Glucosa oxidasa: características, estructura, funciones
La glucosa oxidasa, conocida también como β-D-glucosa:oxígeno-1-oxidorreductasa, glucosa-1-oxidasa o simplemente glucosa oxidasa, es una enzima oxidorreductasa encargada de la oxidación de la β-D-glucosa que produce D-gluconolactona y peróxido de hidrógeno.
Fue descubierta a finales de la década de 1920 en extractos del hongo Aspergillus niger. Su presencia ha sido comprobada en hongos e insectos, donde la producción permanente de peróxido de hidrógeno, por acción catalítica de la misma, tiene importantes funciones en la defensa contra hongos y bacterias patogénicos.
En la actualidad, la glucosa oxidasa ha sido purificada a partir de muchas fuentes fúngicas distintas, especialmente a partir de los géneros Aspergillus y Penicillium. Aunque puede emplear otros sustratos, es bastante selectiva para la oxidación de la β-D-glucosa.
Tiene múltiples utilidades en contextos industriales y comerciales, lo que se debe a su bajo costo de producción y gran estabilidad.
En este sentido, esta enzima es empleada tanto en la industria de producción alimenticia como en la cosmetología, en la farmacéutica y en el diagnóstico clínico, no sólo como aditivo, sino como biosensor y/o reactivo analítico de distintas soluciones y fluidos corporales.
Índice del artículo
La glucosa oxidasa es una flavoproteína globular que emplea oxígeno molecular como aceptor de electrones para producir, a partir de glucosa, D-glucono-δ-lactona y peróxido de hidrógeno.
En un sistema celular, el peróxido de hidrógeno producido puede ser consumido por la enzima catalasa para producir oxígeno y agua. A su vez, en algunos organismos, la D-gluconolactona es hidrolizada a ácido glucónico, que puede ejercer distintas funciones.
Las enzimas glucosa oxidasas descritas hasta ahora son capaces de oxidar monosacáridos y otras clases de compuestos, no obstante, y como se comentó previamente, son bastante específicas para el anómero β de la D-glucosa.
Funcionan en rangos de pH ácidos, desde 3.5 hasta 6.5 y, dependiendo del microorganismo, este rango puede variar considerablemente. Además, las glucosa oxidasas fúngicas son de los tres tipos de proteínas que están unidos a ortofosfatos.
Como otros catalizadores biológicos, estas enzimas pueden ser inhibidas por distintas moléculas, entre las que se incluyen iones de plata, de cobre y de mercurio, hidrazina e hidroxilamina, fenilhidrazina, bisulfato de sodio, entre otros.
La glucosa oxidasa es una proteína dimérica con dos monómeros idénticos de 80 kDa cada uno, codificados por el mismo gen, covalentemente unidos por dos puentes disulfuro y cuyo dinamismo está implicado en el mecanismo catalítico de la enzima.
Dependiendo del organismo, el peso molecular promedio del homodímero varía entre 130 y 175 kDa y a cada monómero se une, mediante un enlace no covalente, un nucleótido de flavin adenina (FAD), que es una coenzima que funciona como transportador de electrones durante la catálisis.
El análisis de los monómeros de distintas glucosas oxidasas encontradas en la naturaleza revela que estos están divididos en dos regiones o dominios distintos: uno que se une al FAD y otro que se une a la glucosa.
El dominio de unión a FAD está compuesto por láminas β-plegadas, mientras que el dominio de unión a glucosa consiste en 4 hélices alfa, que soportan varias láminas β-plegadas antiparalelas.
Los primeros estudios realizados a partir de la enzima de A. niger establecen que esta proteína tiene un 20% de su peso fresco compuesto por aminoazúcares y que otro 16-19% corresponde a carbohidratos, de los cuales más del 80% son residuos de manosa unidos a la proteína mediante enlaces N– u O-glicosídicos.
A pesar de que estos carbohidratos no son esenciales para la catálisis, existen reportes que indican que la eliminación o remoción de estos residuos azucarados disminuye la estabilidad estructural de la proteína. Esto puede deberse a la solubilidad y resistencia frente a proteasas que esta “capa” de carbohidratos le confiere.
En los hongos y los insectos, como se comentó, la glucosa oxidasa cumple una función esencial de defensa contra hongos y bacterias patogénicas al mantener una fuente constante de estrés oxidativo mediante la producción permanente de peróxido de hidrógeno.
Hablar de otras funciones generales de la enzima glucosa oxidasa no resulta tan sencillo, pues tiene utilidades muy particulares en los distintos organismos que la expresan. En las abejas, por ejemplo, su secreción a partir de las glándulas hipofaríngeas hacia la saliva contribuye a la preservación de la miel.
En otros insectos, dependiendo del estadio del ciclo vital, funciona en la desinfección de los alimentos ingeridos y en la supresión de los sistemas de defensa de las plantas (cuando se trata de insectos fitófagos, por ejemplo).
Para muchos hongos, esta es una enzima crucial para la formación del peróxido de hidrógeno que promueve la degradación de lignina. A su vez, para otro tipo de hongos es meramente un sistema de defensa antibacteriano y antifúngico.
En el ámbito industrial, la glucosa oxidasa ha sido explotada de muchas formas, entre las que se pueden especificar:
– Como aditivo durante el procesamiento de alimentos, donde funciona como antioxidante, preservador y estabilizador de productos alimenticios.
– En la preservación de derivados lácteos, donde trabaja como agente antimicrobiano.
– Es utilizada durante la producción de polvo de huevo para la eliminación de la glucosa y producción de peróxido de hidrógeno que previene el crecimiento de microorganismos.
– También tiene utilidad en la producción de vinos bajos en alcohol. Esto se debe gracias a su capacidad de consumir la glucosa presente en los jugos empleados para la fermentación.
– El ácido glucónico, uno de los productos secundarios de la reacción catalizada por la glucosa oxidasa, también es explotado para la tinción de textiles, la limpieza de superficies metálicas, como aditivo de alimentos, como aditivo en detergentes e incluso en fármacos y cosméticos.
Existen diversos ensayos para censar la concentración de glucosa en diferentes condiciones que se basan en la inmovilización de la enzima glucosa oxidasa en un soporte determinado.
Tres tipos de ensayos han sido diseñados en la industria que emplean esta enzima como biosensor y las diferencias entre ellos son relativas al sistema de detección de consumo de glucosa y/u oxígeno o a la producción de peróxido de hidrógeno.
Además de su utilidad en la industria de alimentos, los biosensores de glucosa son explotados para la determinación de la cantidad de glucosa en fluidos corporales como la sangre y la orina. Estos suelen ser estudios de rutina para la detección de afecciones patológicas y otras condiciones fisiológicas.
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