ENZIMOLOGIA E TECNOLOGIA DAS FERMENTAÇÕES MSc. Elizonete Peres de Farias

Enzimas As enzimas, conhecidas como biocatalisadores, são proteínas, formadas por longas cadeias de aminoácidos com ligações peptídicas. Apesar de possuírem centenas de resíduos de aminoácidos, apenas alguns deles são diretamente responsáveis pela catálise Moléculas de origem biológica que apresentam atividade catalítica. Podem ocorrer naturalmente ou ser criadas sinteticamente. Geralmente são proteínas, entretanto moléculas de RNA CATALITÍCO e DNA CATALÍTICO também foram identificadas.

Histórico Enzimas Catálise biológica → início séc. XIX digestão da carne: estômago; digestão do amido: saliva. Na década de 1850 Louis Pasteur ‐ concluiu que a fermentação do açúcar em álcool pela levedura era catalisada por “fermentos” = enzimas Eduard Buchner (1897) extratos de levedo podiam fermentar o açúcar até álcool; enzimas funcionavam mesmo quando removidas da célula viva.

Histórico Enzimas James Sumner (1926) Isolou e cristalizou a urease; Cristais eram de proteínas; Postulou que “todas as enzimas são proteínas”. John Northrop (década 30) Cristalizou a pepsina e a tripsina bovinas; Década de 50 – séc. XX 75 enzimas → isoladas e cristalizadas; Ficou evidenciado caráter protéico. Atualmente + 2000 enzimas são conhecidas.

Os principais benefícios da utilização de enzimas como catalisadores Possuem alta capacidade catalítica; São estereoseletivas quanto ao substrato; São extremamente versáteis; Atuam em condições e temperaturas moderadas; O meio onde vão agir deve apresentar condições favoráveis de pH, temperatura, polaridade do solvente e força iônica. São altamente específicas; São catalisadores altamente eficientes; São também usadas no tratamento de resíduos e de material biológico, pois são biodegradáveis, o que as tornam rapidamente absorvidas pela natureza;.

Os principais benefícios da utilização de enzimas como catalisadores Por atuarem geralmente em condições amenas, as enzimas minimizam reações laterais indesejadas, como: decomposição, isomerização e rearranjos que, no caso específico dos alimentos, modificariam características fundamentais, como aparência, cor e paladar. Destacam‐se ainda pela químio‐seletividade, ou seja, a atuação em um único tipo de grupo funcional, proporcionando para a indústria farmacêutica a obtenção de fármacos com efeitos colaterais reduzidos.

Atuação das Enzimas As enzimas aceleram a velocidade de uma reação por diminuir a ENERGIA LIVRE DE ATIVAÇÃO da mesma, sem alterar a termodinâmica da reação, ou seja: A energia dos reagentes e produtos da reação enzimática e de sua equivalente não enzimática são idênticas. Para se superar a energia de ativação de uma reação, passa-se pela formação de um estado intermediário chamado "Estado de Transição", sempre um composto instável e de alta energia, representado por “ES*", ligado com altíssima afinidade ao sítio catalítico.

Atuação das Enzimas Nas reações enzimáticas, este composto de transição “ES*" não pode ser isolado ou mesmo considerado um intermediário, uma vez que não é liberado para o meio de reação; sua formação ocorre NO SÍTIO CATALÍTICO da enzima! Como a afinidade do “ES*" ao sítio catalítico é muito maior que a afinidade do substrato com o mesmo, a pequena quantidade de moléculas em “ES*" será rapidamente convertida em produto. Assim, todo o fator que leva a um aumento do número de moléculas em “ES*" aumenta a velocidade da reação.

Atuação das Enzimas Não alteram o estado de equilíbrio Abaixam a energia de ativação; Keq não é afetado pela enzima. Não apresenta efeito termodinâmico global ΔG não é afetada pela enzima.

Atuação das Enzimas

Aceleram reações químicas Ex: Decomposição do H2O2 Atuação das Enzimas Aceleram reações químicas Ex: Decomposição do H2O2

Não são consumidas na reação Ex: Decomposição do H2O2 Atuação das Enzimas Não são consumidas na reação Ex: Decomposição do H2O2

Atuação das Enzimas Atuam em pequenas concentrações Número de renovação = n° de moléculas de substrato convertidas em produto por uma única molécula de enzima em uma dada unidade de tempo.

Especificidade Substrato\Enzima: A especificidade da enzima, se deve à existência, na superfície da enzima de um local denominado SÍTIO DE LIGAÇÃO DO SUBSTRATO O sítio de ligação do substrato de uma enzima é dado por um arranjo tridimensional especial . O sítio de ligação do substrato é capaz de reconhecer inclusive isômeros óticos "D" e "L" de um mesmo composto. Este sítio pode conter um segundo sítio, chamado SÍTIO CATALÍTICO ou SÍTIO ATIVO, ou estar próximo dele; é neste sítio ativo que ocorre a á p q reação enzimática. Alguns modelos procuram explicar a especificidade substrato/enzima: Emil Fisher (1894) ‐ “Chave e Fechadura” Koshland Jr. (1958) ‐ “ Encaixe Induzido”

Especificidade Substrato\Enzima: Emil Fisher (1894) ‐“Chave e Fechadura” Koshland Jr. (1958) - “ Encaixe Induzido”

A Enzima é Complementar a seu Substrato no Estado de Transição

Nomenclatura das enzimas: Nome Recomendado: Mais curto e utilizado no dia a dia de quem trabalha com enzimas; Utiliza o sufixo "ase" para caracterizar a enzima. Exs: Urease, Hexoquinase, Peptidase, etc. Nome Sistemático (IUB): Mais complexo, nos dá informações precisas sobre a função metabólica da enzima. Ex: ATP‐Glicose‐Fosfo‐Transferase. Nome Usual : Consagrados pelo uso; Exs: Tripsina, Pepsina, Ptialina.

Nomenclatura das enzimas: Século XIX - poucas enzimas identificadas Adição do sufixo “ASE” ao nome do substrato: Ex: gorduras (lipo - grego) – LIPASE amido (amylon - grego) –AMILASE Nomes arbitrários: Tripsina e pepsina – proteases

As enzimas podem ser classificadas de acordo com vários critérios As enzimas podem ser classificadas de acordo com vários critérios. Segundo a União Internacional de Bioquímica (IUB), temos baseado na unidade de atividade e ação catalítica a classificação em:

As enzimas podem ser classificadas de acordo com vários critérios As enzimas podem ser classificadas de acordo com vários critérios. Segundo a União Internacional de Bioquímica (IUB), temos baseado na unidade de atividade e ação catalítica a classificação em:

As enzimas podem ser classificadas de acordo com vários critérios As enzimas podem ser classificadas de acordo com vários critérios. Segundo a União Internacional de Bioquímica (IUB), temos baseado na unidade de atividade e ação catalítica a classificação em:

Nomenclatura das enzimas:

Subclasses

Regulação Enzimática Mudanças Conformacionais ⇓ Atividade Catalítica (pH. Temperatura, Cofatores) pH- carga resíduos aas da proteína depende da concentração protóns no meio-acúmulo cargas – ou + - desestabilizam a proteína Solventes orgânicos – menos polares – efeito desnaturante e alterar formação ligações de H, interações polares e aumentar forças eletrostáticas Temperatura – aumento nível térmico – aumento vibracional – rompimento ponte H e interações polares.

Cofatores e Coenzimas

COFATORES necessários para o funcionamento da enzima Coenzima: quando o cofator não se liga covalentemente à enzima Grupo prostético: grupo de caráter não protéico que encontra-se associado a enzima Holoenzima: enzima + cofator (enzima cataliticamente ativa) Apoenzima ou apoproteína: refere-se somente a parte protéica da enzima As enzimas reguladas por modificações não-covalentes são chamadas de alostéricas.

Coenzimas

Quimiotripsina A Catálise Enzimática e o Complexo Enzima-Substrato O centro ativo: região da enzima onde ocorre a catálise Sítio ativo – porção da estrutura protéica da enzima onde liga-se o substrato

Algumas enzimas que contêm ou necessitam de elementos inorgânicos como cofatores

Equação de Michaelis-Menten Efeito da Concentração do Substrato na Velocidade Inicial de uma Reação Enzimática [E] = constante e limitante Equação de Michaelis-Menten

O gráfico de 1/vo x 1/[S] A forma dos inversos da equação de Michaelis-Menten ou equação de Lineweaver-Burk Modo mais correto de se determinar Vmax e Km

O Desenvolvimento de enzimas por técnicas de DNA recombinante Enzimas alimentares derivadas de microorganismos geneticamente modificados.

Utilização de Enzimas na Indústria

Utilização de Enzimas na Indústria