Efecto de la temperatura en la velocidad de reacción

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Planta Piloto de Fermentaciones
Departamento de Biotecnología
Efecto de la temperatura en la velocidad de reacción
Sergio Huerta Ochoa
UAM-Iztapalapa
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Departamento de Biotecnología
Termodinámica
El estudio de la trasformación de la energía como una regla general en todos los
sistemas fisico-químicos incluyendo los biológicos.
Energía libre:
Es la energía para realizar trabajo; frecuentemente representada por el símbolo G
(Energía libre de Gibb’)
Primera ley de la termodinámica:
La transformación de la energía no crea o destruye energía, resulta simplemente
una interconversión de una forma a otra
Segunda ley de la termodinámica:
Toda transformación de energía resulta en un incremento en desorden; la entropía
es un término el cual es una medida de la extensión del desorden en un sistema
Así, la segunda ley puede ser re-escrita diciendo que toda transformación de
energía resulta en un incremento de entropía en el sistema
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• El concepto de energía libre provee un criterio para medir
la espontaneidad de un sistema.
• Energía libre es la porción de energía del sistema que es
capaz de realizar trabajo cuando la temperatura es
uniforme a través del sistema.
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• La energía libre (G) en un sistema está
relacionada a la energía total (H) y a su entropía
(S) por esta relación:
G = H - TS, donde T es la temperatura en grados
Kelvin.
Incrementos en temperatura amplifican el término de
entropía.
No toda la energía en un sistema está disponible para
trabajo porque el componente de entropía (TS) debe
ser sustraido de la capacidad máxima (H).
Lo que permanece es energía libre (G).
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Aplicando las dos leyes para ver si las reacciones son espontáneas o no
A+ B ⇒ C + D
Gi
Si
Gf
Sf
Donde: Gi y Gf son las energías libres del estado inicial (i) y final (f)
∆G = Gf – Gi
y
Si y Sf son las entropias del estado inicial (i) y final (f)
∆S = Sf - Si
Reacción exergónca (espontánea)
∆G < 0 (negativa) y
∆S > 0 (positiva)
Reacción endergónica (no espontánea)
∆G > 0 (positiva)
y
∆S < 0 (negativa)
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Las reacciones químicas pueden clasificarse como exergónicas o
endergónicas basadas en la energía libre.
• Una reacción exergónica procede con una liberación neta
de energía libre y ∆G es negativa.
Alta energía
de reactantes
Baja energía
de productos
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• Una reacción endergónica es una que absorbe energía libre de
sus alrededores.
Las reacciones Endergónicas almacenan energía,
∆G es positiva, y
Las reacciones no
son espontáneas.
Alta energía de
productos
Baja energía de
reactantes
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• Energía de activación (EA) es la cantidad de energía
necesaria para empujar a los reactantes sobre una
barrera de energía.
En el pico las moléculas
están en un punto inestable,
el estado de transcisión
∆G es todavía
sólo la diferencia
entre sustratos y productos
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Sin enzima
Con enzima
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• Velocidad de reacción enzimática disminuyendo EA
– El estado de transcisión puede ser alcanzado aún a
temperaturas moderadas.
• Las enzimas no cambian ∆G
Aumentan la velocidad de reacción que podría ocurrir eventualmente
Debido a que las enzimas
son tan selectivas,
ellas determinan
cual proceso químico
ocurrirá en cualquier
momento
Usualmente muy
específicas al sustrato y
tipo de enlace
actuán y reaccionan
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Energía de las
reacciones
exergónicas
Hydrolysis
Dehydration
synthesis
El ciclo del ATP
Energía para
las reacciones
endergónicas
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La temperatura tiene un gran impacto sobre la tasa de reacción
– Incrementos de temperatura, incrementan las coalisiones entre moléculas
– Sin embargo, en algún punto incrementos en temperatura inician la ruptura de enlaces
débiles que estabilizan la conformación activa de la proteína y la proteína se
desnaturaliza
– Cada enzima tiene una temperatura óptima
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Cálculo de energía de activación
Energía de activación es la cantidad
de energía necesaria para empujar a
los reactantes sobre una barrera de
energía
Ecuación de Arrhenius
k cat = Ae
−
Ea
RT
Ea = energía de activación
R = constante de la ley de los gases
A = factor de frecuencia
T = temperatura absoluta
ln k cat = ln A −
Ea 1
R T
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Ho-Shing Wu, Ming-Ju Tsai. 2004. Kinetics of
tributyrin hydrolysis by lipase. Enzyme and
Microbial Technology 35: 488–493.
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Desactivación enzimática
Sergio Huerta Ochoa
UAM-Iztapalapa
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Mecanismo de inactivación enzimática a 100ºC
(Ahern y Klibanov, 1985)
El proceso de inactivación irreversible de lisosima de
huevo de gallina a 100 ºC incluye:
• deamidación de residuos de Asparagina
• hidrólisis de enlaces peptídicos de residuos de
ácido aspártico
• destrucción de enlaces disulfuro
• y formación de estructuras incorrectas
Nota: Su contribución relativa depende del pH
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Mecanismos de inactivación térmica irreversible de α-amilasas de Bacillus
(Tomazic y Klibanov, 1988)
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Mecanismos de inactivación térmica irreversible de α-amilasas de Bacillus
(Tomazic y Klibanov, 1988)
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¿Por qué es una enzima α-amilasa de Bacillus más resistente
contra la termoinactivación irreversible que otras?
(Tomazic y Klibanov, 1988)
La estabilización se alcanza bajando la tasa de desarreglo
conformacional monomolecular, la cual es la causa de
termoinactivación irreversible
Otro proceso es la deamidación de residuos de Asparagina
(Asn)/Glutamina(Gln)
Se encontró que la extra termoestabilidad de la enzima termofílica se
debió principalmente a puentes salinos adicionales en algunos
residuos de lisina específicos
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Alteraciones en la estructura de proteínas que
causan su inactivación irreversible
(Volkin y Klibanov, 1987)
Reacciones químicas que contribuyen a la termo-inactivación de las
enzimas:
•
•
•
•
•
destrucción de cisteína
intercambio de disulfuros tiol-catalizados
oxidación de residuos de cisteína
deamidación de residuos de asparagina y glutamina
e hidrólisis de enlaces peptídicos en residuos de ácido aspártico
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Alteraciones en la estructura de proteínas que causan su
inactivación irreversible
(Volkin y Klibanov, 1987)
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Alteraciones en la estructura de proteínas que causan su inactivación
irreversible
(Volkin y Klibanov, 1987)
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Diseño de reactores enzimáticos bajo
condiciones de inactivación térmica
(Illanes y Wilson, 2004)
El carácter lábil de las enzimas como biocatalizadores de proceso,
hacen que el fenómeno de inactivación térmica durante la operación
del reactor sea de gran relevancia tecnológica en biocatálisis.
Por lo tanto, el diseño de reactores debe necesariamente considerar
dicho efecto
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Modelo Cinético
Balance Materia
v = f(E,X)
Restricciones
Modelo Inactivación
Difusionales
E = f(t,T)
η = f(s0, φ)
Modelo de Comportamiento
k ⋅ E( t )
η
= f(si , X )
F⋅K
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Inactivación térmica monofásica de
primer orden
(Illanes y Wilson, 2004)
de
= kD ⋅ e
dt
e = e0 exp(- k D ⋅ t)
E
kD
E*
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Simulación de la operación de un reactor por lotes bajo distintos escenarios de estabilidad del
biocatalizador. La cinética de reacción es del tipo Michaelis-Menten con Cs,i/KM=10. La cantidad
de enzima en el reactor fue calculada para obtener un 90% al cabo de 10 horas en el escenario
KD=0.
(Illanes y Wilson, 2004)
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Mecanismo Tipo Serie Bifásico
k1
E
e
= A' +
e0
k2
E1
E2

 Ak 1 − A ' k 2 
Ak 1 − A ' k 2 
(
)
1
+
⋅
exp
−
k
⋅
t
−
⋅ exp (- k 2 ⋅ t )
1




k 2 − k1 

 k 2 − k1 


e
k1 
k1 
= 1 + A ⋅
⋅
exp
(
−
k
⋅
t
)
−
A
⋅
⋅ exp (- k 2 ⋅ t )
1



e0 
k 2 − k1 
k 2 − k1 

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Inmovilización en un sitio específico y aleatorio
reflejado en las cinéticas de inactivación térmica
(Mansfeld y Ulbrich-Hofmann, 2000)
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(Mansfeld y Ulbrich-Hofmann, 2000)
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0
200
400
600
800
1000
1200
1400
Tiempo (horas)
Cinética de inactivación de lactasa inmovilizada en quitina en buffer de fosfatos 0.1 M a
diferentes temperaturas. Las líneas contínuas representan los datos calculados con un modelo
de inactivación tipo serie bifásico
(Illanes y Wilson, 2004)
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Mecanismo Paralelo Dos Especies
E1
E2
k1
k2
E1*
E2*
e
= A ⋅ exp(-k1 ⋅ t ) + A'⋅exp(-k 2 ⋅ t )
e0
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