqumico para el almidn, y se le considera una mezcla de fructosa y glucosa, de sabor dulce incoloro y en estado lquido. El jarabe rico en alta fructosa es usado ampliamente como un edulcorante nutritivo en bebidas, postres, mermeladas, etc. Contribuye por sus atributos funcionales y fsicos en aplicaciones de alimentos y bebidas, como potenciador de sabor, para desarrollo de color y sabor, disminucin del punto de congelacin y estabilidad osmtica. Comment by FolkenIneluki: Producido a partir deLas materias primas ms comunes utilizadas para la produccin de dicho jarabe es el almidn de maz fabricado por el proceso de molienda hmeda, o bien la yuca, el trigo o el arroz, y su produccin est compuesto por 3 procesos principales: 1. Licuefaccin del almidn por la alfa-amilasa.2. Sacarificacin del almidn por la accin combinada de amiloglucosidasa y una enzima desramificante.3. La isomerizacin de la glucosa por la enzima D- Xilosa Isomerasa.La industria de los jarabes de fructosa tom gran fuerza debido a que tienen una capacidad edulcorante 30% mayor que la sacarosa, 2.5 veces mayor que la glucosa y es 2 veces ms soluble que sta. Se estima que en el 2008 la produccin anual de jarabe de alta fructosa fue de 500 millones de toneladas anuales a nivel mundial.

Otra aplicacin de esta enzima es la produccin de etanol, ya que la D Xilosa Isomerasa cataliza la isomerizacin de tanto la glucosa como de la xilosa. Esta propiedad de la enzima es usada en la isomerizacin de xilosa a xilulosa, la cual puede ser al final fermentada a etanol por levaduras. La bioconversin de biomasa renovable a azcares fermentables y etanol es importante en el rpido reemplazo de esta fuente de energa por lo combustibles fsiles. La biomasa para produccin de etanol consiste en celulosa (40%), hemicelulosa (30%) y lignina (30 %). La viabilidad de esta aplicacin radica en que la biomasa pueda ser hidrolizada de celulosa o hemicelulosa a glucosa y xilosa y su subsecuente fermentacin a etanol. Pero el inconveniente de este mtodo es que muchos microorganismo pueden fermentar xilosa en etanol, pero su poca tolerancia al etanol los hace malos productores, o bien microorganismos que pueden fermentar y tolerar bien el etanol, no pueden fermentar xilosa. En la industria de los biocombustibles, tenemos como ejemplo a Zymomonas mobilis en la produccin de etanol a partir de biomasa, el cual puede fermentar glucosa, fructosa y sacarosa, pero xilosa y arabinosa no. Por ello se han realizado diversos trabajos para lograr que este microorganismo pueda fermentar azcares como xilosa y arabinosa mediante la introduccin y expresin de cuatro genes de Escherichia coli: xilosa isomerasa (xylA), xilulosa cinasa (xylB), transcetolasa (tktA) y transaldolasa (talB), logrando la obtencin de la cepa modificada Z. mobilis (pZB5) capaz de fermentar xilosa y producir etanol con un rendimiento del 86%. Las enzimas xilosa isomerasa y xilulosa cinasa convierten a la xilosa en xilulosa-5-fosfato, intermediario en la va de las pentosas fosfato, y posteriormente la transcetolasa y la transaldolasa convierten a la xilulosa-5-fosfato en intermediarios de la va ED (ruta delceto-desoxi-fosfogluconato).Comment by FolkenIneluki: Preparacin de materias primas paraComment by FolkenIneluki: Al revs

Por ltimo tenemos una aplicacin mdica, en la cual esta enzima se utiliza para tratar los niveles altos de grasa en la sangre, debido a que la fructosa, excesiva en los alimentos actuales no puede ser descompuesta por el organismo y es absorbida por l en el intestino delgado, puede conllevar niveles altos de grasa en la sangre. Para transformar esa fructosa excesiva en glucosa el cuerpo precisa la enzima xilosa isomerasa. Algunos medicamentos en forma de cpsulas entregan al organismo precisamente esa enzima y puede con ello transformar la fructosa excesiva de los alimentos en el intestino delgado en glucosa, que es absorbida como nutriente primario.

Fuente de obtencin de la D Xilosa Isomerasa.

La obtencin de D - Xilosa Isomerasa es a partir de microorganismos que sean capaces de cecer en un medio con xilosa. Muchos organismos comerciales producen glucosa isomerasa intracelularmente. La enzima puede ser recuperada de dos formas: recuperada del organismo con la enzima atrapada en la masa celular; y la recuperacin de la enzima en la forma soluble despus de la lisis de las clulas. Hoy en da muchas cepas de microorganismos son usadas comercialmente y no requieren D-xilosa como un inductor. U.S. Patente 3,645,848 da a conocer que la cepas NRRL B-3726, NRRL B-3737, y NRRL B-3728 de las especies de Arthrobacter son capaces de producir isomerasa utilizando glucosa en vez de D-xilosa como la nica fuente de carbohidrato en el medio. Estas enzimas han mostrado ser D-xilosa isomerasas en vez de fosfoglucosa isomerasas como el producto de conversin aldosa-cetosa en ausencia de arseniato. Otro organismo capaz de producir glucosa isomerasa en ausencia de D-xilosa incluye al gnero Actinoplanes, la cepa mutante del inusual B. coagulans y S. olivochromogenes.

Algunos otros organismos productores de esta enzima se muestran en la siguiente tabla:Gnero.Especie.

Streptomyces.bobilai, flavovirens, echinatus, achromogenes, phaeochromogenes, fradiae, roseochromogenes, olivaceus, californicas, venuceus, virginal, olivochromogenes, venezulae, wedmorensis, griseoleus, glaucescens, bikiniensis, albus, rubiginosus.

LactibacillusBrevis, manniftopocus, pentoaceticus, gayonii, plantarum.

Brevibacteriumpentoso aminoacidicum, imperiale, incertum

PseudomonasHydrophila

LeuconostocMesenteroides

AerobacterAerorigenes, levanicum

BacillusCoagulans, stearothermophilis

EscherichiaColi

AspergillusOryzae

Mycobacteriumsp.

Nocardiaasteroides, dassonvellei, corallia

MicroellobosporaFlavea

Arthbactersp.

ActinoplanesMissouriensis

Thermopolysporasp.

Pseudonocardiasp.

Streptosporangiumalbus, vulgare

Curtobacteriumsp.

FlavobacteriumDevorans

Modificaciones Pos-traduccionales de la enzima Xilosa Isomerasa.La estructura de la D Xilosa Isomerasa tiene la siguiente estructura:

Estructura de la D - Xilosa Isomerasa a 0.86 Angstrom.Comment by FolkenIneluki: Figura 2.

Las protenas pueden sufrir numerosas modificaciones qumicas en su estructura que tienen importantes efectos moduladores y pueden conllevar el "encendido" o "apagado" de su funcin biolgica, alterar su localizacin celular, su capacidad para interaccionar con otras protenas o determinar que la protena debe ser degradada.Estas modificaciones que ocurren en las protenas una vez sintetizadas se denominan modificaciones postraduccionales y pueden tener lugar mediante mecanismos enzimticos o no enzimticos. La naturaleza de estas modificaciones puede ser muy variada. Las protenas pueden sufrir oxidaciones, glicosilaciones o unin de azcares, acetilaciones, roturas de su cadena o protelisis, unin de molculas lipdicas, fosforilaciones, unin covalente de otras protenas pequeas como la ubiquitina, etc. En la D Xilosa Isomerasa se encontraron las siguientes modificaciones postraduccionales:

M)J)I)H)G)F)E)L)K)D)C)B)A)A) Aminocido 36.B) Aminocido 58.C) Aminocido 71.D) Aminocido 36.E) Aminocido 163.F) Aminocido 181.G) Aminocido 208.H) Aminocido 212.I) Aminocido 217.J) Aminocido 220.K) Aminocido 245.L) Aminocido 257.M) Aminocido 387.

Mg+2 (In magnesio) - No. De Aminocido 36, 58, 71, 163, 208, 212. Mn+2 (In manganeso) - No. De Aminocido 181, 245. -0H (Grupo hidroxilo) 217, 220, 257, 287.Otra plataforma que se propone para la enzima.La plataforma que proponemos es poder obtener una levadura que fermente no slo glucosa o sacarosa, sino tambin xilosa para la produccin de etanol a partir de biomasa vegetal, ya que es necesario que tal biomasa sea pretratada para formar una mezcla de azcares simples (monosacridos), esto a travs de levaduras cmo Candida utilis o Saccharomyces cerevisae. Usaramos la levadura Saccharomyces cerevisiaees el microorganismo que generalmente se usa para el proceso de fermentacin, a travs del cual los azcares son convertidos en etanol. Pero existe el problema es que esta levadura slo puede usar la glucosa de esta mezcla para hacer etanol, mientras que otros azcares, como la xilosa, no pueden ser aprovechados en el proceso. Por ello se propondra introducir genes en la levadura que le permitan convertir la xilosa en glucosa, por ejemplo incorporar en la levadura el gen de la enzima xilosa isomerasa de la bacteriaClostridium phytofermentansen S. cerevisiae; as la levadura puede aprovechar tambin la xilosa, mejorando el rendimiento del proceso de produccin de etanol a partir de fuentes celulsicas. Ejemplo de ello se tiene en el Instituto de Biociencias Moleculares de la Universidad de Frankfurt, donde un grupo de investigadores estudian esta posibilidad.Comment by FolkenIneluki: Y cmo se degradaran la celulosa y lignina para liberarla?Bibliografa. Protein Data Bank. D - Xilosa Isomerasa a 0.86 Angstrom. Revisado el 01 de marzo del 2014 de http://www.rcsb.org/pdb/explore/explore.do?structureId=1MUW. Consejo Argentino para la Informacin y el Desarrollo de la Biotecnologa. Levaduras que fermentan xilosa. Revisado el 01 de marzo del 2014 de http://www.argenbio.org/index.php?action=notas&note=4591.