Apostila Enzimas

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA PROGRAMA DE PÓS - GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA QUÍMICA JANAINA DUARTE BAUMER SIANNAH MARIA MAS DIEGO ESTÁGIO EM DOCÊNCIA PROF. AGENOR FURIGO JR. Florianópolis 2008 SUMARIO 1.Introdução ............................................................................................................................. 3 2. Históric o .............................................................................................................................. 3 3. Propriedades Gerais .......................................................................................................... 4 3.1 A maioria das enzimas são proteínas ........................................................................... 5 3.2 Diferenças entre enzimas e catalisadores químicos ................................................. 5 3.3 Nomenclatura das enzimas ............................................................................................ 6 3.4 Especificidade .................................................................................................................. 8 3.5 Mecanismo de ação de uma enzima ............................................................................ 9 4. Reações Catalisadas por Enzimas ............................................................................... 10 5. Fatores que Influenciam a Ação Enzimática ................................................................ 12 5.1 pH ..................................................................................................................................... 12 5.2 Temperatura ................................................................................................................... 12 5. 3 Concentração da Enzima ........................................................................................... 13 5.4 Concentração do Substrato ......................................................................................... 13 6. Inibição enzimática .......................................................................................................... 14 6.1Inibição Reversível ......................................................................................................... 15 6.2 Inibição Reversível Competitiva .................................................................................. 16 6.3 Inibição Reversíve l Não Competitiva ......................................................................... 15 6.4 Inibição Irreversível ....................................................................................................... 16 7. Co - fatores e Coenzimas ................................................................................................. 17 7.1 As coenzimas devem ser regenaradas ..................................................................... 17 8. Regulação da Atividade Enzimática ............................................................................. 17 9. Medida de atividade enzimática .................................................................................... 18 10. Produção industrial de enzimas .................................................................................. 19 11. Referencias Bibl iográficas ........................................................................................... 23 1. Introdução Os sistemas vivos são formados por uma enorme variedade de reações bioquímicas, e quase todas elas são mediadas por uma série de extraordinários catalisadores biológicos conhecidos como enzimas. A função da enzima é via bilizar a atividade das células, quebrando moléculas ou juntando - as para formar novos compostos. As enzimas são proteínas (com exceção de um pequeno grupo de moléculas de RNA) especializadas em catalisar reações biológicas, ou seja, aumentam a velocidade d e uma reação química sem interferir no processo. Elas estão associadas a biomoléculas, devido as sua extraordinária especificidade e poder catalítico. 2. Histórico A atividade catalítica de enzimas tem sido utilizada pelo homem há milhares de anos, em p rocessos tais como fermentação do suco de uva para obtenção do vinho, fabricação de queijo e pão. No entanto, estas eram apenas aplicações práticas, uma vez que o conhecimento do modo de ação dos catalisadores biológicos só recentemente foi elucidado. - 18 33 - A primeira hidrólise enzimática do amido Os cientistas franceses Payen e Persoz isolaram um complexo enzimático do malte que catalisava a transformação do amido em glicose , denominando - o "diastase" do grego " separar ") porque separ ava os blocos de amido em unidades individuais de glicose. É a primeira vez que foi isolado uma enzima , um composto orgânico que apresentava as propriedades de um catalisador . O sufixo ase de diastase passou a ser usado para designar as enzimas. - 1835 - o químico sueco Berzelius de screveu a primeira hidrólise enzimática do amido. O sueco Jons Jacob Berzelius demonstrou que o amido pode ser mais eficientemente decomposto usando - se extrato de malte preferencialmente ao ácido sulfúrico e cunhou o termo catálise, foi o primeiro a notar que certas substâncias aceleram uma reação. - 1836 - Theodor Schwann descobre a enzima digestiva Pepsina - 1860 - Debate: Qual é o papel da levedura no processo de fermentação? Pasteur, em 1860, demonstrou através de uma série de experimentos que a fermen tação alcoólica só ocorria em presença de células vivas de levedura. Na mesma época, Liebig defendia que os processos fermentativos eram reações químicas. 1897 - A polêmica foi resolvida. Os irmãos Buchner demonstraram que um extrato de levedura livre de era capaz de fermentar o açúcar do mesmo modo que a célula de levedura. Isto significava que o extrato continha catalisadores da fermentação alcoólica, o que tornava possível estudar \u201cin vitro\u201d reações químicas da fermentação. - 1878 - William Kuhne propôs que o nome enzima fosse utilizado, a palavra em si significa 'na levedura'. - 1894 - Primeira produção comercial de alimentos com enzimas. Nos EUA, o bioquímico e líder industrial japonês Dr. Jokichi Takamine começou a produção comercial de koji a partir do fungo Aspergillus. - 1894 - Cientistas definem a teoria Fechadura e Chave - 1913 - Michaelis e Lyn descreveu cinética enzimática matematicamente. - 1914 - É lançado o primeiro detergente compacto - 1926 - Cientistas descobrem que as enzimas são proteína s - 1926 \u2013 James Summer\u2019s isolou e cristalizou a primeira enzima, a urease. - A partir 1960 - A evolução no estudo das enzimas, acompanhado por avanços tecnológicos, possibilitou o isolamento e a identificação de propriedades das enzimas. Desde então, vem sendo feita a caracterização e o estudo cinético de milhares de enzimas de diferentes fontes: animais, vegetais e de microrganismos. - 1986 - A primeira enzima a partir de organismo geneticamente modificado (OGM). 3. Propriedades Gerais 3.1 A maioria d as enzimas são proteínas Com exceção de um pequeno grupo de moléculas de RNA que apresentam atividade catalítica, todas as enzimas são proteínas. Proteínas são moléculas compostas por aminoácidos, unidos por ligações peptídicas. Os aminoácidos apresenta m em sua fórmula química um grupo carboxílico ( - COOH), um grupo amino ( - NH2) e um radical R. Os aminoácidos são diferenciados de acordo com o grupo R ligado ao carbono assimétrico. Na natureza, são encontrados 20 aminoácidos. A atividade catalítica das pro teínas depende da integridade da sua conformação protéica nativa. Se uma enzima é desnaturada ou dissociada em subunidades, a atividade catalítica geralmente é destruída. Se uma enzima é quebrada em seus aminoácidos constituintes, a sua atividade catalític a é sempre destruída. Assim, a estrutura protéica primária, secundária, terciária e quaternária das enzimas são essenciais para sua atividade catalítica. As enzimas como outras proteínas tem pesos moleculares que variam de cerca de 12.000 até mais de 1 mi lhão. 3.2 Diferenças entre enzimas e catalisadores químicos As enzimas diferem - se dos catalisadores químicos comuns em vários aspectos: - Velocidade de reação mais rápida: as velocidades de reações catalisadas por enzimas são tipicamente 10 6 a 10 12 vez es maiores do que as reações correspondentes não catalisadas, e são no mínimo, varias ordens de magnitude maiores do que as mesmas reações catalisadas quimicamente. - Condições reacionais mais brandas: as reações catalizadas enzimaticamente ocorrem em cond ições brandas: temperaturas inferiores a 100º C, pressão atmosférica e pH quase neutro. Em contraste, geralmente uma catálise química eficiente requer temperaturas e pressão elevadas, assim como pH extremos. - Maior especificidade da reação: as enzimas apr esentam um grau de especificidade imensamente maior do que os catalisadores químicos em relação a identidade dos seus substratos e dos seus produtos; isto é, as reações enzimáticas raramente produzem subprodutos. Diante de várias rotas potencialmente possí veis, a enzima escolhe a com menor energia livre de ativação. - Capacidade de regulação: as atividades catalíticas de muitas enzimas variam em resposta às concentrações de outras substancias que não os seus substratos. Os mecanismos desses processos regula tórios incluem o controle alostérico, a modificação covalente de enzimas e a variação nas quantidades de enzimas sintetizadas. Permite o ajuste fino do metabolismo em diferentes condições fisiológicas. 3.3 Nomenclatura das enzimas As enzimas são comumen te denominadas adicionando - se o sufixo \u2013 ase ao nome do substrato da enzima ou a uma expressão que descreva a sua ação catalítica. Desse modo a uréase catalisa a hidrolise da uréia, e a álcool - desidrogenase catalisa a oxidação de alcoóis em seus aldeídos co rrespondentes. Entretanto, o fato de no inicio não haver regras para a nomenclatura das enzimas acabou gerando confusões, resultando na utilização de dois nomes diferentes para uma mesma enzima, ou ainda, a utilização do mesmo nome para duas enzimas difere ntes. Além disso, muitas enzimas, como a catalase (que intermedeia a dismutacao de H 2 O 2 em H 2 O e O 2 ) tinham nomes que não ofereciam qualquer indicação da sua função. Em esforço para eliminar tal confusão e providenciar regras para a denominação racional do crescente numero de enzimas descobertas, um esquema de classificação funcional sistemática e de nomenclatura de enzimas foi adotado pela International Union of Biochemistry and Molecular Biology. As enzimas são classificadas de acordo com a natureza da r eação química que catalisam. Há seis classes principais de reações enzimáticas, assim como subclasses e sub - subclasses. Para cada enzima são atribuídos dois nomes e um numero de classifição de quatro subdivisões. O nome alternativo é conveniente para o uso rotineiro e é, em geral, um nome trivial utilizado anteriormente. O nome sistemático é utilizado para minimizar ambiquidades; é o nome do(s) seu(s) substrato(s) seguido por uma palavra terminada em \u2013 ase que especifica o tipo de reação que, de acordo com s eu grupo de classificação principal, a enzima cataliza. Por exemplo a enzima cujo nome recomendado é carboxipeptidase A possui nome sistemático peptidil - L - aminoácido - hidrolase e número de classificação EC 3.4.17.1 (EC é a abreviatura de Enzyme Comission). Classificação das Enzimas Segundo a Comissão de Enzimas 1. Oxido - redutases (reações de oxidação - redução ou transferência de elétrons \u2013 Desidrogenases e Oxidases ) 1.1.atuando em CH - OH 1.2.atuando em C=O 1.3.atuando em C=O - 1.4.atuando em CH - NH 2 1.5.atuando em CH - NH - 1.6.atuando em NADH, NADPH 2. Transferases (transferem grupos funcionais como amina, fosfato, acil, carboxil \u2013 Quinases e Transaminases ) 2.1.grupos com um carbono 2.2.grupos aldeído ou cetona 2.3.grupos acil 2.4.grupos glico sil 2.7.grupos fosfatos 2.8.grupos contendo enxôfre 3. Hidrolases (reações de hidrólise de ligação covalente - Peptidases ) 3.1.ésteres 3.2.ligações glicosídicas 3.4.ligações peptídicas 3.5.outras ligações C - N 3.6.anidridos ácidos 4. Liases (catalis am a quebra de ligações covalentes e a remoção de moléculas de água, amônia e gás carbônico \u2013 Dehidratases e Descarboxilases ) 4.1. =C=C= 4.2. =C=O 4.3. =C=N - 5. Isomerases (reações de interconversão entre isômeros óticos ou geométricos - Epimerases ) 5. 1.racemases 6. Ligases (catalisam reações de formação de novas moléculas a partir da ligação entre duas pré - existentes, sempre às custas de energia - Sintetases ) 6.1. C - O 6.2. C - S 6.3. C - N 6.4. C - C 3.4 Especificidade Existe uma correlação entre a estrutura das proteínas ou peptídeos que fazem parte da molécula enzimática e suas propriedades biológicas, e esta propriedade leva a uma especificidade extraordinariamente alta e reproduzível. Provavelmente apenas uma fração da molécula, denominada sítio ativo, é a responsável pela ligação da enzima ao substrato ou substratos, e essa fração determinaria a especificidade enzimática. A especificidade das enzimas varia muito de uma enzima para outra, sendo muito baixa para algumas enzimas e muito alta para outras. É chamada especificidade baixa, quando esta relação existe apenas em relação a tipos de ligação, como certas peptidases (ligações peptídicas), fosfatases (ligações fosfato - éster) e estearases (ligações carboxi - éster, podendo - se citar a lipase que h idrolisa as ligações ácido - álcool de quase todos os ésteres orgânicos). A especificidade baixa é mais comumente encontrada em enzimas degradativas, mas é raramente encontrada em enzimas biosintéticas. Um conjunto intermediário de enzimas apresenta especifi cidade de grupo, como as hexoquinases, que catalisam a fosforilação de uma variedade de açúcares contanto que sejam aldohexoses. A especificidade absoluta, é o tipo de especificidade exclusiva, isto é, quando uma enzima atua somente sobre um determinado co mposto, como a urease que hidrolisa a uréia, mas nenhum de seus derivados, ou a tripsina, que hidrolisa apenas ligações peptídicas formadas por grupos carboxílicos dos aminoácidos básicos. Esta enzima é de importância extraordinária na determinação da seqü ência de aminoácidos em proteínas. Outro aspecto importante da especificidade das enzimas é a sua estereo - especificidade com relação ao substrato. Uma enzima pode ter uma especificidade ótica em relação aos isômeros D e L dos aminoácidos. A maioria das e nzimas hidrolisa apenas ligações peptídicas de L - aminoácidos, o que deveria ser esperado, já que as proteínas enzimáticas são constituídas por L - aminoácidos e tem conformações determinadas. As forças não covalentes por meio das quais substratos e outras mo léculas se ligam as enzimas são similares em caráter às forcas que regem a conformação das próprias proteínas. Ambas envolvem forças de Van der Waals, interações eletrostáticas, pontes de hidrogênio e interações hidrofóbicas Em geral, o sitio de ligação do substrato consiste de um entalhe ou sulco na superfície de uma enzima, complementar ao formato dos substratos (complementaridade geométrica). Além disso, os resíduos de aminoácidos que formam o sitio de ligação estão organizados de modo a formar interaç ões de atração especificamente com os substratos (complementaridade eletrônica). As moléculas que se diferem do substrato no formato ou na distribuição de grupos funcionais não podem ligar - se produtivamente à enzima. 3.5 Mecanismo de ação de uma enzima A reação enzimática ocorre em duas etapas: (1) S + E ES* (etapa reversível) (2) ES E + P (etapa irreversível) * complexo enzima - substrato Alguns modelos foram propostos para explicar o tipo de ligação estabelecida entre enzima e substrato. Emil Fischer desenvolveu no século passado o conceito de especificidade enzimática, estabelecendo que existe uma relação estérica entre enzima e substrato. Em 1894 enunciou a sua teoria na qual a especificidade enzimática é comparada a um co njunto de chave e fechadura onde a chave, neste caso o substrato, deve se ajustar à fechadura, neste caso a enzima (figura 1). Assim, cada enzima agiria sobre um número muito limitado de compostos. Figura 1: Representação esqu emática do modelo proposto por Fischer Figura 2: Representação esquemática do modelo do encaixe induzido de Koshland. A hipótese de Koshland, mais moderna, da \u201cenzima flexível\u201d ou do \u201ce ncaixe induzido\u201d considera que o sítio ativo não precisa preexistir sob uma forma geométrica rígida, devendo contudo existir um arranjo espacial preciso e específico dos grupamentos R (cadeia lateral) dos aminoácidos, arranjo esse que é induzido pelo contato com o substrato (figura 2). Estudo s por raio X indicam que os sítios de ligação aos substratos da maioria das enzimas são, em grande parte, pré - formados, mas sofrem mudanças conformacionais no momento da ligação do substrato (um fenômeno denominado ajuste induzido). 4. Reações Catalisadas por Enzimas Para reagir, as moléculas presentes em uma solução devem colidir com orientação apropriada e com a quantidade de energia que lhes permitam formar o complexo ativado, denominado estado de transição que representa os reagentes em seu estado ati vado. Para atingir o estado de transição, necessita - se de uma quantidade de energia definida como energia de ativação (E a) ou mais comum em bioquímica energia livre de ativação, ?G+ (o símbolo (+ ) indica o processo de ativação). Sob condições fisiológ icas, a velocidade das reações pode ser aumentada pela redução da energia livre de ativação conseguida pela ação de enzimas.

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