Biocatálise 15 de janeiro de 2009 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL.

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1 Biocatálise 15 de janeiro de 2009 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL

2 Catalisador biológico : substratonúmero limitado de etapas catalíticas  Células de microrganismos, animais ou vegetais  Enzimas INTRODUÇÃO

3 BIOCATÁLISE Indústria Farmacêutica Agricultura Indústria Alimentícia Mineração Medicina Papel e celulose INTRODUÇÃO - APLICAÇÕES

4 VANTAGENS DA BIOCATÁLISE Catalisam diversos tipos de reações; Alta eficiência; Alta especificidade; Operam sob condições brandas; Ecologicamente corretos Apresentam quimio-, regio-, enantiosseletividade.

5 BIOCATALISADORES BiocatalisadorVantagensDesvantagens Enzimas Elevada especificidade; Maior produtividade; Facilidade de isolamento dos produtos. Custo elevado Necessita de cofatores; Disponível para algumas reações. Células Baixo custo; Regeneração dos cofatores. Baixa tolerância a substratos e solventes orgânicos; Reações paralelas devido ao metabolismo celular.

6 CaracterísticaEnzimaCatalisador químico Especificidade ao substratoAltaBaixa Natureza da estruturaComplexaSimples Sensibilidade à T e pHAltaBaixa Condições de reação (T, P e pH)SuavesDrásticas (geralmente) Custo de obtenção (isolamento e purificação) AltoModerado Consumo de energiaBaixoAlto Formação de subprodutosBaixoAlta Separação catalisador/produtosDifícil / caraSimples Atividade catalítica (T ambiente)AltaBaixa ENZIMA X CATALISADOR QUÍMICO

7 ENZIMAS Macromoléculas que pertencem à classe das proteínas globulares; Holoproteínas: encadeamento de aminoácidos. Heteroproteínas: possuem uma parte não protéica (co-fator).  Atuam em concentrações muito baixas e em condições suaves de temperatura e pH.

8 CLASSIFICAÇÃO DAS ENZIMAS NomeTipo de Reação 1. OxidorredutasesOxi-redução 2. TransferasesTransferência de grupamentos funcionais como grupos amina, fosfatos, acil, carboxil, etc. 3. HidrolasesReações clivagem hidrolítica 4. LiasesEliminação de grupos de átomos adjacentes ou adição de grupos à ligações duplas 5. IsomerasesRearranjo de ligações dentro de uma molécula simples (Isomerização). 6. LigasesFormação de ligações em grupos às custas da hidrolise de ATP.

9 ESPECIFICIDADE SUBSTRATO/ENZIMA: O SÍTIO ATIVO Sítio de ligação do substrato: Complexo Enzima-substrato (E-S); Ligações relativamente fracas. Especificidade da enzima: depende da estrutura complementar do substrato e do sítio ativo. Modelo do ajuste induzido: prevê um sítio de ligação não totalmente pré-formado, mas sim moldável à molécula do substrato, a enzima se ajustaria a molécula do substrato na sua presença. Modelo “chave - fechadura”

10 CO-FATORES  Pequenas moléculas orgânicas (heme, nicotinamida, flavina) ou inorgânicas (Mg ++, Fe ++, Cu ++ ) que podem ser necessárias para a função de uma enzima. Exemplo: Álcool desidrogenase (ADH) Acetaldeído (S 1 ) Etanol (P) NADH (S 2 ) NAD + H+H+

11 CINÉTICA ENZIMÁTICA S + EES k1k1 k -1 ESP + E k2k2 E = Enzima S = Reagente (Substrato) P = Produto [E ] + [ES] = [E] Tot

12 Concentrações tempo CINÉTICA ENZIMÁTICA

13 Concentração do substrato Velocidade de reação CINÉTICA ENZIMÁTICA  [E] = cte   [S] = V  linearmente   [S] = V   K m ↔ afinidade substrato/enzima

14 Taxa de formação do produto = velocidade da reação (V): dP dt = k 2 [ES] CINÉTICA ENZIMÁTICA = V No equilíbrio, [ES] é quase constante (estado estacionário), logo: Velocidade de ruptura ES K -1 [ES] + k 2 [ES] = Velocidade de formação ES k 1 [E] [E] Ou, lembrando que: [E ] + [ES] = [E] Tot [ES] = k 1 k -1 + k 2 [E] [S] = k 1 k -1 + k 2 [E] tot - [ES][S][S]

15 CINÉTICA ENZIMÁTICA k -1 + k 2 k 1 Rearranjando e introduzindo a constante K m (constante de Michaelis): K m = [ES] = [E] tot [S] K m + [S]... E lembrando que:V = k 2 [ES] Obtemos a famosa equação de Michaelis-Menten: V = K m + [S] k 2 [E] tot [S]

16 Concentração do substrato Velocidade de reação CINÉTICA ENZIMÁTICA  [E] = cte   [S] = V  linearmente   [S] = V   K m ↔ afinidade substrato/enzima

17 CINÉTICA ENZIMÁTICA [S] >> K m k 2 [E] tot V = K m + [S] k 2 [E] tot [S] V = [S] << K m V = k2k2 kmkm [E] tot [S]

18 CINÉTICA ENZIMÁTICA Por razões práticas, rearranja-se a expressão de Michaelis-Menten para que 1/V possa ser apresentada em gráficos versus 1/[S]: Lineweaver-Burk

19 CINÉTICA ENZIMÁTICA Lineweaver-Burk

20 INIBIDORES COMPETITIVOS INCOMPETITIVOS NÃO-COMPETITIVOS

21 S + EES k1k1 k -1 ESP + E k2k2 INIBIDORES COMPETITIVOS K i+ k i- I + EEI

22 INIBIDORES INCOMPETITIVOS

23 INIBIDORES NÃO-COMPETITIVOS

24 EXEMPLOS

25 Acrilamida a partir da Acrilonitrila: Aplicações: Empregada no tratamento de água potável, produção de colas, papel. Processo químico: catalisador de cobre. Biotransformação: Utiliza células de Rhodococcus rhodochrous. Enzima responsável pela liase: nitrila hidratase.

26 N-Ac-D,L-Aminoacido L-AminoacidoN-Ac-D-Aminoacido L-Aminoacido a partir da Aminoacilase: EXEMPLOS Separação do L-Aminoacido: troca iônica ou cristalização.

27 EXEMPLOS Rhodococcus rhodochrous Agrobacterium sp Vitamina B 3 Oxidação da 3-cianopiridina são muito aplicadas industrialmente usando microrganismos para catalisar as reações:

28 BIBLIOGRAFIA  B. Alberts, A. Johnson, J. Lewis, M. Raff, K. Roberts, P. Walter, Biologia Molecular da Célula, 4ª Edição, Artmed editora.,156-188, 2006.  H. Richard, Biotecnologia, Manole editora ltda., 177-207, 1985.  A. G. S. Prado., Quim. Nova, 26, 2003, 5.  J. Hagen, Industrial Catalysis: A Pratical Approach, 2 nd Edition, Wiley- VCH, 83-97, 2006.