Modulo Biotecnologia Alimentaria A

UNIVERSIDADNACIONALABIE UNIVERSIDADNACIONALABIERTAYADISTAN RTAYADISTANCIA–UNAD CIA–UNAD ESCUELADECIENCIASBASICASTECNOLOGÍAEINGENIERÍAECBTI CONTENIDODIDÁCTICODELCUSO: 211619–BIOTECNOLOGÍAALIMENTARIA

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BASICAS TECNOLOGIA E INGENIERIA (ECBTI) PROGRAMA DE INGENIERIA DE ALIMENTOS

211619 – BIOTECNOLOGIA ALIMENTARIA

GLAEHTER YHON FLOREZ GUZMAN (Director Nacional)

FEDRA LORENA Acreditador

BOGOTA Enero 2013


ASPECTOS DE PROPIEDAD INTELECTUAL Y VERSIONAMIENTO

El presente módulo fue diseñado en el año 2012 por el Ing. Glaehter Yhon Florez Guzman, docente de la UNAD, perteneciente al CEAD José Acevedo y Gómez de Bogotá, el Ing. Glaehter es Ingeniero de Alimentos (I,A), Maestria en Microbiología (MSc) y candidato a doctor en Biotecnología (cPhD), con enfasis en tecnología enzimática (extracción, purificación y caracterización de proteínas), proteómica, bioprocésos (producción y obtención de materias primas y productos biotecnológicos por fermentación); se ha desempeñado como tutor de la UNAD desde febrero del 2001 hasta la actualidad.


ASPECTOS DE PROPIEDAD INTELECTUAL Y VERSIONAMIENTO

El presente módulo fue diseñado en el año 2012 por el Ing. Glaehter Yhon Florez Guzman, docente de la UNAD, perteneciente al CEAD José Acevedo y Gómez de Bogotá, el Ing. Glaehter es Ingeniero de Alimentos (I,A), Maestria en Microbiología (MSc) y candidato a doctor en Biotecnología (cPhD), con enfasis en tecnología enzimática (extracción, purificación y caracterización de proteínas), proteómica, bioprocésos (producción y obtención de materias primas y productos biotecnológicos por fermentación); se ha desempeñado como tutor de la UNAD desde febrero del 2001 hasta la actualidad.


INTRODUCCIÓN

La Biotecnología se puede definir como el desarrollo y producción racional de recursos biológicos destinados a solucionar necesidades específicas de la sociedad. Por ser multisectorial, la biotecnología alimentaria trabaja para el continuo desarrollo de alternativas en seguridad y calidad de los recursos alimentarios del mundo. En el convenio sobre diversidad biológica suscrito en Río de Janeiro hace 20 años (Junio de 1992), los cinco países miembros de la comunidad Andina entre ellos Colombia, establecieron la definición de biotecnología, como “toda aplicación tecnológica que utilice sistemas biológicos u organismos vivos, parte de ellos o sus derivados, para la creación o modificación de productos o procesos para usos específicos”. En este marco conceptual, la aplicación de la Biotecnología requiere una participación conjunta y directa de diversas ciencias básicas y aplicadas; difícilmente un concepto puede reunir tal conjugación de elementos, convirtiéndose en multidisciplinaría. Aparte de sus múltiples herramientas, lo que brinda un mayor alcance e importancia es el amplio espectro de aplicaciones en todos los campos, para solucionar problemas con una alta calidad. Al igual que la revolución informática, la biotecnología nos presenta una amplia gama de cambios futuros que estarán presentes en cada una de las cosas con las que relacionemos nuestras vidas; investigación básica, aplicaciones agrícolas, obtención de productos terapéuticos, sistemas de diagnósticos moleculares, biorremediación y alimentos La ventaja de Colombia frente a otros países desarrollados técnicamente radica en su infinita biodiversidad, como fuente prolífica y virgen de recursos genéticos. Una de estas aplicaciones biotecnológicas son los usos industriales, específicamente en alimentos.

UNIVERSIDADNACIONALABIERTAYADISTANCIA–UNAD ESCUELADECIENCIASBASICASTECNOLOGÍAEINGENIERÍAECBTI CONTENIDODIDÁCTICODELCUSO: 211619–BIOTECNOLOGÍAALIMENTARIA

INDICE DE CONTENIDO

UNIDAD 1: GENERALIDADES DE LA BIOTECNOLOGIA ALIMENTARIA . Capitulo 1. Contextualización Lección 1. Definición de biotecnología alimentaria Lección 2. División y tipos de Biotecnología alimentaria Lección 3. Antecedentes históricos Lección 4. Investigación, tecnología y producción Lección 5. Desarrollo de la Biotecnología alimentaria en el contexto nacional Bibliografia

Página 9 10 11 38 39 40

Capitulo 2. Bioprospección y Bionegocios Lección 6. Definicion de Bionegocios y bioprospección Lección 7. Vigilancia tecnológica Lección 8. Bionegocios: Modelo biotecnológico típico Lección 9. Areas biotecnológicas alimentarias con alto potencial en inversión Lección 10. Perspectivas de mercado Bibliografia

42 44 45 46 49 57

Capitulo 3. Normatividad Lección 11. Definición Lección 12. Antecedentes históricos de la normatividad en Colombia Lección 13. Clases y modelos de normatividad Lección 14. Normatividad Colombiana relacionada a la biotecnología Lección 15. Entidades ejecutoras Bibliografia

59 60 62 63 70 72

UNIDAD 2. INGENIERIA GENÉTICA Y TECNOLOGÍA ENZIMÁTICA EN LA BIOTECNOLOGIA ALIMENTARIA Capitulo 4. Ingeniería Genética Lección 16. Propiedades y características del material genético Lección 17. Replicación, trascripción y traducción en procariotas y eucariotas

73 75


Lección 18. Técnicas en biología molecular Bibliografia

88 92

Capitulo 5. Tecnología Enzimática Lección 19. Nomenclatura y clasificación Lección 20. Extracción, purificación y caracterización de proteínas Lección 21. Cinética enzimática Lección 22. Inmovilización Lección 23. Enzimas industriales, usos frecuentes y mercado Bibliografia

94 103 125 128 130 135

UNIDAD 3. TENDENCIAS EN LA INDUSTRIA ALIMENTARIA BIOTECNOLOGICA Capitulo 6. Alimentos Funcionales Lección 24. Definición Lección 25. Normatividad Lección 26. Clases y tipos de alimentos funcionales Lección 27. Mercadeo y comercialización Lección 28. Perspectivas y tendencias Bibliografia

136 139 143 147 152 156

Capitulo 7. Propensiones de Interés Industrial Lección 29. Biopolímeros Lección 30. Ácidos grasos Omegas Lección 31. Microorganismos Probióticos Lección 32. Prebióticos Bibliografia

157 161 165 170 177


LISTADO DE TABLAS

Página Tabla 1

Compendio sobre diversos acontecimientos históricos, relevantes a la biotecnología alimentaria.

26

Tabla 2

Definiciones de bioprospección

42

Tabla 3

Eventos en Colombia relacionados con productos genéticamente modificados

48

Tabla 4

Los cultivos transgénicos en el mundo

51

Tabla 5

Estimación de las ventas anuales de la industria biotecnológica (áreas diferentes a la farmacéutica y agricultura)

54

Tabla 6 Tabla 7

Antecedentes regulatorios importantes del Estatuto de Bioseguridad para Colombia Alimentos derivados de OGM (organismos genéticamente modificados) aprobados por el Invima

59 64

Tabla 8

Siembras controladas de algunos productos utilizados en Colombia

65

Tabla 9

Resumen normatividad Biotecnológica en Colombia

67

Tabla 10

Subclases de los diversos tipos de enzimas.

94

Tabla 11

Nomenclatura de aminoácidos

97

Tabla 12

Concentración de azucares reductores totales, producto de la reacción enzimática de la invertasa de Aspergillus niger .

100

Tabla 13

Métodos y principios de ruptura celular

105

Tabla 14

Purification de levanasa de B. suptilis producida en E. coli.

111

Tabla 15

Resultados de la purification de levanasa de B. suptilis producida en E. coli

113

Tabla 16

Sulfato de amonio requerido para la precipitación de una proteína.

118

Tabla 17

Soluciones de sulfato de amonio saturado a varias temperaturas

119

Tabla 18

Constantes dieléctricas o permitividad relativa de solventes orgánicos

119

Tabla 19

Parámetros para el análisis e identificación de enzimas

120


Tabla 20

Variación de la actividad enzimática con respecto a la concentración de sustrato de dos enzimas invertasa

121

Tabla 21

Enzimas industriales y sus aplicaciones en la industria de alimentos.

126

Tabla 22

Hechos históricos relacionados con la evalución de alimentos funcionales.

133

Tabla 23

Reglamentación mas destacada sobre alimentos funcionales en Europa

135

Tabla 24

Clases y tipos de alimentos funcionales

138

Tabla 25

Productos FOSHU aprobados y sus principales Ingredientes

140

Tabla 26

Algunos alimentos naturales con propiedades funcionales

141

Tabla 27

Lanzamientos a nivel mundial asociados al aumento en la concentración de un componente, beneficios para la salud, eliminacion o disminucion de restrictores de consumo.

142

Tabla 28

Algunas compañias líderes en el mundo relacionadas a la producción de alimentos funcionales

146

Tabla 29

Aplicaciones de algunos biopolímeros en la industria de alimentos

164

Tabla 30

Evidencias y beneficios acidos grasos omega 3

167

Tabla 31

Evidencias y beneficios acidos grasos omega 9

168

Tabla 32

Principales microorganismos probióticos y algunos de sus efectos beneficiosos para la salud.

171

Tabla 33

Especies de microorganismos usados como probióticos

172

Tabla 34

Tipos y clases de prebióticos

176

Tabla 35

Microorganismos productores de FOS

180

Tabla 36

Lista de frutas y vegetales productores de FOS

181


LISTADO DE GRÁFICOS Y FIGURAS Página

Figura 1

Dibujo realizado por Francesco Redi

20

Figura 2

Busto de Louis Pasteur

22

Figura 3

Fotografía de Erwin Chargaff

23

Figura 4

Breve historia de la genética y la biología molecular

24

Figura 5

Thomas Hunt Morgan

28

Figura 6 Alexander Fleming

29

Figura 7

Experimento realizado por Frederick Griffith

30

Figura 8

Oswald T. Avery

31

Figura 9

Colin Munro MacLeod y Maclyn McCarty

32

Figura 10 Alfred D. Hershey y Martha Cowles Chase

33

Figura 11 James D. Watson y Francis Crick

34

Figura 12 Dogma central de la biología molecular

35

Figura 13 Hargobind Khorana

36

Figura 14 Relación global entre bionegocios, comercio e industria

42

Madurez tecnológica y de interez de lineas biotecnológicas con alto potencial de Figura 15 inversión

46

Madurez tecnológica y de interez de lineas biotecnológicas con alto potencial de inversión.

47

Figura 16

Figura 17 Tendencia en ventas de algunas lineas biotecnológicas

48

Figura 18 Ramas del poder público

60

Figura 19

Procedimiento para el trámite de solicitudes de los organismos vivos modificados OVM

Figura 20 Bases nitrogenadas: Adenina A, Guanina G, Timina T, Citosina C, y Uracilo U Figura 21

Molecula de ADN, mostrando sus bases apareadas A-T y G-C, y los surcos mayores y menores

66 72 73


Figura 22 Código genético

77

Figura 23 Dogma central de la biología molecular

78

Figura 24

Esquema general de la unidad de la expression y regulación genética bacteriana (operón).

81

Figura 25 Regulación negativa del operón lac

84

Figura 26 Clasificación de las proteínas

98

Figura 27

Relación entre la concentración de azucares reductores totales como producto de la reacción enzimática en función del tiempo

101

Figura 28 Diferencias entre la pared bacteriana de Gram positivas y Gram negativas

103

Figura 29 Caracteristicas generales de una purificación enzimática

111

Figura 30 Cromatograma de exclusión por tamaño

112

Figura 31 Cromatografia de intercambio aniónico

112

Figura 32 Verificación de la purificación por electroforesis de proteínas

117

Figura 33 Saturación del sulfato de amonio en la presipitación de una proteina

119

Figura 34 Linealización de la curva micheliana utilizando el método de Lineweaver Burk

125

Figura 35 Clasificación de enzimas inmovilizadas

126

Figura 36

Aplicación de enzimas inmovilizadas en la fabricación de jarabes glucosados a partir del almidón de maíz

127

Figura 37 Obra: “El comedor de judías”

133

Figura 38 Mapa conceptual Alimentos Funcionales, definiciones de diversas organizaciones.

134

Figura 39 Fuentes de producción de biopolímeros

154

Figura 40 Clases de ácidos grasos

158

Figura 41 Funcionalidad de los probióticos

166

Figura 42 Fuctooligosacáridos (FOS)

170


UNIDAD 1 Nombre de la Unidad GENERALIDADES DE LA BIOTECNOLOGIA ALIMENTARIA Intencionalidades Formativas Presentar al estudiante en forma clara y precisa los conceptos básicos de la • Biotecnología Alimentaria. Proporcionar conceptos específicos y concretos de su historia y desarrollo • tecnológico. Describir la aplicación de la Biotecnología en el contexto nacional. Establecer los diferentes modelos y tendencias relacionados a los bionegocios • y perspectivas del mercado. Denominación de capítulos •

Lección 1. Definición de biotecnología alimentaria Lección 2. División y tipos de Biotecnología alimentaria Lección 3. Antecedentes históricos Lección 4. Investigación, tecnología y producción Lección 5. Desarrollo de la Biotecnología alimentaria en el contexto nacional Lección 6. Definicion de Bionegocios y bioprospección Lección 7. Vigilancia tecnológica Lección 8. Bionegocios: Modelo biotecnológico típico Lección 9. Areas biotecnológicas alimentarias con alto potencial en inversión Lección 10. Perspectivas de mercado Lección 11. Definición Lección 12. Antecedentes históricos de la normatividad en Colombia Lección 13. Clases y modelos de normatividad Lección 14. Normatividad Colombiana relacionada a la biotecnología Lección 15. Entidades ejecutoras


CAPITULO 1: CONTEXTUALIZACION

Lección 1. Definición de biotecnología alimentaria Biotecnología alimentaria La aplicación de la biotecnología para la producción de alimentos, le ofrece al consumidor ventajas potenciales tanto en términos de nutrición, salud y costos. La construcción y uso de organismos genéticamente modificados (OGM) en la alimentación, es un aspecto importante tanto para el consumidor y el fabricante incentivando la preocupación por la ética, el medio ambiente y la seguridad alimentaria. Avances como la modificación genética de plantas, hongos y bacterias del ácido láctico muy utilizados en la producción de alimentos y empleados en la industria alimentaria, ya sea como alimentos directos (especialmente plantas), o como una fuente de ingredientes susceptibles de modificación genética. La biotecnología alimentaria también se preocupa para realizar de manera mas eficiente y rápida la comparación y seguridad de los alimentos modificados genéticamente.

Definición En el convenio sobre diversidad biológica suscrito en Río de Janeiro en Junio de 1992, los cinco países miembros de la comunidad Andina entre ellos Colombia, establecieron la definición de biotecnología, como “toda aplicación tecnológica que utilice sistemas biológicos u organismos vivos, parte de ellos o sus derivados, para la creación o modificación de productos o procesos para usos específicos”. En este marco conceptual, la aplicación de la Biotecnología requiere una participación conjunta y directa de diversas ciencias básicas y aplicadas; difícilmente un concepto puede reunir tal conjugación de elementos, convirtiéndose en multidisciplinaría. Aparte de sus múltiples herramientas, lo que brinda un mayor


alcance e importancia es el amplio espectro de aplicaciones en todos los campos, para solucionar problemas con alta calidad.

Lección 2. División y tipos de Biotecnología alimentaria La biotecnología de alimentos se encuentra incluida en las áreas de interés de la biotecnología general, como son: Biotecnología Humana, Animal, Alimentos, Industrial, Vegetal y Ambiental. En la actualidad se consideran cinco agrupaciones fundamentales de los usos biotecnológicos, que han sido identificadas mediante un sistema de colores. (I) Biotecnología Blanca: Esta biotecnología engloba todos aquellos procesos industriales. De tal manera es también conocida como biotecnología industrial, presta especial atención al diseño de procesos y productos. (II) Biotecnología Roja: Esta biotecnología relaciona todos los procesos implicados con la medicina, incluye la obtención de vacunas, antibióticos, y el desarrollo de fármacos. (iii) Biotecnología Verde: se centra en la agricultura como campo de explotación, incluyen la creación de nuevas variedades de plantas de interés agropecuario, la producción de biofertilizantes y biopesticidas, el cultivo in vitro y la clonación de vegetales. (iv) Biotecnología azul: se basa en la explotación de los recursos del mar para la generación de productos y aplicaciones de interés industrial. (v) Biotecnología gris: está constituida por todas aquellas aplicaciones directas de la biotecnología al medio ambiente. Podemos subdividir dichas aplicaciones en dos grandes ramas de actividad: el mantenimiento de la biodiversidad y la eliminación de contaminantes.


Lección 3. Antecedentes históricos Los procesos para la preparación, transformación y conservación de alimentos poseen a lo largo del tiempo un camino ligado intrínsecamente a la evolución humana, implicando variaciones en su entorno natural, físico y mental; la transición y adaptación de su vida arbórea por el homínido1Ramapithecus hace 14 crones2 atrás hacia las planicies, implicó un cambio de dieta vegetal a la carnívora, experimentando un aumento en el tamaño de su cerebro; lo que produjo un salto evolutivo marcado por la sobrevivencia basada en el intelecto mas que en el instinto; esto tan solo es un ejemplo de las transformaciones en la disposición y composición de la dieta durante la evolución de los homínidos que crean una fuerte presión selectiva en múltiples procesos biológicos, entre otros podemos mencionar: cambios en el metabolismo, agudeza en la percepción sensorial, capacidad del control del apetito y desarrollos morfológicos del sistema digestivo. Entre los factores mas destacados que incidieron en los cambios presionados por la dieta son los siguientes: (i) cambio de la dieta vegetal a la carnívora, (ii) cocción de los alimentos, (iii) cambios asociados a las plantas y la (iv) domesticación animal(F. Luca, 2010). Son muchos los métodos técnicos que por necesidad el hombre a perfeccionado a lo largo de su historia para producir, transformar y conservar los alimentos. El hombre primitivo ocupa los primeros puestos de este proceso con el manejo del hielo, fuego, humo y sal. Una nueva especie del género Homo: el Homo erectus hace su aparición en la era cuaternaria cuyo primer periodo se conoce como pleistoceno, el cual se caracteriza por cuatro glaciaciones, siendo la primera una de las mas fuertes, entre 1 a 0.7 crones atrás. En esta época el Homo erectus aprende a generar y dominar el fuego, permitiéndole la supervivencia; este hombre de nariz ancha, pómulo salientes,  1

La especie humana, pertenece a la familia Hominidae, la cual se caracteriza por presentar las extremidades anteriores menores que las posteriores junto con su marcha bípeda. Esta a su vez comprende los géneros Australopithecus y Homo . 2

Cron: unidad de tiempo geológica que equivale a un millón de años.


frente hundida, con cejas en forma de visera y con un metro cuarenta de estatura llamado hombre de Pekin (Homo erectuspekinensis cuyos restos fueron descubiertos por el arqueólogo Otto Zdansky en 1921 en una cueva llamada Zhoukoudian al suroeste de Pekín) (Lanpo, 1976; Otto, 1930) gracias al fuego, podía frenar en parte la descomposición de sus provisiones, mejorar la presentación y el sabor, obteniendo un alimento menos duro y mas asimilable. En la actualidad existen nuevas evidencias incontrovertibles del control del fuego por los humanos que datan de 0,8 crones atrás, como por ejemplo los hallazgos de GesherBenotYa’aqov, en el norte del valle de Jordan en Israel (Goren-Inbar N, 2004). Como consecuencia del descubrimiento y dominio del fuego aparece por primera vez el asado de los alimentos, el hombre primitivo cocinaba la carne sobre piedras lisas calentadas previamente encendiendo una hoguera sobre ellas, secaban y ahumaban la carne al fuego, se ha establecido la hechura de algunos tipos de sopas, las cuales preparaban en pieles o intestinos de animales apoyándolos en palos, formando una especie de recipiente (SR., 1989). Los orígenes evolutivos y la transición de formas arcaicas del Homo sapiens al hombre actual, transcurre entre 200.000 y 10.000 años atrás, en la cual aparecen cambios tecnológicos en la alimentación, producto de la expansión geográfica, aparición de sociedades, colonización, entre otras(Stiner M. C., 1993). Un cambio significativo del hombre es la independencia de la caza para su alimentación gracias al uso de la tierra para producir sus propias formas de sustento, lo cual ocurrió entre 15.000 y 10.000 años atrás en pequeñas parcelas o territorios como se ha sugerido que aconteció en Italia (Stiner M. , 1990), así mismo en el próximo oriente, Siria, Kurdistan y Mas.dÁzil aparecen las primeras formas de protocultivo de cebada y trigo; en el nuevo continente la labranza del maíz, judía y calabaza en México son practicas comunes. La ganadería se da inicio con la domesticación de la cabra en Persia hace 9.000 años atrás (Teaford MF, 2000) en esta época la carne se sazonaba y se guardaba en cestos con ajo (Alliumsativum), comino (Cuminumcyminum), perejil (Petroselinumcrispum), olivo (Olea europea) entre


otros, dando lugar a los primeros adobos; en este mismo periodo aparece la técnica para la conservación del grano de trigo y cebada, la cual consistía en esparcir sobre un lecho de piedras o ladrillos que previamente se calentaban con hogueras, abrazando, tostando y estallando el grano y almacenándolo en canastas con una humedad relativamente baja; para comerlo lo molían y adicionaban agua formando las primeras pastas. Desde el 7.000 a los 4.000 años antes de cristo (a. de C.) en la tercera etapa de la prehistoria (neolítico) los cambios fueron transcendentales, la revolución neolítica se caracterizó por el conocimiento y dominio de la agricultura y crianza animal, a tal punto que las sociedades pasan del nomadismo hortense al sedentarismo lo que implica los primeros poblados estables basados en una economía productiva y aumento de la demografía; como consecuencia, en el oriente próximo surge el prensado del aceite, los zumos de frutas se extraen en suiza, en Turquía se crea el vino de cerezas y se fabrica por primera vez la cerveza desarrollada por los antiguos pueblos elamitas, egipcios y sumerios. La antecesora de la cerveza también la elaboraban los chinos a base de trigo (Polygonum fagopyrum), espelta (Triticum spelta), mijo (Panicum miliaceum) y arroz (bebida llamada Kiu), mientras que las civilizaciones precolombinas de América, utilizaban maíz (Hough., 2001); los romanos utilizaban el acanto (Acanthus mollis) en una especie de mezcla como cerveza primitiva hasta ser sustituida por la cebada. En Sumaria y Egipto nacen los productos derivados de la leche como la mantequilla y el queso; este descubierto según una antigua leyenda árabe por un mercader del desierto cuando colocó leche de camello en una bolsa hecha con el estómago de un cordero (Martinez, 2005). En el periodo dinástico 3.400 al 2.475 a de C en Egipto, se utilizaban varias sustancias concentradas para la conservación de alimentos como: vinagre, soluciones dulces de miel, aceite animal y jugos de frutas. Los egipcios son consientes que entre menor humedad mayor tiempo de almacenamiento, de tal manera que aprovechaban el ardiente calor del sol en el


desierto para deshidratar especies y granos para acopiarlas. En la isla de Creta en las ruinas del palacio de Knossos, que data de 1.500 a. de C. se encontraron grandes tinajas de barro (llamadas: phythoi) alojadas en varias galerías subterráneas, las cuales se utilizaban para almacenar diversos tipos de comestibles; el procedimiento consistía en introducir el alimento aún caliente por el sol o llamas directas en el recipiente, formando un vacío parcial desalojando el aire interior y cerrándolas herméticamente embadurnando sus orillas con cera o aceite (Vanoyeke, 2008) convirtiéndose en el primer ejemplo de exausting. Para los judíos la palabra pirámide procedía de otra de origen hebreo que significa trigo (del griego puros: trigo y metron: medida) y era aplicada a los graneros de piedra que José utilizó para alojar las cosechas en época de escases,3 efectuando una de las primeras conservaciones a gran escala por la acumulación de dióxido de carbono (CO2). En la época romana se manejaba cabalmente el arte fermentativo; el vino fue la bebida productora de placer, felicidad, esperanza, como también de salvajismo y locura, personificadas en las fiestas bacanales (eleuterias u orgias dionisiacas) en honor a Baco, Dios del vino y la fertilidad; los romanos no aportaron a la humanidad grandes avances tecnológicos, políticos y fundamentos científicos como los griegos, puesto que se destacaron mas por sus expansiones y victorias bélicas y el conformar estados muy bien estructurados (Finley, 1983), muchos de los legados griegos fueron acogidos por los romanos como la manera de preparar y conservar diversos alimentos, entre estas las mas destacadas fueron las industrias cárnicas. Los griegos preparaban diversos tipos de embutidos y eran excelentes para ello; la comedia de Aristófanes titulada ¨los caballeros¨ presentada en el 424 a. de C, como una sátira contra Cleón y los demagogos, da a conocer un personaje popular de aquella época: ël morcillero¨, el cual aparece en escena con un dornajo lleno de embutidos, el cual posee un papel protagónico como:  3

Pasaje referenciado en la biblia: Génesis, capítulo 41 versículo 35.


agoraios, ¨hombre de mercado¨ (Gíí., 1995). Los embutidos eran sazonados y condimentados, prolongando su vida comestible junto con técnicas como el secado y ahumado. Los embutidos romanos recibían diversos nombres: farcimia (rellenar o embutir) parecido al salchichón y chorizo actual, hillac, circelle y spirulac se asemejaban mas a una salchicha (Cecilia., 1985). En la época romana por primera vez se inspeccionaban las ventas de carne y otros alimentos a cargo de personas llamadas: ¨curatores o praefectus urbi¨ nombrados por el mismo senado, los cuales reconocían sensorialmente los alimentos; los defectuosos o impropios eran confiscados y arrojados por decreto a las aguas del Tiber. La higiene en la preparación de alimentos se le atribuye al emperador Carlomagno (742-814, rey de los francos y emperador romano) en su soberanía enseñó la forma higiénica de preparar carnes secas, cerveza, mantequilla, queso roquefort y harina, a demás prohíbe pisar la uva en la fabricación del vino. Los alquimistas orientales desarrollaron tecnologías encaminadas a la producción de etanol; en los tratados de los alquimistas bizantinos datados del siglo X de la era cristiana, se encontraron planos de fabricación de calderas y alambiques; la primera destilación (del latín ¨de-stillare¨ que significa: ¨gotear¨) reportada de alcohol se llevó acabo en Iran en el siglo VIII de nuestra era, y la primera destilación oficial de whisky se llevó acabo en Irlanda en el año 1276. En Arabia y la India se ideó el método de reducir el jugo de la caña de azúcar (saccharum officinarum) por evaporación hasta obtener un producto sólido: el azúcar; se tienen evidencias escritas incontrovertibles sobre la fabricación de azúcar, en un tratado hindú que data de 500 años después de cristo llamado ël Buddhagosa¨ o discurso sobre la conciencia del mal, en el se describe por medio de una analogía el procedimiento de hervir el jugo de caña y formar esferas de cristal de azúcar (Mintz, 1996), aun que la capacidad de cristalizarla hasta unas masas transportables (parecida a nuestra panela actual) para una mayor comercialización, se realizaba mediante un producto mas parecido a un jarabe


concentrado, llamado por los ingleses: Ël jarabe dorado¨; los métodos de refinación y los diversos grados de azúcar fueron desarrollos tecnológicos posteriores de la edad media. Las primeras conservas comercializadas con frutas frescas en almíbar proceden del año 1560 como innovación extranjera en los puertos europeos. La edad media se caracterizó por sus largos viajes marítimos, conquistas y descubrimientos dando pautas para la tecnificación y producción destinada a la conservación de comestibles; el alimentarse en estas travesías era una tarea ardua y pocas veces a acepción del pescado se podía disfrutar de comida fresca. Los buques eran cargados con recipientes de cerámica donde se introducían mariscos y mejillones vivos intercambiándoles agua de mar para mantenerlos frescos(Woolgar, 2010), se desarrollaron técnicas de deshidratación de hortalizas y verduras, sopas a base de harinas compactadas en forma de galletas, carne seca con sal, entre otros, los alimentos frescos debían aprovecharse lo mas pronto posible o de lo contrario, por el olor y sabor fétido de la podredumbre se volvían incomibles. Las bodegas de los navíos no eran higiénicas, los gorgojos atacaban los cereales, el queso se llenaba de gusanos, la mantequilla se volvía rancia, las ratas eran comunes en los barriles de comida, el agua dulce se llenaba de insectos; por este motivo era común llevar en las embarcaciones ganado y aves con el objeto de tener leche, huevos y carne fresca; esta practica no se perdió hasta el siglo XIX; existen relatos escritos sobre algunos de estos acontecimientos como lo describe Edward Barlow, quien viajó a bordo de los navíos de guerra y mercantes entre oriente y occidente, en los años 1659 a 1703, en su diario a bordo del barco mercante: “Wentworth” de la compañía de las indias, el 22 de noviembre de 1699 escribía: “…contábamos con provisiones frescas, tales como aves, cerdos, corderos, gansos, pavos y un par de bueyes vivos. En una tempestad en el canal de la mancha se nos ahogaron cien pollos, gallinas, gansos,


pavos y murieron los bueyes que teníamos a bordo corrompiéndose su carne…”

La mayor mortalidad en altamar era atribuida no tanto a acciones bélicas ni accidentes laborales como se podría pensar, estas venían dadas por dos circunstancias relacionadas entre si: las condiciones de vida en el barco y las enfermedades; la mas temida y frecuente de ellas era el escorbuto (avitaminosis producida por la insuficiencia de ácido ascórbico: vitamina C); era tal la magnitud del problema que en un registro marítimo de los barcos de la Real Armada Española entre 1776 y 1779 de los 1190 tripulantes embarcados se reportaron un total de 1033 (86.8%) fallecimientos por enfermedades como el escorbuto (garcía, 1999); solo hasta

el año 1795

el Almirantazgo británico impuso el consumo de

zumo de limón previniendo esta enfermedad, gracias a la acción demostrada del jugo de esta fruta en reducir la afección por un médico inglés, el doctor James Lind en

1757

(Barker,

1992).

El marino y explorador ingles James Cook (1728-1779) llegó a ser oficial de la marina británica; a parte de descubrir Hawái, medir la costa de Nueva Zelanda y realizar mapas de 3000 millas de la costa oeste de Norte América, se destacó por tener la mejor tripulación en salud de la época, debido a ciertos alimentos bien conservados como: la col escabechada y envasada con sal, el zumo de fruta embotellado, harina y especies secas pulverizadas y comprimidas en forma de pastillas y conservas en salmueras. Así como la conservación de alimentos abre en cierto modo camino a la colonización de Austria; un poeta y naturalista italiano llamado Francesco Redi (Arezzo 1626-Pisa 1698) hace tambalear la teoría de la generación espontánea4 con un sencillo experimento: colocó carne vacuna en varios frascos, unos los tapó con un cedazo de tal manera que los insectos no pudieran penetrar, los restantes sin la tela abiertos al entorno; ambos conjuntos los dejó por varios días a  4

La teoría de la generación espontánea, conocida también como autogénesis se basaba en que la vida como animales y plantas podían surgir de la materia inerte, es así como seis siglos antes de cristo los filósofos jónicos creían que los animales se creaban a la orilla del mar; el filósofo griego Aristóteles (384-322 a. de C) afianzó dicha teoría sustentándola con los cuatro elementos (agua, tierra, fuego y aire).


temperatura ambiente; luego de este periodo observó la carne putrefacta en ambos recipientes, pero la diferencia radicaba en que los abiertos en su totalidad contenían larvas de moscas, mientras que los resguardados por la tela carecían de ellas; una simple conclusión saltaba a la vista: las larvas no crecieron en los frascos protegidos por que las moscas no penetraron; la interpretación del resultado de tan modesto ensayo catapultó en la mente de Redi una conclusión fascinante que sentó las bases para la creación en siglos posteriores de la biogénesis; la teoría de Redi proclamaba:“tutti gli organismi viventi, da un altro essere vivente: todo organismo vivo, proviene de otro ser vivo”, se le considera el padre de la helmintología (ciencia que estudia a los helmintos o gusanos), su obra mas importante llamada “Esperienze Intorno alla Generazione degl' Insetti: experiencia en torno a la generación de insectos” la cual escribió y publicó en 1668 donde expuso sus observaciones y resultados. El holandés comerciante e inventor del microscopio Antoni Van Leeuwenhook (Delft 1632-1723) fue el pionero de la exploración celular gracias a los microscopios desarrollados por el, los cuales eran simples y de construcción primitiva, pero sin embargo sin igual en esos días 5; mediante un flujo de cartas que inició en 1673 y duró 50 años dirigidas a la Royal Society de Londres, descubrió y describió la existencia de diminutos seres los cuales el llamó: “animáculos” (Rooseboom, Oct., 1950); en 1674 realizó la primera descripción precisa de los glóbulos rojos, diversas clases de protozoos, espermatozoos de insectos y humanos al igual que tres tipos de bacterias: bacilos, cocos y espirilos. Poco a poco el hombre iba descubriendo una conexión entre la vida cotidiana y el micro mundo. En 1748 un sacerdote y biólogo ingles llamado John Turberville Needham (Londres 1713- Bruselas 1781) pretendió demostrar la teoría de la generación   5

Consistían en una pequeña pequeña tablilla en la cual se insertaba un lente, el enfoque se realizaba gracias a un tornillo graduable el que se ajustaba según el observador y se ubicaba la muestra. Mas de 350 de estos microscopios fueron vendidos por audición publica en 1747, veintisiete años después de su muerte. En la actualidad se exhibe en el museo de la Universidad de Utrech (Holanda) un microscopio original con lente esférica que alcanza los 295 aumentos.


espontanea, de hecho fue uno de los mas fervientes defensores; para ello experimento con varios tubos de ensayo que contenían extracto de carne debidamente hervido, lo cual destruiría los microorganismos preexistentes, los almacenó y destapó con la justificación que el aire era esencial para la generación de la vida, días posteriores observó la proliferación de animáculos; lo cual hizo pensar en la aparición de la vida aparentemente sin la “intromisión” de insectos u otros animales; estas observaciones las plasmó en el año de 1749 en un ensayo titulado: “Observation supon the generation, composition, and decomposition of animal and vegetable substances: observaciones acerca de la generación, composición y descomposición de las substancias animales y vegetales”. Aunque la teoría de Needham de la generación fue fundamentada casi exclusivamente en los fenómenos revelados por el microscopio6, trató de generalizar por medio de sus conclusiones una teoría universal de la epigénesis, rechazando las ideas tradicionales mecanicistas de la naturaleza de la materia (Roe, 1983). Un profesor y sacerdote italiano de física y matemáticas contemporáneo de Needham, llamado: Lazzaro Pudding Spallanzani (Reggio, Italia 1729- Pavia, Filipinas 1799), es considerado el padre de la biología experimental, sus estudios se encaminaron a diversas corrientes como: la generación espontánea, la respiración, circulación y reproducción de múltiples especies. Fue el primer ser humano en realizar una inseminación artificial en un can (esto implica 243 años atrás), demostrando la importancia de los espermatozoides en la fecundación, lo cual plasmó en 1768 en su obra titulada: “Pródromo di un opera da imprimersisopra le riproduzionianimali: Pródromo de una obra notable antes de la reproducción animal”(Adams, 1929). La controversia científica de la espontaneidad de la vida en esa época estaría experimentalmente surgiendo hacia una carrera lenta a ser confirmada o refutada.   6

De hecho su primera publicación a la edad de 32 años en 1745 se llamó: “ un relato de algunos descubrimientos nuevos al microscopio”.


Mas adelante en el siglo XIX se realizaron descubrimientos y avances significativos en la tecnología asociada a la conservación y transformación de alimentos; Napoleón Bonaparte (Ajaccio, 1769 – Santa Elena, 1821) estimuló la investigación en tecnología alimentaria como muy pocas figuras lo han hecho; en 1811 por medio de un decreto ofrece 42000 hectáreas de terreno cultivable para incentivar el cultivo de remolacha azucarera (Beta vulgaris var. Conditiva) y concede créditos por 1.000.000 de francos franceses (FRF) (160.000 € actuales aproximadamente) para estudiar la extracción industrial del azúcar exentos de impuestos y derechos durante cuatro años para el azúcar fabricado en ese país.

Figura 1. Dibujo realizado por Francesco Redi en su libro: “Esperienze intorno alla generazion edegl' insetti: experiencia en torno a la generación de insectos” publicada en 1668; la titula: gusanos y moscas de huevos encontrado en hojas viejas, Redi dice de ellos: “debido a que mi cerebro me da escasa ayuda en describir exactamente estos pequeños animales, les enviaré un escrito detallado en su tamaño natural y ampliada por un microscopio ordinario de un solo cristal.”

En enero de 1812 Benjamín Delessert logra extraer el azúcar de la remolacha blanca en su refinería de Passy (Paris), esto induce rápidamente la creación de escuelas en química azucarera, cuatro en Francia y una en Baviera. Bonaparte


condujo sus ejércitos victoriosos por Europa, pero las fuerzas, el rendimiento y la actitud de los soldados disminuía proporcionalmente al ir escaseando los alimentos en las campañas; en esta época no se conocía un método eficaz de preservación alimentaria y mas aun, que se ajustara a los rigores de la guerra; por ello en 1795 el gobierno ofreció 12.000 francos a la persona que hallara un método de conservación de alimentos para soldados y marinos. Quien reclamaría el premio seria un fabricante de cerveza llamado Nicolás Appert (Chälons 1749-1841) hijo de un mesonero, logró calentar alimentos en recipientes de latón, sellándolos y empacándolos realizando los primeros enlatados; aún que estos no poseían un periodo de vida largo (hasta que su sobrino creó el autoclave) logró llevar alimentos conservados a las tropas de ocupación. El procedimiento se basaba en la esterilización de los articulos alimenticios - carne, pescados, frutas, verduras - calentándolos durante varias horas al baño maria en botellas flojamente taponadas. Luego las botellas se cerraban herméticamente forzando los tapones y sujetándolos con alambres. Merced a su descubrimiento, Appert ganó en 1809 el premio ofrecido por Napoleón al que suministrara un rancho variado a sus tropas. Con su importe fundó en Paris la fábrica de conservas Appert. Dio a conocer su método en El libro de todos los hogares o El arte de preservar durante varios años toda clase de substancias animales y vegetales. Los franceses perpetuaron su nombre denominando appertisation al sistema de conservación por él ideado. Louis Pasteur nacido en 1822 en Dole (Francia) es el padre de la higiene actual, la salud publica y la moderna medicina; adelantado 100 años a su época implementó procesos que en la actualidad llevan su nombre como el termino “pasterización”. A la edad de 26 años en Estrasburgo, fue reconocido por su trabajo de actividad óptica con esteroisómeros de los cristales de ácido tartárico provenientes del vino, el cual presentó a la Academia de Ciencias de Paris. El descubrimiento de la asimetría de moléculas orgánicas de acido tartárico hiso posible estudios posteriores de la fermentación alcohólica. Descubrió que las células de levaduras eran las responsables del proceso de fermentación del vino, cuyos procesos metabólicos se podían comparar con la producción láctica y acética (Ligon., 2002).


Gracias a sus investigaciones eliminó la teoría de la generación espontanea y obtuvo la primera vacuna contra la rabia. Murió el 28 de septiembre de 1895 en Paris.

Figura 2. Busto de Louis Pasteur , ubicado en la entrada del Instituto Pasteur en Paris, donde se exhiben objetos utilizados en sus investigaciones y reposan sus restos mortales. Fotografía del autor. Heinrich Hermann Robert Koch (Clausthal, Alemania 1843 - Baden-Baden, Alemania 1910) fue un médico alemán considerado el fundador de la bacteriología, aisló el bacilo de la tuberculosis en 1882 y el del cólera en 1883. Escribió cinco postulados7 los cuales permiten el aislamiento e identificación de agentes causantes de enfermedades infecciosas (Cohen, 1994). Por sus descubrimientos recibió el premio novel de medicina en 1905.  7

Los cinco postulados de Robert Koch son: (i) el agente patógeno debe estar presente en cada caso de la

enfermedad en las condiciones apropiadas y ausente en las personas sanas, (ii) el agente no debe aparecer en otra enfermedad de manera fortuita o saprófita, (iii) el agente debe ser aislado del cuerpo en un cultivo puro a partir de las lesiones de la enfer medad, (iv) el agente debe provocar l a enfermedad en un animal susceptible al ser inoculado, y (v) el agente debe ser aislado de nuevo de las lesiones producidas en los animales de experimentación.


A partir de experimentos de cruzamientos con guisantes efectuad os en el jardín de un monasterio en1856 un sacerdote y científico ingles desarrollará una serie de leyes destinadas a la explicación del comportamiento reproductivo llamado Gregor Mendel, (Hyncice, Moravia,1822 –Brünn, República Checa1884) conocido como el padre de la genética. leyes de Mendel, gracias a las cuales es posible describir los mecanismos de la herencia y que fueron explicadas con posterioridad por el padre de la genética experimental moderna, el biólogo estadounidense Thomas Hunt Morgan (1866-1945). Las tres leyes de Mendel son (i) uniformidad, (ii) segregación y (iii) independencia. Un científico Austriaco llamado Erwin Chargaff (Czernowitz, 1905 – New York City, USA, 2002) propuso el la década de los años 20 dos leyes que implicó el desarrollo de las bases fundamentales del descubrimiento de la estructura molecular del ADN años mas tarde.

Figura 3. Fotografía de Erwin Chargaff en 1978, en su oficina de la universidad de Rockefeller Estados Unidos. Tomado de: Annals of the New York Academy of Sciences (1979) 325, 345-360. Chargaff propuso la combinación y el contenido de las bases nitrogenadas A (adenina), G (guanina), C (citosina) y T (timina) presentes en el ADN ( desoxirribonucleico) tal cual las conocemos hoy en día. Sus dos leyes manifiestan:


(i) el contenido de adenina (A) es igual al de timina (T) y a su ves el contenido de guanina (G) es igual al de citosina (C). (ii) esto implica que el contenido de purinas (A+G) es igual al contenido de pirimidinas (T +C). La revolución molecular poco a poco se gestaba; no tanto por la fisiología (ciencia que estudia las funciones de los seres orgánicos) si no por dos ramas de la biología: la inmunología (rama de la biología que estudia las alteraciones en las funciones del sistema inmunitario) y la microbiología (rama de la biología encargada del estudio de los microorganismos) que emprendieron su compromiso intrínseco con la beneficiaria: la genética (es el campo8 de la biología que busca comprender la herencia biológica que se transmite de generación en generación); esta palabra fue utilizada por primera vez en 1905 por el ingles William Bateson, cuando las observaciones de Mendel fueron redescubiertas.

 8

La ciencia es el conjunto de conocimientos sistemáticamente estructurados, y susceptibles de ser articulados unos con otros; un campo de estudio también llamado disciplina académica son caracterizados por los diversas estrategias técnicas e intelectuales que delimitan zonas de conocimientos, estos a su vez poseen diversas ramas o sub-disciplinas.


Figura 4. Breve historia de la genética y la biología molecular .Tomado de: B. Sager, Technological Forecasting& Social Change 68 (2001) 109–129

Junto a estos descubrimientos y a lo largo de cincuenta años (ver figura 3) se establecen las bases científicas y tecnológicas de la llamada biotecnología moderna, junto con sus alcances en genética molecular. Por primera ves en la historia se utiliza el termino “Biotecnología”, lo hace el ingeniero Karl Ereky, en 1918. Ya en la década del 20 se emplearon técnicas de mejoramiento agrícola en los Estados Unidos incrementando la productividad del campo, logrando ser líder en 1940.

Tabla 1. Compendio sobre diversos acontecimientos históricos, relevantes a la biotecnología alimentaria. Año / Periodo

Personas /

Descubrimiento


Sociedades Sociedades humanas 900 A.C. (Paleolítica) primitivas Sumerios, babilonios, 6000-4000 A.C. asirios y egipcios.

Domesticación de plantas y animales, iniciándose el desarrollo de la agricultura, selección artificial Bebidas alcohólicas (cerveza y vino) productos fermentados (levaduras, vinagre

Sociedades de China o del Medio Oriente.

Destilación de bebidas alcohólicas a partir de grano fermentado. Productos lácteos (queso, yogurt)

Mexicas (Mesoamérica)

Bebidas alcohólicas (pulque, pozol y tequila), tecuitlatl alimento elaborado a base de alga Spirulina platensis, cuitlacochin alimento de hongo Ustilago maydis

Leeuwenhoek

Invención del microscopio, descripción de “animáculos” responsables de grandes eventos en la fermentación.

Louis Pasteur

Establece las bases científicas de la biotecnología. Pasteurización del vino con calor al detectar que el vino contenía microorganismos.

1860

Gregor Mendel

Prueba que la transmisión de los caracteres hereditarios obedece reglas precisas. Nace la idea de los genes.

1869

Miescher

1877

Kühn

IV D.C.

1200-1521 D.C.

1680

1857

Erwin Chargaff 1905

1919

Karl Ereky

1920

Thomas Hunt Morgan

Aisla el ADN por primera vez Acuño el término enzima propuso el la decáda de los años 20 dos leyes que implicó el desarrollo de las bases fundamentales del descubrimiento de la estructura molecular del ADN años mas tarde; Chargaff propuso la combinación y el contenido de las bases nitrogenadas. ingeniero húngaro, utiliza por primera vez la palabra biotecnología

Demuestra que los genes se hallan en los cromosomas.


1928

Alexander Fleming

Descubrimiento de la penicilina.

1944

Avery

Proporciona evidencias de que el DNA, porta la información genética durante la transformación bacteriana.

1953

James Watson y Francis Crick

describen la estructura doble hélice de la molécula de ADN.

R. W. Holley

El biólogo norteamericano R. «leyó» por primera vez la información total de un gen de la levadura compuesta por 77 bases, lo que le valió el Premio Nobel.

Har Gobind Khorana

el científico estadounidense Har Gobind Khorana consiguió reconstruir en el laboratorio todo un gen.

1965

1970

Stanley Cohen 1973 Herbert W. Boyer

Se desarrolla la tecnología de recombinación del ADN por Stanley Cohen, de la Universidad de Stanford, y Herbert W. Boyer, de la Universidad de California, San Francisco.

1976:

Har Gobind Khorana

sintetiza una molécula de ácido nucleico compuesta por 206 bases.

1976

Robert Swanson y Dr. Herbert Boyer

crean Genentech, la primera compañía de biotecnología.

1982

.

Se produce insulina para humanos, la primera droga derivada de la biotecnología.

1983

Se aprueban los alimentos trasgénicos producidos por Calgene. Es la primera vez que se autorizan alimentos transgénicos en Estados Unidos.

2003

Cincuenta años después del descubrimiento de la estructura del ADN, se completa la secuencia del genoma humano.

2004

La ONU y el Gobierno de Chile organizan el Primer Foro Global de Biotecnología, en la Ciudad de Concepción, Chile (2 al 5 de marzo). La FAO aprueba los cultivos GM e indica que estos ayudarán a los agricultores pobres y a los consumidores de países en desarrollo.

2005

Los cultivos GM han aumentado en US$


27.000 millones las ganancias agrícolas, y han reducido los impactos de la agricultura sobre el ambiente. 2006

La American Dietetic Association publica que los cultivos GM mejoran la calidad, valor, variedad y producción de alimentos.

2007

2 millones de agricultores en 23 países cultivan plantas transgénicas.

2008

3% del maíz y 91% de la soya cultivada en EEUU son variedades GM capaces de tolerar mejor malezas e insectos.

2009

14 millones de agricultores en 25 países cultivan 134 millones de ha con plantas transgénicas

En 1920 el biólogo norteamericano Thomas Hunt Morgan (Lexington, EUA 1866 Pasadena, EUA 1945) reconoció la presencia de los cromosomas sexuales y de lo que se conoce en genética como “herencia ligada al sexo”. Demostró que los factores mendelianos (los genes) se disponían de forma lineal sobre los cromosomas. Los experimentos realizados por Morgan y colaboradores revelaron también la base genética de la determinación del sexo. Morgan continuó sus experimentos y demostró en su "Teoría de los genes" que estos se encuentran unidos en diferentes grupos de encadenamiento, y que los alelos (pares de genes que afectan al mismo carácter) se intercambian o entrecruzan dentro del mismo grupo. En 1928 El científico escocés Alexander Fleming descubre la enzima antimicrobiana lisozima y a partir del hongo Pelicilium chrysogenum obtiene la penicilina, antibiótico que cambiará la historia de la medicina y la biotecnología. El descubrimiento, inicialmente desestimado por sus colegas, fue comunicado por Fleming a la British Journal of Experimental Pathology.


Figura 5. Thomas Hunt Morgan; fue galardonado con el premio nobel de fisiología o medicina en 1933 por la demostración de que los cromosomas son portadores de los genes, lo que se conoce como la teoría cromosómica de Sutton y Boveri. La penicilina comenzó a fabricarse en plena II Guerra Mundial, como resultado de avances importantes en técnicas de esterilización a gran escala, mejora de las instalaciones de fermentación (incluyendo la aireación), cultivo del hongo, etc. Se diseñan estrategias para mejorar genéticamente las cepas microbianas industriales.


Figura 6. Alexander Fleming, descubridor de la cepa Pelicilium chrysogenum, productora de la penicilina.

Frederick Griffith (Cheshire, Inglaterra, 1881 – Londres, Inglaterra, 1941) en la década de 1920 descubrió que al inyectar a ratones con pequeñas dosis de neumococos no virulentos junto con grandes cantidades de neumococos patógenos pero «muertos» por calentamiento, los animales no sólo mueren de neumonía sino que muestran en su sangre bacterias encapsuladas viables; es decir, en estas condiciones experimentales el neumococo no virulento adquiere la información para sintetizar la cápsula (se transforma, diría Griffith) en el cuerpo del ratón y, con ella, la capacidad de producir enfermedad. Griffith concluyó que había algún «principio» que transformó las cepas rugosas (R) en lisas (S) con una cubierta de azúcares. Estos resultados junto con su teoría los expone en la publicación: “The significance of pneumococcal types”. Journal of Hygiene 27, 113–159 (1928). De esta manera se iniciaba la gestación del principio de transformación. En 1941 el medico Oswald T. Avery (Halifax, Nova Scotia, Canada, 1877 – Nashville, USA, 1955) en la universidad de Rockefeller en Nueva York se interesó en los resultados de Griffith y se propuso identificar la molécula responsable de este “principio transformador”, Avery junto con Colin MacLeod (Port Hastings, Nova Scotia, Canada 1905 – USA, 1972) y Maclyn McCarty (South Bend, Indiana USA, 1911 – New York 2005) iniciaron experimentos in-vitro descomponiendo las células muertas por calor en sus componentes mas importantes; con los cuales realizaron estudios de transformación. Dichos ensayos mostraron que la lisis de las células (S) muertas por calor podrían cambiar las otras células Rugosas (R) en lisas (S). La molécula transformadora estaba en algún lugar de la lisis.


Figura 7. Experimento realizado por Frederick Griffith , en 1928, Utilizando dos serotipos de cepas de neumococo catalogadas como R de rugosa (por la apariencia de las colonias en medio de cultivo con agar) y S (lisas), de las cuales el serotipo S mostraba una alta virulencia, mientras la R no; esto implicaba que si se inoculaba un roedor con el serotipo R este no presentaba síntomas ni enfermaba (figura A); lo contrario ocurría con la cepa S la cual causaba la muerte a la unidad experimental (figura B); luego se paso por calor una suspensión de la cepa S, ocasionándoles la muerte a la totalidad de las células y eliminando la característica virulenta de la misma; lo cual implicaba que un ratón inoculado con esta suspensión no le causaría enfermedad alguna ni mucho menos moriría (figura C). Una mezcla de una suspensión de células R (no virulentas) y las S pasadas por calor (no virulentas también) debería de esperarse que un ratón inoculado con esta no enfermase ni mucho menos muriera, algo similar a la figura A, pero los resultados fueron contrarios (figura D) el roedor enfermó y pereció. La explicación de este resultado conllevó al concepto de transformación bacteriana por parte de Griffith. Figura tomada de: http://es.wikipedia.org/wiki/Experimento_de_Griffith.

Probaron cada uno de los componentes de la lisis para la actividad transformadora.

Primero incubaron la lisis

de cepa lisa muerta

por calor con una enzima,

SIII, que consume

completamente la cubierta

de azúcar. La lisis

de cepa lisa sin cubierta

seguía siendo útil

para transformar. Esto les

reveló

cepas R no creaban una

que

las

nueva capa a partir

de

las

partes

de

la

cubierta de cepa

lisa. Luego incubaron la


lisis de cepa lisa sin cubierta con proteínas que digieren enzimas (tripsina y quimotripsina) y después probaron la habilidad de esta lisis para transformar. Esta lisis sin proteínas seguía trasformando, así que el principio trasformador no era proteína. Cuando querían probar y purificar la lisis, precipitaron los ácidos nucleicos – ADN y ARN- con alcohol.

Figura 8. Oswald T. Avery en 1941, en un laboratorio de la universidad de Rockefeller USA; en 1944 Avery junto con los doctores: Maclyn McCarty y Colin Munro MacLeod publican una serie de trabajos en el Journal of Experimental Medicine, resultados conducentes a demostrar que el ADN era la molécula encargada del principio de transformación en bacterias9. A pesar de la enorme importancia y tracendencia de estos descubrimientos, ninguno de los autores fue galardonado con un novel. Fotografia tomada de: http://profiles.nlm.nih.gov/ps/retrieve/ResourceMetadata/CCGMDY .

 9

El artículo publicado es: Avery, Oswald T., Colin M. MacLeod, and Maclyn McCarty. " Studies on the Chemical Nature of the Substance Inducing Transformation of Pneumococcal Types: Induction of Transformation by a Desoxyribonucleic Acid Fraction Isolated from Pneumococcus Type III ." Journal of Experimental Medicine 79, 2 (February 1944): 137-158.


Figura 9. Colin Munro MacLeod y Maclyn McCarty en 1965, en una ceremonia dedicada a la memoria de Oswald T. Avery en el Instituto de Rockefeller USA. Fotografia tomada de: http://genmed.yolasite.com/history.php Fueron los primeros en aislar los ácidos nucleicos de un neumococo. Cuando vieron que el «principio» transformador no estaba en la cubierta de azúcar, ni en la proteína sospecharon que tal vez estaría en uno de los ácidos nucleicos. Disolvieron la mezcla con alcohol en agua y con ayuda de RNAsa destruyeron el ARN dejando en la solución ADN, de tal manera que esta solución tenia la capacidad de transformar, luego degradaron el ADN y obtubieron el efecto contrario. Avery y sus colegas concluyeron que el ADN era el principio transformador y publicaron sus resultados en 1944 En diciembre de 1962, James Watson, Francis Crick y Maurice Wilkins, compartieron el Premio Nóbel de Medicina y Fisiología, por haber establecido en 1953 la estructura molecular de los ácidos nucleicos (en particular el DNA). Quince años después de ese logro Watson publicó, el libro titulado: “La doble hélice”.


En 1952 el científico estadounidense Alfred D. Hershey (Owosso, 1908 - Nueva York, 1997) y Martha Cowles Chase, (Cleveland USA 1927 – USA 2003) realizaron una serie de experimentos destinados a dilucidar si el ADN o las proteínas eran el material hereditario. Marcaron el ADN del fago T2 con fosforo radioactivo (P-32) e infectando la bacteria E.coli, estableciendo que el marcaje (P32) estaba presente en el interior de las bacterias. En un segundo experimento marcaron la capside de los bacteriófagos con azufre radiactivo (S-35) y nuevamente infectando dichas bacterias; esta vez no hubo presencia de azufre radiactivo dentro del E.coli, estableciendo de esta manera que el ADN es la macromolécula que posee la información genética (Hershey, et al 1952). Este experimento se conoce como: “el experimento de Hershey y Chase”10. El doctor Hershey fue galardonado con el premio novel en Fisiología o Medicina en el año de 1969.

Figura 10. Alfred D. Hershey y Martha Cowles Chase, autores del experimento que dilucidó al ADN y no la proteína, como la molécula encargada de transportar la información genética.  10

Estos resultados fueron publicados el 20 de septiembre de 1952 en el Journal of General

Physiology ,” Independent Functions Of Viral Protein And Nucleic Acid In Growth Of Bacteriophage”. 


Figura 11. James D. Watson y Francis Crick, en la famosa fotografía tomada en 1953 por Antony Barrington en la universidad , cerca de un modelo estructural del acido desoxirribonucleico propuesto por ellos; tomado del libro: The Double Helix (1968) [Plaza & Janés 1970] Penguin Books, 1999.

En 1965 Robert William Holley (Urbana Illinois, EUA 1922- EUA 1993) obtiene la estructura primaria completa de un RNA natural (el tRNA de la alanina de levadura) y se sugiere su posible estructura secundaria11 ( Holliday, R, 1964). Hargobind Khorana (Raipur Multan, Pakistán 1922- Massachusetts, USA 2011) en1970 descubrió las asignaciones del código genético para distintos aminoácidos y sintetizó, artificialmente, un gen por primera vez; este avance implicó la elaboración del “código genético”, y ello gracias a su labor realizada en la síntesis de 64 codones. Con este descubrimiento la biología molecular dio un gran salto adelante en su evolución, por primera vez se conocía la transferencia y traducción de la información contenida en las secuencias de nucleótidos a aminoácidos; el  11

Robert William Holley fue galardonado con el premio novel de Fisiologia o Medicina en 1968,

gracias a su artículo publicado en 1962: “Purification of the Alanine-, Valine-, Histidine-, and Tyrosine-acceptor Ribonucleic Acids from Yeast”


dogma central de la biología molecular se estaba gestando; ya se conocía el flujo de la información genética:

Figura 12. Dogma central de la biología molecular . En el proceso de replicación interfiere la ADNpolimerasa, en la traducción la ARNpolimerasa y en la transcripción inversa la enzima transcriptasa reversa.

Khorana continuó trabajando sobre el ADN y el ARN de la E. Coli, un gen que posee 126 pares de bases nucleótidas, esto lo convirtió en el primer científico que sintetizó oligonucleótidos. Estos descubrimientos le valieron el premio novel de medicina en 1968. Stanley Cohen y Herbert Boyer en 1973 de la Universidad de California en San Francisco – cortaron el gen de un virus y lo pegaron en una bacteria. Cuando la bacteria se reprodujo, hizo copias del gen del virus. Los investigadores demostraron que las bacterias podían convertirse en fábricas de proteínas. Al recombinar genes de esta manera, Cohen y Boyer fundaron la tecnología de “recombinación” del ADN. Avanzado el siglo XX, las posibilidades para actuar sobre la selección genética eran limitadas: cruces entre plantas y animales de la misma especie (o de especies similares), selección de los individuos con rasgos deseados, retrocruzamientos (un proceso largo y lento), mutaciones con agentes físicos


(rayos UV, rayos X) o químicos, con ulterior búsqueda (selección o rastreo screening) de alguna variante de interés (algo tedioso y frecuentemente infructuoso), etc.

Figura 13. Hargobind Khorana, descubrió las asignaciones del código genético para distintos aminoácidos y sintetizó, artificialmente, un gen por primera vez; galardonado con el premio novel de medicina en 1968.

Recién en la década de los 70 se consolida un conjunto de técnicas de laboratorio revolucionarias que por primera vez permiten "manipular" de modo racional el núcleo informativo vital. Son técnicas y herramientas con las que se puede modificar el ADN de acuerdo a diseños previos y objetivos concretos (de ahí el nombre popular de Ingeniería Genética). La Ingeniería Genética (I.G.), mejor llamada tecnología del ADN recombinante in vitro, se caracteriza por su capacidad de cortar y empalmar genes o fragmentos de ADN de organismos distintos, creando cre ando nuevas combinaciones no existentes en e n la Naturaleza, combinaciones que ponemos a trabajar en el interior de una variedad de organismos hospederos, para nuestro provecho.


Lección 4. Investigación, tecnología y producción Al igual que la revolución informática, la biotecnología nos presenta una amplia gama de cambios futuros que estarán presentes en cada una de las cosas con las que relacionemos nuestras vidas; investigación básica, aplicaciones agrícolas, obtención de productos terapéuticos, sistemas de diagnósticos moleculares, biorremediación y alimentos La ventaja de Colombia frente a otros países desarrollados técnicamente radica en su infinita biodiversidad, como fuente prolífica y virgen de recursos genéticos. Una de estas aplicaciones biotecnológicas son los usos industriales, específicamente en alimentos. El profesional en alimentos para generar y ejecutar ideas en la transformación de materias destinadas a la alimentación, que requieran procesos llevados a cabo por microorganismos, células anímales o moléculas orgánicas provenientes de rutas metabólicas, debe estar preparado en el lenguaje multidisciplinario manejado por la biotecnología. El ingeniero de Alimentos debe estar en la capacidad de adaptar la tecnología a nuestras necesidades, con el objeto de una explotación racional y accesible a todos en el territorio nacional. En el manejo de bioindustrias, debe optimizar la producción y modificación de alimentos y manejar las operaciones como fermentaciones, transformación de sustratos a productos, extracción y purificación, lo cual implica la columna vertebral de cualquier bioproceso. Por medio de la biología molecular, se manipulan genéticamente tanto células eucariotas como procariotas, permitiendo “transformar” desde una bacteria que produzca un metabolito en menor tiempo requerido para la hidrólisis del almidón, hasta la clonación de ganado vacuno (en febrero o marzo del 2002 se obtuvieron los primeros porcinos clonados en Colombia) que produzca leche con bajo o mayor porcentaje de grasa o para extraer de ella algún componente requerido para la nutrición.


Lección 5. Desarrollo de la Biotecnología alimentaria en el contexto nacional Por tal motivo existe una simbiosis permanente entre la biotecnología y la investigación, ya que la primera se comporta como un puente entre la investigación aplicada o básica con su aplicación industrial. No se puede concebir la biotecnología sin una investigación permanente que aumente la calidad del producto final. Según Colciencias en Colombia actualmente existen 74 grupos de investigación relacionados con biotecnología, de los cuales el 35% son universidades, 33% pertenecen al sector productivo, 27% a centros de investigación privados y el restante a no formales. Lo interesante de estas estadísticas es que de esos 74 grupos el 57% su campo de aplicación es vegetal y agrícola, el 17% en salud humana, el 14% en ambiental, el 7% en animal y tan solo el 5% del total es una aplicación directa industrial. Las universidades colombianas están investigando o están entrando en ese campo, prueba de ello es que del periodo comprendido entre 1991 y 1996 el gobierno nacional suministró becas de doctorado relacionadas con biotecnología representando un 4.6% del total. Con respecto a la financiación en investigación, los entes universitarios ocupan el segundo lugar después de los centros de investigación12, en el suministro de recursos destinados a la Biotecnología. Los entes educativos deben (y el plan nacional de educación así lo exige) realizar investigación para aumentar su calidad académica, y la biotecnología es un medio de cultivo propicio para este fin; pero se debe fomentar vínculos de unión con la industria para su aplicación.

  12 Muchos de estos centros de investigación se encuentran ubicados en campus de universidades.


El ingeniero de alimentos no debe poseer un perfil estático, si no dinámico adecuado a las necesidades del país; a su permanente cambio; de tal manera que pueda proyectar se a la par con el curso continuo de la ciencia.

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CAPITULO 2: BIOPROSPECCIÓN Y BIONEGOCIOS

Lección 6. Definición de bioprospección y bionegocios Existen varias definiciones de bioprospección, la tabla 2 resume algunas propuestas al respecto:

Tabla 2. Definiciones de bioprospección. Autor y año Definición Investigación realizada para identificar especies, variedades, genes y productos con Sittenfeld y Gámez, usos actuales o potenciales por parte de la 1993. humanidad. Juega un papel fundamental para el uso y protección racional de la biodiversidad

RAFI, 1993

Carrizosa, 2002

Alatorre, 1995

Chapela, 1996

Melgarejo et al, 2002.

Búsqueda de recursos químicos y genéticos de valor comercial a través de la investigación y análisis de la diversidad biológica y del conocimiento tradicional indígena Búsqueda de materia viva con propiedades medicinales, industriales, farmacológicas y biotecnológicas, con marcadas implicaciones sociales, culturales, económicas, jurídicas y políticas Búsqueda de información a partir de especies biológicas para su uso posterior en procesos de producción en diversos sectores Búsqueda intensa de metabolitos secundarios novedosos a partir de fuentes naturales, tradicionalmente de microorganismos, pero también se extiende a plantas y animales Temática y trabajo colectivo orientados a la búsqueda, conocimiento y selección de organismos o productos derivados, con uso actual o potencial en salud, alimentación, industria y medio ambiente, entre otros y su aprovechamiento sostenible en procesos productivos a escala industrial o artesanal, con aplicación nacional o internacional de los productos o servicios generados


Bionegocios Los Bionegocios son un tipo de aprovechamiento rentable pero además sustentable de diversos productos biológicos como la agroindustria, los econegocios, la bioindustria y otros sistemas que incorporan el uso sostenible de los recursos, reconociendo los derechos de las comunidades ahí vivientes, han abierto nuevas posibilidades para generar actividades económicas en base a la biodiversidad. En la figura 14 se reflejan las inter-conexiones entre bionegocios, comercio e industria. BIONEGOCIOS

SISTEMAS

SOSTENIBLES

SUSTENTABLES

con PRODUCCIONESLIMPIAS

Figura 14. Relación global entre bionegocios, comercio e industria.

Principios En el 2004 por la Iniciativa Biotrade de la UNCTAD se determinaron criterios y principios para lograr consolidar programas en el logro de la comercialización de productos derivados de la biodiversidad y el biocomercio. Estos principios son: 1. Conservación de la biodiversidad 2. El uso sostenible de la biodiversidad


3. La distribución equitativa de beneficios derivados del uso de la biodiversidad 4. Sostenibilidad socio-económica (de gestión, producción y mercados). 5. Cumplimiento de la legislación nacional e internacional y los acuerdos. 6. El respeto de los derechos de los actores involucrados en el Biocomercio 7. Claridad sobre la tenencia de la tierra, el uso y acceso a los recursos naturales y el conocimiento

Productos y servicios del biocomercio Las actividades de Biocomercio en general se orientan hacia la producción, transformación y comercialización de productos derivados de la utilización sostenible de los recursos biológicos, o la prestación de los servicios derivados de tales recursos. Dentro de los productos de Biocomercio se puede incluir a los provenientes de la recolección silvestre o de las prácticas de cultivo. El último se refiere a los productos derivados del cultivo de especies nativas (domésticos y variedades silvestres) a través de actividades como la agricultura o la acuicultura. En este caso, el cultivo se considera como una estrategia para asegurar la conservación de especies en peligro de extinción y sus ecosistemas. Los productos derivados de la recolección silvestre incluyen productos tales como la fauna (por ejemplo, peces ornamentales), derivados de la fauna (por ejemplo, piel de cocodrilo o de carne) y flora (plantas medicinales).

Lección 7. Vigilancia tecnológica Según Jakobiak, la vigilancia tecnológica consiste en la observación y el análisis del entorno científico, tecnológico y de los impactos económicos presentes y futuros, para identificar las amenazas y oportunidades. Para Jakobiaky Dou es la observación y el análisis del entorno seguidos por la difusión de las informaciones seleccionadas y analizadas, útiles para la toma de decisiones estratégicas.


En el Decreto xx del xx de 2011, en el artículo 52 se promuebe el uso de la vigilancia tecnológica para el seguimiento al acceso y uso de los recursos genéticos, los productos derivados o los conocimientos tradicionales asociados: “El Ministerio de Ambiente y Desarrollo Sostenible implementará un programa de vigilancia tecnológica para identificar las solicitudes de patentes y las patentes otorgadas en oficinas de propiedad industrial de otros países que involucren acceso a recursos genéticos y conocimientos tradicionales asociados de origen colombiano, los datos de identificación y ubicación de los solicitantes y cualquier otra información que permita identificar la apropiación ilegal y la utilización no autorizada

de

recursos

genéticos,

productos

derivados

o

conocimientos

tradicionales asociados de origen colombiano con el fin de tomar las medidas correspondientes en cuanto a evitar el otorgamiento de patentes con violación al régimen de acceso a recursos genéticos y conocimientos tradicionales asociados de origen colombiano e identificar la generación de beneficios derivados de la explotación de estos recursos y conocimientos.”

Lección 8. Bionegocios: modelo biotecnologico tipico El modelo biotecnológico típico, se basa fundamentalmente en los siguientes aspectos: 1. Concepción de la idea. 2. Planeación y concreción de la idea. 3. Desarrollo tecnológico. 3.1.

Investigación en laboratorio.

3.2.

Investigación en planta piloto.

3.3.

Planta industrial.

4. Producción y comercialización. El desarrollo tecnológico se debe iniciar fundamentalmente con una escala menor, lo que implica bajos volúmenes, baja capacidad y directamente costos bajos


(laboratorio). En esta fase se puede cometer errores experiementales y probar diversas alternativas, con el único propósito de producir información confiable que permita el escalado a planta piloto. En esta última los volúmenes son mayores al laboratorio, e igual el objetivo último es experimentar y producir información para escalar a nivel industrial. En la última etapa la experimentación no existe y el perfeccionamiento del producto final es el objetivo último.

Lección 9. Areas biotecnologicas alimentarias con alto potencial de inversion Existen diversas líneas con un alto potencial de inversión y desarrollo, la figura 16 muestra las mas importantes. Entre las áreas que siempre se han destacado por su rentabilidad y utilidad directa es la agricultura, en la tabla 3 se muestran algunos eventos en Colombia relacionados con productos genéticamente manipulados (GM). Con respecto a ello desde el 2002, año en que Colombia empezó a cultivar semillas biotecnológicas, hasta ahora el número de hectáreas de cultivos GM ha aumentado significativamente. Ocho años después de la implementación de esta tecnología, el incremento en la adopción de estos cultivos refleja los grandes beneficios que han aportado al sector agrícola. En el 2010, se sembraron 37.657 hectáreas de algodón GM. Los años anteriores, el algodón había sido el principal cultivo genéticamente modificado que se siembra en el país, sin embargo, en el 2010 fue superado en número de hectáreas por el maíz. En el 2009 se sembraron 18.784 hectáreas, lo que representa un aumento de más de 18 mil hectáreas para 2010. El cultivo de maíz GM aumentó con respecto al 2009. En el 2010 se sembraron 38.896 hectáreas, lo que significó un aumento de 22.103hectáreas con respecto al 2009 (cuando se sembraron 1 mil hectáreas). Sin embargo, este producto se


cultiva bajo el esquema de 'siembras controladas' y todavía no está aprobado para comercialización. En 2009, Colombia aprobó la siembra comercial de rosas azules genéticamente modificadas, las cuales estarán destinadas exclusivamente para exportación.

Alimentos GM aprobados en Colombia En Colombia, se ha aprobado el uso de semillas genéticamente modificadas de cultivos de maíz, clavel y algodón las cuales expresan diferentes genes. El Instituto Colombiano Agropecuario, con el asesoramiento del Comité Técnico Nacional de Bioseguridad agrícola, es el encargado de otorgar, después de una rigurosa evaluación caso por caso, la autorización para el uso semillas GM en las diferentes zonas agrícolas del país. En Colombia, existen diecisiete alimentos derivados de plantas genéticamente modificadas (GM) que se encuentran aprobados para el consumo humano.

Figura 16. Madurez tecnológica y de interez de lineas biotecnológicas con alto potencial de inversión.


Figura 17. Tendencia en ventas de algunas lineas biotecnológicas.

El Ministerio de la Protección Social a través del asesoramiento del Comité Técnico Nacional de Bioseguridad en salud es el encargado de otorgar, después de una rigurosa evaluación caso por caso, la aprobación del uso de alimentos GM para consumo humano en el país.

Tabla 3. Eventos en Colombia relacionados con productos genéticamente modificados Año

2002

2003

Evento Colombia ingresó a la lista de los países que utilizan los cultivos Genéticamente Modificados, con la siembra del clavel azul. A partir de ese año, nuestro país dio un salto hacia la modernidad y comenzó su recorrido por el camino de la biotecnología.

Fue aprobado el algodón GM. Tolerante al herbicida glifosato o RR. Resistente a insectos o Bt. Bt/RR


Maíz GM fue sembrado por primera vez en el país bajo el esquema de siembras controladas. 2007

Resistente a insectos o Bt, Tolerante a herbicida glifosfato o RR , Bt/RR

Colombia aprobó la siembra comercial de rosas azules genéticamente modificadas. Fuente: www.agrobio.org 2009

El país cuenta con una importante tradición y una infraestructura de investigación básica, especialmente en los campos de la agricultura y la salud humana. Actualmente existen grupos de investigación estructurados que se han ido fortaleciendo en términos de capacidad académica e infraestructura desde hace más de 10 años. La investigación en biotecnología tomó un gran impulso a partir de la creación del Programa Nacional de Biotecnología (PNB) en 1991, a través del cual se ha venido realizando un acompañamiento, monitoreo y financiación a la formación de recursos humanos y proyectos de investigación relacionados con esta nueva tecnología. De esta manera en la actualidad Colombia ya cuenta con 138 grupos de investigación en biotecnología de los cuales la gran mayoria pertenecen a las universidades públicas del pais.

Lección 10. Perspectivas de mercado En la actualidad colombia se inicia en la producción y el consumo de alimentos genéticamente modificados (GM). El área sembrada en el mundo con GM nos muestra un crecimiento exponencial abarcando grandes áreas del globo. El área mundial sembrada en el año 1996 fue de 2´300.000 Ha. y pasó a 27.800.000 Ha. en 1998, esperando que cada año la cifra se duplique. Los cultivos con mayor área son la soya y el maíz.


América Latina es la segunda región con mayor área sembrada, tan solo en Argentina se establecieron mas de cuatro millones de Has. principalmente con soya y maíz; en Brasil se inician los cultivos comerciales a gran escala con soya resistente a herbicidas y en países como Colombia, Ecuador y Bolivia desde hace varios años se vienen haciendo ensayos de campo con varios cultivos transgénicos, con miras a lograr próximamente su liberación comercial.

Tabla 4. Los cultivos transgénicos en el mundo Año

Evento

1996

2´300.000 de Has en el mundo de cultivos transgénicos

1997

13´000.000 de Has en el mundo de cultivos transgénicos

1998

27´800.000 de Has en el mundo de cultivos transgénicos (EEUU: 20´500.000 de has )Soya, maíz, algodón, papa, canola, tomate, otros. (Soya: 14.4 mill. Ha y Maíz: 8.3 mill. Ha.) Argentina: 4´300.000 ha. Soya y maíz

1999

más de 60´000.000 de has en el mundo. Proyección estimada Tomado de: ISAAA, 1998

El área sembrada en Colombia de cultivos transitorios ha disminuido en más del 80% en la última década, pasando de 2´700.000 Has. en 2000 a 347.000 Has. en 2009. Hasta inicios de la década del noventa se producían el 95% del maíz y el 70% de la soya para consumo doméstico. La apertura ilimitada de las importaciones de alimentos en el país; esto implica que cerca del 70% del maíz y


del 80% de la soya que consumimos es importada; tanto la soya como el maíz proviene la mayor parte de EEUU. Actualmente Colombia depende de alimentos básicos importados; esta situación es especialmente grave si se tiene en cuenta como se están incrementando exponencialmente los cultivos transgénicos en los EEUU y en otros países. El 15% de la producción de soya en los EEUU para 1997 fue de variedades transgénicas, pero se prevé que para la década del 2010 el 100% de la cosecha será a partir de variedades modificadas genéticamente. Esta misma tendencia se prevé para el algodón, maíz, papa y tomate, aunque con un crecimiento mas lento. El gobierno colombiano frente a la crisis del sector agropecuario ha adoptado la apertura generalizada de las importaciones de los productos básicos de la agricultura y la alimentación, cumpliendo las directrices contempladas en el "Acuerdo sobre Agricultura de la OMC" sobre liberación de la agricultura y desmonte de subsidios a los agricultores de los países del Sur. La política gubernamental, para la producción agrícola nacional, está dirigida a promover los modelos basados principalmente en la "Revolución Verde" y en las nuevas biotecnologías; pero los sistemas de producción de las comunidades locales y las propuestas agroecológicas sustentables no son apoyados y fortalecidas. Una tercera parte de la producción de maíz en EEUU se destina para la exportación y un alto porcentaje de ésta proviene de plantas transgénicas; pero allí no se realiza una separación o etiquetado que diferencie la producción de maíz, soya y otros productos obtenidos por métodos convencionales y la proveniente de plantas genéticamente modificadas. Para el caso de Colombia, ésta situación es preocupante, puesto que actualmente no existe una ley nacional de bioseguridad que ejerza un control que permita identificar y evaluar si la importación de alimentos proviene o no de OGM. Ninguna autoridad nacional competente de los Ministerios del Ambiente, de Salud y de Agricultura tiene medidas internas al respecto. Solo existe la Resolución 3492 de Dic./98 expedida por el ICA sobre bioseguridad, pero ésta no incluye dentro de su


ámbito de aplicación los productos de uso alimenticio derivados de OGM. Igualmente el INVIMA (Instituto Nacional de Vigilancia de Medicamentos y Alimentos) mediante el Decreto 3075/97 expide los registros fitosanitarios exigidos para la importación de alimentos, pero en él no hace ninguna referencia al control y evaluación de riesgos de los alimentos provenientes de OGM. Teniendo en cuenta la enorme cantidad de maíz, soya y productos derivados que el país está importando de EEUU sin ningún control de bioseguridad, es muy probable que estemos consumiendo alimentos con un buen porcentaje de productos transgénicos, puesto que el maíz es uno de los alimentos básicos de nuestra alimentación y se calcula que cerca del 60% de los alimentos procesados tiene algún componente proveniente de la soya. Lo anterior se evidencia con la reciente denuncia que hizo Greenpeace Internacional sobre la importación de maíz transgénico que está realizando el país. Greenpeace denuncia la importación de maíz transgénico por Colombia. Estamos importando más del 70% del maíz que consumimos en el país. Greenpeace Internacional realizó un análisis genético del maíz que está importando Colombia, proveniente de un barco que desembarcó en el Puerto de Santa Marta. Los análisis se realizaron en los laboratorios del Departamento de Ecología y Biología Molecular del Ministerio del Medio Ambiente de Austria. Los resultados muestran que el maíz importado contiene un alto porcentaje de maíz transgénico con el gen del Basillus thuringensis. No se precisó el tipo de variedad, pero Greenpeace presume que es alguna de las variedades de Monsanto o Novartis. Los Ministerios del Medio Ambiente, de Salud y de Agricultura actualmente no están haciendo ningún tipo de control a la importación de alimentos transgénicos; tampoco han asumido la responsabilidad y han evadido el problema. El ICA descalificó las denuncias y los análisis de laboratorio, a pesar de que los resultados del estudio le fueron entregados, afirmando que no había peligro puesto que este maíz es solo para alimentación animal. Con estos argumentos se


procedió a autorizar la entrada del cargamento al país sin realizar las evaluaciones previas. Pero se desconocieron las evidencias científicas que muestran que los alimentos transgénicos pueden generar reacciones alérgicas u otras impredecibles en los organismos una vez entran a la cadena alimenticia desde animales hasta humanos. Para este caso se debió aplicar el "principio de precaución" y no autorizar la introducción del cargamento hasta no realizar las pruebas genéticas de las muestras que permitan garantizar la seguridad del cargamento. Debieron primar la seguridad nacional y el derecho del país para tomar medidas de precaución por encima de la presión y amenazas que puedan ejercer los EEUU a través de la OMC quien considera inaceptable esta medida por ser un obstáculo para el libre comercio.

Tendencias del mercado mundial Esta industria agrupa compañías que se especializan en áreas diferentes a la producción de farmacéuticos y semillas modificadas genéticamente, que incluyen diagnósticos, procesamiento de comidas, energía, salud, biorremediación, biocatalisis y manejo ambiental. Un ejemplo famoso de esta industria es la enzima “Taq DNA polimerasa” de la bacteria Thermus aquaticus descubierta en el Parque Nacional de Yellowstone, la cual facilita la replicación del DNA mediante el proceso conocido como “Reacción en cadena de la polimerasa.” Las bacterias, los hongos y los virus son algunos de los grupos que más se desconocen en la naturaleza y también son los más demandados por la industria biotecnológica. Es complicado estimar las ventas globales de esta industria debido a la gran diversidad de actores y productos involucrados (Tabla 5). Por ejemplo, es difícil cuantificar de manera global la contribución económica de las enzimas que son vendidas a la industria de alimentos, estas son cifras que normalmente no son reportadas por analistas de mercado; además, las estadísticas de los diferentes mercados no reportan qué parte corresponde a la biotecnología. Sin embargo, se


estima que en este mercado se presentan ventas que oscilan entre los US$60.000 y US$120.000 millones.

Tabla 5. Estimación de las ventas anuales de la industria biotecnológica (áreas diferentes a la farmacéutica y agricultura) Producto mercado anual (US$ millones) Biotecnología Ambiental Enzimas (detergentes, almidones, textiles, lácteos, entre otros) Biocatalisis Diagnósticos: DNA polimerasa alcalina, fosfatasa, entre otros Biomateriales

56.000 - 120.000 1.400.000 1.600.000 - 1.800.000 150.000 -160.000 Bajo, pero con gran potencial

Actores Generalmente esta industria se especializa en el desarrollo de productos que solucionan problemas de otras compañías. Estos productos incluyen sistemas de biocontrol, enzimas, intermediarios bioquímicos y otros sistemas biológicos. Ejemplos de esta industria incluyen compañías como Hoffmann-LaRoche, Montana Biotech Corporation, y Diversa las cuales tienen intereses en áreas como el análisis de DNA, la identificación de enzimas útiles y el aislamiento y caracterización de microorganismos. Esta industria también colecciona células de mamíferos, insectos, organismos marinos y plantas, los principales coleccionistas de este sector incluyen las universidades, jardines botánicos y pequeñas compañías.

Demanda En Estados Unidos el sector universitario es el que colecta la mayor cantidad de muestras para esta industria, sin embargo, las compañías farmacéuticas también son muy activas en esta labor; generalmente, estas compañías identifican un problema que deben resolver para algún cliente y luego buscan los recursos genéticos que pueden resolverlo. Algunas compañías realizan acuerdos para


obtener muestras de otros países mientras que otras simplemente coleccionan muestras de plantas o suelos ilegalmente durante sus vacaciones en otros países. Muchas de las compañías de este sector también acuden a colecciones privadas de recursos genéticos y productos derivados para identificar muestras que puedan contribuir a su investigación. Estas colecciones incluyen muestras de extractos vegetales, enzimas, DNA, RNA, muestras de suelos, células de mamíferos, insectos, organismos marinos, algas, plantas secas, semillas, hongos, bacterias y virus. En una encuesta reciente, cerca del 75% de las compañías entrevistadas dijeron que la demanda por recursos genéticos crecerá en los próximos años debido principalmente a los avances científicos que están descubriendo más aplicaciones para los recursos genéticos, especialmente en el tratamiento de deshechos y en la disponibilidad de nuevas herramientas como las librerías de expresión de genes, bases de datos de biología molecular y la bioinformática. Otra consideración que indica un posible aumento en la demanda, es que los grupos biológicos que trabaja esta industria, que incluyen bacterias, insectos, virus y hongos, son muy poco conocidos, además, muchas de las especies que ya han sido clasificadas por la ciencia, no han sido analizadas ni caracterizadas mediante técnicas biotecnológicas. Actualmente existen varias compañías como Diversa que son muy activas en proyectos de bioprospección buscando enzimas y otros compuestos. Diversa tiene acuerdos con países como Costa Rica, Bermuda, Indonesia, México, Rusia, Ghana, Kenya y Estados Unidos (Parque Nacional Yellowstone y corporaciones de comunidades nativas de Alaska) Adicionalmente varios de los GCIB que inicialmente se enfocaron en la colección de plantas se están interesando en bacterias, hongos, algas y otros microorganismos para ser aprovechados por la industria biotecnológica. Es importante aclarar que el rango de regalías que paga esta industria es menor si se compara con el de la industria farmacéutica.


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CAPITULO 3. NORMATIVIDAD Lección 11. Definición La normatividad en biotecnología establece un conjunto de objetivos, principios y criterios que

buscan orientar y estipular sus mecanismos de acción, con

procedimientos no perjudiciales para la salud y el medio ambiente y demás ámbitos en la calidad de todo proceso biotecnológico, mediante principios de calidad, legalidad, transparencia, y responsabilidad. El medio ambiente y en particular la biodiversidad y los recursos genéticos han sido objeto de tutela especial en el ordenamiento jurídico colombiano, como se deriva de la propia Constitución Política de Colombia de 1991. La ratificación del Convenio sobre Diversidad Biológica mediante la Ley 165 de 1994 y las Decisiones 391 de 1996 (régimen común andino de acceso a recursos genéticos), y 486 de 2001 (Régimen Común de Propiedad Industrial) de la Comunidad Andina de Naciones, son leyes de Colombia y son la base para la adopción de medidas orientadas al uso sostenible, conservación y distribución de beneficios derivados de la utilización de la biodiversidad, y de gran relevancia para el Plan Nacional en Bioprospección Continental y Marina que se propone al país. En la Política Nacional de Biodiversidad, derivada del CDB, se plantea un marco general con las respectivas estrategias (conocer, conservar, utilizar) e instrumentos (dirigidos mediante acciones) encaminados a la educación, la participación ciudadana y el desarrollo legislativo e institucional mediados por incentivos e inversiones económicas. En desarrollo de los compromisos adquiridos al suscribir el CDB, los países miembros del Acuerdo de Cartagena o Pacto Andino, adoptaron un régimen legal sobre acceso a recursos genéticos, Decisión 391 de 1996. Esta iniciativa se sustentó en la necesidad de fortalecer posiciones de negociación en el ámbito internacional, y de presentar una estrategia unificada ante las solicitudes de


acceso a recursos genéticos, productos derivados y conocimiento asociado. Esta decisión expresa los fundamentos de un régimen común para la región; de un lado, destaca que la diversidad biológica, el endemismo y rareza de sus recursos tienen un valor estratégico en el contexto internacional, y del otro, que las comunidades indígenas, afroamericanas y locales de los países miembros que viven en estrecha interdependencia con los recursos biológicos, han contribuido a su conservación y deben participar de los beneficios de dicha contribución para su desarrollo económico y social. La Decisión además busca que la cooperación científica, técnica y cultural contribuya al desarrollo armónico e integral de los países miembros.

Lección 12. Antecedentes Históricos de la Normatividad en Colombia Existen en Colombia muchas referencias histórico-legales en materia de ciencia y tecnología, pero ninguna logra agrupar de manera sistemática y con unidad de materia todo lo atinente a bioseguridad y biotecnología, es necesario por lo tanto actualizar la legislación existente en Ciencia y Tecnología; sin embargo, deben ser considerados como esfuerzos de referencia que aunque temáticamente individuales, se constituyen en antecedentes regulatorios importantes para la construcción del Estatuto de Bioseguridad para Colombia, algunos de estos son mostrados en la tabla 6.

Tabla 6. Antecedentes regulatorios importantes del Estatuto de Bioseguridad para Colombia Antecedentes Descripción regulatorios Ley 9 de 1979,

mediante la cual se dictaron medidas sanitarias en materia de alimentos, entre otros temas.

que reformó la ley 9/79, y regula todas lasactividades Decreto 3075 de 1997 del que puedan generar factores de riesgo para el Ministerio de Salud consumo de alimentos. Resolución 03492 de 1998

mediante la cual se reglamentan actividades con OrganismosGenéticamente Modificados (OGMS).


Acuerdo 0013 de 1998,

crea el Consejo Técnico Nacional en materia de Bioseguridad Agrícola.

Resolución 2935 de 2001

mediante la cual se reglamenta sobre Organismos Genéticamente Modificados de uso Pecuario.

Acuerdo 00004 de 2002

crea el Consejo Técnico Nacional en materia de Bioseguridad Pecuaria.

Acuerdo 00002 de 2002

modifica el Consejo Técnico Nacional en materia de Bioseguridad Agrícola.

decreto 60 de 2002 del Ministerio de Salud

promueve la aplicación del Sistema deAnálisis de Peligros y Puntos de Control Crítico en productos alimenticios – HACCP (sigla en Inglés) – en las fábricas de alimentos y se reglamenta el proceso de certificación - Inocuidad de Alimentos. Ramas del poder publico

Poder Ejecutivo

Poder Legislativo

Presidente de la republica

Congreso de la Republica

Ministros

Poder Judicial

Corte Suprema De Justicia Tribunales

Senado

Camara

Visepresidente

Fiscalía General De la Nación

Ejercer la potestad reglamentaria, mediante la expedición de los decretos, resoluciones y órdenes necesarios para la cumplida ejecución de las leyes

1. Hacer y aprobar las leyes 2. Reformar la Constitución

3. E ercer control olítico

Emite resoluciones Propende y garantiza el cumplimiento de la ley

Figura 18. Ramas del poder público. Fuente: Autor


Lección 13. Clases Y Modelos De Normatividad (Ley, Decreto, Resolución Y Norma) Una ley es una regla o norma elaborada y aprobada por el poder legislativo. Su incumplimiento conlleva a una sanción. En el caso colombiano el Congreso de la República de Colombia es el máximo órgano legislativo del país. El Congreso cuenta con tres funciones principales: la primera es hacer y aprobar las leyes, la segunda reformar la Constitución, mediante actos legislativos y la tercera consiste en ejercer control político. Un decreto es elaborado y emitido por el poder ejecutivo. Es una disposición dictada por la Autoridad en asuntos de su competencia.Es un tipo de acto administrativo emanado habitualmente del poder ejecutivo y que, generalmente, posee un contenido normativo reglamentario, por lo que su rango es jerárquicamente inferior a las leyes.Esta regla general tiene sus excepciones en casi todas las legislaciones, normalmente para situaciones de urgente necesidad, y algunas otras específicamente tasadas. Existe también el decreto legislativo, el cual puede utilizar el Gobierno para dictar normas en materia delegada por las Cortes, sobre materias que no necesiten ser reguladas por ley orgánica. Finalmente esta el decreto ley, el cual es una delegación expresa y especial del Poder legislativo, ante circunstancias excepcionales, a favor del Poder ejecutivo. Una resolución es un fallo o providencia de una autoridad. Una resolución judicial es el acto procesal proveniente de un tribunal, mediante el cual resuelve las peticiones de las partes, o autoriza u ordena el cumplimiento de determinadas medidas. Una norma jurídica es una regla u ordenación del comportamiento humano dictado por la autoridad competente del caso, con un criterio de valor y cuyo incumplimiento trae aparejado una sanción. Generalmente, impone deberes y


confiere derechos. La ley es un tipo de norma jurídica, pero no todas las normas son leyes, pues son normas jurídicas también los reglamentos, órdenes ministeriales, decretos y, en general, cualquier acto administrativo que genere obligaciones o derechos.

Lección 14. Normatividad Colombiana relacionada a la Biotecnología Existe diversa normatividad Colombiana relacionada con la biotecnología Alimentaria, algunas de ellas son las siguientes:

Ley 100 Artículo 245/1993: El cual tiene como objeto la ejecución de las políticas del INVIMA en materia de vigilancia sanitaria y control de calidad de medicamentos, alimentos, productos biológicos. Y aquellos productos generados por biotecnología.

Artículo 3075 De 1997 Articulo 54: A los alimentos obtenidos por biotecnología de tercera generación y/o procesos de ingeniería genética, se les otorgara registro sanitario previo estudio y concepto favorable de la comisión revisora del invima.

Decreto 4525 De 2005: Se aplica al movimiento transfronterizo, el transito, la manipulación, y la utilización de organismos vivos modificados OVM que pueden tener efectos adversos para el medio ambiente y la diversidad biológica , teniendo en cuenta los riesgos para la salud humana, la productividad y producción agropecuaria.

Resolucion 5109 del 29 de diciembre de 2005: Establece algunas definiciones sobre el rotulado, alimentos o ingredientes alimentarios obtenidos por medio de tecnologias de modificación genética o ingenieria genética; entre otros la definición de alimentos resultantes de OGM son: “Se definen como aquellos que son o que contienen organismos modificados genéticamente obtenidos como resultado de la aplicación de la tecnología de manipulación de los genes. Esta definición también aplica a los productos obtenidos a partir de organismos modificados genéticamente pero que no los contienen.”, se encuentra igualmente la definición


de Biotecnología Moderna, como: a) Técnicas in vitro de acido nucleico incluidos el acido desoxirribunocleico (ADN recombinante) y la inyección directa del acido nucleído en las células u organismos , o b) La fusión de células mas alta de la familia taxonómica, que superan barreras fisiológicas naturales de la reproducción o de la recombinación y que no son técnicas utilizadas en la reproducción y selección natural.

Organismo vivo modificado: Cualquier organismo vivo que

posea una combinación nueva de materialgenético que se haya obtenido mediante la aplicación de la biotecnología moderna. Nose consideran organismos vivos modificados los que se derivan de procesos tales como: (i) Fertilización in vitro, (ii) Conjugación, transducción, transformación o cualquier otro proceso natural, (iii) Inducción de poliploidia, (iv) Mutagenesis y (v) Fusión celular (incluyendo la fusión de protoplasto) o técnicas de hibridación donde las células protoplastos del donante se incluyen en la misma línea taxonómica.

Protocolo de Cartagena (Protocolo de Cartagena sobre Seguridad de la Biotecnología del convenio de Diversidad) El Protocolo de Cartagena sobre Bioseguridad es un instrumento internacional que regula los organismos vivos modificados, OVMs, producto de la biotecnología moderna. Este acuerdo, que se enfoca específicamente en el movimiento transfronterizo de OVMs, promueve la seguridad de la biotecnología al establecer normas y procedimientos que permiten la transferencia segura, la manipulación y el uso de OVMs. Cartagena es el nombre de la ciudad colombiana en la cual, en febrero de 1999, el Protocolo de Bioseguridad fue originariamente programado para ser concluido y adoptado. Sin embargo, debido a asuntos de orden político por resolver, el Protocolo fue finalizado y adoptado un año después, el 29 de enero del año 2000 en Montreal, Canadá. Hasta la fecha, 159 instrumentos de ratificación o de adhesió n se han depositado en la Secretaría General de las Naciones Unidas provenientes de las Partes del Convenio de Diversidad; los paises miembros del protocolo en la actualidad (2013) son: Malasia, Maldivas, Islas Marshall, Mongolia, Myanmar,


Nauru, Niue, Oman, Pakistán, Palau, Papúa Nueva Guinea, Filipinas, Qatar, República de Corea, Samoa, Islas Salomón, Arabia Saudita, Sri Lanka, República Árabe Siria, Tayikistán, Tailandia, Tonga, Turkmenistán, Vietnam, Yemen; Europa Central y Oriental: Albania, Armenia, Azerbaiyán, Belarús, Bosnia y Herzegovina, Bulgaria, Croacia, República Checa, Estonia, Georgia, Hungría, Letonia, Lituania, Montenegro, Polonia, República de Moldova, Rumania, Serbia, Eslovaquia , Eslovenia, ex República Yugoslava de Macedonia, Ucrania; Latonoamérica y el Caribe: Antigua and Barbuda, Bahamas, Barbados, Belize, Bolivia, Brasil, Colombia, Costa Rica, Cuba, Dominica, República Dominicana, Ecuador, El Salvador, Granada, Guatemala, Guyana, Honduras, México, Nicaragua, Panamá, Paraguay, Perú, Saint Kitts and Nevis, Santa Lucia, San Vicente y las Granadinas, Suriname, Trinidad and Tobago y Venezuela.

Tabla 7. Alimentos derivados de OGM (organismos genéticamente modificados) aprobados por el Invima; Fuente: INVIMA.

Planta

Tecnología

Identificador

Algodón Algodón

Bollgard RoundupReady

MON-00531-6 MON-01445-2

Maiz

Yieldgard

MON-00810-6

Maiz

RoundupReady

MON-00603-6

Trigo

RoundupReady

MON-71800-3

Producto Con Reg.Sanitario Aceite Refinado Aceite Refinado Aceite Refinado Harina de maíz Aceite Refinado Harina de maíz N/A

Semilla De Soya

RoundupReady

MON-04032-6

N/A

Remolacha Azucarera

RoundupReady

KM-00071-4

N/A

B1-Herculex 1 DAS-O1507-1 BtCry 1F1507 Semillas genéticamente modificadas (GM) aprobadas en Colombia Maiz

N/A

En Colombia, se ha aprobado el uso de semillas genéticamente modificadas de cultivos de maíz, clavel y algodón las cuales expresan diferentes genes. El


Instituto Colombiano Agropecuario, con el asesoramiento del Comité Técnico Nacional de Bioseguridad agrícola, es el encargado de otorgar, después de una rigurosa evaluación caso por caso, la autorización para el uso semillas GM en las diferentes zonas agrícolas del país.

Tabla 8. Siembras controladas de algunos productos utilizados en Colombia Cultivo

Compañía

Caracteristica

Monsanto

Resistente a Insectos (RI)

Maiz (Roundup Ready, RR)

Monsanto

Tolerante a Herbicidas (TH)

Maiz (Herculex I)

Dupont

Resistente a Insectos (RI)

Maiz (Yieldgard II x RR)

Monsanto

RI + RH

Maiz (Yieldgard)

Maiz (Herculex + RR) Maiz (Bt-11)

Dupont

RI + RH

Syngenta

RI

Maiz RI162

Syngenta

RI

Maiz con tecnologia VT TriplePRO (VT3P)

Monsanto

RI + RH

Zona Agroecológica Caribe, Alto Magdalena, Orinoquia y Valle del Cauca. Caribe, Orinoquia, Alto Magdalena, Valle del Cauca Caribe, Alto Magdalena, Orinoquia y Valle del Cauca Caribe, Orinoquia, Alto Magdalena, Valle del Cauca Caribe, Orinoquia, Alto Magdalena, Valle del Cauca Cundinamarca Caribe seco, Caribe Humedo, Orinoquia, Valle geográfico del rio Cauca y del rio Magdalena Valle geográfico del rio Magdalena

Tomado de: http://www.agrobio.org/fend/index.php?op=YXA9I2JXbDQmaW09I016UT 0=

Procedimientos para el trámite de solicitudes de OVM en Colombia En Colombia existe un procedimiento establecido por el Comité Técnico Nacional de Bioseguridad (CTNB) destinado a la autorización para comercializar alimentos derivados de plantas genéticamente modificadas (OGM) sean procesados o no, para uso en salud y/o alimentación humana, este procedimiento es mostrado en la figura 19.


1

Solicitante radica los documentos re ueridos ante el INVIMA

2

Revisión reliminar de re uicitos 1 día

3

Envio de co ias a miembros del CTN salud ara estudio 1 a 2 meses

4

Reunión del CTN Salud, Discusión (1 a 2 días)

Recomendación de no autorización

Concepto

Solicitud información adicional

Recomendación de autorización para consumo humano

Envio del acta y documentos de evaluación de riesgos generados por el CTN salud al Ministerio de Protección Social

Expedición de acto administrativo de autorización o negación firmada por el Ministerio de Protección Social

Registro sanitario para alimento procesado

Figura 19. Procedimiento para el trámite de solicitudes de los organismos vivos modificados -OVM con fines agrícolas, pecuarios, pesqueros, plantaciones forestales comerciales y agroindustria ante el Instituto Colombiano Agropecuario – ICA


Tabla 9. Resumen normatividad Biotecnológica en Colombia AUTORIDAD NORMA

FECHA

PREAMBULO

NACIONAL COMPETENTE

Decreto xx

2011-20

Resolución

2007-02-

No. 0227

01

Decreto

2006-02-

No.500

20

Resolución No.485

2005-0304

Decreto

2004-01-

No.132

21

Decreto

2004-01-

No.936

21

ENTIDAD EMISORA DE LA NORMA

Por el cual se reglamenta el acceso a los recursos genéticos, sus productos derivados,los conocimientos tradicionales asociados y la distribución justa y equitativa de beneficios derivados de su utilización y se dictan otras disposiciones. Por la cual se dictan algunas disposiciones sobre la convocatoria, funcionamiento y sesiones del Comité Técnico Nacional de Bioseguridad para los Organismos Vivos Modificados Por el cual se modifica el Decreto 1220 del 21 de abril de 2005, reglamentario del Título VIII de la Ley 99 de 1993 sobre licencias ambientales. Por la cual se establece el reglamento técnico sobre los requisitos de rotulado o etiquetado que deben cumplir los alimentos envasados y materias primas de alimentos para consumo humano Por el cual se promulga el "Protocolo de Cartagena sobre Seguridad de la Biotecnología del Convenio sobre Diversidad Biológica", hecho en Montreal el 29 de enero de 2000 Por la cual se aprueba el Acuerdo número 008, por el cual se modifica la composición y funciones de la Comisión

Ministerio de Protección Social

Ministerio de Protección Social

Ministerio de Ambiente Vivienda y Desarrollo Territorial


Ministerio de la Protección Social


Ministerio de Relaciones Exteriores


Ministerio de la Protección Socia

Ministerio de la Protección Socia


Revisora

Ley No. 740

Ley No.599

2002-0524

2000-0724

Decreto

2000-02-

No.309

25

Decreto

1997-12-

No.3075

23

Ley No.165

Ley No.99

1994-1109

1993-1222

Decreto

1991-07-

No.1843

22

Decreto

1974-12-

No.2811

18

Por medio de la cual se aprueba el "Protocolo de Cartagena sobre Seguridadde la Biotecnología del Convenio sobre la Diversidad Biológica", hecho en Montreal, el veintinueve (29) de enero de dos mil (2000)

Por la cual se expide el Código Penal.

Por el cual se reglamenta la investigación científica sobre diversidad biológica Por el cual se reglamenta parcialmente la Ley 09 de 1979 y se dictan otras disposiciones Por medio de la cual se aprueba el "Convenio sobre la Diversidad Biológica", hecho en Rio de Janeiro el 5 de junio de 1992 Por la cual se crea el Ministerio del Medio Ambiente, se reordena el Sector Público encargado de la gestión y conservación del medio ambiente y los recursos naturales renovables, se organiza el Sistema Nacional Ambiental, SINA, y se dictan otras disposiciones. Por el cual se reglamentan parcialmente los títulos III, V, VI, VII y XI de la Ley 09 de 1979, sobre el uso y manejo de plaguicidas Por el cual se dicta el Código Nacional de Recursos Naturales Renovables y de Protección al Medio Ambiente


Ministerio de Ambiente Vivienda y Desarrollo Territorial Ministerio de Ambiente Vivienda y Desarrollo Territoria

Congreso de la República














Fuente: El autor

Lección 15. Entidades Ejecutoras Entidades Nacionales Competentes Se encargan de las funciones administrativas requeridas por el Protocolo y son las facultadas para autorizar las actividades de movimientos transfronterizos, tránsito, manipulación y utilización de los OVM, que puedan tener efectos adversos para el medio ambiente y la diversidad biológica, teniendo en cuenta los riesgos para la salud humana. Se encargan de las funciones administrativas requeridas por el Protocolo y son las facultadas para autorizar las actividades de movimientos transfronterizos, tránsito, manipulación y utilización de los OVM, que puedan tener efectos adversos para el medio ambiente y la diversidad biológica, teniendo en cuenta los riesgos para la salud humana.

“El Ministerio de Agricultura y Desarrollo Rural, a través del Instituto Colombiano Agropecuario, ICA es el competente cuando se trata de OVM exclusivamente para uso agrícola, pecuario, pesquero, plantaciones forestales comerciales y agroindustriales”.

Descripción: Organismo rector de la gestión del medio ambiente y de los recursos naturales renovables, encargado de impulsar una relación de respeto y armonía del hombre con la naturaleza y de definir, las políticas y regulaciones a las que se sujetarán la recuperación, conservación, protección, ordenamiento, manejo, uso y aprovechamiento de los recursos naturales renovables y el medio ambiente de la Nación, a fin de asegurar el desarrollo sostenible. Actividades relacionadas con bioseguridad: Competente para la autorización de movimiento transfronterizo, el tránsito, la manipulación y la utilización de los Organismos Vivos Modificados, OVM, que puedan tener efectos adversos para el medio ambiente y la diversidad biológica, cuando se trate de OVM exclusivamente para uso ambiental.


“El Ministerio de Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial, es el competente cuando se trata de OVM exclusivamente para uso ambiental ”. Descripción: Organismo rector de la gestión del medio ambiente y de los recursos naturales renovables, encargado de impulsar una relación de respeto y armonía del hombre con la naturaleza y de definir, las políticas y regulaciones a las que se sujetarán la recuperación, conservación, protección, ordenamiento, manejo, uso y aprovechamiento de los recursos naturales renovables y el medio ambiente de la Nación, a fin de asegurar el desarrollo sostenible. Actividades relacionadas con bioseguridad: Competente para la autorización de movimiento transfronterizo, el tránsito, la manipulación y la utilización de los Organismos Vivos Modificados, OVM, que puedan tener efectos adversos para el medio ambiente y la diversidad biológica, cuando se trate de OVM exclusivamente para uso ambiental.

“El Ministerio de la Protección Social, es el competente cuando se trata de OVM para uso exclusivo en salud o alimentación humana ”. Descripción: Entidad encargada de orientar el Sistema de Protección Social y el Sistema de Seguridad Social hacia su integración y consolidación, mediante la aplicación de los principios básicos de: universalidad, solidaridad, calidad, eficiencia y equidad, con el objeto de tener un manejo integral del riesgo y brindar asistencia social a la población colombiana. Actividades relacionadas con bioseguridad: Directamente o a través de la autoridad que delegue, es el competente para la autorización de movimiento transfronterizo, el tránsito, la manipulación y la utilización de los Organismos Vivos Modificados, OVM para uso exclusivo en salud o alimentación humana

Entidades Internacionales Algunas de las entidades internacionales encargadas de la normatividad referente a la biotecnología alimentaria son:


(i) UN Food and AgriculturalOrganization

(FAO)

(ii) UN WorldHealthOrganization

(WHO)

(iii)

International lifeSciencesInstitute

(iv)

OrganizationforEconomicCooperation and Development (OECD)

(v) International FoodBiotechnology Council (vi)

(ILSI) (IFBC)

Codex Alimentarius (art, 47 Dec 3075/1997)

BIBLIOGRAFIA Melgarejo, L., Sánchez, J., Chaparro, A., Newmark, F., Santos, M., Burbano, C. Reyes, C. (Eds). 2002. Aproximación al estado actual de la bioprospección en Colombia. Editorial Cargraphics. 334p. ISBN 96972-9-1

Cruz-Matiz, Gustavo Adolfo; et al. Tesis “Análisis y Desarrollo Legislativo en el Área de la Ciencia, Tecnología eInnovación para la Competitividad de Bogotá y Cundinamarca”. Dirigido por el Dr. Rafael Stand Niño y el Dr.Gabriel Zamudio Falla. Universidad de la Sabana – Facultad de Derecho. Bogotá, Colombia, 2003. http://www.science.oas.org/Simbio/bioseg/Estatuto_Bioseguridad_CO_05%2020% 2004%20v2.pdf http://www.minproteccionsocial.gov.co/VBeContent/contactus.asp http://www.reuna.unalmed.edu.co/temporales/memorias/especies/Magistrales/8_ar ticulo%20bioprospeccion-biodiv.htm


UNIDAD 2 Nombre de la Unidad INGENIERIA GENÉTICA Y TECNOLOGÍA ENZIMÁTICA EN LA BIOTECNOLOGIA ALIMENTARIA Intencionalidades Formativas Presentar al estudiante en forma clara y precisa los conceptos básicos de las • propiedades y caracteristicas del material genético Proporcionar conceptos específicos y concretos de las tecnicas en biologia • molecular. •

Describir los procedimientos de los diversos métodos de extracción, purificación y caracterización de proteinas.

Denominación de capítulos

Lección 17. Replicación, trascripción y traducción en procariotas y eucariotas Lección 18. Técnicas en biología molecular Lección 19. Nomenclatura y clasificación Lección 20. Extracción, purificación y caracterización de proteínas Lección 21. Cinética enzimática Lección 22. Inmovilización Lección 23. Enzimas industriales, usos frecuentes y mercado

CAPITULO 4. INGENIERIA GENETICA

Lección 16. Propiedades y características del material genético El ADN (ácido desoxirribonucleico) junto con el ARN (ácido ribonucleico) son las macromoléculas orgánicas responsables de transmitir las diversas y variadas características genéticas a través de los ciclos reproductivos o hereditarios. El ADN es una macromolécula orgánica, polimérica constituidas por unidades llamadas nucleótidos, por su estructura (descubierta por James D. Watson y Francis Crick en 1953) y disposición espacial es una molécula bicatenaria, de tal manera que una cadena es complementaria a la otra. El ARN difiere del ADN en cuanto al contenido del azúcar en sus nucleótidos mientras que en el ADN contiene desoxirribosa el ARN contiene ribosa; a demás es monocatenario (una sola hebra).

Figura 20. Bases nitrogenadas: Adenina A, Guanina G, Timina T, Citosina C, y Uracilo U, los componentes básicos de los ácidos nucleicos. Tomado de: http://payala.mayo.uson.mx/Programa/biomoleculas,proteinas.htm


Los nucleótidos están compuestos de (i) una base nitrogenada A (adenina), G (guanina), C (citosina), T(timina) y U (uracilo), de los cuales la A, T, C y G están presentes en el ADN, mientras que en el ARN la timina es reemplazada por uracilo. Estas bases se clasifican en purinas (con dos anillos, uno de cinco y otro de seis átomos como la Adenina y la Guanina) y las pirimidinas (con un solo anillo de seis átomos, las cuales son: Timina, Uracilo y Citosina).

Figura 21. Molecula de ADN, mostrando sus bases apareadas A-T y G-C, y los surcos mayores y menores. Tomado de: http://payala.mayo.uson.mx/Programa/biomoleculas,proteinas.htm

Nucleótidos Los nucleótidos son moléculas orgánicas formadas por la unión covalente de un monosacárido de cinco carbonos (pentosa: ribosa o 2-desoxirribosa), una base nitrogenada (A, T, G, C o U) y un grupo fosfato (H 3PO4, cada nucleótido puede contener uno (nucleótidos-monofosfato, como el AMP), dos (nucleótidos-difosfato, como el ADP) o tres (nucleótidos-trifosfato, como el ATP) grupos fosfato. El nucleósido es la parte del nucleótido formado únicamente por la base nitrogenada y la pentosa.


Nucleósidos Un nucleósido es una molécula monomérica orgánica que integra las macromoléculas de ácidos nucleicos que resultan de la unión covalente entre una base heterocíclica con una pentosa que puede ser ribosa o desoxirribosa. Ejemplos de nucleósidos son la citidina, uridina, adenosina, guanosina, timidina y la inosina.

Lección 17. Replicación, trascripción y traducción en procariotas y eucariotas La replicación es el proceso biológico mediante el cual la célula realiza copias exactas de su ADN, como una forma de duplicar la información y expresarla. En 1957 los doctores Matthew Meselson y Franklin W. Stahl diseñaron un experimento para determinar el método de la replicación del ADN; pues tres modelos de replicación era plausibles: (i) conservativo, (ii) semiconservativo y el (iii) dispersivo. El modelo conservativo se basa en que una de las dos moléculas bicatenarias de ADN producidas en la replicación conserva las dos cadenas madre (viejas) mientras que la otra doble hélice posee ambas hebras de nueva síntesis. El semiconservativo (el cual es el modelo comprobado por Meselson y Stahl comprobando la hipótesis de Watson y Crick ) sugiere que el ADN separa sus dos hebras y cada una sirve de molde para sintetizar una nueva hebra siguiendo las reglas de complementariadad de las bases nitrogenadas. El dispersivo implicaba que el momento de la replicación se originan dos dobles hélices, cada una de ellas con hebras que poseen tramos viejos y tramos de nueva síntesis en diferentes proporciones. En la replicación entran diversos tipos de componentes y procesos para la duplicación del material génico, entre estas la holoenzima ADN polimerasa. El primer paso, implica la síntesis del DNA copiando la información de DNA a DNA, este proceso implementan un conjunto de enzimas conocidas como DNA


polimerasas (DNApol), las cuales se caracterizan entre otras cosas por ser dependientes de DNA. En procariotes se han descubierto tres clases de DNA polimerasas: (i) DNApol I, (ii) DNApol II y (iii) DNApol III; mientras que en eucariotes existen cinco tipos conocidas como: (i) DNApol A( α), (ii) DNApol B (β), (iii) DNApol C ( γ), (iv) DNApol D (δ) y (v) DNApol E ( ε); todas estas holoenzimas requieren un molde de ADN para ser copiado introduciendo desoxinucleótidos trifosfato, para ello es

indispensable y dependiente para iniciar esta síntesis un oligonucleótido iniciador

con un extremo 3’ libre (también llamado: primers, iniciador o cebador). A partir de este extremo 3’ del oligonucleótido iniciador estas enzimas avanzan en dirección 3’→5’ (leen en esta dirección) y sintetizan las nuevas cadenas uniendo al extremo 3’-OH libre del iniciador, el fosfato en 5’ de un

nuevo nucleótido mediante un

enlace éster, sintetizando en dirección 5’→3’.

La replicación se inicia con la separación de las dos hebras monocatenarias

complementarias de DNA, proceso mediado por la enzima DNA helicasa, la cual rompe los enlaces hidrógeno de ambas cadenas formados por las bases nitrogenadas

(dos

para

A-T

y

tres

para

G -C)

consumiendo

ATP.

El

desenrrollamiento de la doble hélice generado por la tención se elimina gracias a

un grupo de enzimas llamadas topoisomerasas (Topo), de las cuale s intervienen la Topo I y la II, esta ultima actúa, cortando un enlace ester de una cadena y volviendo a formarlo. Las dos hebras simples del DNA abierto, se mantienen separadas por acción de “proteínas estabilizadoras del DNA de cadena simple”

llamadas SSB (single strand DNA bindig proteins por sus siglas en ingles). A las cadenas simples de DNA se une la RNA polimerasa iniciadora llamada Primasa, una RNApol dependiente de ADN, la cual es capaz de iniciar la síntesis de novo. Esta enzima sintetiza sobre la cadena simple de ADN un pequeño fragmento de nucleótidos (en procariotes tiene una extensión entre 50 y 100 nucleótidos y en eucariotes alrededor de 10) como cebador. Inmediatamente sintetizado el RNA entra en acción la polimerasa DNApol III en procariotes y en


eucariotes la DNApol α, podría iniciar la síntesis de un fragmento de 10 a 15 desoxinucleótidos y pasado este punto, su lugar lo ocupa la DNApol D ó d, que se

encarga de la mayor parte de la síntesis, se ha propuesto que la DNApol γ sustituye a la DNApol α para sintetizar todo el DNA, después de que esta a sintetizado el RNA iniciador. De esta forma se producen la hebra discontinua con dirección 5’→3’y la hebra continua con dirección 3’ →5’. la primera (la hebra discontinua) está formada por los llamados fragmentos de Okazaky, que son

oligonucleótidos con RNA en el extremo 5’ y DNA en el 3’. Ambas enzimas copian el DNA molde en dirección 3’ →5’ y unen al extremo 3’-OH libre de la cadena en crecimiento, el fosfato en 5’ de un nuevo desoxinucleótido mediante un enlace éster. La eliminación de los fragmentos de Okazaky y completar la síntesis de la cadena de DNA se requiere la DNApol I en procari otes y la DNApol

α

de

eucariotes; las cuales actúan como exonucleasas hidrolizando el enlace 3’-fosfato

y liberando nucléosidos -5’- monofosfato, luego actuando con su actividad polimérica, a partir del extremo 3’ libre más cercano, llenan el hueco en la

cadena

con desoxirribonucleótidos; para unir los dos fragmentos se necesita la enzima

DNA ligasa que toma el AMP del NAD en procariotes o del ATP en eucariotes, uniéndolo a un resto de Lisina y liberando un mononucleótido de nicotinamida en procariotes y pirofosfato en eucariotes.

Transcripción La síntesis de RNA la llevan a cabo las enzimas llamadas RNA polimerasas (RNApol). En procariotes tan solo existe una RNApol, mientras que en eucariotes hay 3, nombradas como: RNApol 1, RNApol 2 y RNApol 3. La primera es encargada de sintetizar el rRNA y el RNA heterogéneo nuclear (nhRNA). La RNApol 2 sintetiza principalmente el mRNA y la RNApol 3 sintetiza el tRNA y la fracción 5s de rRNA. Debido a que todos los RNA de las células son cadenas sencillas, mientras que el DNA tiene doble cadena, resulta claro que solo una de las dos cadenas del DNA se transcribe, a esta cadena se le conoce como cadena molde y a la otra como cadena codificadora o codificante.


En procariotes la RNApol requiere de un factor de iniciación, la proteína sigma ( σ), que reconoce el sitio de iniciación de la transcripción y una vez iniciada esta, se separa. Las RNApol de eucariotes no tienen este requerimiento, Todas las RNApol requieren ribonucleótidos trifosfato y una cadena doble de DNA; todas copian la cadena de DNA leyendo en dirección 3’ →5’ y sintetizan el RNA en dirección 5’→3’. La transcripción termina cuando se llega a una secuencia de terminación. En procariotes estas secuencias son reconocidas por otra proteína, el factor rho (r), en eucariotes no requieren factores.

Traducción La síntesis de proteínas o Traducción, es uno de los procesos más complejos que realizan las células, esta complejidad es necesaria para asegurar la lectura fiel de las secuencias de nucleótidos de los ácidos nucleicos a secuencias de aminoácidos en las proteínas.

Figura 22. Código genético. Tomado de: misc/codgen/beltramini.gif

http://biomodel.uah.es/biomodel-


La traducción requiere de una conjunto de reglas que permita interpretar las secuencias de nucleótidos, y colocar los aminoácidos en el orden correcto. El organelo encargado de traducir la secuencia del ARNm a proteínas es el ribosoma, pare ello requiere del Código Genético.

Dogma central de la biología molecular Consiste en las interacciones lógicas y vías conocidas que conducen la transferencia de la información genética en un organismo, contenida en el ADN hasta su producto final: proteína.

ADN

REPLICACIÓN Enzima:ADNpol

ADN

TRANSCRIPCION

ARN

Enzima:ARNpol TRANSCRIPCIONINVERSA Enzima:ARNpolreversa TRADUCCIÓN Proteína

Figura 23. Dogma central de la biología molecular.

Regulación de la expresión génica Introducción Los procariotas como organismos unicelulares, poseen una gran capacidad de adaptación, regulando la expresión de sus genes para ajustarse al medio, de esta manera aumentan la eficiencia de la economía energética. La unidad fundamental de la información génica es regulada fundamentalmente en el inicio de la transcripción, interviniendo factores que transcriben productos difusibles o no. La actuación de estos controladores pueden ser tanto de tipo trans como cis. La


regulación puede ser de tipo negativo y positivo, algunas veces llamado este último como regulación metabólica. El modelo del operón lac , es uno de los más estudiados y sirve como base para la regulación génica en bacterias.

El gen como concepto general Desde sus primeros indicios con la teoría propuesta por G. Mendel en 1865 a cerca de la transmisión de los caracteres hereditarios, pasando por la primera definición conocida por T. H. Morgan en su trabajo “ teoría del gen” en 1926 [1] hasta los mas recientes planteamientos; la definición del concepto de gen no es estático sino evolutivo, resultando cada vez mas complicado hacer una definición molecular de aplicación general [2]. Se han establecido tres conceptos de gen a través de la historia: clásico, neoclásico y moderno. El concepto clásico define el gen como “la unidad indivisible de la transmisión genética ”, concepto que condujo al planteamiento a comienzos de los años 40s de “ un gen una enzima ”; gracias a los trabajos de George Beadle y Eduar Tatum con Neurospora crassa, y corroborados por Vernon Ingram en 1956 con células falciformes, que ratificó la relación completa de los genes con la producción de un enzima [3]. Los descubrimientos de la recombinación por Avery, la estructura de la doble hélice del ADN por Watson y Crick [4,5], los mecanismos de la síntesis de proteínas y nuevas metodologías para el análisis genético, cambió el concepto clásico al neoclasico de: “un cistrón un polipeptido ”, en los años 60s. Posteriores descubrimientos de genes repetidos, jerarquizados, traslapados, transposones, promotores etc, que poseen una base bioquímica para su análisis, han establecido definiciones de gen modernas [6]. Todas las definiciones de gen requieren criterios operacionales,

basadas

en

la

transmisión,

mutación,

recombinación

y

funcionalidad en el desarrollo del fenotipo. Una de estas definiciones expresadas por Miller y Reznikoff [7] es: “ el gene es una combinación de segmentos de DNA que constituye una unidad expresable, que conduce a la formación de uno o más productos funcionales específicos, que pueden ser moléculas de RNA o polipéptidos” . Esta es una definición de carácter molecular, pero variadas

definiciones son posibles con diversos niveles de profundidad dependiendo el


sistema genético, analítico y los métodos empleados. El gen comprende toda la región transcrita, incluyendo las secuencias codificadoras contenidas en los exones (eucariotes), todos los intrones y las regiones flanqueantes de la región codificadora, las secuencias reguladoras tanto las próximas como las situadas a miles de pares de base (secuencias de intensificación) de la región transcrita, se pueden considerar como partes integrales del gen [2]. Igualmente existen diferentes clases de genes como: simples, repetidos, traslapados, jerarquizados, procesados, montados y móviles.

Organización y elementos reguladores genéticos Los organismos vivos no necesitan todos sus productos génicos simultáneamente ni en la misma cantidad; la actividad metabólica de una célula puede regularse mediante el control de la síntesis de enzimas y de otras macromoléculas, a este control se le conoce globalmente como Regulación de la expresión génica . La velocidad de formación de cualquier producto génico, puede regularse en cualquier fase de la ruta del flujo de información biológica, pues depende de diversos factores como: (i) en la frecuencia en la iniciación de la transcripción, (ii) la cantidad de una proteína depende de la cantidad de RNAm formado, (iii) la frecuencia con la que se produce la iniciación de la traducción, (iv) la velocidad de la elongación de la cadena, (v) la eficacia de la terminación de la transcripción, (vi) la modificación postraducional, (vii) la secuencia de los promotores, entre otros.[8] En pocos años, muchas investigaciones han sido dirigidas hacia la aclaración y evaluación de los mecanismos de control y regulación de la expresión génica [9]. Centrándose la mayoría en la regulación de la síntesis de proteínas en bacterias [10]. Los elementos reguladores más relevantes de la expresión génica en procariotes, como el operón se resumen a continuación: La definición de operon fue propuesta inicialmente por Jacob y Monod [11,12] en 1960 por su trabajo con mutantes de Escherichia coli K 12, en la regulación del operón de la lactosa [13]. El operón se define como: Un grupo continuo de genes estructurales (transcriben y traducen a proteínas) que implica una expresión coordinada y regulada por sitios de control, que determinan la expresión de estos genes. La mayor parte de los


operones presentes en procariotas son multicistrónicos, lo que implica que mas de un gen estructural es transcrito en tandem, regulado por un solo sistema, como el operón de la lactosa (Lac) [14], algunos poseen mas de un sistema de control como el operón del triptófano, regulado positivamente y por atenuación [15,16]. Otros sistemas regulan a la vez más de un operón, como los genes que intervienen en el metabolismo de la maltosa, estos mecanismos son llamados regulones [3]. RNA polimerasa Dirección de la transcripción

Pr

Gr

O

P

a

b

Transcripción RNA m

5`

3`

Traducción

Proteína represora

3`

5`

E

Proteínas resultantes



Figura 24. Esquema general de la unidad de la expression y regulación genética bacteriana (operón). El operón incluye secuencias de genes estructurales (b) y elementos de control en el ADN (a). Gen estructural de la proteína represora (Gr); promotor del gen represor (Pr); y de genes estructurales (P); secuencia de unión de la proteína represora, operador (O); molécula efectora, efector (E). La molécula efectora se une a la proteína alostérica represora provocando un cambio conformacional, induciendo que esta favorezca la formación de los complejos transcripcionales (regulación positiva), o desestabilizándolos evitando que la RNA polimerasa transcriba (regulación de tipo negativo).


La mayor parte de los operones son controlados por moléculas llamadas reguladoras, ya sean proteínas y/o moléculas de ARN, producidas por diversos genes reguladores; como ejemplo de esta ultima llamada regulación transcripcional tenemos los operones del triptófano (trp), fenilalanina (phe), histidina (his) [17], treonina (thr) y leusina (leu) entre otros [18]. La secuencia de ácidos nucleicos, que implica el sitio de acción de estas moléculas reguladoras se le conoce con el nombre de operador, e incluyen regiones implicadas en la iniciación de la transcripción y traducción [10], siendo estos los dos mecanismos alternativos principales de la regulación en bacterias. Los cambios en el ambiente celular inciden en la regulación de la expresión génica; generalmente pequeñas moléculas que actúan como señales fisiológicas alteran la síntesis específica de los genes estructurales, ensamblándose con las proteínas reguladoras, afectando su actividad, induciendo (inducción) o reprimiendo (represión) la síntesis de las enzimas; estas moléculas son llamadas efectores. Otro término utilizado para referirse a la secuencia que sirve para iniciar la transcripción de un operón es el promotor, en estas secuencias se ensamblan los complejos de transcripción [19], ubicados en los extremos 5´ terminales de los genes. Los promotores contienen secuencias específicas inducibles a iniciar la transcripción, como las secuencias consenso de las cajas TATA, donde ocurre la preiniciación de la transcripción [20].

Control positivo y negativo, el operón lac . El control de la transcripción de los genes regulables, está mediado en su mayoría por proteínas reguladoras, las cuales disminuyen o estimulan la interacción de la maquinaria de transcripción. El modelo inducible

del operon de lactosa, fue

propuesto por primera vez por Jacob y Monod en 1961 [11,13]. Los pasos iniciales del metabolismo de la lactosa (o los β-galactósidos) involucran tres compuestos proteicos: (i) la lactosa permeasa codificada por el gen lacY , que es responsable del transporte de la lactosa dentro de la célula bacteriana, (ii) la β-galactosidasa (lacZ ) que hidroliza la lactosa a los monosacáridos: galactosa y glucosa, y (iii) la tiogalactosido-transacetilasa (lacA), responsable de la acetilación de los β-


galactósidos que no pueden ser hidrolizados por la β-galactosidasa [3]. En ausencia de algún tipo de regulación, la expresión de los tres genes estructurales, (lacZ , lacY y lacA) (figura 2.) involucra la transcripción de un solo ARNm multicistrónico, traduciéndose en las tres enzimas anteriores. La síntesis de este RNAm se inicia en el promotor P lac cuya secuencia se solapa con uno de los dos operadores O1, ubicado en la parte cercana del gen lacZ . Existe otro operador O2 de aproximadamente 15 pb asolapado dentro del gen lacZ [21,22]. El control de la expresión de los tres genes estructurales, es regulado por una proteína represora llamada represor lac , proveniente de un gen llamado lacI , junto a su promotor asociado P, dicho gen se transcribe independientemente y se encuentra localizado al extremo 5` del operon lac [14]. La trasncripción independiente del gen lacI , garantiza la producción constante del represor lac . La unión del represor lac a los dos operadores incrementa la asociación de la RNA polimerasa, pero a su vez impide la transcripción bloqueando la holoenzima; esto implica, que el complejo transcripcional se encuentra acoplado y listo reduciendo el tiempo inicial de la transcripción, cuando se presente la inducción al acoplarse el inductor al represor lac [23].

Las proteínas represoras que al unirse al ADN, disminuyen la transcripción de un gen ejercen un control de tipo negativo; inversamente cuando se estimula la transcripción estas ejercen un control de tipo positivo [2]. El operón lac , presenta estos dos tipos de regulación. El control negativo ocurre cuando el represor lac , unido a los operadores O1 y O2, bloquea la transcripción de la RNA polimerasa ubicada en el promotor; Mediante la interacción del represor lac con las moléculas efectoras, su estructura cuaternaria se ve alterada junto a su afinidad al ADN, desestabilizándose y permitiendo la transcripción y expresión de los genes estructurales lacZ , lacY y lacA. Los efectores que permiten la expresión de genes regulados por represores reciben el nombre de inductores. Los inductores del operón lac son variados, desde la alolactosa ( β-D-galactopiranosil-(1→6)-β-Dglucopiranosa), hasta uno de los mas efectivos el β-galactosil glierol.


Dirección de la transcripción P

lacI

a O1 O2

P lac

lac Z

lac Y

lac A


5`

3`

5`

3

Traducción

β -galactosidasa

Represor lac

lactosa permeasa

Tiogalactósido transacetilasa

Dirección de la transcripción P

lacI

b P lac

O1 O2 lac Z

lac Y

lac A


5`

3`

5`

3`

Traducción

Represor lac

β -galactosidasa

lactosa permeasa

Tiogalactósido transacetilasa

Figura 25. Regulación negativa del operón lac. (a) El represor lac se une a los operadores O1 y O2 impidiendo la transcripción de los genes estructurales lacZ , lacY y lacA . (b) La molécula inductora desestabiliza el represor lac, permitiendo la transcripción.


El control positivo del operón lac es mucho más complejo que el negativo. Existen seis criterios para determinar la presencia de un control de tipo positivo: (i) aislamiento de mutantes que posean cambios en los genes reguladores propuestos que induzcan la producción de genes estructurales. (ii) demostración que el gen regulador no forma parte del operón. (iii) aislamiento de mutantes constitutivos Rc. (iv) test de dominancia: los alelos R + (tipo salvaje inducible) y R c deben ser dominantes a R-.(v) la demostración de los dominios de tipo cis en el operón, que afectan la expresión de los alelos R c y R+, en la regulación del gen. (vi) la búsqueda de regiones cis dominantes en el control de los operones [24]. En la regulación positiva del gen lac, depende no solo la presencia de lactosa, sino también de la concentración de glucosa en el medio; la disminución de transcripción del operon lac (unas 50 veces) por presencia de glucosa en el medio, se conoce como represión catabólica, la cual representa un estado fisiológico de la célula sobre la velocidad de síntesis de proteinas [10]. Este tipo de represión es mediada por la proteína alostérica receptora de cAMP (CRP). Los niveles de cAMP en la célula son bajos cuando la concentración de glucosa en el medio es alta. Bajo estas condiciones la proteína CRP posee una baja afinidad en la unión con el ADN. En ausencia de glucosa aumentan los niveles de cAMP formando un complejo con la CRP (CRP:cAMP), aumentando su afinidad al ADN. Este complejo se une a una secuencia específica cercana localizada justo al extremo 5`del promotor lac , facilitando la unión de la RNA polimerasa al promotor lac P lac, induciendo la transcripción.

Actividad cis /trans En la regulación de la expresión génica, se distinguen dos tipos de secuencias de ADN: las secuencias que codifican los productos que actúan en trans, y las secuencias de actuación en cis. Cualquier producto génico que es libre de difundir para encontrar su diana se describe como actuación en trans, como las proteínas represoras. La actuación en cis se aplica a cualquier secuencia de ADN que no es convertida en otra forma, funcionando in situ afectando al ADN al cual está


físicamente ligado [25], los promotores, terminadores y operadores son ejemplos de actuación en cis. Mediante mutaciones en el operón lac [11], el promotor Plac (mutante Plac-) y los operadores O1 y O2 (Oc), son identificados como secuencias de actuación en cis, lo que implica que son secuencias funcionales que intervienen en la expresión génica sin transcribir un producto difusible. El gen lacI , codifica la proteína represora de actuación en trans, mutaciones en este gen (I -) elimina el producto de actuación en trans, debido a la perdida en la afinidad de unión al ADN del represor lac . Los mutantes que no expresan los productos de los genes regulados, se

conocen como no inducibles, mientras que los mutantes constitutivos, expresan continuamente estos productos. Una mutación en un sitio de actuación en cis, no puede ser reemplazada o complementada; esta propiedad es propia de los productos difusibles de actuación en trans.

Para el análisis de este tipo de

valoración existe el test cis/trans, el cual puede distinguir entre complementación intergénica e intragénica. Muestra si las mutaciones realizadas a y b pertenecen al mismo gen o no. Si son comparados el heterocigoto- cis a b/+ +, y el heterocigototrans a +/b +, si ambos son fenotipicamente similares (generalmente del tipo

salvaje)

las

mutaciones

corresponden

a

diferentes

cistrones.

Si

son

fenotipicamente diferentes, el heterocigototrans usualmente es mutante y el heterocigoto-cis (de tipo salvaje), ambas mutaciones pertenecen al mismo cistrón [6,26].

Lección 18. Tecnicas en biología molecular Reacción en cadena de la polimerasa (PCR) La Reacción en Cadena de la Polimerasa, conocida como P.C.R por sus siglas en inglés (Polymerase Chain Reaction), es una técnica de biología molecular

desarrollada en 1983 por Kary Mullis que permite la síntesis “in Vitro” de secuencias especificas de ácido desoxirribonucleico (ADN). La enzima DNA polimerasa realiza la síntesis de una cadena complementaria de ADN en sentido 5’→3’ usando un molde de cadena sencilla, pero a partir de una


región de doble cadena. Para crear esta región de doble cadena, se utilizan los denominados iniciadores (primers). Estos son una pareja de oligonucleótidos diseñados de tal manera que sean complementarios a cada uno de los extremos del fragmento de ADN que se quiere amplificar. Este proceso se lleva a cabo mediante ciclos alternados de temperaturas altas y bajas, lo cual permiten separar las hebras de ADN formadas entre si tras cada fase de replicación y, la unión nuevamente de estas hebras con la polimerasa para que vuelvan a duplicarse. Los componentes de la PCR son: (i) Desoxinucleótidos trifosfato (dNTPs): es una mezcla de deoxinucleótidos que sirve de sustrato para la síntesis de nuevo ADN.

(ii) Iniciadores (primers): dos oligonucleótidos que son, cada uno, complementarios a

una de las dos hebras del ADN. (iii) ADN polimerasa: estable a altas temperaturas, permaneciendo activa hasta después de la desnaturalización del ADN. (iv) ADN

molde: molécula que contiene la región de ADN que se va a amplificar. Las etapas del proceso consiste n en una serie de cambios repetidos de temperatura llamados ciclos. Por lo general el número de ciclos es de 20 a 30, cada ciclo consiste en tres cambios de temperatura. Las temperaturas usadas y el

tiempo aplicado en cada ciclo, dependen de algunos pará metros en los que se incluye, la enzima usada para la síntesis de ADN, la concentración de iones divalentes y dNTPs en la reacción así como la temperatura de unión de los

iniciadores. La primera etapa llamada desnaturalización consiste en llevar a una t emperatura de 94-96 oC y se mantiene entre 30 segundos y un minuto. Esto permite la separación de las dos hebras de ADN que lo constituyen. Luego tenemos la hibridación, como segunda etapa en la cual los iniciadores se

unen a las regiones 3`complementarias que flanquean el fragmento que se quiere amplificar. Para ello, es necesario bajar la temperatura a 50-65

o

C durante 20 -40


segundos, permitiendo así el alineamiento. La tercera etapa es llamada Extensión ó Elongación de la cadena en la cual una n ueva hebra de ADN complementario es polimerizada a la hebra molde, añadiendo los nucleótidos NTPs complementarios en dirección 5’ →3’.La

temperatura en esta etapa depende de la ADN polimerasa

que se utilice. Para la Taq polimerasa, la temperatura de máx ima

actividad está

entre 74-80 oC, aunque por lo general se usa 74 oC. Una cuarta parte es la elongación final en la cual la temperatura es regulada de 70 -74

o C durante 5 -15

minutos tras el último ciclo de PCR, con el objeto de asegurar que cualquier A DN

de cadena simple restante sea totalmente amplificado.

Secuenciación de ácidos nucleicos Existen dos métodos específicos para determinar la secuencia de nucleótidos de cualquier fragmento de ADN purificado: el método químico y el enzimático. El método químico de secuenciación se inicia con la obtención de un conjunto de moléculas de ADN de doble cadena marcadas en un extremo 5

mediante la

́

acción de la polinucleótido quinasa y ATP marcado con 32P. Luego, las cadenas

de la doble hélice de ADN se disocian y se someten a un tratamiento suave con un agente químico que destruye una de las cuatro bases nitrogenadas. Debido a la suavidad del tratamiento, sólo se rompe, al azar, una base por molécula. Este

tratamiento genera una suma de 2 fragmentos de ADN de diferentes longitudes, que reflejan los lugares donde se encontraban las bases que fueron eliminadas. Los fragmentos son separados mediante la utilización de un gel y se detectan por autorradiografía.

En el método enzimático de secuenciación, el ADN es utilizado como molde de la ADN polimerasa para obtener una serie de replicas parciales, que comienzan siempre en el mismo sitio pero que terminan en diferentes puntos a lo largo de la cadena de ADN. Este método se basa en la utilización de didesoxirribonucl eótidos trifosfatados que, al carecer del grupo oxidrilo en el extremo 3 , impiden el

́

correspondiente agregado de más nucleótidos a la cadena de ADN en formación; este método es llamado secuenciación Sanger, por su creador.


Recombinación La recombinación genética es el proceso mediante el cual los elementos genéticos contenidos en el genoma de diferentes individuos se combina. Esto permite que el individuo origine alguna nueva función que pueda dar como resultado una adaptación a los cambios en el medio ambiente. Estos mecanismos son llamados transformación, transducción y conjugación. La transformación es el proceso por el cual ciertas bacterias (llamadas competentes), son capaces de incorporar ADN exógeno proveniente de otras bacterias, que esta libre en el medio. La capacidad de captar el ADN exógeno, conservarlo en forma estable e interaccionar con el, se denomina competencia. La transducción es la transferencia de ADN de una bacteria a otra por intermedio de un bacteriófago. La conjugación se basa en el intercambio unidireccional de información genética desde una bacteria donante a otra receptora mediante un contacto real.

Clonación Clonación es producir copias exactas de una macromolécula o individuo; en bacterias esto implica introducir un fragmento de ADN en un vector (elementos de clonación vehículos que permitan el clonado de cualquier secuencia de ADN). Los vectores de clonación deben permitir la inserción de un fragmento de ADN extraño y ser capaces de replicarse normalmente dentro de la bacteria.

Mutación Una mutación es una alteración en la secuencia de ADN. Puede implicar desde un pequeño evento como la alteración de un solo par de bases nucleotidicas hasta la ganancia o perdida de cromosomas enteros. Puede ser causada por daños producidos por químicos, por radiación o por errores durante la replicación y la reparación del ADN. Existen diversos tipos de mutación como son: mutación puntual, inserciones, translocaciones y perdida de un cromosoma completo.


Transgénesis La transgénesis consiste en la inserción de genes, o secuencias de genes en el genoma de células o individuos, mediante tecnologías moleculares y celulares, in vitro e in vivo, para su explotación potencial con diversas finalidades. Gracias a estas tecnologías de ingeniería genética se pueden aislar segmentos del ADN (el material genético) de un ser vivo (virus, bacteria, vegetal, animal e incluso humano) e introducirlos en el material hereditario de otro. se pueden obtener diversos tipos de productos como los llamados organismos manipulados genéticamente (OMG); en estos se encuentran los polémicos alimentos transgénicos.

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CAPITULO 5. TECNOLOGÍA ENZIMÁTICA. La tecnología de enzimas involucra la producción (optención de extractos con actividad catalítica), purificación (separación de otras macromoléculas orgánicas), caracterización y finalmente, la inmovilización de las enzimas para su utilización en gran variedad de biorreactores.

Biocatalizadores Los biocatalizadores son proteínas con actividad catalítica (enzimas) o pueden ser ácidos nucleicos (ribosimas) estos últimos descubiertos en la década de los 80´s. Hoy en día, sabemos que las enzimas son necesarias en todos los sistemas vivos, para catalizar las reacciones necesarias para su supervivencia y reproducción. Las enzimas aisladas (fuera de la célula o sistemas biológicos) también pueden catalizar estas mismas reacciones. Estas excelentes propiedades de las enzimas se utilizan en la tecnología de enzimas. Por ejemplo, se pueden utilizar como biocatalizadores para catalizar reacciones químicas en escala industrial de manera sostenible. Su aplicación abarca la obtención de productos para todas las necesidades materiales humanas (por ejemplo, alimentos, alimentos para animales, productos farmacéuticos, productos químicos, fibras, la higiene, y la tecnología del medio ambiente), así como en una amplia gama de productos analíticos, aplicados al diagnóstico.

Lección 19. Nomenclatura y clasificación En la medida que se iban descubriendo nuevas clases de enzimas, los nombres asignados a estas estaban relacionados con el tipo de sustrato añadiéndoles la terminación “asa”, tenemos como ejemplo la amilasa, celulasa, pectinasa, entre otras; algunas veces su nombre no corresponde al sustrato ni al tipo de reacción que estas catalizan como: bromelina, pepsina, renina, catalasa entre otras; cierto tipo de ellas llevan el nombre de la fuente de producción como el caso de la proteasa papaína. Este tipo de terminología, es confusa y desordenada, igualmente no da información básica de ella; por este motivo era imperioso crear


una clasificación sistemática que las clasificara y ordenara. En agosto de 1955, la Asamblea General de la Unión de Bioquímica y Biología Molecular, IUBMB (por sus siglas en ingles), crea la Comisión Internacional de Enzimas (Enzymes Commission, EC) que aborda el estudio, los criterios y reglas para la clasificación de enzimas; junto con la Comisión de Nomenclatura de la IUPAC, establecen los parámetros y reglas para nombrar una enzima.

Clasificación enzimática Para la clasificación de las mismas la EC establece los siguientes criterios: (i) El nombre de una enzima debe ser exclusivamente individual y este, estar estrechamente relacionado con su clasificación y actividad catalítica (ii) Si en una reacción catalítica intervienen mas de una enzima, a esta se le debe agregar el nombre de “complejo”. Desde 1964 la Comisión Internacional de Enzimas clasifica los diversos tipos de enzimas en seis grandes grupos, así: Grupo 1. Oxidoreductasas: son enzimas que catalizan reacciones de óxidoreducción, empleando coenzimas, tales como NAD + y NADP+, como aceptor de hidrógenos.

AH2 + B ⇔ A+ BH2 ARed

+

BOx ⇔ AOx+ BRed

Grupo 2. Transferasas: Catalizan la transferencia de grupos de una molécula a otra.

AB + C ⇔ A+ BC Grupo 3. Hidrolasas: Catalizan reacciones que implican la ruptura hidrolítica de enlaces químicos.

AB + H2O ⇔ AH+ BOH Grupo 4. Liasas: Catalizan la ruptura de enlaces (C-C, C-S y algunos C-N,


excluyendo enlaces peptídicos), pero a diferencia de las hidrolasas no lo hacen por hidrólisis.

AB ⇔ A+ B Grupo 5. Isomerasas: Cumplen la función de transformar substratos de una forma isomérica en otra.

A ⇔ BIsom Grupo 6. Ligasas: Catalizan la unión de dos sustratos con hidrólisis simultanea de un nucleótido trifosfato (ATP,GTP, entre otros).

A + B + XTP ⇔ AB+ XDP + Pi Toda enzima esta nominada con un número de cuatro cifras, los cuales se refieren a: Primer número: Se puntualiza el grupo al cual pertenece la enzima. Así por

ejemplo la glucosiltransferasa pertenece al grupo de las transferasas, por tal motivo su primer número es el 2. El segundo número: corresponde a la subclases (ver tabla 10), y hace referencia al grupo funcional que interviene en la reacción, el tercer número: define la subsubclase implicando el tipo de sustrato que interviene

en la reacción; y el cuarto número: es el orden aleatorio de clasificación dentro de la subsubclase.

Tabla 10. Subclases de los diversos tipos de enzimas. Subclases Nombre de la enzima y tipo EC 1

Oxidoreductasas

EC 1.1

Actúa sobre el grupo CH-OH como donador

EC 1.2

Actúa sobre el grupo aldehído o oxo.

EC 1.3

Actúa sobre el grupo CH-CH.

EC 1.4

Actúa sobre el grupo CH-NH2.

EC 1.5

Actúa sobre el grupo CH-NH.


EC 1.6

Actúa sobre el grupo NADH o NADPH

EC 1.7

Actúa sobre el grupo de oros componentes nitrogenados.

EC 1.8

Actúa sobre el grupo azufre.

EC 1.9

Actúa sobre el grupo hemo.

EC 1.10

Actúa sobre el grupo difenol y sustancias relacionadas.

EC 1.11

Actúa sobre el grupo peróxido como aceptor.

EC 1.12

Actúa sobre el grupo hidrogeno como donador.

EC 1.13

Actúa sobre un donador simple con incorporación de una molécula de oxigeno.

EC 1.14

Actúa sobre un par de donadores con incorporación o la reducción de una molécula de oxígeno.

EC 1.15

Actúa sobre radicales peróxido como aceptor.

EC 1.16

Actúa oxidando iones metálicos.

EC 1.17

Actúa sobre el grupo CH o CH2.

EC 1.18

Actúa sobre los grupos sulfuro y hierro de las proteínas como donadores.

EC 1.19

Actúa sobre los grupos flavonoides.

EC 1.20

Actúa sobre los grupos fosfatos como los del arsénico como donadores.

EC 1.21

Actúa sobre el grupo X-H y Y-H para formar un enlace X-Y.

EC 1.22

Actúa sobre el grupo halogenoide.

EC 1.97

Otras oxidoreductasas.

EC 2

Transferasas

EC 2.1

Transfieren grupos a una molecula de carbono.

EC 2.2

Transfieren aldehídos o grupos cetónicos.

EC 2.3

Aciltransferasas.

EC 2.4

Glicosiltransferasas

EC 2.5

Transfieren grupos alkilo y metilos.

EC 2.6

Transfieren nitrógenos.


EC 2.7

Transfieren grupos que contienen fosfatos.

EC 2.8

Transfieren grupos que contienen azufre

EC 2.9

Transfieren grupos que contienen selenio

EC 2.10

Transfieren grupos que contienen molibdeno, tungsteno

EC 3

Hidrolasas

EC 3.1

Actúa sobre enlaces ester

EC 3.2

Glicosilasas

EC 3.3

Actúa sobre enlaces eter

EC 3.4

Actúa sobre enlaces peptidicos

EC 3.5

Actúa sobre enlaces carbón nitrógeno.

EC 3.6

Actúa sobre acidos anhídridos

EC 3.7

Actúa sobre enlaces carbón – carbón

EC 3.8

Actúa sobre enlaces haluros

EC 3.9

Actúa sobre enlaces fosfonitrogenados

EC 3.10

Actúa sobre enlaces azufre – nitrógeno.

EC 3.11

Actúa sobre enlaces fosfato – carbón.

EC 3.12

Actúa sobre enlaces azufre – azufre.

EC 3.13

Actúa sobre enlaces azufre – carbón.

EC 4

Liasas

EC 4.1

Liasas carbón - carbón

EC 4.2

Liasas Carbón – oxigeno.

EC 4.3

Liasas carbón – niyrógeno.

EC 4.4

liasas carbón – azufre.

EC 4.5

Liasas carbón – haluros.

EC 4.6

Liasas fosforo – oxigeno.

EC 4.99

Otras liasas.

EC 5

Isomerasas


EC 5.1

Racemasas y epimerasas

EC 5.2

Cis-trans-Isomerasas

EC 5.3

Isomerasas intramolecular

EC 5.4

Transferasas intramolecular (mutasas)

EC 5.5

Liasas intramolecular.

EC 5.99

Otras isomerasas.

EC 6

Ligasas

EC 6.1

Forman enlaces Carbón – oxigeno.

EC 6.2

Forman enlaces Carbón —azufre.

EC 6.3

Forman enlaces Carbón — nitrógeno.

EC 6.4

Forman enlaces Carbón —carbón.

EC 6.5

Forman enlaces ester fosfóricos.

EC 6.6

Otras ligasas

Tomado de: http://www.chem.qmul.ac.uk/iubmb/enzyme/

Composición de las enzimas Todas las enzimas son de composición proteica (cuya unidad fundamental son aminoácidos unidos mediante enlaces peptídicos), pero están estructuradas en dos partes bien definidas: la proteína llamada Apoenzima y un grupo prosteico (fracción no proteica) llamado Coenzima, la cual forma parte estructural de la enzima. La combinación de la apoenzima con la coenzima, recibe el nombre de holoenzima. Los cofactores son moléculas que aumentan o disminuyen la actividad de un enzima. La diferencia entre un coenzima y un cofactor radica que el primero hace parte integral, no es disociable y le brinda estabilidad a la enzima; mientras que el cofactor son grupos transitorios, disociables y se pueden unir tanto a la enzima como al sustrato. Como generalidades de las enzimas podemos decir lo siguiente (i) no sufren modificación al final de la reacción (ii) no cambian la constante de equilibrio de una reacción química (iii) son muy específicas (iv) aceleran varios ordenes de


magnitud mayor con respecto a la reacción no catalizada y (v) actúan en condiciones moderadas de presión y temperatura.

Actividad enzimática (U) La actividad enzimática se define como la medida de la velocidad en la cual un enzima cataliza una reacción, midiendo cuantitativamente el consumo de sustrato o el incremento en la concentración de producto, en unas condiciones de temperatura, pH y concentración de sustrato optimas.

Figura 26. Clasificación de las proteínas.

Tabla 11. Nomenclatura de aminoácidos, el sistema clásico de tres letras fue remplazado por el sistema actual de una letra, lo cual facilita su utilización en bioinformática, desarrollado principalmente para biología molecular.


Código de aminoácido Aminoácido

Tres letras Una letra Clásico

Actual

Alanina

Ala

A

Arginina

Arg

R

Asparagina

Asn

N

Ácido aspártico

Asp

D

Cisteína

Cys

C

Glutamina

Gln

Q

Ácido glutámico

Glu

E

Glicina

Gly

G

Histidina

His

H

Isoleucina

Ile

I

Leucina

Leu

L

Lisina

Lys

K

Metionina

Met

M

Fenilalanina

Phe

F

Prolina

Pro

P

Serina

Ser

S

Treonina

Thr

T

Triptófano

Trp

W

Tirosina

Tyr

Y

Valina

Val

V

La actividad enzimática es el parámetro cuantificable mas importante del trabajo con enzimas; saber medirla es clave y fundamental para todos y cada uno de los procedimientos realizados en enzimología.


V= -d[S] = d[P] dt

dt

donde: V : es la velocidad. [S]: concentración de sustrato. [P]: concentración de producto. dt: periodo de tiempo. La definición de actividad enzimática (U) según el Sistema Internacional de unidades (SI) la define como: la cantidad de enzima que cataliza la conversión de 1 µmol de sustrato en un minuto. La actividad específica: es el número de unidades de enzima por miligramo de proteína (U/mg prot) o por mililitro de disolución (U/ml). Recientemente se ha definido la unidad de actividad enzimática como la cantidad de enzima que transforma 1 mol de sustrato por segundo. Esta unidad se llama katal (kat). Como 1 mol son 10 6 µmoles y 1 minuto son 60 segundos, resulta que 1 katal equivale a 60 x 10 6 U. Esta unidad es muy grande, de forma que se utilizan frecuentemente los submúltiplos como el microkatal ( µkat, 10-6 kat) o el nanokatal (nkat, 10-9 kat). Ejemplo: Se requiere medir la actividad enzimática de una invertasa extracelular, proveniente del extracto crudo de una fermentación del microorganismo Aspergillus niger . La reacción enzimática se realizó bajo las siguientes

condiciones: Concentración se sustrato (sacarosa): 190 mM, pH: 5.6, temperatura: 40 oC, Agitación magnética constante, relación volumétrica enzima-sustrato: (1:1). Se tomaron alícuotas de 200 microlitros en los siguientes tiempos: 0, 2, 4, 8, 16, 32 y 64 min, inactivando la enzima por calentamiento (5 minutos en un baño a ebullición). Posteriormente dichas muestras se analizaron para cuantificar la concentración de azucares reductores totales mediante el método de DNS (acido dinitrosalicilico). Los resultados son los siguientes:


Tabla 12. Concentración de azucares reductores totales, producto de la reacción enzimática de la invertasa de Aspergillus niger . Tiempo (min)

Concentración de azucares reductores totales (mg/ml)a

0

0

2

0.03

4

0.26

8

0.48

16

0.92

32

1.23

64

1.54

a: La curva de calibración utilizada relaciona Absorbancia (540 nm) y concentración (mg/ml) de azucares expresado en glucosa

a

b


Grafico 27. Relación entre la concentración de azucares reductores totales como producto de la reacción enzimática en función del tiempo , gráfica a: aumento en la concentración de azucares reductores totales a través del tiempo, b: zona roja: puntos tomados para la regresión lineal y el calculo de la actividad enzimática.

Graficando los valores establecidos: y = 0,0595x - 0,019 Los valores tomados son aquellos que se encuentran en los primeros instantes de la determinación de los productos(puntos rojos de la gráfica b), cuya pendiente sea mas cercana a la unidad, igual mente se descartan los valores cuya pendiente sea cero (0) o incidan de forma significativa en la disminución del valor de la pendiente. En este caso se tomarían los valores: (0,0); (2, 0.03); (4, 0.26); (8, 0.48); (16, 0.92) y se descartarían: (32, 1.23) y (64, 1.64); la línea de tendencia central con una pendiente de 0.06 (mg/ml)/min implica la actividad enzimática (U)

Lección 20. Extracción, purificación y caracterización de proteinas La biotecnología ofrece un potencial para aumentar la producción de bienes para la satisfacción de variadas necesidades humanas; un sub-campo de esta es la tecnología de enzimas, la cual novedosos y variados procesos están siendo desarrollados para la fabricación a granel de alimentos de alto valor añadido utilizando enzimas como biocatalizadores (por ejemplo, pan, queso, cerveza, vinagre entre otros), productos químicos como: aminoácidos y vitaminas y productos farmacéuticos. Las enzimas son también utilizados para prestar servicios, como en el lavado en procesos ambientales, o para fines analíticos y de


diagnóstico. El sustento de la tecnología enzimática tanto en el mundo académico como en el industrial, se basa en dos corrientes: (i) Diseño de productos: El desarrollo de nuevos y mejores productos, procesos y servicios para satisfacer las necesidades humanas y (ii) Procesos innovadores: la mejora de procesos para la obtención de nuevos productos con materias primas existentes. Ambos deben cumplir con dos criterios: ser competitivos y sostenibles. La producción de enzimas implica la fuente de obtención de las mismas, así, existen tres orígenes principales que son: (i) animal, (ii) vegetal y (iii) microbiano. Tanto la animal como la vegetal son limitadas por las inclemencias externas como el clima, la fuente de alimentación, variedad de los suelos, entre otras; lo cual la producción microbiana brinda ventajas de índole biotecnológico como: la obtención rápida y controlada en reactores enzimáticos. Las enzimas en cuanto a su extracción las podemos clasificar en dos grandes grupos: intracelulares y extracelulares. En las primeras es obligatorio el rompimiento celular, para lo cual existen diversos métodos químicos, físicos y enzimáticos, para las enzimas extracelulares tan solo se requiere la separación de

la

biomasa

con

el

sobrenadante

de

la fermentación.

Figura

28. Diferencias entre la pared bacteriana de Gram positivas y Gram negativas


Ruptura celular La dificultad de la ruptura celular es dependiente del tipo de microorganismo, así, de mayor a menor dificultad de rompimiento tenemos que: las esporas >cocos Gram- >levaduras >células vegetales >bacilos Gram+ >micelios > células animales. Lo anterior hace referencia a que las bacterias Gram – son mas difíciles de romper que las Gram + esto se debe a la estructura de la pared, como se muestra en la figura 28. Formas físicas: Homogenización mecánica: puede utilizarse un homogeneizador de vidrio,

mortero, licuadora, a veces con ayuda de abrasivos como alúmina, arena o bolitas de vidrio; las células son suspendidas en un solvente isotónico (sacarosa 0,25 M, NaCl 0,9%, KCl 0,15 M) o ligeramente hipertónico junto con un buffer para mantener controlado el pH. La homogenización a altas presiones es una practica muy común en el rompimiento de células y en el estudio sobre la actividad de enzimas. (Alline et al ., 2012). Homogeneización sónica: el choque de ondas sónicas o ultrasónicas

provoca cambios de presión de miles de atmósferas, que rompen la pared celular. Se usa generalmente para bacterias y levaduras y a veces, para determinados tejidos animales como el bazo, riñón o eritrocitos. La sonicación puede causar efectos en la estabilidad enzimática cuando las células se rompen por este método, dicho cambio varia dependiendo de factores asociados como el pH, temperatura, tipo de Buffer, tiempo, entre otros; por ejemplo se ha reportado una disminución del 70% de la estabilidad enzimática de la glucosa-6-fosfato deshidrogenasa (G6PDH) y un 15% de la Alcohol deshidrogenasa (ADH) por la extracción con sonicación. (Belma et al., 2000)


Desintegración térmica: El congelamiento y descongelamiento rápidos y

repetidos suelen usarse para desintegrar bacterias y eritrocitos. Por congelación se forman cristales de hielo intracelulares, destruyendo la estructura. Al descongelarse, las células se destruyen osmóticamente debido a la presencia de agua pura y se libera su contenido. Formas químicas: Se utilizan agentes que atacan la pared celular, como el etanol, éter de petróleo, isopentanol, entre otros. Homogeneización por deshidratación: se basa en la precipitación de

proteínas por solventes orgánicos. En la preparación del "polvo acetónico" se utiliza acetona en frío. Formas enzimáticas Se utilizan enzimas capaces de hidrolizar las paredes bacterianas permitiendo la salida del contenido intracelular; la enzima mas utilizada es la lisozima la cual cataliza de forma específica la hidrólisis de enlaces β (14) del ácido N-acetilmuránico presentes en los mucopéptidos de las paredes celulares de las células bacterianas; de estas, las Gram-positivas son las que presentar mayor sensibilidad a la lisozima, mientras que las Gram-negativas

se

consigue

con

la

adición

de

EDTA

(ácido

etilendiaminotetraacético) como agente quelante, lo que facilita su roptura.

Elección del método de ruptura En la elección del método de ruptura celular depende de seis factores: (i) Naturaleza y fuente de la enzima (origen animal, vegetal, microbiana: fúngica o bacteriana) (ii) Escala de la operación (laboratorio, planta piloto o industrial) (iii) Velocidad del método de extracción, (iv) Estabilidad de la enzima, (v) Pureza requerida y (vi) costo del proceso.


Tabla 13. Métodos y principios de ruptura celular

Homogenización decuchillas

El rompimiento se realiza en un mezclador

Homogenización dealtapresión

Las células son forzadas a pasar a través de unpequeño orificio lo queproducesurompimientoporel esfuerzo de corte junto con el cambio rápido de presión. Los mas utilizadossonlosmicrofluidizadores.

Homogenización

Mecanismo enestado líquido

Mecánicos

Mecanismo enestado sólido

Nomecánicos Físicos

Sonicación

Consiste en la aplicación de ultrasonidos a una suspensióncelular.Estoproduceunaintensaagitaciónlo quedestruyelasmembranascelulares

Prensafrancesa

Rompimiento de las células en una combinación de presiónyfiltración.

Molienda

Las células son rotas por medio de una molienda conabrasivos,ejemplo:arena.

Molinosdebolas

Lascélulassontrituradasconesferasdevidriooacero.

Shockosmótico

Ropturaosmóticadelamembrana

Temperaturas extremas (congelación, descongelación)

Formación y fusión de cristales de hielo. Rompimiento conNitrógenolíquidodetejidosvegetales.


Descompresiónde Roptura esplénica de las células por la generación de gas burbujasaldisminuirlapresión(leydeHenry)

Cavitación hidrodinámica

consiste en la formación de microburbujas de vapor producidasdeformamecánicaenunmediolíquidopor variacionesen lapresión,lo cualinduceal rompimiento delaparedcelular.

Secadoporaire forzado. Desecación

Secadoalvacío

Deshidratación celular, provocando unrompimientodelasmismas.

Secadopor solventes

Químicos

pHextremos

TransicionesenlaescaladepH,básicoyácido.Algunas célulasnosonresistentesaestasvariaciones.

Detergentes

Permeabilización de células por solubilización de proteínas de membrana, debido a apertura de poros. Ejemplo:TritonX-100,SDS,Tween,Spam.

Solventes orgánicos

Disuelven la pared celular fundamentalmente por la disolución de lípidos asociados a membranas. Ejemplo: Tolueno,acetona.

Antibióticos

Algunosseutilizanporsuspropiedadesenlasíntesisde laparedcelular,comoalgunaspenicilinas.

Agentesquelantes

AlgunoscomoelEDTAatrapancationesdivalentes(Ca +2)


quedibilitalamembranacelular.

Agentes caotrópicos

Urea o sales de guanidina favorecen la disolución de proteínas y minerales de la pared celular de algunas bacterias ocasionando su ruptura. Otro agente caotrópicoutilizadoeselisotiocianatodeguanidinio

Adiciónde enzimas

Lisozima+EDTA;estacombinacióndigierelasparedes celularesporrupturadelosenlancesβ(1→4)glicosídicos entre el ácido N-acetilmurímico (NAM) y la Nacetilglucosamina(NAG)delmucopéptido.Otroejemplo es:laproteinasaKjuntoconSDS.

Autolisis

Es un proceso biológico por el cual una célula se autodestruye, en vegetales la absorción de agua en exceso puede causar el rompimiento de vacuolas; en animales la producción de la enzima autolisasa puede ocasionar la hidrólisis celular; en bacterias las enzimas autolíticasdelaparedbacteriana(autolisinas)llevaala lisiscelular.

Lisisinducible

Exponerlascélulasasolucionesconcentradasconsales y/otratamientoradioactivopuedeinducirlalisiscelular.

Inhibidoresde paredcelular

Algunas sustancias alteran la permeabilidad de la membrana celular, como: polienos, polimixinas e imidazoles.

Biológicos

Tabla desarrollada basada en el artículo: Bangaru Balasundaram, Sue Harrison, Daniel G. Bracewell. Advances in product release strategies and impact on bioprocess design . Trends in Biotechnology, Volume 27, Issue 8, August 2009, Pages 477-485


Purificación de enzimas La purificación de una enzima, es un procedimiento complejo, cuya metodología es única para cada proteína; cada paso sistemático y el proceso total de la purificación depende de tres aspectos: (i) la naturaleza bioquímica (estabilidad y actividad enzimática), (ii) la utilización del enzima (analítica, industrial) y (iii) la complejidad del proceso de purificación (costos tecnológicos). La naturaleza bioquímica del enzima, cobra valor en la medida que se pueda utilizar diversas metodologías tecnológicas o la combinación de ellas, según lo permita el mantenimiento de su actividad enzimática en cada uno de ellos. Algunas enzimas son menos estables que otras (muy delicadas en cuanto a la permanencia de su actividad) lo cual limita significativamente cada metodología de purificación. Por ejemplo la enzima fructosil transferasa proveniente de Aspergillus aculeatos utilizada para la síntesis enzimática de fructooligosacáridos (FOS) es

mas estable a la temperatura que las bacterianas del género Erwinia herbicola, lo cual permite a las primeras, procesos de purificación a temperaturas por enzima de 18 oC, sin afectar significativamente su actividad. (Iraj Ghazi et al ., 2007). La metodología de la purificación se ve afectada directamente por la utilización final de la enzima; si el objetivo es usarla para aplicaciones analíticas o encaminados a su estudio básico, el proceso se debe orientar hacia la obtención de un alto grado de purificación junto con una aceptable actividad, ejemplos de este tipo de proteínas son las diversas enzimas utilizadas en biología molecular (DNA polimerasa, enzimas de restricción: EcoRI, BamHI, HindIII entre otras) y en usos analíticos como en biosensores (glucosa oxidasa, peroxidasa, galactosidasa entre otras). Si su uso se proyecta principalmente en procesos industriales el grado de purificación no es necesariamente muy alto, pero su actividad si; muchas soluciones enzimáticas son mezclas de varias proteínas, esto amplia el espectro activo sobre todo cuando se utiliza en sustratos complejos, como ejemplo tenemos las mezclas enzimáticas en la elaboración de bebidas alcoholicas, el producto nombrado como “Viscoferm®” de la empresa farmacéutica danesa Novonordisk, compuesto por una mezcla enzimática de: Celulosa, xilanasa y beta-glucanasa.


La complejidad del proceso de purificación incide en el resultado final en cuanto al valor económico total, entre mas purificada sea una enzima mayor es el costo de producción, por ejemplo 500 ml de cuajo industrial (quimosina) para 5000 litros de leche posee un costo promedio de 10 US (dólares americanos), mientras que una taq ADN polimerasa convencional para amplificación en PCR, 2ml posee un valor de 145 US (dólares americanos).

Diseño de una metodología de purificación Para el diseño de una metodología de purificación enzimática, se debe tener presente las siguientes recomendaciones: (i) Seleccionar factores físico-químicos que permitan máxima productividad y menores costos. (ii) Avanzar de métodos de menor a mayor rendimiento y resolución. (iii)

Avanzar de mayor a menor capacidad de procesamiento.

(iv) Aprovechar las condiciones y características de la muestra al final de cada paso, para que estas sirvan para la selección del próximo.

Existen variados métodos para la purificación de enzimas entre los mas utilizados tenemos las separaciones cromatográficas, las cuales se basan en las diferencias de carga, tamaño o afinidad de las diferentes proteínas. La cromatografía utilizada en la separación de enzimas puede ser de dos tipos: (i) preparativa y (ii) analítica; la diferencia radica en el volumen de muestra y la recuperación de fracciones que permitan obtener proteínas para su posterior utilización, esta es la preparativa a diferencia de la analítica que no permite esto último.


Figura 29. Caracteristicas generales de una purificación enzimática.

La columna en su interior posee un material sólido con las características químicas diversas (fase estacionaria), y una solución tamponada se hace pasar a través de la columna (fase móvil). El extracto crudo se aplica en la parte superior de la columna y va poco a poco entrando en la columna con la fase móvil. Cada proteína migrará a distinta velocidad según su grado de afinidad por la fase estacionaria. Existen distintos tipos de cromatografías en tres ellos: (i) cromatografía por filtración o exclusión molecular (ii) cromatografía de intercambio iónico (iii) cromatografía hidrofóbica y (iv) cromatografía de afinidad.

UNIVERSIDADNACIONALABIERTAYADISTANCIA–UNAD ESCUELADECIENCIASBASICASTECNOLOGÍAEINGENIERÍAECBTI CONTENIDODIDÁCTICODELCUSO: 211619–BIOTECNOLOGÍAALIMENTARIA 32,500 KDa. 0.07 0.06 ) m 0.05 n 0 8 0.04 2 ( a i c n 0.03 a b r o s b 0.02 A

62,000 KDa.

Ft.asa

84,000 KDa.

116,000 Kda.

0.01 0 2.9

14.5

26.1

37.7

49.3

60.9

Fructosil transferasa. AN 166.

72.5

84.1

95.7

107.3

118.9

130.5

142.1

153.7

Volumen de retención (ml.)

Marcadores de peso.

FIGURA 30. Cromatograma de exclusión por tamaño. Determinación del peso molecular de la enzima Fructosiltransferasa (Ftasa) de Aspergillus niger AN 166. por filtración en gel con sephadex G-100. Fuente autor.

) m n 0 8 2 ( a i c n a b r o s b A

0.06

0.06

0.05

0.05

0.04

0.04

0.03

0.03

0.02

0.02

0.01

0.01

0

) r a l o m ( l c a N e d e t n e i d a r G

0 3

12

21

30

39

proteina

48

57

66

75

84

93

Gradiente de NaCl

102

111

120

129

138

147

156

Vol. de retención (ml)

FIGURA 31. Cromatografia de intercambio aniónico, utilizando Amberlys A-27 en la purificación de la enzima fructosiltransferasa del Aspergillus niger AN 166. Fuente: autor.


Parámetros de purificación Existen tres parámetros teóricos que permiten cuantificar y comparar los diversos métodos de purificación; estos son: (i) el porcentaje de rendimiento, (ii) el factor de purificación y (iii) la actividad enzimática. El porcentaje de rendimiento : es la relación entre la actividad enzimática total del paso “n” de purificación y el extracto inicial.

% Rendimiento= (U)n X 100% (U)extracto inicial El factor de purificación : es la relación entre la actividad específica del paso “n” de purificación y la actividad específica del extracto inicial. Factor de purificación= ( U/mg)n (U/mg)extracto inicial Actividad específica: Es la relación entre la actividad total (U) sobre el contenido

de proteína en mg. Actividad específica= (U)/mg de proteína.

Ejemplo: Se requiere completar la tabla 14 de purificación de una levanasa producida por Bacillus subtilis y clonada en E. coli .


Tabla 14. Purification of B. suptilis levanase produced in E. coli. Proteina (mg)

Total actividad (U)

Extracto Crudo

1,94

4,10

Sulfato de Amonio precipitation

1,17

3,76

Pico I

13,1

0,82

Pico II

12,7

1,14

Pico I

4,6

0,36

Pico II

2,4

0,2

MonoQ

1,3

0,12

Paso de purificación

Rendimiento Factor (%) Purificacion

DEAE–Sepharose CL-6B

S-Sepharoseb

Tomada de: Erich Wanker, Anton Huber, and Helmut Schwab: Purification and characterization of the Bacillus subtilis Levanase Produced in Escherichia coli. Applied And Environmental Microbiology, May 1995, Vol. 61, No. 5 p. 1953–1958

La metodología propuesta por Erich, establece siete (7) pasos de purificación para la Levanasa; se parte del extracto inicial, el cual la actividad enzimática total (U)extracto inicial es: 4,10 unidades por ml, y el contenido de proteína es:1,4 ( mg)extracto inicial/ml.

Para el extracto crudo el porcentage % de rendimiento es: % Rendimiento= (U)extracto inicial X 100% = (4,10/4,10) X 100% = 100 (U)extracto inicial Para el primer paso de purificación (Precipitación con sulfato de amonio) es: % Rendimiento= (U)Sulfato Amonio X 100% = (3,76/4,10) X 100% = 91,7 (U)extracto inicial


Este resultado se interpreta como: el 91,7% de la actividad del extracto crudo se conserva (el 8,2% de la actividad inicial se pierde) luego de la precipitación con sulfato de amonio. La actividad específica del extracto crudo es: Actividad específica= (U) extracto inicial = 4,10/1,94 = 2,11 U/mg mg extracto inicial y para el primer paso de purificación (Precipitación con sulfato de amonio) la actividad específica es: Actividad específica= (U) Sulfato Amonio = 3,76/1,17 = 3,21 U/mg mg Sulfato Amonio El factor de purificación para el extracto crudo es: Factor de purificación= ( U/mg)extracto inicial = (4,10/1,94) / (4,10/1,94) = 1 (U/mg)extracto inicial Para el primer paso de purificación (Precipitación con sulfato de amonio) el factor de purificación es: Factor de purificación= ( U/mg)Sulfato Amonio = (3,21/2,11) = 1,52 (U/mg)extracto inicial Lo que implica que la enzima se ha purificado 1,52 veces con respecto al extracto inicial.


Tabla 15. Resultados de la purificación de de levanasa de B. Suptillis producida en E. coli

Paso de purificación

Proteina (mg)

Actividad total (U)

Actividad Específica

Rendimiento Factor (%) Purificación

(U/mg) Extracto Crudo

1,94

4,10

2,11

100

1

Sulfato de Amonio precipitation

1,17

3,76

3,21

91,7

1,52

Pico I

13,1

0,82

0,06

20

0,03

Pico II

12,7

1,14

0,09

27,8

0,04

Pico I

4,6

0,36

0,08

8,78

0,04

Pico II

2,4

0,2

0,08

4,88

0,04

MonoQ

1,3

0,12

0,09

2,93

0,04

DEAE–Sepharose CL-6B

S-Sepharoseb

Generalmente el comportamiento de estos parámetros de control al desarrollar la purificación, es el aumento de la actividad específica (en cada paso de purificación la concentración de proteína disminuye, encontrándose esta en el denominador, lo cual hace que el valor total aumente, claro esta, asumiendo que la actividad no tenga una disminución tan drástica como la proteína) y del factor de purificación, mientras que el porcentaje de rendimiento disminuye. Esto no siempre se cumple, pero es una tendencia general.

Como una forma de comprobación de la purificación enzimática, se analizan las diversas fracciones obtenidas en cada paso, en una técnica analítica llamada: electroforesis de proteínas; la cual consiste en la separación por peso molecular de las proteínas en una matriz mediante la ayuda de un campo eléctrico. Aun con


ello esta técnica analítica puede presentar isoformas (dos o mas proteínas diferentes con el mismo peso molecular) lo cual en una electroforesis convencional (separación por peso) no es concluyente; para ello la muestra debe ser sometida a una separación tanto por peso molecular, como por punto isoeléctrico (valor de pH, donde la carga neta o total de una proteína es igual a cero(0)) dicha técnica recibe el nombre de Isoelectroenfoque.

Técnicas de purificación de proteínas Existen variadas técnicas y metodologías para la purificación de proteínas, pero cada una de ellas consiste en separar la enzima de interés de otras proteínas y macromoléculas, manteniendo la mayor actividad enzimática posible. Algunas de las técnicas mas comunes son: (i) Separación por precipitación. (solubilidad diferencial) (ii) Cromatografía por filtración por gel. (iii) Cromatografía por intercambio iónico. (iv) Cromatografía por afinidad. (v) Ultrafiltración.


1234 KDa 205 116 Ftasa. Aspergillus

97

niger AN 166. 84 66 55 45

36 29

24

Figura 32. Verificación de la purificación por electroforesis de proteínas SDS PAGE de la enzima fructosiltransferasa (Ftasa) proveniente de la cepa Aspergillus niger AN166; 1- Fracción obtenida de cromatografía de intercambio iónico Amberlys A-27. 2-Cromatografia de exclusión por tamaño Sephadex G-100. 3Extracto crudo proveniente de la fermentación de la cepa Aspergillus niger AN166. 4- Marcadores de peso molecular. Las condiciones de corrida fueron: dimenciones del gel de 7 x 8 cm y 0.75 mm de espesor, la electroforesis fue realizada bajo condiciones reductoras SDS PAGE con un porcentaje de acrilamida del 11% (T) y bis-acrilamida del 3.5% (C) para el gel separador; 6% de (T) y 3.5% de (C) para el gel concentrador. Se corrió a 100 V y 12 mA , estos últimos constantes. Electroforesis realizada por el autor.


Separación por precipitación (Solubilidad diferencial) El principio básico de esta técnica es provocar una alteración de alguna propiedad del solvente original que promueva la precipitación de la proteína, afectando su solubilidad, esta depende de tres factores principales: (i) composición y distribución de sus aminoácidos periféricos (una proteína rica en aminoácidos hidrofóbicos es en general menos soluble que una rica en aminoácidos polares), en general los aminoácidos hidrofóbicos tienden a encontrarse en el interior de la molécula y los hidrofílicos en la superficie; (ii) su estructura tridimensional (las proteínas fibrosas son en general menos solubles que las globulares) y (iii) el entorno de la propia proteína como la temperatura, la constante dieléctrica del medio, el pH, y la fuerza iónica. Las técnicas basadas en la diferencia de solubilidad tienen gran capacidad de procesamiento, bajo costo pero también baja resolución, por lo cual su uso es muy común al inicio del proceso de purificación. La separación por precipitación se puede realizar por tres métodos: (i) Precipitación por sales, (ii) Precipitación por solventes orgánicos y (iii) Precipitación por polímeros.

Precipitación por sales: Por años, la adición de sales neutras a los extractos enzimáticos para su purificación y concentración, ha sido la técnica mas utilizada. En la separación por solubilidad diferencial, al adicionar el soluto, se pueden presentar dos fenómenos importantes para la enzima a separar; (i) que la proteína presente una mayor solubilización en el solvente debido a la interacción de los grupos cargados que se relacionan a su vez con los iones de la sal incrementando la densidad de carga con una mayor repulsión intermolecular, este fenómeno es conocido como: solubilización por salado o “salting in”. Lo contrario de esto es la (ii) precipitación por salado o “salting out”, los grupos hidrofóbicos superficiales originan un ordenamiento de las moléculas de agua alrededor de estas zonas dando como resultado un estado


ordenado termodinámicamente inestable que lleva a la agregación y precipitación de la proteína. Las sales de iones divalentes como el cloruro de magnesio MgCl 2, cloruro de manganeso MnCl2, el sulfato de amonio (NH 4)2SO4 entre otros, son mucho mas eficientes tanto para la precipitación o solubilidad de proteínas que las sales de iones monovalentes como el cloruro de sodio NaCl, cloruro de potasio KCl o cloruro de amonio NH 4Cl. La sal mas utilizada es el sulfato de amonio por su alta solubilidad y el alcanzar fuerzas iónicas muy elevadas.

Figura 33. Saturación del sulfato de amonio en la presipitación de una proteina.

La tabla 16 muestra la cantidad de sulfato de amonio en gramos requerida para llevar una solución de volumen conocido de una saturación inicial a una final. Si tenemos 30 ml de extracto enzimático el cual deseamos llevar al 25 % de saturación con sulfato de amonio, la cantidad en gramos de esta sal a agregar es: 4,02 g; si posterior a esto requerimos llevar la misma solución del 25 al 40% de saturación la cantidad de sulfato de amonio a agregar es de: 2,52 g de (NH4)2SO4. Igualmente la cantidad de sulfato de amonio se puede calcular según la formula:

W= G(S2 – S1)/ (1- (VG/1000)S2)


Donde: W: peso de (NH 4)2SO4 en gramos a adicionar. G: peso de (NH 4)2SO4 en gramos contenido en 1 litro de solución saturada. V: volumen específico parcial del (NH 4)2SO4 en la solución saturada. S2 y S1: son las fracciones de saturación a completar. Los valores de G y V se toman de la tabla 17

Tabla 16. Sulfato de amonio requerido para la precipitación de una proteína. Esta tabla muestra la cantidad requerida de sulfato de amonio (NH 4)2SO4 para llevar una solución de 1 litro con una concentración inicial de saturación, a una final a cero (0) oC

Concentración inicialdesulfato deamonio

Porcentajedesaturacióna0OC. 20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

75

80

85

90

95

100

Sulfatodeamonioengramos(g)requeridoparaadicionala1litrodesolución 























0

106

134

164

194

226

258

291

326

361

398

436

476

516

559

603

650

697

5

79

108

137

166

197

229

262

296

331

368

405

444

484

526

570

615

662

10

53

81

109

139

169

200

233

266

301

337

374

412

452

493

536

581

627

15

26

54

82

111

141

172

204

237

271

306

343

381

420

460

503

547

592

20

0

27

55

83

113

143

175

207

241

276

312

349

387

427

469

512

557

0

27

56

84

115

146

179

211

245

280

317

355

395

436

478

522

0

28

56

86

117

148

181

214

249

285

323

362

402

445

488

0

28

57

87

118

151

184

218

254

291

329

369

410

453

0

29

58

89

120

153

187

222

258

296

335

376

418

0

29

59

90

123

156

190

226

263

302

342

383

0

30

60

92

125

159

194

230

268

308

348

25 30 35 40 45 50

UNIVERSIDADNACIONALABIERTAYADISTANCIA–UNAD ESCUELADECIENCIASBASICASTECNOLOGÍAEINGENIERÍAECBTI CONTENIDODIDÁCTICODELCUSO: 211619–BIOTECNOLOGÍAALIMENTARIA 55

0

60 65

30

61

93

127

161

197

235

273

313

0

31

62

95

129

164

201

239

279

0

31

63

97

132 168 205 244

0

32

65

99

134

171

209

0

32

66

101

137

174

0

33

67

103

139

0

34

68

105

0

34

70

0

35

70 75 80 85 90 95 100

0

Tabla 17. Soluciones de sulfato de amonio saturado a varias temperaturas Temperatura(oC) 0

10

20

25

30

Molesde(NH4)2SO4por1000gdeH2O

5,35

5,53

5,73

5,82

5,91

Porcentaje en peso

41,42

42,22

43,09

43,47

43,85

Gramosde(NH4)2SO4requeridosparasaturar 1000mldeH2O

706,8

730,5

755,8

766,8

777,5

Gramosde(NH4)2SO4por1litrodesolución saturada(G)

514,7

525,1

536,1

541,2

545,9

Molaridad de la solución saturada

3,90

3,97

4,06

4,10

4,13

Densidad(g/cm 3)

1,2428

1,2436

1,2447

1,2450

1,2449

volumenespecíficoparcialdel(NH4)2SO4enla soluciónsaturada

0,5281

0,5357

0,5414

0,5435

0,5458


Precipitación por solventes orgánicos: La adición de solventes orgánicos miscibles en agua como el etanol o acetona disminuye la solubilidad de la mayor parte de las proteínas, de tal manera que precipitan de la disolución. El efecto principal es la disminución de la actividad del agua. El poder de solvatación del agua por la molécula hidrofílica cargada, disminuye cuando la concentración del solvente orgánico aumenta y esto esta determinado por la disminución en la constante dieléctrica o permitividad relativa ( Єτ ) con respecto al agua que es 82.

Tabla 18. Constantes dieléctricas o permitividad relativa de solventes orgánicos Material

Permitividad relativa (Єτ )

Agua

82

Etanol

24

Metanol

33

Ácido fórmico

58

n-propanol

20

Ácido acético

6,2

Isopropanol

18

Acetona

21

Acetonitrilo

37

Acetato de etilo

6,0

Cloroformo

4,8

Benceno

2,3


El solvente para la purificación de proteínas debe ser seleccionado en base a cinco criterios: (i) miscible en agua (ii) no reaccionar con la proteína (iii) tener un buen efecto precipitante (iv) no desnaturalizar la proteína y (v) no ser inflamable.

Precipitación por polímeros no iónicos: La precipitación de proteínas también puede realizarse utilizando polímeros neutros como el polietilenglicol (PEG) en lugar de sales o solventes. El mecanismo no está claramente establecido; sin embargo, hay dos modelos para explicar el mecanismo el de Ogston y Laurent ; estos sugieren que los polímeros excluyen a las proteínas de parte de la solución y reducen la cantidad efectiva de agua disponible para su solvatación. El modelo de Ogston se basa en la teoría termodinámica y concluye que los sistemas pueden ser explicados en términos de los coeficientes de interacción proteína-polímero, y proteína-proteína de las especies presentes. El modelo de Laurent se basa en un mecanismo de exclusión geométrica de regiones hidratadas de la proteína por el polímero.

Caracterización enzimática La caracterización enzimática se refiere al conocimiento de parámetros específicos de una enzima como su peso molecular, su punto isoeléctrico, Vmax , Km entre otros.

Tabla 19. Parámetros para el análisis e identificación de enzimas. Parámetro de

Análisis para su identificación

un enzima Punto isoeléctrico

Isoelectroenfoque

Peso molecular

Electroforesis SDS–PAGE

Subunidades proteicas

Combinación entre electroforesis SDS –PAGE desnaturalizantes y reductoras.

Km, Vmax

Ensayos cinéticos


Secuencia

Espectrometria de masas

pH, Temp, [S] óptimos

Ensayos cinéticos

Estabilidad a la temp, pH etc

Ensayos cinéticos

Lección 21. Cinética enzimática Uno de las medidas mas importantes en los trabajos con enzimas son los parámetros cinéticos cuyos mas representativos son: la constante de michaelis (Km) y la velocidad máxima (Vmax ). Para determinar estos parámetros se relaciona la concentración de sustrato [S] junto con la actividad enzimática (U). La linealización de la gráfica se puede realizar por medio de tres formas: (i) Lineweaver Burk (ii) Eadie Hofstee y (iii) Langmuir, siendo la mas utilizada la primera de ellas. Linealización con Lineweaver Burk: 1/V= (1/Vmax)+ (Km/Vmax)*(1/S) Linealización con Eadie Hofstee:

V= Vmax - Km(V/S) Linealización con Langmuir:

S/V = (1/Vmax)*S + (Km/Vmax) Ejemplo: Determine la velocidad máxima y el Km de las dos enzimas reportadas en la tabla 4. Establezca cual de ellas tiene mayor afinidad por el sustrato.

Tabla 20. Variación de la actividad enzimática con respecto a la concentración de sustrato de dos enzimas invertasas.

Sustrato

Enzima 1

Enzima 2

Actividad

Actividad


(M)a

(U)

(U)

0

0

0

0,11

1,5

1

0,22

1,9

1,5

0,33

2,3

2

0,44

2,5

2,3

0,55

2,8

2,5

0,66

3

2,8

0,77

3

2,8

0,88

3,2

2,9

1,1

3,2

2,8

1,32

3,2

2,8

a) Concentración molar de sacarosa en buffer fosfatos 50 mM a pH: 5.5.

la representación grafica es la siguiente:

Figura 34. Relación actividad enzimática (U) con respecto a la variación de sustrato S.


Realizando la linealización por Lineweaver Burk tenemos:

Enzima 1

Enzima 2

Figura 34. Linealización de la curva micheliana utilizando el método de Lineweaver Burk. El intercepto es: 1/Vmax, en el caso de la enzima 1: su valor


es: 0,28; y la enzima 2 es: 0,24; despejando, los valores de Vmax son: 3,57 U enzima 1 y 4,16 U enzima 2.

La pendiente es: Km/Vmax; despejando tenemos: Km enzima 1: 0,15 M y 0,34 M para la enzima 2. Debido a esto la enzima 1 posee mayor afinidad por el sustrato toda ves que presenta una Km menor que la enzima 2.

Lección 22. Inmovilización La inmovilización enzimática es el proceso por el cual el movimiento de las enzimas, en el espacio, se ve restringido total o Parcialmente, dando lugar a una forma de enzima insoluble en agua. Los enzimas inmovilizados son enzimas unidos, insolubilizados, soportados o ligados a una matriz. Las enzimas inmovilizadas se dividen en dos grandes grupos: atrapadas y ligadas, ver figura 3.

Figura 35. Clasificación de enzimas inmovilizadas.


Características de las enzimas inmovilizadas Son características de las enzimas inmovilizadas las siguientes: 1. Permiten reutilización 2. Se obtienen productos más puros 3. Posibilidad de implementar procesos continuos 4. Requieren control de Temperatura y pH 5. Posibilidad de contaminación 6. Requieren planta especial

Figura 36. Aplicación de enzimas inmovilizadas en la fabricación de jarabes glucosados a partir del almidón de maíz. 1: Tanque de mezcla. 2: Reactor de tanque agitado y recuperación por filtración. 3: Intercambiador de calor. 4: Reactor de tanque agitado y recuperación por filtración. 5: Ultrafiltración. 6: Evaporador.


Lección 23. Enzimas industriales, usos frecuentes y mercado Existen tres tipos de aplicaciones básicas: (i) Procesos industriales, (ii) procesos analíticos y (iii) uso clínico. En los procesos industriales muchas enzimas se utilizan en diversas partes ya sea en proceso o como producto terminado, entre ellas encontramos: 1. Industria de Alimentos 2. Industria Farmacéutica 3. Industria Textil 4. Industria de Detergentes 5. Industria del Cuero 6. Biorremediación y tratamiento de efluentes las características de este tipo de enzimas son: (i) Uso masivo, (ii) Estructura simple, (iii) preferiblemente extracelulares, (iv) estables y (v) sin requerimientos de cofactores disociables.

Tabla 21. Enzimas industriales y sus aplicaciones en la industria de alimentos. Enzima Glucoamilasa

Fuente

Campo Industrial

Usos frecuentes

Microbiano, Obtenida Industria del Fabricación de cerveza, principalmente de los almidón y industria panificadora y Aspergillus géneros: y licorera producción de alcohol. Rhizopus.

Alfaamilasa

Fúngico: Aspergillus oryzae , Industria del Fabricación de cerveza, B. almidón bacteriano: y industria panificadora y stearothermophilus, B. licorera producción de alcohol. subtilis , vegetal: cereales y animal: páncreas.


Aminoacilasa

Extraída de riñón porcino, o Síntesis de Preparación de L-aminoácidos. algunas cepas bacterianas del compuestos genero Pseudomonas sp. orgánicos

Bromelina

Extraída de la piña (Ananas Industria camosus). cárnica

Ablandamiento de carnes preparación de jugos.

y

Papaina

Obtenida del

Industria cárnica


y

Industria cárnica


y

fruto inmaduro de la papaya (familia caricácea).

Ficina

Obtenida a partir del látex de árboles tropicales del género Ficus (familia moreáceas).

Catalasa

Fúngico:

principalmente Industria de Antioxidantes en alimentos Aspergillus niger , bacteriano: grasas y preparados como mantequilla, Micrococcus sp. y animal aceites. mayonesa y grasa animal. (hígado, eritrocitos de origen vacuno y porcino).

Glucosa oxidasa

Microbiano, Obtenida Industria de Antioxidantes en alimentos principalmente de los grasas y preparados como mantequilla, géneros: Aspergillus niger , aceites. mayonesa y grasa animal. Penicillium vitale y notatum.

Celulasa, xilanasa, peptinasa

Microbiana de los géneros: Industria de Clarificación de jugos Trichoderma reesei y T. viride, jugos producción de alcohol. Aspergillus flavus .

Glucosa isomerasa

Microbiana de los géneros: Streptomyces, Lactobacillus.

Industria de Manufactura bebidas no fructosados. Aerobacter, alcohólicas

de

y

jarabes


Lactasa (Beta Microbiana de los géneros: Industria galactosidasa) láctea Aspergillus oryzae y Torula cumoris principalmente.

Utilización en suero de leche e hidrólisis de lactosa.

Lipasa

Animal (pancreática), Industria de Incrementa el aroma y el sabor Microbiano de los géneros: grasas y en quesos mantequillas, cremas, Aspergillus, Rhizopus, aceites y chocolates y como Gandida y Mucor . vegetal harinera desengrasante de proteínas. semillas de algodón, ricino, trigo, maíz, entre otros.

Renina (quimosina)

Microbiana (recombinante) de Industria los géneros: Streptococcus, láctea

Manufactura de quesos.

Lactobacillus, Aspergillus, Candida, Penicillium, Mucor, Torulopsis y Rhizopus.

Fitasa

Fúngico: principalmente de Industria de Mejora la disponibilidad mineral especies como: Aspergillus, cereales y al hidrolizar el ácido fítico. levaduras como: leguminosas Saccharomyces y Peniophora, y algunas bacterias: Bacillus, Enterobacter, Pseudomonas.

Invertasa o sacarasa La beta producida

fructosidasa es Industria por Levaduras azucarera.

Hidrólisis de la sacarosa, obtención de azúcar invertido.

Sacaromyces cerevisiae, Candida. La alfa-glucosidasa

constituye las invertasas intestinales y de hongos como: Aspergillus oryzae .

Lisozima

Origen huevo.

animal:

clara

de Industria láctea

Manufactura (preservación)

del

queso


Lacasa

Especie de hongos: Pleurotus Industria de Aumento de la susceptibilidad eryngii, y ostreatus, Trametes frutas y del pardeamiento durante el villosa. vegetales. almacenamiento.

Pululanasa

Microbiana, principalmente de Industria de Ataca los enlaces α(1→6) del los géneros: almidón almidón, liberando oligosacáridos de glucosa con Bacillus acidopullulyticus. enlaces α(1→4).

Glucosiltransferasas, Microbiano de los géneros: Industria de Aspergillus niger, almidón y Fructosiltransferasas Leuconostoc y Streptococcus. de alimentos funcionales

Obtención de almidón modificado con propiedades funcionales mejoradas, tales como mayor solubilidad, baja viscosidad, y la retrogradación reducida. Producción de biopolímeros y obtención de fructooligosacáridos (FOS) como prebióticos.

Dextransacarasa

Microbiano principalmente de Industrias Producción de biopolímeros tipo los géneros: Leuconostoc sp. lácteas, dextran que actúan como frutas y estabilizantes, viscosantes y vegetales producción de películas comestibles.

Naringinasa,

Microbiana de los géneros Industria de Actuan sobre compuestos que Aspergillus niger. jugos causan el sabor amargo a los cítricos. jugos cítricos.

Limoninasa

En aplicaciones clínicas se utilizan por incorporación en línea del reactor enzimático con un aparato analítico convencional o por inclusión del sistema enzimático como parte del sistema analítico; sus características son: (i) alta especificidad, (ii) alta sensibilidad, (iii) alta pureza, (iv) baja estabilidad en condiciones operacionales y (v) alto costo.


En cuanto a las aplicaciones clínicas: algunas se utilizan para ayudas convencionales como:

(i) ayuda digestivos (Diastasa pancreática, (ii)

antiinflamatorios (Papaína - Bromelina) y antimicrobianos (Lisozima); otras enzimas son utilizadas en el tratamiento de enfermedades como: Enfermedades congénitas hereditarias (suministro exógeno de la enzima deficitaria), remoción de metabolitos potencialmente tóxicos (ureasa en riñones artificiales) y tratamiento de ciertos tipos de cancer (asparaginasa en ciertos cánceres sanguíneos) entre otras.

Bibliografía Belma Özbek, Kutlu Ö Ülgen. The stability of enzymes after sonication. Process Biochemistry, Volume 35, Issue 9, May 2000, Pages 1037-1043. Alline Artigiani Lima Tribst, Marcelo Cristianini . High pressure homogenization of a fungi α -amylase. Innovative Food Science & Emerging Technologies, Volume 13, January 2012, Pages 107-111. Iraj Ghazi, Lucia Fernandez-Arrojo, Humberto Garcia-Arellano, Manuel Ferrer, Antonio Ballesteros, Francisco J. Plou. Purification and kinetic characterization of a fructosyltransferase from Aspergillus aculeatus. Journal of Biotechnology 128 (2007) 204–211. Bangaru Balasundaram, Sue Harrison, Daniel G. Bracewell. Advances in product release strategies and impact on bioprocess design . Trends in Biotechnology, Volume 27, Issue 8, August 2009, Pages 477-485 and Helmut Schwab. Purification and characterization of the Bacillus subtilis Levanase Produced in Escherichia coli . Applied And Environmental Microbiology, May 1995, Vol. 61, No. 5 p. 1953–1958 Erich Wanker, Anton Huber,


UNIDAD 3 Nombre de la Unidad TENDENCIAS EN LA INDUSTRIA ALIMENTARIA BIOTECNOLOGICA Intencionalidades Formativas Presentar al estudiante en forma clara los conceptos básicos de las los • alimentos funcionales. Proporcionar conceptos específicos y concretos de moléculas orgánicas de • interes industrial en cuanto a alimentos funcionales. Describir las tendencias en el mercadeo y comercialización de los alimentos funcionales. Denominación de capítulos •

Lección 24. Definición Lección 25. Normatividad Lección 26. Clases y tipos de alimentos funcionales Lección 27. Mercadeo y comercialización Lección 28. Perspectivas y tendencias Lección 29. Biopolímeros Lección 30. Ácidos grasos Omegas Lección 31. Microorganismos Probióticos Lección 32. Prebióticos CAPITULO 6. ALIMENTOS FUNCIONALES

Lección 24. Definición Actualmente la alimentación juega un papel importante en la salud de las personas el cual esta condicionado a la cultura, estilo y condiciones de vida; pero en las ultimas décadas a teniendo como factor circunstancial la necesidad del consumo de alimentos que además de causar bienestar, tengan efectos positivos en la salud. Es hay donde hablamos que poseen una funcionalidad y al integrar este concepto hablamos de alimentos funcionales.


Figura 37: Obra: El comedor de judías, autor : Annibale Carracci, año: 1584, estilo: Barroco, Galeria Colonna de Roma.

En la actualidad hay una gran variedad de definiciones, generados por diversos autores, instituciones y diversas índoles, pero no se a logrado un consensó sobre el establecimiento de un marco conceptual que permita determinar y corroborar los diversos efectos fisiológicos, de los alimentos funcionales en la salud. Algunos autores los definen como: “Aquellos que, más allá de su valor nutricional habitual, han demostrado satisfactoriamente tener un efecto beneficioso sobre una o más funciones específicas en el organismo, en una forma que resulte relevante para mejorar el estado de salud y bienestar y/o para la reducción de riesgo de enfermedad”. (Pascal et al ., 1999).


Otros organismos los definen como se describe en el siguiente mapa conceptual:

Figura 38. Mapa conceptual Alimentos Funcionales, definiciones de diversas organizaciones.


Tabla 22. Hechos históricos relacionados con la evalución de alimentos funcionales. Año

Hecho Cronológico

1000 a E.C., en China. En Asia (Hemisferio Oriental)

Antecedió como creencias esencialmente anecdóticas, apoyadas en siglos de tradición, y no documentadas por una sólida investigación científica. El término “ alimento medicinal” (alimento usado para propósito médico) fue referenciado en la literatura de la Dinastía Este Han. Con otras expresiones similares como, “ alimentos especiales” , fueron utilizados en trabajos médicos en la Dinastía Song cerca del año 1000 de nuestra era.

(Siglos V-IV a E.C).

Desde tiempos antiguos se hacia referencia a que los alimentos están íntimamente relacionados con beneficios a la salud. “Q ue el alimento sea tu medicina y la medicina tu alimento ” es un pensamiento atribuido al médico Griego Hipócrates. 2500 años después, comenzando el Siglo XXI, este manifiesto es de máxima importancia, ya que es la filosofía del “alimento como medicina” la que soporta el paradigma de los alimentos funcionales

En Occidente

Decada de los 50

Se hace hincapié en investigaciones relacionadas entre la alimentación y las enfermedades degenerativas, tales como la conección entre enfermedades cardiacas y la cantidad de grasa ingerida. Ancel Keys publica sus investigaciones en las que demuestra la relación entre las cardiopatías, colesterol y grasa de la dieta, y se da a conocer el estudio de Framingham acerca de las muertes por cardiopatías y estilo de vida.

1955

Se instala en Tokio, Japón, la casa matriz de Yakult con la razón social Yakult Honsha.

Decada de los 80

Los japoneses inventan el termino Alimento Funcional e inician la investigación en este campo. A finales de la década ya habian publicado mas de 100 trabajos de investigación, recomendaciones y guias alimentarias sobre el tema. La industria alimentaria se involucra con mayor intensidad en el desarrollo y fabricación de productos bajos o libres de grasa y/o de azúcar.

1984

Proyecto Nacional sobre Alimentos Funcionales auspiciado por el Ministerio de Educación, Ciencia y Cultura, para apoyar la investigación básica y aplicada en las universidades. Inicialmente era para


tres años (1984- 1987), pero fue posteriormente extendido a dos períodos adicionales de tres años cada uno, entre 1998-1991, y 1992 a 1995. En 1986, el Ministerio Japonés de Salud y Bienestar convocó un Foro de Alimentos Funcionales con seis expertos en Alimentos y Nutrición, cuya conclusión fue proponer métodos para mejorar la salud de la población mediante el uso de los alimentos funcionales.

1990

Ministerio Japonés de Salud y Bienestar promulgo un decreto por el cual se aprobaron los “ Alimentos de Uso Específico para la Salud ” (Foods for Specific Health Use, FOSHU),denominación legal para los alimentos funcionales, y esto se genero en Septiembre de 1991

American Dietetic Association (ADA) adoptó por

1994

primera vez su posición de apoyo a los alimentos funcionales, la cual reafirmó en 1997 y que permanecerá efectiva hasta Diciembre del 2002.

2000

Continúa en crecimiento en todo el mundo el desarrollo de alimentos funcionales, casi 2000 productos, de los cuales más de 1700 fueron desarrollados en Japón.

Una definición de alimentos funcionales es la siguiente: “Son aquellos alimentos que aparte de aportar nutrientes, ha sido científicamente demostrado que afectan positivamente a una o varias funciones fisiológicas del organismo, dirigidas a proporcionar un mejor estado de salud y bienestar ”.

Lección 25. Normatividad Colombiana En la actualidad no existe una normatividad especifica que regularice, alimentos funcionales, pero existen marcos legales con respecto a la regularización de alimentos con propiedades adicionales para la salud, este tipo de reglamentación es mostrado en la tabla 23.


Tabla 23. Reglamentación Colombiana relacionada a alimentos funcionales. Normatividad Temas involucrados Decreto 1944 De 1996 Resolución 11961 de 1989

Resolución 11488 de 1984 (Ministerio de Salud)

Decreto 3636 de noviembre de 2005

Resolución 00485 de 2005

Resolución 288 (ministerio de la protección social) 2008

Resolución 333 de Febrero de 2011

Reglamenta la fortificación obligatoria de la harina de trigo con vitamina B1, vitamina B2, niacina, acido fólico y hierro. Leche cultivada con Bifidobacterium Normas técnicas relacionadas, con alimentos infantiles, alimentos o bebidas enriquecidas y alimentos y bebidas de uso dietético, en los cuales se permite la adición de nutrientes y la denominación de fortificados. Reglamentación de productos de uso especifico, incluidos productos importados con denominación del país de origen como “suplemento dietario” complemento alimenticio” o “nutraceutico” Del Rotulado: No permite en los alimentos envasados rótulo o rotulado, en los que se empleen palabras, ilustraciones u otras representaciones gráficas que hagan alusión a propiedades medicinales , preventivas o curativas que puedan dar lugar a apreciaciones falsas, sobre la verdadera naturaleza , origen, composición o calidad del alimento. Establece condiciones para la declaración de propiedades nutricionales o de salud de los alimentos; esta constituye un avance para la comunicación al consumidor sobre los beneficios de los alimentos funcionales. “La presente resolución tiene por objeto establecer el reglamento técnico a través del cual se señalan las condiciones y requisitos que debe cumplir el rotulado o etiquetado nutricional de los alimentos envasados o empacados nacionales e importados para consumo humano que se comercialicen en el territorio nacional, con el fin de proporcionar al consumidor una información nutricional lo suficientemente clara y comprensible sobre el producto, que no induzca a engaño o confusión y le


permita efectuar una elección informada”...

Reglamento del parlamento europeo y sus modificaciones posteriores

En Europa existen diversas instituciones encargadas de regular, reglamentar y vigilar los alimentos funcionales. Algunos de la reglamentación mas destacadas es mostrada en la tabla 23.

Tabla 23. Reglamentación mas destacada sobre alimentos funcionales en Europa Normatividad

Temas relacionados

Posición Común (CE) nº 2/2006, de 8 de diciembre de 2005 Art. 251

Consejo sobre la adición de vitaminas, minerales y otras determinadas sustancias a los alimentos.

Posición Común (CE) nº 3/2006, de 8 de diciembre de 2005 Art. 251 REGLAMENTO (CE) Nº 1924/2006 de diciembre de 2006 REGLAMENTO (CE) Nº 1925/2006

REGLAMENTO (UE) Nº 957/2010 DE LA COMISIÓN de 22 de octubre de 2010

REGLAMENTO (UE) Nº 958/2010 DE LA COMISIÓN de 22 de octubre de 2010

Relativo a las declaraciones nutricionales y de propiedades saludables en los alimentos. Relativo a las declaraciones nutricionales y de propiedades saludables en los alimentos. Sobre la adición de vitaminas, minerales y otras sustancias determinadas a los alimentos Sobre la autorización o la denegación de autorización de determinadas declaraciones de propiedades saludables en los alimentos relativas a la reducción del riesgo de enfermedad y al desarrollo y la salud de los niños. Sobre la autorización o la denegación de autorización de por el que se deniega la autorización de una declaración de propiedades saludables en los alimentos distinta de las que se refieren a la reducción del riesgo de enfermedad y al desarrollo y la salud de los niños


Unos de los organismos que se encarga de la regularización de las diversas normativas

en Europa es la entidad

FUFOSE (Functional Food Science in

Europe) en donde su objetivo primordial es el desarrollo y establecimiento de un enfoque científico acerca de las pruebas necesarias en el apoyo de productos alimenticios que puedan tener un efecto beneficioso sobre una función fisiológica del cuerpo humano, y sobre todo mejorando la calidad de vida por medio del aumento del estado de salud basado en la reducción del riesgo y aparición de enfermedades. Otro organismo sin ánimo de lucro y de ámbito internacional es el International Life

Sciences Institute (ILSI) desde 1978 avanza sobre todas las índoles científicas en nutrición ,la seguridad alimentaria, toxicología y medio ambiente, una de las ramas de esta organización trabaja en conjunción con el FUFOSE en Europa en el establecimiento de nuevas guías y recomendaciones acerca de este tipo de alimentos. En Japón la legislación en 1991, el Ministerio de Salud y Bienestar estableció un sistema de concesión de licencias para los alimentos FOSHU definidos antes. Cuando se solicita una licencia FOSHU al ministerio encargado de la evaluación de un alimento funcional se debe aportar la siguiente información: 1) ingredientes y composición del alimento. 2) efectos beneficiosos para la salud atribuidos al alimento. 3) datos sobre su seguridad. Existen actualmente en Japón 12 categorías de ingredientes funcionales incluidos en el sistema FOSHU, son los siguientes: I.

Fibra alimentaria

II.

Oligosacáridos,

III.

Alcoholes derivados de azúcares

IV.

Acidos grasos poliinsaturados,


V.

Péptidos y proteínas

VI.

Glucósidos

VII.

Isoprenoides

VIII.

Vitaminas

IX.

Alcoholes y fenoles

X.

Colinas (lecitina)

XI.

Bacterias del ácido láctico

XII.

Minerales, otros.

Para ser aprobado, el alimento debe cumplir los siguientes criterios(i) Contribuir a mejorar los hábitos alimentarios y mantener y mejorar la salud. (ii) Los efectos beneficiosos para la salud atribuidos a él o a sus componentes deben estar basados en principios. (iii) Se deberá definir la forma adecuada como se consumirá el alimento o sus componentes. (iv) El alimento y sus componentes deben ser considerados seguros. (v) Estar bien definidos los métodos para determinar las propiedades fisicoquímicas de los componentes y para el análisis cualitativo y cuantitativo de los mismos. (vi) La composición nutricional del producto no debe ser significativamente inferior a la de alimentos similares. (vii) El alimento debe consumirse de forma habitual, y no con carácter ocasional. (viii) El producto debe tener la forma de un alimento normal, y no en forma de píldora, cápsula u otra forma de dosificación

Lección 26. Clases y tipos de alimentos funcionales En la tabla 24 se muestran algunos clases y tipos de alimentos funcionales.

Tabla 24. Clases y tipos de alimentos funcionales. Alimento funcional

Componente funcional Con ácidos grasos omega-3

Leches enriquecidas

(EPA y DHA)

Posibles efectos en la salud humana Contribuyen a reducir el riesgo de enfermedad cardiovascular, el riesgo de ciertos tipos de cáncer y mejoran el desarrollo del tejido nervioso y las


funciones visuales. Pueden reducir inflamatorios.

los

procesos

Con ácido oleico

Ayudan a reducir la concentración de colesterol en sangre y el riesgo de enfermedad cardiovascular.

Con ácido fólico

Pueden disminuir malformaciones en el tubo neural y ayudan a reducir el riesgo de enfermedad cardiovascular.

Con calcio

Ayudan al desarrollo de huesos y dientes. Intervienen en la transmisión nerviosa y los movimientos musculares. Pueden prevenir la osteoporosis.

Con vitaminas A y D

Con fósforo y cinc

Con ácidos grasos Leches infantiles de iniciación y de continuación Con vitaminas y minerales

Yogures enriquecidos

Con calcio

Favorecen la función visual y la absorción del calcio, respectivamente.

Ayudan al desarrollo de los huesos y mejoran el sistema inmunológico.

Ayudan a mejorar el desarrollo de los niños de 0 a 3 años.

Estos alimentos pueden tomarse cuando la lactancia materna no es posible.

Ayudan al desarrollo de huesos y dientes. Intervienen en la transmisión nerviosa y los movimientos


musculares. Pueden prevenir la osteoporosis.

Con vitaminas A y D

Leches fermentadas

Favorecen la función visual y la absorción del calcio, respectivamente.

Contribuyen a reducir el riesgo de enfermedad cardiovascular, el riesgo de ciertos tipos de cáncer y mejoran el Con ácidos grasos omegadesarrollo del tejido nervioso y las 3(EPA y DHA)* y ácido oleico funciones visuales. Pueden reducir los procesos inflamatorios.

Con bacterias probióticas específicas

Favorecen el funcionamiento del sistema gastrointestinal y reducen la incidencia y la duración de las diarreas. Mejoran la calidad de la microflora intestinal

Vitaminas A y D: Favorecen la función visual y la absorción del calcio, respectivamente.

Zumos enriquecidos Con vitaminas y minerales

Calcio: Ayudan al desarrollo de huesos y dientes. Intervienen en la transmisión nerviosa y los movimientos musculares. Pueden prevenir la osteoporosis. Hierro: Facilitan el transporte de oxígeno en la sangre. Pueden prevenir la aparición de anemias.

Cereales fortificados Con fibra y minerales

Fibra: Ayudan a reducir el riesgo de cáncer de colon. Mejoran la calidad de


la microflora intestinal. Hierro: Facilitan el transporte de oxígeno en la sangre. Pueden prevenir la aparición de anemias.

Pan enriquecido

Huevos enriquecidos

Margarinas enriquecidas

Con ácido fólico

Con ácidos omega-3

Con fitosteroles

Sal yodada Con yodo

Pueden disminuir malformaciones en el tubo neural y ayudan a reducir el riesgo de enfermedad cardiovascular.

Pueden reducir el riesgo enfermedad cardiovascular.

Ayudan a disminuir la concentración de colesterol en sangre y el riesgo de enfermedad cardiovascular.

El yodo facilita la fabricación de hormonas tiroideas, imprescindibles para un desarrollo físico y psíquico normal y evitar disfunciones tiroideas

La clasificación de alimentos funcionales según el Japón estan calificados y estandarizados según normatividad FOSHU estos son: 1. FOSHU calificado: Alimentos con la función de la salud que no está fundamentada en la evidencia científica que cumpla con el nivel de FOSHU, o la comida con cierta eficacia, pero sin mecanismo establecido del elemento eficaz para la función será aprobado como FOSHU calificado 2. Estandarizadas FOSHU: las normas y especificaciones establecidos para los alimentos con la aprobación FOSHU suficiente y la acumulación de evidencia científica. Estandarizadas FOSHU se aprueba cuando se cumple con las normas y especificaciones.

de


3. La reducción del riesgo de enfermedad FOSHU: La reducción del riesgo de enfermedad está permitido cuando la reducción del riesgo de enfermedad es clínico y nutricional establecido en un principio científico.

Tabla 25. Productos FOSHU aprobados y sus principales Ingredientes

Usos Especificos En Salud

Alimentos de modificar las condiciones gastrointestinales

Principales Ingredientes Que Presenten Funciones De Salud Oligosacáridos, la lactosa, las bacterias bifidobacterias, ácido láctico, la fibra dietética 8 dextrina ingerible, polydextrol, goma guar, psyllium capa de semillas, etc)

Los alimentos relacionados con el nivel de colesterol en sangre

Quitosano, proteína de soja, alginato de sodio degradadas

Los alimentos relacionados con los niveles de azúcar en la sangre

Dextrina indigerible, trigo albúmina, guayaba polifenol del té, L-arabiose, etc

Los alimentos relacionados con la presión arterial Los alimentos relacionados con la higiene dental Condiciones de colesterol más gastrointestinal, triglicéridos, además de colesterol

Lactotripeptide, caseína dodecaneptide, glucósido tochu hoja (ácido geniposidic), la sardina de péptidos, etc Paratinose, maltitiose, erythrytol, etc Alginato de sodio degradadas, fibra de cáscara de psyllium semillas, etc

El calcio citrato malato, caseína Los alimentos relacionados con la absorción fosfopéptido, hierro hem, fracutode minerales oligosacáridos, etc Soybeen isoflavonas, MBP (proteína de Alimentos relacionados con la osteogénesis la leche básica), etc Los alimentos relacionados con los triglicéridos

Medio ácido graso de cadena, etc

Tomado de: Okama H, Ikeda H, Moriyama H. Health foods and foods with health claims in Japan. Toxicology 2006; 221:95-111.


Tabla 26. Algunos alimentos naturales con propiedades funcionales. Alimento

Componente

Tomate

licopeno

Brocoli

sulforafano

Zanahoria

carotenoides

Ajo

Compuestos organosulfurados

Te

polifenoles y catequinas

Pescado

omega-3

Beneficios potenciales Cáncer de próstata e infarto de miocardio Cáncer Cáncer y alteraciones visuales Cáncer Enfermedades coronarias y algunos tipos de cáncer Enfermedades coronarias

Lección 27. Mercadeo y comercializacion de alimentos funcionales Colombia tiene enormes posibilidades para el desarrollo de alimentos funcionales, una clara tendencia extendida por todo el mundo. Actualmente no existe un acuerdo general sobre su definición o clasificación, pero se han aceptado los siguientes cuatro conceptos para la determinación de atributos de posicionamiento llamados: claims: 1. Aumentar o adicionar la concentración de un componente: fortificación con vitaminas y minerales, fibra añadida, alto en proteína. 2. Inclusión de ingredientes para obtener un beneficio sobre la salud cardiovascular, cerebro, sistema nervioso, digestivo, huesos, sistema inmunológico. 3. Eliminación o disminución de restrictores de consumo: Bajo en/Sin (azúcar, calorías, colesterol, grasa, grasa trans, sodio, carbohidratos), Bajo índice glicémico.


4. Productos para grupos poblacionales

con restricciones de

salud

específicas: Bajo en/Sin agentes alérgicos, sin gluten, apto para diabéticos, control de peso.

Tabla 27. Lanzamientos a nivel mundial asociados al aumento en la concentración de un componente, beneficios para la salud, eliminacion o disminucion de restrictores de consumo. Claims Fortificado Vitaminas y Minerales Calcio Añadido Alto en proteína Fibra Añadida Función digestiva Control de Peso Otras Funciones Sistema Inmunològico Salud Osea Cerebro y Sistema Nervioso Beneficios de Belleza Bajo en/Sin Grasa Bajo en/Sin Azúcar Bajo en/Sin Calorías Bajo en/Sin Grasa trans Bajo en/Sin Colesterol Bajo en/Sin Agentes Alérgicos Bajo en/Sin Sodio Bajo en/Sin Glicèmico Bajo en/Sin Carbohidratos

2007

2008

2009

7.230 1.992 715 896 1.579 983 931 934 172 272 163 9.534 7.849 4.911 3.946 3.485 2.338 2.309 362 433

5.908 1.559 812 503 1.031 906 405 286 314 124 64 8.398 7.965 5.012 5.266 3.292 3.049 2.151 541 446

1.126 284 226 127 382 187 347 160 92 100 64 1.669 1.738 841 1.127 752 795 394 57 73

(fuente: GNPD-MINTEL) En Colombia los alimentos funcionales son aún un mercado incipiente con grandes posibilidades de crecimiento; según la Base de Datos Global de Nuevos Productos GNPD, el lanzamiento de esta clase de productos en los últimos años ha estado asociado a los atributos de posicionamiento mostrados en la tabla 27.

Cuando se hace una comparación entre lanzamientos de Colombia y del mundo se encuentra que nuestro país se ha orientado en mayor proporción a la generación de productos asociados al claim de fortificación con vitaminas y minerales y a la reducción de algunos componentes como colesterol y azúcar; sin embargo, se tienen muy pocos lanzamientos asociados al tema de beneficios específicos para la salud.


Este plano comparativo, indica que aún se tiene un amplio camino por recorrer, que existe un sin número de posibilidades para la generación de alimentos funcionales innovadores, para ello se debe tener claridad sobre las barreras, oportunidades y responsabilidades por afrontar para que en un futuro cercano, la canasta básica, además de satisfacer necesidades fisiológicas, mejore también el estado de salud. Algunas de las barreras que pueden explicar este fenómeno en Colombia son: 1. Falta de mayor conocimiento sobre ingredientes nutracéuticos, sus usos, ventajas y dificultades tecnológicas. 2. Carencia de profesionales de salud, para creer, reconocer los beneficios y recomendar los productos al consumidor. 3. Poca información al consumidor a través de educación sobre sus beneficios. 4. Pocos funcionarios encargados de agilizar su aprobación. 5. Falta de métodos de análisis en laboratorios certificados, para medir la estabilidad e interacción de los nutrientes en el alimento y para demostrar que efectivamente el ingrediente funcional es biodisponible. 6. Los productos funcionales suelen tener un costo que los consumidores estarían dispuestos a pagar una vez conozcan y/o perciban los beneficios de los mismos. En cuanto a las oportunidades tenemos las siguientes: 1. Todos los alimentos que tienen matrices saludables pueden convertirse en alimentos funcionales. 2. Pese a que la resolución 288 no contempla todos los conceptos que hoy en día se manejan mundialmente, la SEABA (Sala especializada de Alimentos y Bebidas) acepta como soporte apoyarse en el reconocimiento internacional como Comisión Europea, FDA; ILSI, OMS; AFSSA, y las investigaciones contundentes que demuestren los beneficios de un


ingrediente “que no haya sido contemplado en la ley” para evaluar su posible uso en los alimentos colombianos. 3. Se abren mayores posibilidades para profesionales (nutricionistas, médicos, epidemiólogos, biólogos, sociólogos …) y para los centros de investigación, quienes deben evaluar el impacto biológico, fisiológico, nutrimental y epidemiológico de la población. (estudios de seguridad, eficacia, riesgo y beneficio). 4. Las áreas de mercadeo de las compañías, tendrán la oportunidad de estudiar y conocer acerca de la nutrición y la salud, para trasmitir estos conocimientos en campañas publicitarias educativas que permitan al consumidor conocer y reconocer el valor agregado de estos productos. 5. Las áreas de I&D+i requieren énfasis en nutrición y acceso a investigaciones que les permitan tener mayor visión de las posibilidades de esta clase de productos. 6. Generar supremacía científica, (importancia del respeto y percepción del consumidor, que tenga credibilidad frente a los productos). En Colombia la implementación de alimentos funcionales crea las siguientes responsabilidades: 1. Crear redes científicas, trabajo interdisciplinario y ampliar el conocimiento. 2. Vigilancia tecnológica. 3. Acelerar lanzamientos de productos eficaces que contribuyan a mejorar el perfil epidemiológico del país minimizando los riesgos asociados con la alimentación. 4. Seguridad Alimentaria (rotulado, validación, claims, evaluación de impacto). 5. Publicidad ética y responsable: generar conocimiento, educar, ser competente. Si bien es cierto, las grandes industrias Colombianas han iniciado el camino de los alimentos funcionales, todas las empresas con alimentos basados en matrices saludables, pueden pensar en participar en este mercado indudablemente creciente y que podría llegar a ser la necesidad futura de todos los consumidores.


Tabla 28. Algunas compañias líderes en el mundo relacionadas a la producción de alimentos funcionales. Compañía

General Mills

Compañía Heinz

Ocean Spray

Tropicana

Desarrollo Global Significativo

Es la tercera compañía de alimentos en los EUA, mantiene aproximadamente el 33% del mercado de los cereales para el desayuno con ventas anuales de 11,240 millones de dólares en 2005. reducir los niveles de grasa, sal, azúcar, en un esfuerzo para reducir el impacto negativo a la dieta alimenticia (Mellentin,2004) Su propuesta es incluir un logotipo de salud en cada uno de sus productos que ayude a los consumidores a identificar los alimentos y bebidas que contribuyen a un “estilo de vida más saludable” El símbolo también identifica los productos que son nutritivos y contribuyen con fibra, vitaminas y otros nutrimentos importantes. Este logotipo aparecerá en cada uno de sus productos en marcas como Tropicana, Gatorade, Frito Lay y Quaker. Esta dando a conocer los beneficios del consumo de productos con jitomate en la reducción del riesgo de cáncer de próstata, gracias a su contenido del carotenoide Licopeno (Weisburger, 2002). Este es un antioxidante poderoso que se encuentra de modo natural en el jitomate y en sus productos procesados, el cual ayuda a prevenir ciertos tipos de cáncer, en particular el cáncer de próstata (Shelke y Amin, 2005). El Licopeno tiene una mejor disponibilidad en jitomate procesado que en el jitomate fresco. Todos los productos Heinz que contienen jitomates procesados también contienen licopeno. El procesador de cranberries más grande de mundo asoció al jugo de cranberry, su capacidad para reducir las infecciones del tracto urinario, las cuales afectan al 30% de las mujeres en algún momento de su vida (Howell et al, 2002). Ocean Spray ha invertido en la investigación de los beneficios de salud del jugo de cranberry, y ha demostrado el mecanismo por el cual el jugo de esa fruta elimina las infecciones. El líder del mercado de jugo de naranja en EUA, solicitó exitosamente a la FDA, permiso para el uso de una etiqueta que asocia el jugo de naranja y su contenido de potasio, con la reducción de riesgo de infarto (Shelke y Amin, 2005). Con este movimiento, todo el jugo de naranja se convirtió en funcional debido a que cada caja de jugo Tropicana y otras marcas contenían suficiente potasio para hacer esta declararación de salud genérica.


Lección 28. Perspectivas y tendencias Los alimentos funcionales están rescribiendo la historia del mercado, su alcance se extiende a campos difícilmente imaginables hace una década y su potencial seguramente superará las expectativas que se han generado. A continuación, 8 grandes tendencias identificadas a partir del análisis reciente de los lanzamientos de la industria alimenticia mundial. Las tendencias de este tipo de alimentos se resumen a continuación en ocho (8) grupos: Grupo 1. Mejorando la digestión: Los alimentos que mejoran la función digestiva muestran una mayor dinámica en los lanzamientos al mercado; estos usualmente incorporan dentro de sus formulaciones fibras solubles, fibras insolubles y, en el caso de los lácteos principalmente, se complementan con cultivos probióticos. El éxito de estos productos radica en la educación que la industria ha dado a los consumidores acerca de la importancia de una buena digestión, y se puede afirmar que los claims giran en torno a un ingrediente principal que es la fibra. Sin embargo, no se visualiza de forma clara otro ingrediente que pueda darle un nuevo impulso a estos alimentos, ya que la masificación de las fibras puede hacer que sus claims pronto se vuelvan genéricos y pasen inadvertidos.

Grupo 2. Beneficio a corto plazo: Cuando el consumidor percibe un beneficio rápido derivado de los alimentos que consume, puede notar con facilidad cambios inmediatos al reducir o eliminar dichos alimentos de su dieta y por ende su recompra es más frecuente que las de aquellos productos cuyo beneficio no se manifiesta tan rápido, los cuales podrían ver reducidas sus ventas en tiempos de recesión y crisis. Las bebidas energizantes, los mejoradores de la digestión y los supresores del apetito son ejemplos de alimentos funcionales que tienen beneficios rápidos y fácilmente percibidos por el mercado.


Grupo 3. Buscando el reencuentro con lo simple y lo natural: Muchos ingredientes son percibidos por los consumidores como no saludables, entre estos se pueden mencionar los edulcorantes artificiales intensos, y los preservantes y colorantes artificiales. Recientes estudios relacionan a seis colorantes artificiales con la hiperactividad en los niños y no en vano el claim “sin aditivos ni preservativos” es el más utilizado en la actualidad. La naturalidad es un factor decisivo en la toma de decisiones de compra de una amplia gama de alimentos. El uso de frutas en productos menos saludables y más indulgentes como refrescos carbonatados, refrescos en polvo, postres, dulces, etc, ha contribuido a disminuir la percepción negativa sobre salud en estas categorías. Grupo 4. Empaques Inteligentes: La funcionalidad del empaque ya no se limita únicamente a proteger y contener los productos, de hecho, hay constante innovación que permite consumir estos productos en la forma más adecuada, generar interactividad y conferirle al producto un alto valor agregado. Grupo 5. En forma: La población mundial con sobrepeso y obesidad ya ha alcanzado los 2.000 millones de personas y supera la población desnutrida. La OMS estima que en 2015 habrá aproximadamente 2.300 millones de adultos con sobrepeso y más de 700 millones con obesidad: aproximadamente el 40% de la humanidad podrá ser comprador potencial de alimentos enfocados en el control de peso. Grupo 6. Nutrición clínica: Cada vez quien sufre enfermedades cardiovasculares, diabetes y otras puede complementar sus tratamientos médicos a través de su alimentación diaria, en parte mejorando su calidad de vida; por ejemplo: la Isomaltulosa: la cual regula los niveles de glucosa en la sangre y la Glucosamina, que protege las articulaciones y


los cartílagos en las actividades diarias proporcionando movilidad, flexibilidad y confort. Grupo 7. Piel y Belleza: La salud de la piel, ha dejado se ser una tarea exclusiva de los productos cosméticos, y han surgido los llamados alimentos cosmeceúticos, los cuales pueden tener beneficios tanto preventivos como correctivos en la belleza facial. Grupo 8. Energía a cualquier hora: Tanto los productos que proporcionan energía, como los que ofrecen tranquilidad y relax han ganado participación y reconocimiento en el mercado de los alimentos funcionales. Los ingredientes son diversos, pero la naturalidad de las formulaciones es un factor clave para la decisión de compra por parte de los consumidores; es por eso que las frutas y las hierbas son protagonistas en una gran variedad de productos.

Bibliografia Weng, W; And Chen, J. The Eastern Perspective on Functional Foods Based on Traditional Chinese Medicine. Nutr. Rev . 54:11, Nov.1996,(II)S11-S16. Hasler, C.M. Functional foods The Western Perspective. Nutr. Rev .54:11, Nov.96,(II)S6-S10. Keys A. Coronary heart disease in seven countries. Circulation 1970;41(Suppl I): 1-211. Yakult “A Passion for Probiotics”, Annual Report 2006 Farr, D.R. Functional Foods. Cancer Letters. 114:59-63, 1997. Thomson, C; Bloch, A; And Hasler, C.M. Position of The American Dietetic Association: Functional foods. J. Amer. Diet.Assoc . 99(10):1278-1285, October1999.


J.Vasconcellos. Alimentos funcionales, conceptos y beneficios para la salud”. Departamento de ciencias de alimentos y Nutriciòn, Universidad de Chapman, Orange, California. U.S.A Gerard Pascal, Christina Collet - Ribbing . Las Perspectivas Europeas sobre los alimentos funcionales. Centro Nacional para los Estudios y las Recomendaciones sobre Nutrición y Alimentos. Francia. Reglamento (CE) nº 1924/2006 del Parlamento Europeo y de Consejo relativo a las declaraciones nutricionales y de propiedades saludables en los alimentos. Diario Oficial de la Unión Europea 30/12/2006. Reglamento (CE) nº 109/2008 del Parlamento Europeo por el que se modifica el reglamento nº 1924/2006 relativo a declaraciones nutricionales y de propiedades saludables de los alimentos. Diario Oficial de la Unión Europea 15/1/2008. Reglamento (CE) nº 353/2008 del Parlamento Europeo por el que se modifica el reglamento nº 192/2006 relativo a la adición de vitaminas y minerales en declaraciones nutricionales y de propiedades saludables de los alimentos. Diario Oficial de la Unión Europea 18/1/2008. Anexo del Reglamento Europeo sobre alimentos funcionales http://eurlex.europa.eu/LexUriServ/site/es/oj/2007/l_012/l_01220070118es0003 0018.pdf .

Mazza, G. Alimentos Funcionales Aspectos bioquímicos y de procesado . Editorial Acribia, S.A. Zaragoza (España). 2000. Okama H, Ikeda H, Moriyama H. Health foods and foods with health claims in Japan. Toxicology 2006; 221:95-111.


CAPITULO 7. PROPENSIONES DE INTERÉS INDUSTRIAL Lección 29. Biopolimeros En la actualidad se denota una prioridad emergente el uso de empaques que coadyuden con la preservación y protección del medio ambiente y a la vez ofrezcan un buen mecanismo protector que aumente el tiempo de vida de los alimentos y su conservación organoléptica. Esta conservación se realiza generalmente a través de empaques, los cuales están elaborados

a partir de polímeros sintéticos. Lo que implica un uso

indiscriminado generando serios problemas ecológicos contribuyendo a la contaminación ambiental provocada por desechos sólidos de baja degradabilidad, lo que ha impulsado a la búsqueda de biopolímeros naturales. El aprovechar los recursos naturales como fuente de conservación y reciclaje se convierte en una excelente opción e innovación en el desarrollo de nuevos productos biodegradables.

Definicion de biopolimeros Los biopolímerosson definidos como: “ variedad de macromoléculas, producidas por sistemas biológicos, como animales, plantas o

microorganismos ”. Los

biopolímeros pueden ser sintetizados químicamente, pero como requisito sus unidades poliméricas deben ser derivadas de sistemas biológicos, como: aminoácidos, azucares, lípidos, entre otros.

Fuentes de producción de biopolímeros Los biopolímeros naturales provienen de cuatro grandes fuentes: origen animal (colágeno/ gelatina), origen marino (quitina/quitosan), origen agrícola (lípidos y grasas e hidrocoloides: proteínas y polisacáridos) y origen microbiano (ácido poliláctico (PLA) y polihidroxialcanoatos (PHA)) (Tharanathan, 2003).


Figura 39. Fuentes de producción de biopolímeros.

Los biopolímeros se clasifican según cinco (5) criterios: 1. Las unidades poliméricas y tipo de enlace. 2. Su tamaño y posición espacial. 3. Sus propiedades físico – químicas. 4. Su ubicación celular. 5. Su origen. Según

las

unidades

poliméricas

pueden

ser:

Heteropolisacáridos

y

Homopolisacáridos, dependiendo si las unidades estructurales son las mismas (homo-) o son diferentes (hetero-). Con respecto al tipo de enlace pueden ser: Alfa ( α) o beta (β).


Por su tamaño los podemos clasificar como: monosacáridos: Glucosa, fructosa, ribosa..etc, oligosacáridos: Moléculas de 2 a 19 unidades de monosacáridos. Sacarosa, fos, maltosa, fructosa.. etc, polisacáridos: También llamados glicanos, son moléculas de 20 o mas unidades poliméricas. Pectinas, amilosa, amilopectina, etc. Y con respecto a su posición espacial: lineales : La conformación general de la molécula en solución forma líneas rectas, como la Inulina. Ramificada: Poseen generalmente una cadena principal de la cual se extienden cadenas laterales unidas a ellas, ejemplo la goma xantana y circulares: poseen conformaciones circulares generalmente por la cadena principal, como las maltociclodextrinas. Con respecto a sus propiedades fisico-químicas, los podemos claificar según sus propiedades reológicas como la capacidad de cambio en la reología de productos industriales terminados; en estos tenemos los Hidrocoloides: sustancias naturales poliméricas solubles o dispersables en agua con la capacidad de formar geles; la gran mayoria de estos hidrocoloides forman fluidos no newtonianos los cuales pueden ser dilatantes, pseudoplasticos, reopecticos y tixotrópicos. Por su ubicación celular son extracelulares o intracelulares dependiendo si estan en el interior, en los perímetros o fuera de ella. Por su origen pueden ser: 1. Natural: Microbiano, animal o vegetal. 2. Semisintéticas: Parte del biopolímero es modificado químicamente. Ejemplo: Almidones modificados, CMC, pectina de bajo metoxilo, Alginato de polietilenglicol, etc.). 3. Sintéticas: La totalidad del polímero es sintetizado de forma química. Ejemplo: polivinilpirrolidona (PVP).


Aplicación de biopolímeros en alimentos Desde un punto de vista tecnológico, los polisacáridos constituyen productos de alto valor agregado, cuyo rango de aplicaciones se extiende cada vez más. En los últimos años se ha intensificado el interés en el uso de polisacáridos microbianos, principalmente propiciado por las propiedades únicas de estas macromoléculas y la posibilidad de obtener un producto con una calidad constante y un precio relativamente estable. Sin duda alguna la industria de los alimentos ha liderado el uso de polisacáridos de origen microbiano, con la aprobación para que productos como el dextrano, la goma xantana y el curdlan pudieran ser utilizados en alimentos; la comercialización de estos biopolímeros ha venido creciendo, abriéndole las puertas en nuevos mercados industriales. La posibilidad de caracterizar estos productos y determinar sus propiedades físicas, permite comprender la relación entre su estructura, la función que estos pueden llegar a cumplir y su uso industrial. El caso especifico de la goma xantana, que debido a sus excelentes propiedades reológicas es usado como aditivo para estabilizar emulsiones aceite agua, estabilizar la espuma formada en procesos de producción de cerveza y como inhibidor para la formación de cristales en alimentos, es una muestra clara de cómo estos productos se han establecido con un mercado a nivel industrial. Otros polisacáridos como el glucano, usado para mejorar la textura de alimentos como pastas, el pullulan, polímero altamente soluble en agua que es usado para mantener el sabor y la apariencia de frescura en los alimentos.

Tabla 29. Aplicaciones de algunos biopolímeros en la industria de alimentos. Biopolímero Ciclodextrinas

Fuente Microbiana

Aplicaciones en la industria de alimentos 1. Estabilización de aromas en altas temperaturas y por largos periodos de tiempo. Los aromas se emplean en menor cantidad y se evita su evaporación y oxidación. (caramelos, tés, chocolates, etc.) 2. Estabiliza condimentos y especias en largos periodos de almacenamiento, protegiéndolos contra la oxidación. 3. Reducción del amargor de los jugos de cítricos.


4. En productos de pescadería enmascaran ciertos olores, a concentraciones del 2 al 5% son efectivas y mejoran la textura del producto. 5. En productos carnicos intensifican la dureza. 6. En confitería retienen la humedad y el color por mas tiempo. 7. Sirven para atrapar el colesterol y extraerlo por medio de una separación física, y obtener productos bajos en colesterol como carnes, leches y huevos.

Dextrano

Xantana

Microbiana

Microbiana

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

Agentes espesantes y estabilizantes en confitería , jugos, etc. Agentes no cariogénicos. Algunos son compuestos prebióticos. Fuente aportante de fibra. En productos carnicos intensifican la dureza. En confitería retienen la humedad. Elaboración de películas para el recubrimiento de frutas y hortalizas. Elaboración y empaques biodegradables.

1. 2. 3. 4. 5.

Espesa preparaciones líquidas con proporciones pequeñas No forma geles, tiene un comportamiento pseudoplástico. Es un emulsionante: liga aceite con líquidos de base acuosa. Incorporar gas en mezclas. Disuelve tanto en frío como en caliente, soluble tanto en soluciones ácidas como alcalinas y no añade color a las mezclas. Se puede utilizar en preparaciones con alcohol. Resiste la congelación y descongelación. Retarda la formación de cristales en la congelación y permite conseguir sorbetes y helados más cremosos. En alimentos y preparaciones bajas en calorías se utiliza para sustituir la sensación untuosa de los alimentos más grasos.

6. 7. 8. 9.

GomaGuar

Quitosan (Quitina)

Inulina

Vegetal

Crustáceos

Vegetal

1. 2. 3. 4. 5.

Estabilizador en helados. Elimina el efecto de sinéresis. Ligador de humedad en productos carnicos. Espesa preparaciones líquidas con proporciones pequeñas Resiste la congelación y descongelación

1. 2. 3. 4.

Preservante de alimentos para humanos y animales. Películas biodegradables. Envases para alimentos. Evita el pardeamiento no enzimático.

1. Aportante de fibra. 2. Sustituto de grasas. 3. Estabilizador en helados.


4. Disuelve tanto en frío como en caliente, soluble tanto en soluciones ácidas como alcalinas y no añade color ni sabor a las mezclas. 5. No posee un efecto espesante importante.

Lección 30. Ácidos grasos Omegas Los ácidos grasos tienen una estructura (generalmente lineal) con un grupo carboxilo (-COOH) en un extremo y un grupo metilo (H3C-) en el otro, el resto de la molécula es una cadena hidrocarbonada cuya naturaleza determina las características químicas y biológicas de los distintos ácidos grasos. Estas diferencias estructurales de la cadena hidrocarbonada de los ácidos grasos se basan, fundamentalmente, en el número de átomos de carbono (suele ser par, igual o superior a 4), en la ausencia (ácidos grasos saturados) o presencia (ácidos grasos insaturados) de dobles enlaces, en su localización y en su configuración (cis o trans).

ACIDOSGRASOS

POLIINSATURADOS

OMEGA3 LNA EPA DHA

OMEGA6 LA AA DPA

MONOINSATURADOS

OMEGA9 OL

SATURADOS

SATURADOS Ac.Làurico Ac.Palmítico Ac.Esteárico


Figura 40. Clases de ácidos grasos

Tabla 30. Evidencias y beneficios acidos grasos omega 3 Efecto funcional en Hallazgo Publicacion y autor la salud Procesos inflamatorios

Desorden bipolar (neurológico)

Actividad física intensa

Disminución de los mediadores inflamatorios PGE2 26%- TXB2 36%- IL 1B 20%

Mantzioris E, Cleland LG, Gibson R, Neumann M, De masi M, James M. 2000. Amm J Clin Nutr 72 : 42-48

Disminución significativa en escala Hamilton de depresión (HRSD)

Stoll AL, Locke CA, Marangell LB, Severus WE. 1999. Prostag leukotr. Ess 60: 329-337

Los trigliceridos sericos se mantuvieron en el rango recomendado. El LDL y el HDL no cambiaron de forma significativa.

Piel

Cáncer

Cardiovascular

Sensibilidad significativamente menor a los rayos ultra violeta Los tumores de los animales alimentados con omega 3 fueron menores que los alimentados solo con aceite de maíz.

Disminución del colesterol en un 5% Disminución del colesterol LDL en un 7% Disminución de los triglicéridos

Sindelar C, Scheerger S, Plugge Sh, Eskridge K, Wander R, Lewis N. 2004. Nut Res 24: 731-739

De busk R, Hart JA, Kracoff G, Ottariano S. 2004. Maryland Medical Center Programs

Hardman WE 2002. Symposium international conference on food, nutrition y cancer July 11-12 Washington

Lyon2001. A review of clinical trials Curr contr. trals C:2: 123-128


en un 14% Aumento del colesterol HDL en un 10 % Reducción del riesgo morbimortalidad cardiaca en un 73 %

Diabetes Cardiovascular

Disminución de los triglicéridos sanguíneos, agregación plaquetaria y efectos antiarrítmico.

HuF, Cho E, Rexrode K, Albert eh, Mansosn J 2003. Circulation 107: 1852-1857

No hubo efectos adversos en el control glicémico

Tabla 31. Evidencias y beneficios acidos grasos omega 9 Efecto funcional en la salud

Sistema Cardiovascular



Hallazgo

Publicacion y autor

Dieta alta en monoinsaturados y baja en saturados: perfil metabólico mas favorable con respecto a las concentraciones de colesterol total , HDL-col y TG que con la dieta baja en grasas y alta en CHO.

Krausse RM et al. Circulation 2000)

Disminuye el riesgo de enfermedad isquèmica del corazòn al disminuir el factor VII de la coagulaciòn.

Larsen L. F et al. Am J Clin Nutr. 1999;70:976-82)

Sustituir las grasas saturadas por monoinsaturadas disminuye las LDL, no aumenta los TG y no disminuye las HDL.

Willett W. Nutritional epidemiology 1998)





Sistema Endocrino Metabolico

Sistema Endocrino Metabolico

Alta ingesta de AGM a expensa de AGP disminuye la susceptibilidad de las LDL a la oxidaciòn por aumento de estos AGM en las partìculas de LDL.

Reaven P. A J Clin Nutr. 1995. 62:1483s-1489s

Dieta alta en grasa (40%) y alta en AGM (24%) y baja en saturadas (4%) VS dieta baja en grasa 20%, saturada 7% y rica en CHO. Rica AGM disminuyó LDD-c sin aumentar los TG ni alterar las HD

Mensik RP et al Grundy SM. Lancet 1987. N Engl J Med 1986

Reporta 9 Estudios realizados entre 1987-1995 que demuestran el efecto hipocolesterolèmico de los AGM

Sanderson P et al. Br J. of Nutr 2002

Efectos benéficos en el control glicèmico, al reemplazar CHO por ácido olèico.

Brynes AE et al. Br J Nutr 2003;89:207-18

Comparación dieta alta en monoinsaturados con dieta NCP paso 1: ambas disminuyen LDL y CETP pero alta en AGM(22%) aumenta las HDL.

Cansen et al. Am J Clin Nutr 2000; 72:36-41



Una dieta rica en ácido oleico en diabetes 2, reduce el riesgo de ateroesclerosis, al disminuir insulina y glucosa en ayunas, LDL- colesterol y las lipoproteínas posprandiales.

Cansen et al. Diabetes Care 2000; 23: 1472-1477

Omega 6 Los ácidos grasos omega 6 son comúnmente encontrados en alimentos grasos o en la piel de diversos animales. Estudios recientes han encontrado que niveles excesivos de omega-6, comparado con omega-3, incrementan el riesgo de contraer diferentes enfermedades y depresión. Las dietas modernas usualmente tienen una proporción 10:1 de ácidos grasos omega-6 a omega-3, algunos de 30 a 1. La proporción sugerida es de 4 a 1 o menor. Los riesgos de alta concentración o consumo de omega-6 están asociados con ataques al corazón, ACV, artritis, osteoporosis, inflamación, cambios de ánimo, obesidad y cáncer. Los medicamentos modernos están hechos para tratar y controlar los efectos dañinos de los ácidos grasos omega-6.

Lección 31. Microorganismos probióticos El término “probiótico” fue introducido por primera vez en 1965 por Lilly y Stillwell; a diferencia de los antibióticos, se definió al probiótico como aquel factor de origen microbiológico que estimula el crecimiento de otros organismos. En 1989, Roy Fuller enfatizó el requisito de viabilidad para los probióticos e introdujo la idea de que tienen un efecto beneficioso para el huésped. Hacen parte de los alimentos funcionales, son microorganismos vivos, principalmente bacterias, que tras ser ingeridas en cantidad suficiente, benefician la salud del hospedero, manteniendo un equilibrio en la flora intestinal.

Características


Son bacterias aisladas de diversas fuentes e introducidas nuevamente en el intestino, generalmente por medio de algún tipo de vehículo alimenticio. El tipo de vehículo más común es el de las leches fermentadas. Adicionalmente la selección de una cepa como probiótico requiere que sus efectos fisiológicos beneficiosos sean demostrados científicamente, la cepa debe ser segura para el uso humano, estable a los ácidos gástricos y que se adhiera a las células de la mucosa intestinal, así como también excluya o reduzca la presencia de agentes patógenos y colabore en la formación de una flora equilibrada.

Funciones Los probióticos son catalogados como funcionales que al adicionarlos a determinados alimentos y por diferentes mecanismos son eficaces en la prevención y el tratamiento de algunas enfermedades, los efectos más destacables se pueden resumir en: a) la mejora de la respuesta inmunitaria b) el mantenimiento de la microbiota del colon, reduciendo la cantidad de diversas enzimas pro carcinógenas en las heces. c) el tratamiento de la diarrea del viajero y la secundaria a la terapia antibiótica. d) el control de los rotavirus y de la colitis inducida por Clostridium difficile . e) la prevención de las úlceras relacionadas con Helicobacter pylori . Otros aspectos más controvertidos incluyen la reducción de la absorción del colesterol, la prevención de las caries, y la prevención y el tratamiento de las infecciones del tracto urinario.

Mecanismo de acción Los

probióticos

segregan

sustancias

que

inhiben

el

crecimiento

de

microorganismos patógenos, consumiendo nutrientes específicos o uniéndose competitivamente a los receptores intestinales de forma que mantienen la flora intestinal y evitan la acción de gérmenes patógenos. Tienen propiedades


inmunomoduladoras: aumentan la secreción de inmunoglobulina A (IgA) específica frente a rotavirus, facilitan la captación de antígenos en la placa de Peyer, producen enzimas hidrolíticas y disminuyen la inflamación intestinal. Los probióticos aumentan la actividad de las hidrolasas de las sales biliares que se unen al colesterol y ayudan a su eliminación, por lo que tienen un efecto hipocolesterolémico. Mediante la producción de triglicéridos de cadena corta inhiben la síntesis de colesterol, lo redistribuyen desde el plasma al hígado.

Clasificación Entre los microorganismos comúnmente empleados como probióticos se encuentran las bacterias ácido-lácticas, que agrupan una gran cantidad de géneros que incluyen un considerable número de especies. Las cepas utilizadas generalmente

pertenecen

a

especies

de

los

géneros

Lactobacillus

y

Bifidobacterium.

Tabla 32. Principales microorganismos probióticos y algunos de sus efectos beneficiosos para la salud.


Microorganismo

Efecto beneficioso

L. acidophilus LC1

Equilibrio flora intestinal, efecto en sistema inmunitario

L. acidophilus NCFCO1748

Reducción actividad enzimas pro cancerígenas, diarrea y constipación

L. acidophilus NCFM

Reducción actividad enzimas pro cancerígenas

L. jonsonii LA1

Inmunoestimulador, tratamiento de gastritis y úlceras

L. rhamnosus GG

Inmunoestimulador, diarrea, inflamación del intestino

L. bulgaricus

Inmunoestimulador, absorción de lactosa

L. casei

Promotor del crecimiento y de la viabilidad de probióticos

B. bifidum

Diarrea por rotavirus, equilibrio de la microbiota

S. thermophilus

Inmunoestimulador, absorción de lactosa

S. boulardii

Prevención de diarrea y tratamiento de colitis

Tomado de: Barboza Corona, 2004. Probióticos y Conservadores Naturales en Alimentos. México: Instituto de Ciencias Agrícolas, Universidad de Guanajuato.

Tabla 33. Especies de microorganismos usados como probióticos Microorganismo Lactobacillus spp.

Lactococcus spp.

Otras Especies

L. acidophilus

L. cremoris

Saccharomyces

L. lactis

L. lactis

cerevisiae

L. bulgaricus

L. diacetylactis

Saccharomyces

L. rhamnosus GG L. casei L. kefir L. brevis

boulardii Streptococcus spp. S. thermophilus S. lactis

L. reuteri L. helveticus L. plantarum

Enterococcus spp E. faecium

Leuconostoc spp


L. johnsonii

E. faecalis

L. salivarius

Bacillus spp. B. subtilis B. coagulans

Bifidobacterium spp. B. bifidum B. infantis B. breve B. lactis B. longum B. adolescentis

Tomado de: Barboza Corona, 2004. Probióticos y Conservadores Naturales en Alimentos. México: Instituto de Ciencias Agrícolas, Universidad de Guanajuato.


Figura 41. Funcionalidad de los probióticos Lección 32. Prebióticos Son ingredientes alimentarios o suplementos en la dieta conformados por carbohidratos no digeribles por las enzimas presentes en el tracto digestivo, estos llegan al colon intactos sirviendo de fuente de energía para un limitado número de microorganismos, por tanto estimulan el sistema inmunológico, la prevención de infecciones intestinales, la absorción de minerales y la disminución en la incidencia de cáncer colon-rectal, entre otros. La eficacia de los prebióticos está ligada a su capacidad de resistir la digestión en el intestino delgado además alcanzan el colon donde son fermentados por la flora colónica con resultado de crecimiento selectivo de bifidobacterias y lactobacilos.

Funciones El consumo de prebióticos reduce el riesgo de contraer determinadas enfermedades, incluyendo: Supresión de diarreas asociadas a infecciones intestinales, reducción del riesgo de osteoporosis, pues la inulina favorece la


fijación del calcio, aumentando la masa ósea, reducción del riesgo de obesidad y de contraer diabetes tipo 2, disminución de la frecuencia de cáncer de colon, la ingestión de prebióticos es causa de la formación de ácidos orgánicos de cadena corta en el colon, debido a la fermentación de los mismos, y el descenso de pH aumenta la ionización de elementos como el calcio y el magnesio lo que facilita su absorción por difusión pasiva y reducción de los niveles de triglicéridos, colesterol y lipoproteínas en suero.

Características Los requisitos para que un componente alimenticio sea considerado como prebiótico son los siguientes: 1.

No debe sufrir hidrólisis en la parte superior del tracto gastrointestinal.

2.

Debe ser fermentado en grado variable por las bacterias colónicas.

3.

Ser substrato selectivo para una o varias bacterias comensales beneficiosas, que son estimuladas en su crecimiento en el colon.

4.

Deben ser capaces de alterar la flora en favor de una composición más saludable.

Clasificación Entre los tipos de prebióticos empleados se encuentran los disacáridos, oligosacáridos, polisacáridos y almidones resistentes.

Los prebióticos más

utilizados generalmente son los de la clase fructo-oligosacáridos y la inulina.

Tabla 34. Tipos y clases de prebióticos Tipo

Clase

Causas


Aumento:

Bifidobacterias Lactobacilos, Estrectococus

Disacárido

lactulosa

Disminución: Bacteroides, Clostridios y Coliformes .

Fructo-oligosacáridos (FOS) también son obtenidos por la hidrólisis Aumento de de la inulina sin presencia bifidobacterias de glucosa.

oligosacáridos

Transgalactosiloligosacáridos (TOS) unión de moléculas de lactosa en actividad de transgalasilasa.

Se hidroliza en el intestino delgado, son fermentados en forma rápida bifidobacterias

Oligosacáridos de soja constituido por Tri-sacárido Proliferación rafinosa. bifidobacterias

Polisacáridos

Almidones resistentes

las

de

las

Es de cadena larga y la Inulina sustituto de las fermentación de los grasas probióticos es más lenta.

I gránulos enteros parcialmente triturados

o

II gránulos de almidón de la banana, plátano, maíz III

almidones

que

se


obtiene por procesos IV almidones químicamente modificados

Inulina Es un carbohidrato de almacenamiento presente en muchas plantas, vegetales, frutas y cereales. A nivel industrial, la inulina se obtiene de la raíz de la achicoria y se usa como ingrediente en los alimentos, ofreciendo ventajas tecnológicas e importantes beneficios a la salud.

La inulina es un carbohidrato de reserva energética presente en más de 36.000 especies de plantas. La inulina está constituida por moléculas de fructosa unidas por enlaces β-(2-1) fructosil-fructosa, siendo el término "fructanos" usado para denominar este tipo de compuestos. Las cadenas de fructosa tienen la particularidad de terminar en una unidad de glucosa unida por un enlace α -(1,2) (residuo -Dglucopiranosil), como en la sacarosa, pero también el monómero terminal de la cadena puede corresponder a un residuo de α-D-fructopiranosil. Los fructanos más ampliamente estudiados y de mayor uso mayor uso a nivel industrial son la inulina, la oligofructosa y los fructooligosacáridos o FOS, se caracterizan por sus enlaces de tipo β-(2-1) entre las unidades de fructosa, con un grado de polimerización que varía entre 2 y 60 unidades, y se les considera carbohidratos de cadena corta o de bajo nivel de polimerización. La inulina y sus derivados también se están usando en la alimentación animal, para disminuir malos olores en las heces fecales de animales domésticos como perros y gatos. También se ha ensayado utilizar los oligosacáridos inulina y oligofructosa en la sustitución del uso de antibióticos profilácticos en pollos, conejos y cerdos.


Fructo-oligosacáridos (FOS) Los fructooligosacaridos (FOS) tambien llamados fructanos o glucofructanos, son carbohidratos pertenecientes al grupo de los oligosacaridos del tipo inulina. Constituyen una serie de oligosacaridos derivados de la sacarosa. La nomenclatura abrebiada de los FOS es G-Fn , donde la “G” representa la Dglucosa, “F” la D-fructosa y “n” el numero de unidades de fructosa. El nombre de “fructooligosacaridos” es aceptado solamente para oligomeros de fructosa, donde n toma valores de 2 a 5. tal es el caso de la kestosa representada como (GF2), la nistosa(GF3) y la fructofuranosyl fructofuranosyl nystosa (GF4). Los FOS reciben el nombre de prebioticos, debido que promueben el crecimiento de la flora bacteriana gastrointestinal benefica (bifidobacterias), actuando como promotores y estabilizadores. CH2OH O OH

CH2OH O OH

CH2OH O OH

HO

HO

HO HOCH2

HO O

O

HOCH2

O

CH2

HOCH2 O

HOCH2

O

HOCH2 O

HO

O

HOCH2 O

O

O

HO

CH2

HOCH2 O

O

HO

HO

HO

O

HO

CH2

HOCH2

O

CH2

HO

HO

CH2OH

HO O HO

CH2

HO

HO

HO

O

HO

HO

HO

HO

CH2OH

HO

CH2

HOCH2 O

O

HO

HO

CH2OH


Figura 42. Fuctooligosacáridos (FOS): kestosa representada como (GF2), la nistosa (GF3) y la fructofuranosyl fructofuranosyl nystosa (GF4).

Extructura química Quimicamente se caracterizan por contener unidades de D-fructosa unidas a una molecula de sacarosa mediante enlaces β (2→1). La unidad repetitiva es el fructofuranosil. El mínimo mínimo fructooligosacarido es la kestosa, un trisacarido que contiene dos unidades de D-fructosa unidas mediante un enlace glicosidico β (2→1) . Esta a su vez se une a una D-glucosa por medio de un enlace beta (β) del carbono dos (2) de la fructosa al carbono 1 de la glucosa.

Fuentes de FOS Los fructooligosacaridos y polimeros derivados de la sacarosa, se encuentran presentes en forma natural como reserva energetica en algunas plantas y microorganismos. Los FOS son producidos enzimaticamente por la acción de la fructosiltransferasa, fructosiltransferasa, proceso llamado llamado transfructosilación; dependiendo de la fuente enzimatica

se

encuentran mezclas diversas de FOS con respecto al porcentaje de kestosa, nistosa y fructofuranosil nistosa.

Por ejemplo los FOS provenientes del

Aureobasidium pullulans y Aspergillus niger producen un porcentaje mayoritario

de un solo tipo de FOS, mientras que los extraidos de esparragos producen de 1 a 6 tipos.

Tabla 35. Microorganismos productores de FOS Fuente Microbiana

Organismo Aureobasidium Aureoba sidium pullulans. pu llulans. Aureobasidium Aureoba sidium sp. sp .


Arthrobacter sp. Aspergillus japonicus. Aspergillus niger. Aspergillus oryzae Aspergillus phoenicis. Aspergillus sydowi. Claviceps purpurea. Fusarium oxysporum. Penicillium frecuentans. Penicillium spinulosum. Phytophthora parasitica. Scopulariopsis b revicaulis. Saccharomyces cerevisiae

Funcionalidades Se han realizado numerosos estudios a cerca de el papel que desempeña los FOS en la salud humana.Segun Judith y colaboradores los beneficios son los siguientes: 1. Estimulantes

del

crecimiento

de

bacterias

intestinales

beneficas(

Acidophilus, Bifidus, Faecium etc.)y reducción de la flora nociva . 2. Disminución del pH y metabolitos toxicos fecales formados en el colon como

producto

de

la

flora

microbiana

nociva

,

tales

como

amonio,aminas,nitrosaminas,fenoles, cresoles e indoles. 3. Reducen el colesterol, triglicèridos, y la presión

arterial, óptimos para

personas con problemas de hiperglicemia. 4. Modifican la composición y la rata de producción de acidos biliares secundarios.


5. Reducen la absorción de carbohidratos y lípidos normalizando sus niveles en el suero sanguineo. 6. Poseen propiedad no cariogénica. 7. Efectos anticancerígenos, disminuyendo la producción de cresoles, indol y estrógenos.

Tabla 36. Lista de frutas y vegetales productores de FOS. Contenido en FOS

Fuente

Nombre

Frutas

Manzana roja

0.6

Banano

6.0

Zarzamora

1.2

Toronja

1.1

Naranja

2.8

Melocoton

3.5

Pera

0.8

Ciruela

2.0

frambuesa

1.5

Sandia

3.0

Esparragos

0.3

Judia

0.0

Remolacha

0.1

Zanahoria

2.2

Apio

0.6

Berengena

0.6

Ajo

10.3

Vegetales

(mg/g de producto)


Jengibre

0.0

Alcachofa Jerusalem

286.2

Kiwi

0.1

Cebolla

47.7

Guisante

8.4

Tomate

0.0

Patata

0.8

FUENTE: “Selected Fructooligosaccharide composition of foods and feeds” Campbell. J.Agric. Food. Chem. Vol. 45. No. 8 1997.

Bibliografia Background Paper. Biopolymers: Making Materials Nature’s Way-.U.S. Congress, Office of Technology Assessment OTA-BP-E-102 (Washington, DC: U.S. Government Printing Office, September 1993). Barboza Corona, 2004. Probióticos y Conservadores Naturales en Alimentos. México: Instituto de Ciencias Agrícolas, Universidad de Guanajuato.

Martínez, Jesús Román y et.al. Nuevos alimentos para nuevas necesidades, Alcobendas. Madrid: 2003. Lorena Madrigal y Elba Sangronis. La inulina y derivados como ingredientes claves en alimentos funcionales. Universidad Simón Bolívar, Departamento de Procesos Biológicos y Bioquímicos. Caracas, Venezuela Campbell. Selected Fructooligosaccharide composition of foods and feeds ”. J.Agric. Food. Chem. Vol. 45. No. 8 1997.

Modulo Biotecnologia Alimentaria A

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