DISCIPLINA: BIOLOGIA PROFESSOR: JULIO ANDRADE
• Histórico
Sumário
• Introdução • Conceitos • Classificação e Nomenclatura • Fatores que Influenciam a Atividade Enzimática • Enzimas X Catalisadores Químicos • Aplicações • Conclusão • Referências
HISTÓRICO
• Catálise biológica → início séc. XIX – digestão da carne: estômago; – digestão do amido: saliva. • Década de 50 – Louis Pasteur - concluiu que a fermentação do açúcar em álcool pela levedura era catalisada por “fermentos” = enzimas • Eduard Buchner (1897) levedo podiam fermentar o açúcar até álcool; – extratos de levedo – enzimas funcionavam mesmo quando removidas da célula viva.
• 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.
INTRODUÇÃO
ENZIMAS
Aminoácidos: H
•Definição: – Catalisadores biológicos; R C* COOH – Longas cadeias de pequenas moléculas chamadas aminoácidos. NH2 •Função: – Viabilizar a atividade das células, quebrando moléculas ou juntando-as para formar novos compostos. •Com exceção de um pequeno grupo de moléculas de RNA com propriedades catalíticas, chamadas de RIBOZIMAS, todas as enzimas são PROTEÍNAS PROTEÍNAS..
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ENZIMAS – PROTEÍNA Classificação proteínas Proteínas globulares Proteínas fibrosas Estrutura das proteínas Primaria
Secundaria
Terciária
Quaternária
ENZIMAS Proteínas globulares Estrutura terciária
Proteínas com alto peso molecular, maioria entre 15 a 1000 Kilo Daltons Unit (KD) OBS: 1 Dalton = 1 unidade de peso molecular (AMU) 8
ENZIMAS – COMPONENTES DA REAÇÃO
E+S
ES
P+E
Substrato se liga ao SÍTIO ATIVO da enzima
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ENZIMAS – COFATOR Algumas enzimas que contêm ou necessitam de elementos inorgânicos como cofatores
ENZIMA PEROXIDASE
COFATOR Fe+2 ou Fe+3
CATALASE CITOCROMO OXIDASE
Cu+2
ÁLCOOL DESIDROGENASE
Zn+2
HEXOQUINASE
Mg+2
UREASE
Ni+2
• Definição: – Catalisadores biológicos; m oléculas chamadas aminoácidos. – Longas cadeias de pequenas moléculas • Função: – Viabilizar a atividade das células, quebrando moléculas ou juntando-as para formar novos compostos. • Com exceção de um pequeno grupo de moléculas de RNA com propriedades catalíticas, chamadas de RIBOZIMAS, todas as enzimas são PROTEÍNAS (globulares, de estrutura terciária).
Estrutura Enzimática
Holoenzima Proteína
Ribozimas RNA
Apoenzima ou Apoproteína
Cofator Cofator Pode ser: • íon inorgânico • molécula orgâni
Se covalente
Coenzima
Grupo Prostético
ENZIMAS: Apresentam alto grau de especificidade; São produtos naturais biológicos; Reações baratas e seguras; São altamente eficientes, acelerando a velocidade das reações (108 a 1011 + rápida); • São econômicas, reduzindo a energia de ativação; • Não são tóxicas; • Condições favoráveis de pH, temperatura e concentração do substrato • • • •
CONCEITOS
As enzimas... • Aceleram reações químicas
H2O2
Catalase
H2O + O2
Ex: Decomposição do H O 2
Condi diçõ çõees da Reação
2
Ener nergia liv ivrre de Ativação KJ/mol Kcal/mol
Sem catalisador
75,2
18,0
Enzima Catalase
23,0
5,5
Velocidade Relativa 1
6,51 x 108
• Não são consumidas na reação
H2O2
Catalase
E+S
H2O + O2
E+P
• Atuam em pequenas concentrações
1 molécula de Catalase
decompõe 5 000 000 de moléculas de H2O2 pH = 6,8 em 1 min
Número de renovação = n° de moléculas de substrato convertidas em produto por uma única molécula de enzima em uma dada unidade de tempo.
• Não alteram o estado de equilíbrio •Abaixam a energia de ativação;
Diferença entre a energia livre de S e P
a i g r e n E
S
P
Energia de ativação sem enzima Energia de ativação com enzima
Caminho da Reação
• Emil Fischer (1894): alto grau de especificidade das enzimas originou → Chave-Fechadura , que considera que a enzima possui sitio ativo complementar ao substrato.
• Koshland (1958): Encaixe Induzido, enzima e o o substrato sofrem conformação para o encaixe. O substrato é distorcido para conformação exata do estado de transição.
NOMENCLATURA E NOMENCLATURA CLASSIFICAÇÃO
• 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
• 1955 - Comissão de Enzimas (EC) da União Internacional de Bioquímica (IUB) → nomear e classificar. • Cada enzima → código com 4 dígitos que caracteriza o tipo de reação catalisada: •1° dígito - classe •2° dígito - subclasse •3° dígito - sub-subclasse •4° dígito - indica o substrato
FATORES QUE INFLUENCIAM A ATIVIDADE ENZIMÁTICA
A atividade enzimática é influenciada por: •
pH;
•
temperatura;
• concentração das enzimas; • concentração dos substratos; • presença de inibidores.
pH • 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 ≠ estados de ionização.
TEMPERATURA ∀ ↑ temperatura dois efeitos ocorrem:
(a) a taxa de reação aumenta, como se observa na maioria das reações químicas; (b) a estabilidade da proteína decresce devido a desativação térmica.
A temperatura ótima para que a enzima atinja sua atividade máxima, é a temperatura máxima na qual a enzima possui uma atividade cte. por um período de tempo.
CONCENTRAÇÃO CONCENTRAÇÃO DOS SUBSTRATOS • [S] varia durante o curso da reação à medida que S é convertido em P. • Medir Vo = velocidade inicial da reação. •[E] = cte. vo •[S] pequenas → Vo↑ linearmente. •[S] maiores → Vo↑ por incrementos cada vez menores. •Vmax → [S]↑ → Vo↑ insignificantes. •Vmax é atingida → E estiverem na forma ES e a [E] livre é insignificante, então, E saturada com o S e V não ↑ com ↑ de [S].
Vmax
[S]
PRESENÇA DE INIBIDORES • Inibidor é qualquer substância que reduz a velocidade de uma reação enzimática.
INIBIDORES REVERSÍVEIS COMPETITIVOS
IRREVERSÍVEIS
NÃO COMPETITIVOS
INCOMPETITIVOS
CINÉTICA ENZIMÁTICA
• Cinética Enzimática é estudada para: • Determinar as constantes de afinidade do S e dos inibidores; • Conhecer as condições ótimas da catálise; • Ajudar a elucidar os mecanismos de reação; • Determinar a função de uma determinada enzima em uma rota metabólica.
ENZIMAS X CATALISADORES QUÍMICOS
Característica
Especificidade ao substrato Natureza da estrutura Sensibilidade à T e pH Condições de reação (T, S e pH) Custo de de obtenção (i (isolamento e purificação) Natureza do processo Consumo de energia Formação de subprodutos Separação catalisador/ produtos Atividade Catalítica (temperatura ambiente) Presença de cofatores Estabilidade do preparado Energia de Ativação Velocidade de reação
Enzimas Enzimas
alta complexa alta suaves alto batelada baixo baixa difícil/cara alta s im baixa baixa alta
APLICAÇÕES
ENZIMAS – APLICAÇÕES
Proteases
Leite: na preparação do leite de soja.
Carnes e Peixes: recuperação de proteínas do osso ou espinha.
Vinhos: clarificação.
Queijo: coagulação da caseína.
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TIPOS DE APLIÇÕES INDUSTRIAIS • Alimentos • Rações animais • Papel e celulose • Couro • Têxtil
ALIMENTOS •
Indústria de azeite de oliva: - Aplicação de polygalacturonase e pectinesterase na melhoria de aspectos organolépticos e estabilidade a longo prazo.
•
Panificação: - Melhoria de cor, sabor e estrutural através preparado enzimático que contém alfa-amilase Atua sobre a farinha de trigo, acelerando o de fermentação devido a uma maior formação açúcares para o fermento.
de fúngicas. processo de
RAÇÕES ANIMAIS • Utilização de enzimas nas rações para leitões durante o período de lactação: - Emprego de Xilanase, Beta-glucanase e Alpha-amylase com o objetivo de digestão de amido e, em decorrência disso, ganho de peso e abate precoce.
INDÚSTRIA DE PAPEL E CELULOSE
•Remoção de depósitos em máquinas de papel: - Substituição de álcalis e ácidos fortes por enzimas com o objetivo de assegurar a integridade física dos funcionários e cumprir leis ambientais.
CONCLUSÃO
• Ampla aplicabilidade da atividade enzimática • Vantagens frente aos catalisadores químicos • Importância de fatores externos • Necessidade de maiores estudos para viabilizar o uso de diversas enzimas
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ENZIMAS – INFLUÊNCIA DA TEMPERA T EMPERATURA TURA
O efeito da temperatura depende: - pH e a força iônica do meio; - a presença ou ausência de ligantes.
Acima desta temperatura, o ↑ velocidade de reação devido a temperatura é compensado pela perda de atividade catalítica devido a desnaturação térmica. ENZIMA
TEMPERATURA ÓTIMA (°C)
Pepsina
31,6
Tripsina
25,5
Urease
20,8
REFERÊNCIAS
- JUNIOR, AGENOR FURIGO; DIRLEY, DIEDRICH KIELING. Enzimas. Aspectos Gerais. Florianópolis, 2002. - JUNIOR, AGENOR FURIGO; PEREIRA, ERNANDES BENEDITO. Enzimas e suas Aplicações. Cinética Enzimática. Florianópolis, 2001. -http://www.enq.ufsc.br/labs/probio/disc_eng_bioq/ -http://www.suino.com.br/nutricao -http://www.aboissa.com.br/azeitedeoliva/enzima.htm -http://www.deb.uminho.pt/imprensa/curtumes.htm -http://www.mylner.com.br/enzimas.htm -http://www.novozymes.com/library/Publications/Biotimes_Sprog/pwhere.pdf