Sumário Propriedades das enzimas: relação enzima – substrato Condições necessárias na...
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Sumário
• Propriedades das enzimas: relação enzima – substrato•Condições necessárias na actividade enzimática.• Mecanismos de inibição enzimática.• Síntese dos principais processos associados à Biotecnologia no diagnóstico e terapêutica de doenças.
Lisboa, 30 de Abril de 2009
Produção de alimentos e sustentabilidade
ACTIVIDADE ENZIMÁTICA
Prof
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ENZIMAMetabolismo celular
A vida dos microrganismos, como aliás, a de todos os sistemas biológicos, depende de um conjunto de reacções que, de forma ordenada, ocorrem em cada instante e constituem o metabolismo celular.
Catabolismo
Há degradação de compostos orgânicos complexos em compostos orgânicos mais simples, com libertação de ATP. São reacções exoenergéticas.
Ex: digestão, renovação celular
Anabolismo
Há formação de substâncias mais complexas a partir de substâncias mais simples. Há consumo de ATP, que se libertou pelo catabolismo e que não foi usado. São reacções endoenergéticas.
Ex: crescimento, síntese de proteínas
História
ENZIMA
Catálise biológica início séc. XIXdigestão da carne: estômago;digestão do amido: saliva.
Década de 50Louis 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.
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. XX75 enzimas isoladas e cristalizadas;Ficou evidenciado caráter protéico.
Atualmente + 2000 enzimas são conhecidas
Substâncias que aumentam a velocidade de uma reacção sem serem consumidas
mecanismo: diminuição da barreira de energia de activação
A adição de um catalisador não altera a posição de equilíbriomas apenas a velocidade em que o equilíbrio é atingido.
Características
ENZIMA/BIOCATALIZADOR
•
Estrutura
ENZIMA
RNA
Estrutura Enzimática
Ribozimas
Se covalente
Apoenzima ouApoproteína
Holoenzima
CofatorProteína
Pode ser:• íon inorgânico• molécula orgânica
Coenzima
Grupo Prostético
Cofator
ENZIMAEnergia de activação
Vias metabólicas
ENZIMA
Acção
ENZIMAAs enzimas...
Aceleram reações químicas
Ex: Decomposição do H2O2
1
2,77 x 104
6,51 x 108
H2O2 H2O O2+
Catalase
E E + SS EE + PP
Acção
ENZIMA
Não são consumidas na reacção…..A catalase é um enzima;
• O enzima catalase decompõe o peróxido de hidrogénio em água e oxigénio molecular;
• A polpa de batata contém catalase;
• A imersão de polpa de batata em peróxido de hidrogénio resulta na libertação de bolhas gasosas.
Acção
ENZIMA
• Atuam em pequenas concentrações•
1 molécula de Catalase
decompõe5 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.
Acção
ENZIMA
Diferença entrea energia livre
de S e P
Caminho da Reação
Energia de ativação com enzima
En
erg
ia
Energia de ativação sem enzima
SSPP
Não alteram o estado de equilíbrio
•Baixam a energia de ativação;•Keq não é afetado pela enzima.
Não apresenta efeito termodinâmico global
G não é afetada pela enzima.
Acção
ENZIMA
Apresentam alto grau de especificidade;
Características
ENZIMA
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, polaridade do solvente e força iônica.
Centro activo
ENZIMA
A reacção ocorre no centro activo:
– contém os resíduos de aminoácidos directamente envolvidos na reacção;
– ocupa uma parte relativamente pequena do volume total da enzima;
– trata-se de uma entidade tridimensional;
– corresponde, geralmente, a uma cavidade na molécula de enzima, com um ambiente químico muito próprio.
– o substrato entra no sítio activo e liga-se à enzima através de interacções fracas, não covalentes
Especificidade
ENZIMA
Especificidade
ENZIMA
A especificidade das enzimas varia muito de uma enzima para outra, sendo muito baixa para algumas enzimas e muito alta para outras. Especificidade relativa: Quando esta relação existe apenas em relação a tipos de ligação, como certas peptidases, fosfatases, podendo-se citar a lipase que hidrolisa as ligações ácido-alcóol de quase todos os ésteres orgânicos.
Especificidade absoluta: Tipo de especificidade exclusiva, isto é, quando uma enzima actua somente sobre um determinado composto, como a urease que hidrolisa a ureia, mas nenhum dos seus derivados, ou a tripsina que hidrolisa apenas ligações peptídicas formadas por grupos carboxílicos dos aminoácidos básicos.
• Modelo de Fischer ou Modelo Chave/Fechadura: prevê um encaixe perfeito do substrato no sítio de ligação, que seria rígido como uma fechadura.
Modelos
ENZIMA
Modelo de Koshland ou Modelo do encaixe induzido: existe um sítio de ligação não totalmente préformado, mas sim moldável à molécula do substrato – a enzima ajusta-se à molécula do substrato na sua presença, sendo complementar ao seu estado de transição
Modelos
ENZIMA
• Evidências experimentais sugerem um terceiro modelo que combina o ajuste induzido a uma "torção" da molécula do substrato, que o "activaria" e o prepararia para a sua transformação em produto.
Modelos
ENZIMA
Componente não proteíco
ENZIMA
Inibição competitiva
ENZIMA
O inibidor liga-se ao centro activo, competindo com o substrato, e
diminuindo a actividade da enzima.
Inibição não competitiva
ENZIMA
O inibidor liga-se numa região distinta do centro activo,
afectando-o, e diminuindo a actividade da enzima.
Inibição alostérica
ENZIMA
A ligação do indutor provoca modificações
no centro activo, permitindo a actuação
enzimática.
• Algumas enzimas além dos centros activos, possuem centros alostéricos (centros reguladores), onde se ligam inibidores que não têm estrutura semelhante ao substrato.
• Século XIX - poucas enzimas identificadas
• Adição do sufixo “ASE”“ASE” ao nome do substrato:
Ex:
- gorduras (lipo - grego) – LIPASE
- amido (amylon - grego) – AMILASE
• Nomes arbitrários:
- Tripsina e pepsina – proteases
Classificação
ENZIMA
Classificação
ENZIMA
• 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
Factores que influenciam actividade enzimática
ENZIMA
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.
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.
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.O efeito da temperatura depende:
- pH e a força iônica do meio;- a presença ou ausência de ligantes.
CONCENTRAÇÃO DAS ENZIMAS
•Velocidade de transformação do S em P qtidade de E.
• Desvios da linearidade ocorrem:• Presença de inibidores na solução de enzima;• Presença de substâncias tóxicas;• Presença de um ativador que dissocia a enzima;• Limitações impostas pelo método de análise.
•Recomenda-se:• Enzimas com alto grau de pureza;• Substratos puros;• Métodos de análise confiável.
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.•[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].
vo
Vmax
INIBIDORES
REVERSÍVEIS IRREVERSÍVEIS
COMPETITIVOS NÃO COMPETITIVOS INCOMPETITIVOS
Cinética enzimática
ENZIMA
• Victor Henri (1903): E + S ES
K1
K-1ES
Kp
Etapa rápida Etapa lenta
E + S E + P
• Em 1913: Leonor Michaelis -EnzimologistaMaud Menten - Pediatra
Enzimas Vs Catalisadores químicos
ENZIMA
CaracterísticaCaracterística EnzimasEnzimas Catalisadores Catalisadores QuímicosQuímicos
Especificidade ao substrato alta baixa
Natureza da estrutura complexa simples
Sensibilidade à T e pH alta baixa
Condições de reação (T, P e pH) suaves drástica (geralmente)
Custo de obtenção (isolamento e purificação) alto moderado
Natureza do processo batelada contínuo
Consumo de energia baixo alto
Formação de subprodutos baixa alta
Separação catalisador/ produtos difícil/cara simples
Atividade Catalítica (temperatura ambiente) alta baixa
Presença de cofatores sim não
Estabilidade do preparado baixa alta
Energia de Ativação baixa alta
Velocidade de reação alta baixa
TIPOS DE APLIÇÕES INDUSTRIAIS• Alimentos
• Rações animais
• Papel e celulose
• Couro
• Têxtil
Aplicações
ENZIMA
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 de preparado enzimático que contém alfa-amilase fúngicas. Atua sobre a farinha de trigo, acelerando o processo de fermentação devido a uma maior formação de açúcares para o fermento.