TÓPICOS SOBRE ENZIMAS UNIVERSIDADE FEDERAL DO PAMPA ENGENHARIA DE ALIMENTOS TÓPICOS SOBRE ENZIMAS Prof. Paulo Duarte Filho BAGÉ – SETEMBRO/2010

ENZIMAS – ESTRUTURA Holoenzima Proteína Cofator Apoenzima ou Enzimática Se covalente Apoenzima ou Apoproteína Grupo Prostético Holoenzima Cofator Coenzima Proteína Pode ser: íon inorgânico molécula orgânica

MERCADO GLOBAL DA INDÚSTRIA DE ENZIMAS Mercado mundial é estimado em 2,3 bilhões de dólares anuais: indústrias de tecidos e produtos de limpeza; indústria de alimentos e bebidas; ração animal. Brasil: em 2005 importações chegaram a 31 milhões de dólares; exportações a 3 milhões de dólares.

MERCADO GLOBAL DA INDÚSTRIA DE ENZIMAS Fonte: Dados de 1998

MERCADO GLOBAL DA INDÚSTRIA DE ENZIMAS as enzimas mais comercializadas no Brasil foram: amilases; proteases. - Mesmo não tendo grande representatividade, o mercado brasileiro apresenta grande potencialidade – elevada geração de resíduos agroindustriais.

Embrapa e Novozymes buscam enzimas e microrganismos para agroenergia MERCADO GLOBAL DA INDÚSTRIA DE ENZIMAS Embrapa e Novozymes buscam enzimas e microrganismos para agroenergia   (Brasília, 29 de junho de 2010) A Embrapa e a Novozymes discutiram diversos temas para efetivar parcerias de modo a executar projetos de pesquisa, desenvolvimento e inovação em agroenergia. Foram discutidas várias possibilidades de atuação conjunta das empresas, realizando projetos de exploração de novas fontes de enzimas e de microrganismos e identificando aplicações em diferentes aspectos da produção de alimentos, fibras e biocombustíveis.

MERCADO GLOBAL DA INDÚSTRIA DE ENZIMAS Aplicação das enzimas http://www.novozymes.com.br/produtosesolucoes_produtos.htm

MECANISMO DE AÇÃO ENZIMÁTICA Energia de ativação Energia mínima necessária para que uma molécula de reagente ou de substrato alcance o estado de transição para a partir daí tornar-se uma molécula de produto. Diferença entre os níveis de energia do estado basal e o estado de transição.

MECANISMO DE AÇÃO ENZIMÁTICA Não alteram o estado de equilíbrio diminuem a energia de ativação; Keq não é afetado pela enzima. Não apresenta efeito termodinâmico global G não é afetada pela enzima. Diferença entre a energia livre de S e P Caminho da Reação Energia de ativação com enzima Energia Energia de ativação sem enzima S P Estado basal Estado basal

E + S E S E P E + P MECANISMO DE AÇÃO ENZIMÁTICA Sítio Ativo Região da molécula enzimática (bolsão) que participa da reação com o substrato. E + S E S E P E + P

MECANISMO DE AÇÃO ENZIMÁTICA Sítio Ativo - a molécula que é ligada no sítio ativo e age sobre a enzima é chamada de substrato; - a superfície do sítio ativo é revestida com resíduos de aminoácidos – ligam o substrato catalisam sua transformação química; - freqüentemente, o sítio ativo envolve um substrato, seqüestrando-o completamente da solução.

MECANISMO DE AÇÃO ENZIMÁTICA Sítio Ativo - Charles-Adolphe Wurtz (1880): primeiro a propor a existência do complexo enzima-substrato; - fator chave para ação das enzimas; - ponto inicial para o tratamento matemático que define o comportamento cinético das reações catalisadas por enzimas e para descrição teórica dos mecanismos enzimáticos.

MECANISMO DE AÇÃO ENZIMÁTICA Sítio Ativo Pode possuir componentes não protéicos: cofatores. Possui aminoácidos auxiliares e de contato. Coenzima: molécula orgânica complexa. Ex:NAD+ HOLOENZIMA Porção protéica APOENZIMA Grupamento prostético Ativador:Íons inorgânicos que condicionam a ação catalítica das enzimas. Fe²+ Cofator

MECANISMO DE AÇÃO ENZIMÁTICA Cofator Algumas enzimas que contêm ou necessitam de um cofator para demonstrar sua atividade. ENZIMA COFATOR PEROXIDASE Fe+2 ou Fe+3 CATALASE CITOCROMO OXIDASE Cu+2 ÁLCOOL DESIDROGENASE Zn+2 HEXOQUINASE Mg+2 UREASE Ni+2

MECANISMO DE AÇÃO ENZIMÁTICA Coenzimas Maioria deriva de vitaminas hidrossolúveis Classificam-se em: - transportadoras de hidrogênio - transportadoras de grupos químicos TRANSPORTADORAS DE HIDROGÊNIO

MECANISMO DE AÇÃO ENZIMÁTICA Coenzimas TRANSPORTADORAS DE GRUPOS QUÍMICOS

MECANISMO DE AÇÃO ENZIMÁTICA Teorias propostas para explicar a ação enzimática Teoria de Emil Fisher (1894): o alto grau de especificidade originou a hipótese do modelo “chave fechadura” – enzima possui uma região complementar a estrutura do substrato em tamanho, forma e natureza química.

MECANISMO DE AÇÃO ENZIMÁTICA Teorias propostas para explicar a ação enzimática Pesquisas mostraram que esta teoria às vezes não é a mais adequada ou entra em conflito com dados experimentais.

MECANISMO DE AÇÃO ENZIMÁTICA Teorias propostas para explicar a ação enzimática Teoria de Daniel Koshland (1958):chamado de “enzima flexível” ou do ajuste induzido – a ligação do substrato induz a uma mudança conformacional na enzima que resulta em um encaixe complementar depois que o substrato é ligado.

MECANISMO DE AÇÃO ENZIMÁTICA Teorias propostas para explicar a ação enzimática Permitiu a explicação de alguns fatos que não eram contemplados pelo modelo chave-fechadura.

MECANISMO DE AÇÃO ENZIMÁTICA Dentre os fatos que levaram a proposição da teoria do ajuste induzido, pode-se destacar: centro catalítico ou centro ativo: constituído por grupos funcionais dos aminoácidos que estruturam as proteínas na zona catalítica; número de grupos funcionais envolvidos na catálise costuma ser pequeno;

MECANISMO DE AÇÃO ENZIMÁTICA Dentre os fatos que levaram a proposição da teoria do ajuste induzido, pode-se destacar: complexo instável E-S: a estrutura química do substrato deve ser compatível com grupos ativos da enzima; nem sempre a ação catalítica depende da molécula como um todo, ás vezes depende somente da parte associada ao centro ativo.

MECANISMO DE AÇÃO ENZIMÁTICA Sendo assim, a teoria propõe: a) deve ocorrerem mudanças consideráveis na geometria da proteína quando o substrato se liga ao centro ativo; b) deve ser necessária uma orientação do grupo catalítico para que a transformação ocorra; c) o substrato deve induzir sua própria orientação pela mudança na geometria, o que facilita a ligação ao centro ativo.

MECANISMO DE AÇÃO ENZIMÁTICA As principais evidências experimentais desta teoria são: a) mudanças no centro ativo em ligação com o substrato; b) mudanças na reatividade dos do sítio catalítico; c) mudanças na fluorescência e absorbância dos grupos; d) mudanças demonstráveis por medidas termodinâmicas.

MECANISMO DE AÇÃO ENZIMÁTICA Nem todos os complexos enzima-substrato formados originam um determinado produto; Substrato se liga ao sítio ativo de maneira incorreta; formação de intermediários covalentes entre a enzima e o substrato: a) formam intermediários covalentes: número de posições – enzima e substrato; b) não formam intermediários covalentes.

MECANISMO DE AÇÃO ENZIMÁTICA Por que as enzimas possuem a capacidade de aumentar a velocidade das reações em ordens de 108 a 1020 vezes???

MECANISMO DE AÇÃO ENZIMÁTICA Principais razões: 1) a enzima se liga ao substrato de modo que a ligação susceptível está: - estreita proximidade ao grupo catalítico no sítio ativo; - orientada de tal maneira em relação ao grupo catalítico que o estado de transição é formado facilmente.

MECANISMO DE AÇÃO ENZIMÁTICA Principais razões: 2) formação de intermediários covalentes instáveis: sofrem a reação mais rapidamente para formação de produtos – catálise ácido-básica As enzimas possuem grupamentos que podem agir como ácido ou como base – amínicos, carboxílicos, fenólicos, hidroxílicos, entre outros.

MECANISMO DE AÇÃO ENZIMÁTICA 3) algumas enzimas podem atuar como catalisadores nucleofílicos e eletrofílicos; 4) enzima pode induzir uma distorção ou tensão em ligações susceptíveis da molécula do substrato – torna mais fácil o rompimento da ligação.

MECANISMO DE AÇÃO ENZIMÁTICA Não se sabe ao certo como determinar quantitativamente a influência de cada fator no aumento da velocidade de reação; Mas sim uma combinação específica de fatores é a responsável pela aceleração global da reação – característica dos seres vivos – simultaneidade de reações e efeitos.