Modelación de la inactivación/reactivación enzimática sobre una

Modelación de la inactivación/reactivación enzimática sobre
una base mecanística
Valeria Miranda, Lorena Wilson, Andrés Illanes
Pontificia Universidad Católica de Valparaíso
Escuela de Ingeniería Bioquímica
Avenida Brasil 2147, Valparaíso, fono:56-32-2272642, [email protected]
La teoría de inactivación enzimática ha sido ampliamente estudiada; sin embargo, existe
una serie de aspectos que no han sido considerados, siendo un ejemplo de lo anterior la
heterogeneidad del sistema enzimático. Por otra parte, se ha demostrado que los
biocatalizadores son capaces de recuperar parte de su actividad catalítica luego de haber
sido operacionalmente inactivados, proceso conocido como reactivación enzimática.
La inactivación enzimática es un proceso que puede ser revertido mediante el retiro del
agente inactivante y su posterior incubación en un medio que promueva el replegamiento
de la proteína enzimática y, como consecuencia, su reactivación. Considerando que el
fenómeno de inactivación puede ser representado por un mecanismo en serie, la enzima
inicialmente activa y estructuralmente homogénea, luego de la primera etapa de
inactivación habrá perdido tal homogeneidad y existirá como una mezcla de especies
enzimáticas con diferentes actividades específicas, lo que se reflejará en un decaimiento de
su actividad catalítica. Durante la posterior reactivación, la enzima recuperará parte o la
totalidad de su actividad, debido a la redistribución de las especies enzimáticas, viéndose en
este caso favorecidas las especies con mayor actividad específica, completándose así el
primer ciclo de inactivación/reactivación. Si se realiza otra etapa de inactivación (segundo
ciclo), se considerará como punto de partida las condiciones finales de la etapa anterior y
así sucesivamente, durante los sucesivos ciclos de inactivación reactivación a que se someta
el biocatalizador. Las suposiciones realizadas para el desarrollo del modelo son que el
sistema enzimático es inicialmente homogéneo y que la especie inicial nativa no es
susceptible de transitar a una especie de mayor actividad específica.
El siguiente esquema muestra el mecanismo planteado para la inactivación y reactivación
enzimática en serie bifásica:
Inactivación:
Reactivación:
Se plantearon mecanismos monofásicos (reversible e irreversible) y bifásicos
(irreversible, con primer paso reversible y segundo paso reversible) tanto para las etapas de
inactivación como de reactivación. El planteamiento matemático da origen a un sistema de
ecuaciones diferenciales de primer orden que incorpora en las condiciones iniciales la
condición de heterogeneidad que se produce a contar de la etapa de reactivación del primer
ciclo, obteniéndose una solución analítica. Se modeló el comportamiento de
biocatalizadores enzimáticos de penicilina G acilasa inmovilizada en quitosano y glioxil
agarosa, obteniéndose en ambos casos un buen ajuste a los resultados experimentales,
donde el modelo desarrollado ha sido experimentalmente validado para estos dos
biocatalizadores. Es importante destacar que los modelos han sido desarrollados sobre una
base mecanística, siendo de utilidad para evaluar el comportamiento de reactores
enzimáticos operando por lotes sucesivos con y sin etapas intermedias de reactivación, de
modo de evaluar la conveniencia de emplear dichas etapas de reactivación desde la
perspectiva de la productividad del sistema y tiempo de recambio del biocatalizador.
Agradecimientos: Proyecto financiado por proyecto Fondecyt # 1070361.