portfolio enzimas
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Licenciatura em agro processamento com habilitações em
agro-negocios
Portfolio: Enzimas
Universidade Pedagógica
Quelimane
2016
Historia
A própria evolução do conhecimento bioquímico tem nas enzimas sua génese, com a descoberta
do poder catalítico do suco gástrico sobre as proteínas e da saliva sobre o amido no início do
século XIX. Louis Pasteur, em 1850, postulou que as reacções fermentativas do levedo,
convertendo açúcar em álcool, eram devidas a substâncias existentes dentro do levedo, as quais
foram posteriormente denominadas de enzimas (derivado do latim en = dentro + zima = levedo).
Com o isolamento das enzimas fermentativas do lêvedo em 1897, teve início a era mais
produtiva da pesquisa em bioquímica surgindo as principais hipóteses do funcionamento das
enzimas dentro da célula. Em 1926, o isolamento da enzima urease, estabeleceu a natureza
proteica das enzimas, criando-se o conceito de que todas as enzimas são proteínas, mas nem
todas as proteínas são enzimas. Na década de 80, entretanto, foram identificadas moléculas de
RNA que possuem actividade catalítica, as ribozimas, o que pôs abaixo aquele conceito quase
que dogmático. As enzimas, entretanto, são um capítulo à parte no estudo das proteínas e, sem
dúvida nenhuma, possuem suas bases de conhecimento voltadas para a compreensão da estrutura
tridimensional proteica.
Enzimas
São um grupo de substâncias orgânicas de natureza proteica, que têm funções catalisadoras,
catalisando reacções químicas e são caracterizadas pela sua especificidade relativamente a cada
reacção ou tipo de reacção. Por outra, são moléculas proteicas dotadas da propriedade de acelerar
intensamente determinadas reacções químicas, tanto no sentido da síntese como no da
degradação de moléculas.
De acordo com MOTTA (p.70) Enzimas são proteínas com a função especifica de acelerar
reacções químicas que ocorrem sob condições termodinâmicas não-favoráveis. Elas aceleram
consideravelmente a velocidade das reacções químicas em sistemas biológicos quando
comparadas com as reacções correspondentes não - catalisadas.
Propriedades
Por serem proteínas, cada enzima possui um pH óptimo e uma temperatura óptima de
funcionamento. Acima dessa temperatura a enzima começa a sofrer desnaturação, perdendo a sua
estrutura tridimensional e por conseguinte a sua capacidade catalítica. A temperaturas baixas as
enzimas encontram-se "adormecidas", pois há uma diminuição drástica da actividade da enzima,
no entanto a partir de uma temperatura mínima a velocidade de reacção aumenta até um valor
óptimo, que, na maioria das vezes, é cerca de 40ºC. Apesar de serem sintetizadas in vivo, as
enzimas podem funcionar fora da célula (in vitro), possibilitando o seu estudo funcional e
estrutural. Podem também ser imobilizadas num suporte sintético para uso industrial (por
exemplo, em biorreatores usados para limpeza de efluentes) ou laboratorial (por exemplo, em
eléctrodos que detectam glicose, usando a enzima glicose oxidase). Por serem catalisadores, uma
mesma enzima pode catalisar várias vezes a mesma reacção, algo que o fazem muito
rapidamente (milhares de vezes por segundo). No entanto, pela mesma razão, as enzimas não
alteram o equilíbrio químico da reacção que catalisam. As enzimas são específicas para o seu
substrato, catalisando uma só reacção. Existem algumas enzimas que catalisam substratos
similares, mas normalmente são mais específicas para um deles.
Função
Catalisar as reacções, permitindo que elas decorram a uma velocidade rápida e desejada, isto
garante eficácia e eficiência das transformações químicas no organismo.
Algumas enzimas são empregadas como agentes terapêuticos no tratamento de diferentes
doenças. As proteases, amilases e lípases são usadas para auxiliar a digestão.
A asparaginase é usada no tratamento da leucemia linfocítica aguda. As células normais são
capazes de sintetizar asparagina enquanto certas células tumorais, inclusive as leucêmicas, não
produzem o derivado do aminoácido. A administração intravenosa de asparaginase reduz o nível
plasmático de asparagina e, assim, diminui o desenvolvimento de células leucêmicas.
A desoxiribonuclease (DNase) é útil no tratamento da fibrose cística. A principal característica
da fibrose cística são as infecções respiratórias recorrentes, particularmente devido a
Pseudomonas aeroginosa, o que resulta em grandes quantidades de DNA proveniente das
bactérias destruídas e morte das células fagolíticas do sistema imune. O DNA contribui para a
viscosidade do muco que provoca sintomas aflitivos. ADNase é usada para degradar o DNA e
diluir o muco.
A estreptocinase é empregada na remoção de coágulos sanguíneos no enfarto do miocárdio e nas
extremidades dos membros inferiores. Activa a transformação da proenzima fibrinolítica
plasminogênio à plasmina, uma enzima que quebra a fibrina insolúvel do coágulo sanguíneo.
Tabela 1. Velocidade de reacções não catalisadas e catalisadas por enzimas
Para ser classificada como enzima, uma proteína deve:
Apresentar extraordinária eficiência catalítica; Demonstrar alto grau de especificidade em
relação a seus substratos (reagentes) e aos seus produtos;
Acelerar a velocidade das reacções em 109 a 1012 vezes mais do que as reacções
correspondentes não-catalisadas;
Ter sua actividade regulada genericamente ou pelas condições metabólicas;
Não ser consumido ou alterada ao participar da catálise;
Especificidade
As enzimas são específicas, isto é, hidrolisam e sintetizam um composto em particular. Em
alguns casos, sua acção está limitada a ligações específicas dentro dos compostos com os quais
exercem reacção. Esta especificidade é devido ao sítio activo, parte da enzima que a difere da
proteína, que é capaz de se ligar a moléculas denominadas substrato formando o complexo
enzima-substrato, como o explicado pela teoria da chave-fechadura, demonstrada por Emil
Fischer, onde a chave, neste caso o substrato, deve-se ajustar à fechadura, no caso a enzima, de
modo que cada enzima aja sobre um número muito limitado de compostos. Segundo a cinética da
reacção, modelos proposto pelas pesquisadores Michaelis e Menten, a enzima E reage com o
substrato S formando um composto intermediário conhecido como complexo activado instável
enzima-substrato ES, o qual se decompõe em enzima E e o produto de reacção P.
E + S ↔ ES → E + P
Quanto ao tipo de Reacção
1 - Oxidorredutases
Catalizam reacções do tipo oxirredução, onde o substrato oxidado é considerado dador de
hidrogénio ou de electrões. Ex: desidrogenases, redutases, oxidases e Peroxidases.
AH2 + B → BH2 + A
Ex: enzima ácido lático desidrogenase:
2 - Transferases
Transferem um grupo, de um composto (geralmente considerado o dador), para outro composto
(geralmente considerado o aceitador). Ex: quinases, transcarboxilases e aminotransferases. A - B
+ C → A - C + B
Ex: enzima aminotransferase
3 - Hidrolases
Catalisam a hidrólise de diversos tipos de ligações. Ex: amilase, urease, pepsina, tripsina,
quimotripsina e várias peptidases e esterases.
A B + H2O → BH
Ex: enzima lactase
4 - Liases
Quebram as ligações C- C, C – O, C – N e outras, por mecanismos distintos da hidrólise. Fazem
adição de grupos às duplas ligações ou formação de duplas ligações por meio de remoção de
grupos.
A - B + → A + B Ex: enzima arginosuccinato liase
5 - Isomerases
Catalizam modificações geométricas ou estruturais no interior de uma molécula. Ha transferência
de grupos dentro da mesma molécula para formar isômeros.
Ex: enzima triosefosfato isomerase:
6 - Ligases ( Sintetases)
Catalisam a união de duas moléculas, com hidrólise simultânea da ligação do ATP. Ou seja: É
reações de síntese, onde duas moléculas são unidas, às custas de uma ligação fosfato de alta
energia do ATP.
Ex: enzima piruvato carboxilase:
Eficiência catalítica
Alto grau de especificidade em relação a seus substratos (reagentes) e aos seus produtos;
Aceleram a velocidade das reacções em 109 a 1012 vezes mais do que as reacções
Correspondentes não catalisadas;
Actuam em concentrações muito baixas e em condições suaves de temperatura e pH. Não
são consumidas ou alteradas ao participar da catálise;
Não alteram o equilíbrio químico das reacções;
COFATORES
são pequenas moléculas orgânicas ou inorgânicas que podem ser necessárias para a função de
uma enzima. Estes cofatores não estão ligados permanente mete à molécula da enzima mas, na
ausência deles, a enzima é inativa.
O complexo enzima–co-factor é designado por holoenzima; à enzima separada do respectivo
cofactor chama-se apoenzima.
O cofactor pode ser um ião metálico ou uma molécula orgânica (coenzima).
As enzimas apresentam sempre uma região onde ocorre o encaixe como substrato, designado de
Sítio deligação ou sítio catalítico ou centro activo.
No substrato, há sempre um grupamento que favorece uma ligação suscetível com o sítio
catalítico da enzima.
Existe uma estreita relação entre a estrutura das enzimas e sua função catalítica. Ou seja, é a
estrutura proteíca que determina as interacções entre a enzima (catalisador) e o substrato
(reagente), que participam desta catálise.
O substrato deve ser capaz de se ligar de forma específica à enzima que, por meio desta
interacção, facilita a transformação do substrato em produto. Dessa forma, a estrutura do
catalisador deve favorecer o conjunto de interacções que permitem a ligação do substrato
expondo grupos químicos capazes de interagir entre si formando, transitoriamente, um
COMPLEXO ENZIMA-SUBSTRATO.
O substrato liga-se à enzima através do sítio activo, local onde ocorrerá a reacção catalisada pela
enzima. Esta é, portanto, a região da enzima que contém resíduos de aminoácidos capazes de
interagir com o substrato. É nesse sítio, também, que estão os resíduos de aminoácidos que
directamente participam da ruptura e estabelecimento de ligações químicas que resultam na
formação do produto. Estes resíduos denominam-se GRUPOS CATALÍTICOS.
As enzimas aceleram a velocidade de uma reacção por diminuir a energia livre de activação da
mesma, sem alterar a termodinâmica da reacção. Para se superar a energia de activação de uma
reacção, passa-se pela formação de um estado intermediário chamado "Estado de Transição",
sempre um composto instável e de alta energia, representado por ―ES e ou EP‖
Normalmente os mecanismos orgânicos são lentos e pouco espontâneos, dependendo de enzimas
específicas para promover e regular o dinâmico funcionamento metabólico. Portanto,
consideradas unidades funcionais da catálise celular.
Coenzimas
As coenzimas são pequenas moléculas que transportam grupos químicos de uma enzima para
outra. Alguns destes compostos químicos, como a riboflavina, a tiamina e o ácido fólico, são
vitaminas, compostos que não são sintetizados no organismo e que têm de ser assimilados
através da dieta. Os grupos químicos transportados incluem o ião hidreto (H-) transportado pelo
NAD ou NADP+, o grupo acetilo transportado pela coenzima A, os grupos formilo, metenilo e
metilo transportados pelo ácido fólico e o grupo metilo transportado pela S-adenosilmetionina.
Dado que as coenzimas são modificadas quimicamente como consequência da acção enzimática,
é útil considerá-las como sendo uma classe especial de substratos, ou substratos secundários, que
são comuns em muitos tipos de enzimas diferentes. Por exemplo, sabe-se que existem cerca de
700 enzimas que utilizam a coenzima NADH.
As coenzimas sofrem regeneração e as suas concentrações são mantidas a um nível estável
dentro da célula. Por exemplo, o NADPH é regenerado através da via das pentoses-fosfato e a S-
adenosilmetionina é regenerada pela metionina adenosiltransferase.
MODELOS DE ACÇÃO ENZIMÁTICA
Sítio Activo Catalitico Segundo MOTTA (p.7) Sitio activo é a região na superfície da enzima
onde ocorre a catalise. O substrato liga-se ao sitio activo por ligações nao-covalentes (interacções
de Van Der Waals e interações hidrofobicas). Os grupos que participam das ligações são: a
carboxila do ácido Somente uma pequena porção do substrato onde ocorre transformações está
ligada à enzima. Isso não implica entretanto, que os aminoacidos no sítio activo estejam um ao
lado do outro na estrutura primária da proteína. Em consequência das dobras e enovelamento da
enzima (estrutura secundária e terciária), certos resíduos de aminoacidos podem estar distantes
um do outro na sequencia primaria, ainda que juntos no sítio activo da proteína complete.
1. MODELOS DE CHAVE FECHADURA
Proposto Emil Fischer em 1890, pressupõe que: O centro activo da enzima é uma estrutura rígida
e complementar ao substrato, havendo um encaixe perfeito.
De salientar que na catálise de uma reacção química, as enzimas interagem com os substratos,
formando com eles, temporariamente, o chamado complexo enzima-substrato. Na formação das
estruturas secundária e terciária de uma enzima, acabam surgindo certos locais na molécula que
servirão de encaixe para o alojamento de um ou mais substratos, do mesmo modo que uma chave
se aloja na fechadura.
Esses locais de encaixe são chamados de sítio activo e ficam na superfície da enzima. Ao se
encaixarem nos sítios activos, os substratos ficam próximos uns do outro e podem reagir mais
facilmente.
Assim que ocorre a reacção química com os substratos, desfaz-se o complexo enzima-substrato.
Liberam-se os produtos e a enzima volta a atrair novos substratos para a formação de outros
complexos.
2. MODELOS DE ENCAIXE INDUZIDO
Proposto por Daniel Koshland em 1958, pressupõe que:
O centro activo da enzima não seria rígida mas sim induzida pelo substrato à medida que este se
liga a enzima, isto é, o centro activo da enzima é flexível e pode ser modificado pela ligação do
substrato.
FACTORES QUE INFLUENCIAM A ACTIVIDADE ENZIMATICA
A actividade enzimática é influenciada por:
Temperatura, pH, Concentração dos substratos e Concentração das enzimas.
1. Temperatura
Existe uma temperatura onde a velocidade da reacção enzimática é máxima, que é designada de
temperatura óptima. Acima ou abaixo desta temperatura a velocidade da reacção diminui,
chegando a ocorrer a desnaturação da molécula.
Com aumento da temperatura dois efeitos ocorrem: a taxa de reacção aumenta, como se observa
na maioria das reacções químicas; a estabilidade da proteína decresce devido a desactivação
térmica.
O efeito da temperatura depende: pH e a força iónica do meio;
a presença ou ausência de ligantes.
Acima desta temperatura, aumenta a velocidade de reacção devido a temperatura é compensado
pela perda de actividade catalítica devido a desnaturação térmica.
2. pH
Existe um valor de pH onde a velocidade da reacção enzimática é máxima, que é designada de
pH óptimo. A cima ou abaixo deste pH a velocidade da reacção diminui, chegando a ocorrer a
desnaturação da molécula.
O efeito do pH sobre a enzima deve-se às variações no estado de ionização dos componentes do
sistema à medida que o pH varia. Enzimas => grupos ionizáveis, existem em diferentes estados
de ionização.
A estabilidade de uma enzima ao pH depende: temperatura; força iónica; natureza química do
tampão; concentração de iões metálicos contaminantes; concentração de substratos ou cofatores
da enzima; concentração da enzima.
3. Concentrações de substrato
Em baixas concentrações de substrato há uma relação directa entre o aumento da concentração
do substrato e a velocidade da reacção. Chega uma determinada concentração, onde a velocidade
estabiliza, mesmo que a concentração do substrato continue a aumentar.
A velocidade da reacção enzimática é directamente proporcional à concentração da enzima,
desde que haja excesso de substrato durante a reacção.
A velocidade de transformação do S em P depende da quantidade de E.
Desvios da linearidade ocorrem:
Presença de inibidores na solução de enzima; Presença de substâncias tóxicas; Presença de um
activador que dissocia a enzima; Limitações impostas pelo método de análise.
INIBIDORES ENZIMÁTICOS
São compostos que podem diminuir a actividade de uma enzima ou reduz a velocidade de uma
reacção enzimática.
Inibidores enzimáticos são substâncias que interferem na actividade das enzimas, bloqueando o
processo catalítico. (LUCIANO, 2006:67)
Segundo ZINDELA (2011:32) os inibidores podem ser classificados em Reversíveis e
Irreversíveis, onde em Irreversíveis encontram-se os competitivos, não competitivos e
incompetitivos, de acordo com o gráfico:
1. INIBIÇÃO ENZIMÁTICA REVERSÍVEL
Reagem reversivelmente com a enzima livre no sítio catalítico em competição com o substrato,
para formar um complexo enzima-inibidor. Inibidor competitivo concorre com o S pelo sítio
activo da E livre.
A) Inibição Enzimática Reversível Competitiva
Quando o inibidor se liga reversivelmente ao mesmo sítio de ligação do substrato. Aqui a
molécula apresenta estrutura semelhante ao substrato da enzima que se liga para realizar a
catálise, ela poderá aceitar esta molécula no seu local de ligação, mas não pode levar ao processo
catalítico, pois ocupando o sítio activo do substrato correcto. (COLASSO, 2012:34).
Caso se aumente a concentração de substrato, ocorre a reversão de EI para ES. Este tipo de
inibição de pende das [S] e [I].
B) Inibição Enzimática Reversível Não Competitiva
Quando o inibidor liga se reversivelmente à enzima em um sítio próprio de ligação, podendo
estar ligado ao mesmo tempo que o substrato. Este tipo de inibição depende apenas da
concentração do inibidor.
Ocorre quando uma molécula ou iões pode se ligar em um segundo local na superfície
enzimática (não no sítio activo). Isto pode distorcer a enzima tornando o processo catalítico
ineficiente. O inibidor não competitivo pode ser uma molécula que não se assemelha com o
substrato, mas apresenta uma grande afinidade com a enzima. É o mecanismo inverso do inibidor
competitivo, porque inibe a ligação do complexo ES e não da enzima livre. O efeito da reacção
modifica a velocidade e o Km permanece constante.
C) Inibição Incompetitiva
Inibidor incompetitivo se liga reversivelmente, em um sítio próprio, ao complexo ES.
2. INIBIÇÃO ENZIMÁTICA IRREVERSÍVEL
O inibidor fica ligado fortemente duma forma definitiva no sítio de ligação ou no sitio catalítico
da enzima. Muitos medicamentos são inibidores irreversíveis de uma reacção enzimática
específica o que confere uma alta especificidade e poucos efeitos colaterais.
Exemplos:
PENICILINA: liga-se a enzima Trasnpeptidade, impedindo a síntese da parede celular nas
bactérias o que provoca a morte das bactérias.
ASPIRINA: liga-se a enzimaciclo-oxigenase, reduzindo a síntese dos sinais de inflamação.
Aplicação das Enzimas
Proteases Fabricação de aspartame;
Obtenção de insulina humanoa partir de insulina suína.
Amilase (Bacillus Subtilis) Indústria de fermentação alcoólica; Produção de glicose.
Tripsina (Pâncreas Animal) Amolecimento de carnes
Pepsina (Estomago Animal) Auxiliar digestiva; Amolecimento de carnes.
Renina (Estômago de Bezzeros) Auxiliar digestiva Pectinase (Aspergilus Niger) Fabricação de
queijo.
Enzima nos alimentos
As reacções enzimáticas são muito importantes em alimentos, delas dependem não só a formação
de compostos altamente desejáveis, como podem ter consequências indesejáveis. As reacções
enzimáticas ocorrem não só no alimento natural, mas também durante o seu processamento e
armazenamento. Aromas de vegetais e frutas, por exemplo, são devidos pela acção de
determinadas enzimas sobre substratos específicos, sendo denominados precursores de aroma.
As tioglucosidases, agindo em compostos tioglucosídicos existentes no repolho e outros vegetais
pertencentes à mesma família produzem compostos voláteis que dão a esses vegetais o cheiro
característico; e o aroma da cebola é devido à acção de alinase sobre os sulfóxidos existentes.
Enzimas proteolíticas como paroamna e bromelina são empregadas no amaciamento de carnes.
Enzimas pécticas têm acção sobre pectinas, tanto na degradação da cadeia poligalacturônica
(poligalacturonase) como na desmetoxilação dos compostos (pectinametilesterase) e entre outras
aplicações, essas enzimas são empregadas na clarificação de sucos de frutas. Amilases são
enzimas importantes principalmente na produção de xaropes de milho e de Dglucose pela sua
capacidade de, como já foi visto, romper as ligações glicosídicas no amido. Amilases são
adicionadas a massas de pão para suplementar o efeito de enzimas naturais, durante a
fermentação. Amiloglucosidase hidrolisa ligações glicosídicas 14 de oligo- ou polissacarídios
formados por unidades de glicose, com liberação desse monossacarídio. Uma reação enzimática
muito importante, com resultados não desejáveis é a reacção de escurecimento enzimático.
Frutas e vegetais que contêm poli fenóis na sua composição química, quando cortadas e
expostas ao ar sofrem escurecimento, causado pela acção de uma enzima, a polifenoloxidase
sobre os fenóis existentes, que são oxidados a ortoquinonas. Estes últimos compostos
polimerizam facilmente formando compostos escuros, as melaninas. Essas reacções de
escurecimento enzimático podem ser mais facilmente observadas em vegetais de cores claras,
como bananas, batatas, maçãs.
De forma geral, as principais aplicações das enzimas no sector alimentício, são nos sectores de:
Álcool e derivados;
Amidos e açúcares;
Cervejaria;
Laticínios e derivados;
Óleos e gorduras;
Panificação e biscoitaria;
Vinicultura;
Sucos de frutas.
Bibliografia
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