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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA E ENGENHARIA DE ALIMENTOS ENZIMAS E SUAS APLICAÇÕES CINÉTICA ENZIMÁTICA DISCIPLINA : ENGENHARIA BIOQUÍMICA PROF: AGENOR FURIGO JUNIOR COLABORAÇÃO: ERNANDES B. PEREIRA FLORIANÓPOLIS JUNHO 2001 2 1.INTRODUÇÃO Enzimas são catalisadores biológicos, formados por longas cadeias de moléculas pequenas, chamadas de aminoácidos. São portanto, um tipo de proteína com atividade catalítica, sendo encontradas na natureza em todos os seres vivos. Sua função é viabilizar a atividade das células, quebrando moléculas ou juntando-as para formar novos compostos. A singularidade desses compostos decorre do elevado grau de especificidade ao substrato em condições moderadas, sob as quais atuam. Algumas enzimas são específicas para determinado tipo de ligação química, como, por exemplo, a capacidade da α-amilase de romper unicamente as ligações α-1,4 das moléculas de amido. Outras são específicas para um tipo particular de isômero óptico, como, por exemplo, a oxidação da β-D-glicose pela glicose oxidase. São os catalisadores potentes. “Toda enzima é uma PROTEÍNA, mas nem toda proteína é uma ENZIMA”. 1.1. Considerações iniciais Proteínas São as moléculas mais abundantes nas células, cerca de 30-70%. Contém resíduos de aminoácidos unidos por ligações peptídicas. Constituintes básicos: Carbono 50% Oxigênio 23% Nitrogênio 16% Hidrogênio 7% Enxofre 3% A massa molecular das proteínas: 6000 a 1.106 Da. A classificação das proteínas dividem-se em duas classes principais: Proteínas fibrosas e proteínas globulares. As estruturas das proteínas são descritas em níveis: primária, secundária, terciária e quaternária. As enzimas pertencem a classe das proteínas globulares, tendo como estrutura a terciária. 3 As proteínas tem várias funções biológicas, tais como: . Enzimas . Proteínas transportadoras . Proteínas de armazenamento . Proteínas contráteis . Proteínas estruturais . Proteínas de defesa . Proteínas de regulagem Aminoácidos São compostos químicos que apresentam em sua fórmula química grupo carboxílico (-COOH) e grupo amino (-NH2). Representação esquemática de aminoácidos: H R ⎯ C* ⎯ COOH NH2 Os aminoácidos são diferenciados de acordo com o grupo R ligado ao carbono assimétrico. Na natureza são encontrados 20 aminoácidos encontrados. Alguns exemplos: Grupo R alifático não polar Glicina – Gly-G Alanina – Ala – A Valina – Val – V Grupo R aromático: Fenilalanina – Phe – F Tirosina – Tyr - Y Triptofano – Trp - W 4 Quimicamente, enzimas são proteínas com estrutura especial contendo um centro ativo denominado apoenzima e, às vezes, um grupo prostético (cofator) que pode ser orgânico (coenzima) ou um íon metálico ativo. A habilidade com que a enzima se liga ao substrato se denomina “atividade biológica” e depende: a) estrutura da proteína; b) número de cadeias peptídicas; c) arranjo dessas cadeias na molécula; d) natureza do substrato; e) natureza do grupo prostético (se houver). Cada organismo vivo produz uma grande variedade de enzimas, a maioria delas em pequenas quantidades. Algumas são produzidas em grandes quantidades por certos microrganismos, que as excretam para o meio externo. As enzimas extracelulares são capazes de digerir materiais nutritivos insolúveis, como celulose, proteínas e amido. Algumas destas enzimas são usadas em alimentos, bebidas, laticínios, nas industrias farmacêuticas, têxtil e de detergentes. Sua utilização é feita em processos biotecnológicos industriais, ajudando a reduzir a poluição, muitas vezes substituindo processos químicos nefastos ao meio ambiente. São produzidas comercialmente em grande escala, por síntese microbiana, através de fungos ou de bactérias. O processo de produção é normalmente anaeróbico e o meio de cultura similar aos usados para a fermentação de síntese de antibióticos. As enzimas são especialmente importantes porque agem em grupos funcionais específicos, catalisando reações de forma estereoespecífica, formando somente um ou dois enantiômeros possíveis. Algumas características importantes das enzimas podem ser citadas, tais como: ♦ São produtos naturais biológicos. ♦ Apresentam um alto grau de especificidade. ♦ Reações baratas e seguras. ♦ Possuem mecanismo de turnover, desempenhando a mesma função consecutivamente, sem serem consumidas no processo. 5 ♦ São altamente eficientes, acelerando a velocidade das reações catalisadas. ♦ São econômicas, reduzindo a energia de ativação necessária para a reação catalisada. ♦ São biodegradáveis, sendo o lodo residual reciclado como biofertilizante. ♦ Não são tóxicas. ♦ Altamente eficientes: aumentando a velocidade de reação de 108 a 1011 vezes mais rápida. ♦ Condições brandas. Comparação das Enzimas com os Catalisadores Químicos Característica Enzimas Catalisadores Químicos 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 6 Classificação e Nomenclatura das Enzimas Estão disponíveis comercialmente mais de 300 enzimas, de acordo com a Comissão de Enzimas (EC) da União Internacional de Bioquímica (IUB)→ responsável pela nomenclatura e classificação São divididas em seis classes: baseiam-se na reação que catalisam. O primeiro número designa a qual das 6 classes a enzima pertence. O segundo número indica o tipo de ligação que a enzima atua. O terceiro número é uma subclassificação do tipo de ligação e o quarto número é apenas um número de série. Principais Classes de Enzimas Primeiro EC número Classe da enzima Tipo de reação catalisada 1. Oxirredutases Catalisam reações de oxirredução. Transferência de H, O ou elétrons. 2. Transferases Catalisam transferências de grupos entre moléculas 3. Hidrolases Catalisam reações de hidrólise 4. 5. 6. Liases Isomerases Ligases Catalisam a adição de grupos a ligações duplas e vice-versa Catalisam reações de isomerização Catalisam a união de duas moléculas, associadas à ruptura da ligação tirofosfato do ATP 7 Mercado Global de Enzimas Setor Enzimas Milhões de Dólares (US$) Produção de amido α-amilase, glucoamilase, glucose isomerase 500 Detergentes Protease, lipase, amilase 450 Têxteis Amilases 150 Tratamento de couro Enzimas diversas 25 Papel e celulose Celulases 25 Laticínios Lactase 150 Papaína - 25 Pectinesterases - 30 Total 1.355 bilhões Dados de 1998 2-GENERALIDADES 2.1- ENERGIA DE ATIVAÇÃO Termodinamicamente falando, as enzimas são catalisadores biológicos que abaixam seletivamente as energias de ativação das reações químicas vitais. Energia de ativação, é a energia mínimanecessária para que uma molécula de reagente ou de substrato S alcance o estado de transição S••P≠ e daí se tornar uma molécula de produto P. A velocidade da reação S→P depende do número de moléculas de S que alcançam o estado de transição por unidade de tempo. Na presença de uma enzima apropriada, a temperatura ambiente fornece uma quantidade suficiente de moléculas reagentes com a necessária energia de ativação. Uma reação catalisada por enzima pode processar a 25oC, 108 a 1011 vezes mais rapidamente que a mesma reação não catalisada. As enzimas não afetam o ∆G (energia livre de Gibbs) ou a Keq (constante de equilíbrio) de uma reação. Elas simplesmente aceleram a velocidade com a qual a reação alcança o equilíbrio. No equilíbrio, as reações em ambos os sentidos são iguais. 8 Portanto: S P vf = k1[S] = vd = k –1 [P] Keq P S k k = = − [ ] [ ] 1 1 onde, vf = velocidade de formação do produto P. vd = velocidade de dissociação do produto P. [S] = concentração de substrato S. [P] = concentração de produto P. Na presença de uma enzima apropriada, k1 e o k-1 crescem na mesma ordem. Se k1 aumenta de 106 vezes, o k -1 deve também aumentar de 106 vezes. O ∆G e o Keq permanecem invariáveis (figura 1). FIGURA 1- ∆G e Ea de (a) uma reação não enzimática; (b) uma reação enzimática. 2.2- O SÍTIO ATIVO Sua função é de ligação e catalítica. A seqüência total de uma reação enzimática pode ser descrita como: S + E → ES → EP → E + P k1 k-1 P P S S Ea Ea (a) (b) Nível de energia Nível de energia (S••P)≠ ∆G (S••P)≠ ∆G 9 Embora a enzima participe da seqüência da reação, ela não sofre nenhuma transformação. Sendo assim, apenas poucas moléculas de E são capazes de catalisar a conversão de milhares de moléculas de S a P por exemplo. A existência de um complexo enzima-substrato, ES, foi deduzida: a) do alto grau de especificidade apresentado pelas enzimas; b) da forma da curva de velocidade contra concentração de substrato; c) do fato de que substratos freqüentemente protegem as enzimas de inativação. O alto grau de especificidade das enzimas originou a hipótese do modelo “templete” ou da analogia “chave-fechadura” (Emil Fischer,1894). Esse modelo considera que a enzima possui uma região chamada sítio ativo, a qual é complementar em tamanho, forma e natureza química à molécula de substrato (figura 2). A hipótese de Koshland, mais moderna, da “enzima flexível” ou do “encaixe induzido” 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 3). O sítio ativo de uma enzima ocupa apenas uma pequena parte da molécula de enzima. FIGURA 2- Hipótese da chave fechadura (templete) de especificidade das enzimas. FIGURA 3- Hipótese do encaixe induzido de Koshland. (a) O substrato se aproxima do sítio ativo. (b) A ligação do substrato induz o alinhamento apropriado dos grupos catalíticos A e B. 3- CINÉTICA ENZIMÁTICA + E S ES A C B A C B E S E S (a) (b) 10 Entende-se por cinética enzimática a análise quantitativa do efeito de cada um dos fatores que influencia a atividade enzimática avaliada através do aumento ou redução da velocidade da reação catalisada. A atividade da enzima, e, portanto a cinética enzimática é determinada pela concentração da enzima, concentração de cofatores, concentração e tipo de inibidores (quando presentes) e ainda pH, T e força iônica. 3.1. CATÁLISE Característica do catalisador Modificar a velocidade da reação, sem ser nela consumido ou aparecer entre os produtos. Não apresenta efeito termodinâmico global: energia livre liberada ou absorvida na reação independente da presença ou ausência do catalisador. Atua pela redução da Energia de Ativação. Catalisador mais reagente: estados de transição mais estável→redução da energia de ativação. Influência da Concentração de Enzima Sob determinadas condições, a velocidade de transferência do substrato em produto é proporcional à quantidade de enzima. Desvios da linearidade podem ocorrer devido a: presença de inibidores na própria solução de enzima; presença de substâncias tóxicas; presença de um ativador que dissocia a enzima; e limitações impostas pelo método de análise. A fim de se evitar o efeito causado por estes fatores recomenda-se utilizar nos ensaios cinéticos, sempre que possível: enzimas com alto grau de pureza; substratos puros; e método de análise confiável. Influência do pH Geralmente as enzimas são ativas numa faixa restrita de pH e na maioria dos casos há um pH ótimo definido. 11 O efeito do pH sobre a afinidade pode ser eliminado utilizando-se altas concentrações de substrato de modo a se saturar a enzima em todos os valores de pH; e 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. Como as enzimas são proteínas contém muitos grupos ionizáveis, elas existem em diferentes estados de ionização, por isso, a atividade catalítica é restrita a uma pequena faixa de pH (HARTMEIER). A atividade da enzima deve ser então medida no pH ótimo. A estabilidade de uma enzima ao pH depende de muitos fatores como: temperatura, força iônica, natureza química do tampão, concentração de vários preservativos (por exemplo, glicerol, compostos sulfídricos), concentração de íons metálicos contaminantes, concentração de substratos ou cofatores da enzima e concentração da enzima. Efeito da Temperatura A atividade catalítica das enzimas é altamente dependente da temperatura, como no caso dos catalisadores convencionais, porém, à medida que se eleva a temperatura dois efeitos ocorrem simultaneamente: (a) a taxa de reação aumenta, como se observa na maioria das reações químicas; e (b) a estabilidade da proteína decresce devido a desativação térmica. A influência da temperatura sobre a atividade da enzima é geralmente, representada em termos de atividade ou velocidade de reação em função da temperatura, ou seja, a maioria das reações químicas se processa a uma velocidade maior à medida que a temperatura aumenta.. O efeito da temperatura de uma enzima depende de um número de fatores inculem o pH e a força iônica do meio e a presença ou ausência de ligantes. Os substratos freqüentemente protegem a enzima da desnaturação pelo calor. No processo de desnaturação térmica ocorre a perda da atividade biológica da enzima. Toda enzima tem uma temperatura ótima para que atinja sua atividade máxima, ou seja, é a temperatura máxima na qual a enzima possui uma atividade constante por um período de tempo. 12 3.2- Sistema Unirreacional Simples – Tratamento Em Equilíbrio Rápido (Henri, Michaelis e Menten) A reação enzimática mais simples envolve um único substratose transformando em um único produto. Admite-se que, inicialmente, a enzima e o substrato reagem reversivelmente, formando um composto intermediário denominado complexo enzima- substrato que, por sua vez, ou se decompõe ou reage com outra substância, regenerando a enzima e formando os produtos da reação. Considerando o caso mais simples possível, caracterizado pelos seguintes pontos: a) a formação do complexo enzima-substrato se dá na proporção de 1 mol de enzima para 1 mol de substrato; b) o complexo formado se decompõe, sem reagir com outras substâncias existentes no sistema. A seqüência da reação é: E + S ES E + P A equação de velocidade pode ser obtida considerando condições de equilíbrio rápido: a) E, S e ES alcançam o equilíbrio muito rapidamente em comparação com a velocidade com a qual ES se transforma em E + P (etapa lenta); b) a velocidade instantânea em qualquer tempo depende da concentração de ES: v = kp[ES], onde kp = constante de velocidade catalítica. A enzima total está distribuída entre E e ES ⇒ [E]t = [E] + [ES]. Dividindo a equação de velocidade por [E]t, onde [E] + [ES] é usado no termo da direita, obtemos: v [E] k [E] [ES] [ES] t p= + No equilíbrio a [ES] pode ser expresso em termos de [S], [E] e Ks, onde Ks é a constante de dissociação do complexo ES: K s E S ES k k E S S E K s = = ∴ =−[ ][ ] [ ] [ ] [ ][ ]1 1 k1 k- kp 13 Substituindo-se para [ES]: v [E] k [S][E] Ks [E] [S][E] Ks t p = + Rearranjando-se, tem-se: v k [E] [S] K s 1 [S] K s p t = + Se v = kp[ES], então kp[E]t = Vmáx é a velocidade máxima que será observada quando toda a enzima estiver presente sob a forma de ES, então: v V [S] Ks 1 [S] Ks (1) max = + Ou v V [S] Ks [S] (2) max = + Equação de Henri-Michaelis-Menten A equação (2) nos dá a velocidade “instantânea” ou “inicial” relativa a Vmáx para uma dada concentração de substrato. A equação só é válida se v é medida num tempo pequeno o suficiente para que [S] permaneça praticamente constante. Pra isto não mais do que 5% do substrato devem ser utilizados durante o tempo de ensaio. 3.3. TRATAMENTO DO ESTADO ESTACIONÁRIO (BRIGGS E HALDANE) Se a enzima estiver presente em quantidades “catalíticas” (isto é, [S] >> [E]t), então a velocidade de aparecimento de ES será praticamente igual à velocidade de desaparecimento de ES caracterizando-se um estado estacionário no qual a concentração de ES permanece praticamente constante num certo período de tempo. 14 A equação de velocidade pode ser derivada de maneira muito similar à equação anteriormente descrita. Neste caso, ES será obtido da equação do estado estacionário ao invés de expressões de equilíbrio: E + S ES E + P v = kp[ES] v [E] k [E] [ES] [ES] t p= + (2a) Analisando a seqüência de reação, verifica-se que: Velocidade de formação de ES = k1[E][S] Velocidade de decomposição de ES = k-1[ES] + kp[ES] = (k-1 + kp)[ES] No estado estacionário, d[ES]/dt = 0 (não há acúmulo) ou, k1[E][S] = (k-1+kp)[ES] Resolvendo para [ES]: [ES] k [E][S] (k k ) 1 1 p = +− Onde, k k k K = constante de Michaelis - Menten1 p 1 m − + = Assim: [ES] [E][S] Km = , que substituindo na equação da velocidade: v k [E]p t = + [ ][ ] [ ] [ ][ ] S E K E S E K m m v V [S] K 1 [S] K max m m = + ou v V [S] K [S] (3) max m = + Km é diferente de Ks: K E S ES k k k m p= = +−[ ][ ] [ ] 1 1 k1 k-1 kp 15 K s E S ES k k = = −[ ][ ] [ ] 1 1 A constante de Michaelis, Km, é uma constante dinâmica. ou de pseudoequilíbrio, que expressa a relação entre as concentrações reais no estado estacionário ao invés de concentrações no equilíbrio. Se kp é muito pequeno quando comparado com k-1, Km se reduz a Ks. A equação de Henri-Michaelis-Menten indica que Km é equivalente à concentração de substrato no qual uma enzima produz metade de sua velocidade máxima. v = + [S] K [S] V m max ∴quando[S] = Km, v = + K K V = V 2 m m max max Km O valor de Km indica a “afinidade” de uma enzima pelo seu substrato. O substrato com valor mais baixo de Km tem uma afinidade aparente maior para a enzima. Observação: Vmáx não é uma constante. Vmáx depende do kp, que é uma constante, e da concentração da enzima na experiência. Vmáx é proporcional à concentração de enzima (figura 4). Lembre-se que a etapa lenta da reação é [ES] → P + E e portanto a velocidade de formação de produto é praticamente a velocidade da reação: v = kp[ES] e quando v = Vmáx, temos Vmáx = kp[E]t. FIGURA 4 - Gráfico de v vs. [S] com Vmáx variando de acordo com a [E]. 3.4. CURVAS DE VELOCIDADE VS. CONCENTRAÇÃO DE SUBSTRATO A equação de Henri-Michaelis-Menten descreve a curva obtida quando a velocidade inicial é lançada em gráfico contra [S] (figura 5). Vmáx [2E] Vmáx [E] [S] v 16 A curva de v vs. [S] é uma hipérbole retangular perfeita cujos limites são Vmáx e -Km. A curvatura é fixa independentemente dos valores de Km e Vmáx. Em conseqüência, a razão das concentrações do substrato para quaisquer duas frações de Vmáx é constante para todas as enzimas que obedecem à cinética de Henri-Michaelis- Menten. FIGURA 5 - Gráfico de v vs. [S] 4- ORDEM DE REAÇÃO A curva de v vs. [S] apresenta 3 regiões distintas onde a velocidade apresenta uma resposta característica à medida que [S] aumenta (figura 6a). Em concentrações muito baixas de substrato (por exemplo, [S] < 0.01Km ), a curva de v vs. [S] é praticamente linear (figura 6b). Esta é a região de cinética de primeira ordem. Em concentrações de substrato muito altas ([S] > 100Km), a velocidade é praticamente independente da concentração de substrato. Esta é a região de cinética de ordem zero (figura 6c). Para as concentrações intermediárias de substrato, a relação entre v e [S] não segue nem uma cinética de primeira ordem nem uma de ordem zero. Km 0.5Vmáx Vmáx Velocidade inicial v Velocidade inicial v Concentração de substrato S v ordem zero 17 FIGURA 6- (a) Gráfico de v vs. [S] numa grande faixa de [S]. (b) Gráfico de v vs.[S] onde [S]<<Km. (c) Gráfico de v vs. [S] onde [S]>Km. 4.1- CINÉTICA DE PRIMEIRA ORDEM A relação linear entre v e [S], quando [S] << Km pode ser deduzida a partir da equação de Henri-Michaelis-Menten. v = V [S] K + [S] max m Quando [S] << Km ⇒ v = V [S] K m ax m ou v = k[S] (4) k = constante de velocidade de primeira ordem para a equação total. k = Vmáx/Km = moles x litro-1 x min-1/ moles x litro-1 = min-1 A equação indica que quando [S] é muito pequena, a velocidade absoluta diminui a cada momento, à medida que [S] decresce (figura 7a). Porém, em certo momento, uma fração constante de substrato presente se transforma em produto: − = ⇒d S dt [ ] v = k[S] k = -d[S] / [S] dt − =d S dt [ ] v = q u an tid ad e d e [S ] u tilizada po r um pequeno periodo Concentração de substrato S Concentração de substrato S 1aordem v Concentração de substrato S (a) (b) (c) 18 k = fração constante de substrato presente em qualquer momento. Como v diminui com o tempo na região de primeira ordem, gráficos de [S] e [P] contra o tempo são curvos (figura 7b). Pode-se determinar a quantidade de substrato utilizada ou de produto formado durante qualquer intervalo de tempo utilizando a equação integrada de velocidade de primeira ordem. FIGURA 7- Região de primeira ordem da curva de velocidade. (a) v diminui continuamente com o tempo. (b) O aparecimento de P e o desaparecimento de S não são lineares com o tempo. v = -d[S] dt = k[S] ou -d[S] [S] = kdt − =∫ ∫d Sd t k d tS S t o t[ ] [ ] [ ] 0 ⇒ ln [ ] [ ] ( ) ( )S S k t t k t t0 0 0= − = − ou 2.3log [S] [S] 0 Se [S]0 = concentração inicial de substrato e t0 = tempo zero, a equação fica assim: kt= [S] [S]log 2.3 0 (5) Onde, t = tempo decorrido [S] = concentração de substrato no tempo t Na forma exponencial: [S] = [S]0e-kt (6) A equação 5 pode ser transformada em: log[ ] . log[ ]S k t S= − + 2 3 0 v Tempo (a) Tempo (b) [S] ou [P] [S]0/2 [P] [S] [S]0 0 t1/2 19 Então, um gráfico de [S] vs. t é linear, com uma inclinação de -k/2.3 e uma interseção de log[S]0 no eixo de log[S] (figura 8). Quando [S] = ½ [S]0, t = “meia-vida”, t1/2. t1/2 = tempo necessário para converter em produto metade do substrato originalmente presente. O t1/2 é constante para reações de 1a ordem e está relacionado ao k: 2 3 1 0 5 1 2. log . /= kt 2 3 2 1 2. log / k t= 0 693 1 2. / k t= (8) FIGURA 8- Gráfico semilog da forma integrada da equaçào da velocidade de primeira ordem. 4.2- CINÉTICA DE ORDEM ZERO Quando [S] >> Km, o Km no denominador da equação de Henri- Michaelis-Menten pode ser ignorado e a equação simplificada: v = V [S] K + [S] max m [ ] [ ] [ ] S Km maxV S S >>⎯ →⎯⎯ v = Vmáx (9) Inclinação = -k/2.3 lo g [ ]S 0 2 log[S]0 log[S] t1/2 Tempo 20 5- MÉTODOS PARA CONSTRUÇÃO DE GRÁFICOS DOS DADOS E CINÉTICA ENZIMÁTICA Para facilitar a determinação das constantes cinéticas, os dados são geralmente lançados em gráficos lineares. 5.1- GRÁFICOS DOS RECÍPROCOS DE LINEWEAVER-BURK: 1/v VS. 1/[S] É baseado no rearranjo da equação de Henri-Michaelis-Menten numa forma linear (y = mx + b): v vV o = K + [S] [S]m ax m= + [ ] [ ] S K Sm Invertend : V m ax 1 v = K + [S] V [S] m m ax Separando os termos: 1 1 v = K V + [S] V [S] m m ax m ax × [ ]S ou 1 1 v = K V + 1 V m m ax m ax × [ ]S (10) 1/Vmáx 1/v 21 FIGURA 9- Gráfico duplo recíproco (1/v vs.1/[S]) de Lineweaver-Burk Existem outros tipos de gráficos: Gráfico De Hanes-Woolf: [S]/V Vs. [S] Gráfico De Woolf-Augustinsson-Hofstee: V VS. V/[S] Gráfico De Eadie-Scatchard: V/[S] Vs. V 5.2- FORMA INTEGRADA DA EQUAÇÃO DE HENRI-MICHAELIS- MENTEN Em determinadas condições pode ser difícil medir-se velocidades iniciais, embora seja ainda possível determinar-se a concentração de substrato ou produto durante o curso de uma reação. Se Keq é muito alto e o produto tem pouca afinidade pela enzima, então a velocidade decrescente com o tempo resulta somente da saturação decrescente da enzima. Km e Vmáx podem ser determinados pelo uso da forma integrada da equação de velocidade. v = − = + d S dt V S K S m ax m [ ] [ ] [ ] V dt K S S d Smax m= − + [ ] [ ] [ ] Integrando: V dt K S S d Sm ax mt t S S t= − +∫ ∫0 0 [ ][ ] [ ][ ] [ ] V dt K S d S d Smax mt t S S S St t= − −∫ ∫ ∫0 0 0[ ] [ ] [ ][ ] [ ] [ ] [ ] V t K S S S Smax m= − − −ln [ ] [ ] ([ ] [ ] ) 0 0 ou -1/Km 1/[S] 22 V t K S S S Smax m= + −2 3 0 0. log [ ] [ ] ([ ] [ ]) onde [S] = concentração de substrato em qualquer tempo t = [S]0 - [P] ([S]0 - [S]) = concentração de substrato utilizado no tempo t = [P], a concentração de produto formado no tempo t. A equação 14 pode ser dividida por t e sofrer um rearranjo, resultando em: 2 3 10 0. log [ ] [ ] ([ ] [ ]) t S S K S S t V Km m ax m = − − + (15) FIGURA 10- Gráfico de equação integrada de Henri-Michaelis-Menten. 6- INIBIÇÃO ENZIMÁTICA Um “inibidor” é qualquer substância que reduza a velocidade de uma reação enzimática. Os inibidores podem ser classificados em: competitivos Reversíveis não competitivos Inibidores Irreversíveis 6.1- INIBIÇÃO REVERSÍVEL Vmáx/Km Vmáx 2 3 0 0 0 . log [ ] [ ] log [ ] [ ] [ ]t S S S S P ou 2.3 t − ([S]0-[S])/t ou [P]/t Inclinação = -1/Km 23 Neste tipo de inibição, a atividade enzimática é recuperada com a remoção do inibidor. É caracterizada por um equilíbrio entre o inibidor e a enzima definido por uma constante de equilíbrio, ki. 6.1.1-INIBIÇÃO COMPETITIVA Um inibidor competitivo é uma substância que se combina com uma enzima livre de uma forma tal que impede a ligação do substrato. Isto é, o inibidor e o substrato são mutuamente exclusíveis, em geral porque há uma verdadeira competição pelo mesmo sítio. Um inibidor competitivo poderia ser um análogo não metabolizável ou um derivado de um substrato verdadeiro, ou um substrato substituto da enzima, ou um produto da reação. A combinação do inibidor com a enzima provoca uma mudança na conformação (estrutura terciária ou quaternária) da enzima que deforma o sítio do substrato e, portanto, impede o substrato de se ligar. As figuras abaixo ilustram os modelos de inibição competitiva: 24 O esquema de reação que descreve a inibição competitiva é: A velocidade inicial da reação é proporcional à concentração no estacionário do complexo enzima-substrato, ES. Todas as reações são reversíveis. Desse modo, podemos prever que em qualquer concentração sub- saturante fixa de inibidor: a) v, (a velocidade da reação em ausência de inibidor) pode ser igualada a v (a velocidade da reação em ausência de inibidor), porém, nesse caso, uma concentração mais alta de substrato será necessária (para obter a 25 mesma concentração de ES), e b) na presença de uma concentração de substrato muito alta (saturante), toda enzima pode ser levada à forma de complexo ES. Como conseqüência, a velocidade inicial máxima, na presença de um inibidor competitivo, é igual a V máx (velocidade inicial máxima em ausência de inibidor). A Km aparente (medico como [S] para ½ V máx) aumentará na presença de um inibidor competitivo porque, qualquer que seja a concentração deste último, existirá uma fração de enzima sob forma de EI, a qual não possui afinidade pelo S. A equação de velocidade pode ser facilmente deduzida a partir de condições de equilíbrio rápido: A figura abaixo ilustra o efeito de um inibidor competitivo no gráfico de v vs. [S]. A equação da velocidade para ainibição competitiva na forma recíproca é: 26 O gráfico recíproco (V-1 x [S]-1) é dado pela figura abaixo: A inclinação do gráfico recíproco na presença do inibidor competitivo é dada por: A Kmap é dada como: 6.1.2- INIBIÇÃO NÃO COMPETITIVA 27 Um inibidor não competitivo clássico não tem efeito na ligação do substrato, e vice-versa. S e I se ligam reversível, aleatória e independentemente em sítios diferentes. Isto é, I se liga a E e a ES: S se liga a E e a EI. Entretanto, o complexo ESI resultante é cataliticamente inativo. I pode impedir o posicionamento adequado do centro catalítico. As reações de equilíbrio são: Podemos observar pelas reações de equilíbrio que, em qualquer concentração de inibidor, uma concentração infinitamente alta de substrato não consegue levar toda enzima sob forma de ES que é a forma produtiva. Em qualquer [I] uma parte da enzima permanecerá sob a forma de complexo não produtivo ESI, donde podemos prever que Vmáx em presença de um inibidor não competitivo (Vmáx ) será menor que a Vmáx observada na ausência de inibidor. O valor Km (medido a uma [S] quando a v, é igual a 0,5 Vmáx ) permanece o mesmo na presença do inibidor não competitivo porque, qualquer que seja a concentração de inibidor, as formas da enzima que podem combinar com S (E e EI) apresentam a mesma afinidade para com o S. O efeito final de um inibidor não competitivo é fazer com que pareça que haja menor quantidade de enzima presente. A equação da velocidade é dada por: Como previsto, observamos que o único efeito de um inibidor não competitivo é diminuir a Vmáx. A figura abaixo ilustra o comportamento do gráfico V vs [S]. 28 A equação do recíproco é: A figura apresenta o gráfico recíproco V-1 vs [S]- 1: 29 A inclinação da reta no gráfico recíproco em presença de um inibidor puramente não competitivo é um função linear de [I], como já mostrado para a inibição puramente competitiva. 6.2. INIBIÇÃO IRREVERSÍVEL Um substrato que se combina irreversivelmente com uma enzima pode assemelhar-se a um inibidor não competitivo porque Vmáx diminui, ao passo que Km permanece a mesma. As reações são: A Vmáx diminui porque parte da enzima é completamente removida do sistema. Pela construção de um gráfico de Vmáx vs. a quantidade total de enzima 30 adicionada ao meio de reação em presença de I, pode-se distinguir um inibidor irreversível de um inibidor, não competitivo clássico: 7. EFEITO DO pH NA ESTABILIDADE E ATIVIDADE DAS ENZIMAS Os efeitos do pH na estabilidade de uma enzima devem ser levados em conta em qualquer estudo do efeito do pH na ligação do substrato e na catálise. Os sítios ativos nas enzimas são freqüentemente compostos por grupos ionizáveis que devem se encontrar numa forma iônica adequada para que mantenham a conformação do sítio ativo, liguem-se aos substratos, ou catalisem a reação. Além disso, os próprios substratos podem conter grupos ionizáveis e somente uma forma iônica deste substrato pode se ligar à enzima ou sofrer catálise. A figura ilustra uma curva experimental de v vs. PH para uma enzima (curva A). E o efeito do pH na estabilidade da enzima (curva B). 31 Observamos que a pré-incubação da enzima em pH 5 ou pH 8 não produz nenhum efeito na atividade medida em pH 6,8. Então, o declínio na atividade entre pH 6,8 e 8 e entre pH 6,8 e 5 deve resultar da constituição de uma forma iônica não adequada da enzima e/ou do substrato. Quando a enzima é pré-incubada em pH > 8 ou pH > 5, a atividade total não é obtida em pH 6,8. Então, parte do declínio na atividade acima de pH 8 e abaixo de pH 5 resulta de uma inativação irreversível da enzima. Um estudo do efeito do pH na estabilidade de uma enzima, tal como ilustrado pela curva B, constitui parte essencial na caracterização de qualquer enzima. A curva B de estabilidade pode ser obtida pela pré-incubação da enzima nos pH indicados por um tempo que seja, pelo menos, tão longo quanto o tempo que se gasta para fazer as determinações usuais. A atividade da enzima deve ser então medida no pH ótimo. A estabilidade de uma enzima ao pH depende de muitos fatores como (a) temperatura, (b) força iônica, (c) natureza química do 32 tampão, (d) concentração de vários preservativos (por exemplo, glicerol, compostos sulfidrílicos), (e) concentração de íons metálicos contaminantes, (f) concentração de substratos ou cofatores da enzima, e (g) concentração da enzima. 8. EFEITO DA TEMPERATURA NA ESTABILIDADE E ATIVIDADE DAS ENZIMAS A maioria das reações químicas se processa a uma velocidade maior à medida que a temperatura aumenta. Um aumento na T (temperatura) imprime maior energia cinética às moléculas de reagente, ocasionando um maior número de colisões produtivas por unidade de tempo. As reações catalisadas por enzimas se comportam de modo até certo ponto semelhante. As enzimas são moléculas protéicas complexas. Sua atividade catalítica provém de uma estrutura terciária precisa, altamente ordenada que justapõe os grupamentos R específicos dos aminoácidos de tal modo a formar sítios estereo-específicos de ligação com o substrato e o centro catalítico. A estrutura terciária de uma enzima é mantida principalmente por um grande número de ligações não covalentes fracas. Em termos práticos, uma molécula de enzima é uma estrutura muito delicada e frágil. Se a molécula absorve energia demais, a estrutura terciária romper-se-á e a enzima ficará desnaturada, isto é, perderá a atividade catalítica. Logo, a medida que a temperatura cresce, o esperado aumento em v, resultante do aumento das colisões entre E + S, é compensado pelo aumento da velocidade de desnaturação. Consequentemente, um gráfico de v vs. T em geral apresenta um pico algumas vezes chamado de “temperatura ótima”. A “temperatura ótima” depende do tempo escolhido para a realização das medidas. A verdadeira temperatura “ótima” para uma determinação é a temperatura máxima na qual a enzima possui uma atividade constante por um período de tempo pelo menos tão longo quanto o tempo da determinação. O efeito da temperatura de uma enzima depende de um número de fatores que incluem o pH e a força iônica do meio e a presença ou ausência de ligantes. Os substratos freqüentemente protegem a enzima da desnaturação pelo calor. Enzimas de baixo peso molecular compostas de uma única cadeia 33 polipeptidica e possuindo pontos dissulfetos são geralmente mais estáveis ao calor do que enzimas oligoméricas, de alto peso molecular. Em geral, uma enzima será mais estável ao calor em preparações brutas livres de células que contenham uma concentração alta e de outras proteínas (desde que na ausência de proteases). A EQUAÇÃO DE ARRHENIUS - ENERGIA DE ATIVAÇÃO A relação entre a constante de velocidade de uma reação, K, e a energia de ativação, Ea, é dada pela equação de Arrhenius. A é a constante para cada reação em particular. A forma integrada da equação de Arrhenius é: onde K2 e K1 são as constantes de velocidade específicas em duas temperaturas diferentes, T2 e T1, respectivamente. Num sistema de equilíbrio rápido e simples, Vmáx [E]t = Kp é uma constante de velocidade de primeira ordem. Assim, um gráfico de log Vmáx [E]t vs. 1/T fornece Ea para a etapa catalítica. Na prática pode-se colocar no gráfico apenas log Vmáx, uma vez que Vmáx, de uma determinada preparação é proporcional a Kp, desde que Km varia com T, não podemos admitir que uma determinada concentração de substrato seja saturante em todas as temperaturas. O ideal seriadeterminar a Vmáx a partir de um gráfico recíproco a cada temperatura. Para a maior parte das reações enzimáticas, o Vmáx depende de várias constantes de velocidade, cada qual podendo ser afetada de maneira diferente pela variação de temperatura. Isto quer dizer que a Ea calculada através 34 do gráfico de Arrhenius será um valor aparente ou “uma média”. O próprio gráfico de Arrhenius pode não ser linear se diferentes etapas se tornam limitantes da velocidade em temperaturas diferentes. Em alguns casos, o gráfico pode apresentar uma variação brusca na inclinação da reta a determinadas temperaturas (”temperatura de transição”) em que a dependência de Vmáx varia de uma etapa limitante para outra (curva B). Uma queda brusca no gráfico de Arrhenius em 1/T baixa (T alta) indica uma desnaturação da proteína (curva C). O efeito da temperatura na velocidade das reações é em geral expresso em termos de coeficiente de temperatura (Q10) - fator pelo qual a velocidade aumenta quando a temperatura aumenta de 10oC. 35 9. DETERMINAÇÃO DAS ENZIMAS 9.1. UNIDADES DE ENZIMAS E ATIVIDADES ESPECÍFICAS - QUANTIFICAÇÃO DE [E]t Na maior parte das preparações e concentração real da enzima é desconhecida. Consequentemente, a quantidade de enzima presente só pode ser expressa em termos de sua atividade. A determinação da atividade da enzima envolve a medida da velocidade de reação, portanto, a Comissão de Enzima da União Internacional de Bioquímica, recomenda a seguintes definição (DIXON e WEBB, 1979): “Uma unidade (U) de atividade é a quantidade de enzima que catalisa a transformação de 1 micromol de substrato, ou a formação de 1 micromol de produto por minuto”, nas condições de ensaio (temperatura, pH, concentração de substrato, etc). U= micromoles produto/minuto A concentração da enzima de uma preparação impura é expressa em termos de unidades/ml. A atividade específica é expressa em termos de atividade por miligrama de proteína (U/mg). AE = Unidades/ml = Unid/mg proteína mg proteína/ml 9.2. EXTRAÇÃO DE ENZIMAS Extração é um processo em que a proteína de interesse é transferida a partir da fase aquosa existente para outra fase, tanto aquosa ou orgânica. Neste processo, a atividade biológica é preservada. Sempre quando inicia-se a extração, definem-se as condições, tais como: concentração, tipo de extrato, bem como o tempo e a temperatura em que ocorrerá o processo, além do nível de agitação. Alguns reagentes mais utilizados na extração: NaCl, solução tampão, solventes apropriados, entre outros. 36 9.3. PURIFICAÇÃO DE ENZIMAS A purificação consiste numa série de processos que removem contaminantes até a obtenção de um produto de elevado grau de pureza. Estes processos devem ocorrer em condições que mantenham a estabilidade da molécula a ser purificada ou seja, deve-se evitar a degradação da proteína. As enzimas são purificadas pelo emprego sucessivo de métodos do fracionamento químicos ou físicos. O objetivo de cada etapa é reter o máximo possível da enzima que se quer purificar e eliminar, também o máximo possível, outras proteínas, ácidos nucléicos e outras substâncias. A eficiência de cada etapa é dada por um “rendimento” ou “recuperação” (a porcentagem retida da atividade total da enzima originalmente presente) e a “purificação” ou “fator de purificação” (o fator pelo qual a atividade específica da preparação aumentou). O objetivo é otimizar ambos os fatores. Algumas vezes, um bom rendimento é sacrificado em função de uma etapa excelente de purificação; algumas vezes uma boa etapa de purificação não é utilizada porque o rendimento é muito baixo. A recuperação e a purificação são representadas por: Recuperação = unidades totais na fração purificada unidades totais no extrato bruto x 100% Purificação = atividade específica na fração purificada atividade específica do extrato bruto x 100% Não há regras gerais com relação à ordem das etapas de purificação, embora sejam normalmente utilizados em primeiro lugar nas etapas de purificação o tratamento por calor (onde possível) e as precipitações por sulfato de amônio. A filtração em gel seguir-se à precipitação por sulfato de amônio, servindo para dessalificar a preparação assim como para fracionar as proteínas de acordo com o tamanho. Se a cromatografia de troca iônica é usada posteriormente à precipitação por sulfato de amônio, é recomendável dialisar a preparação rápida em gel (por exemplo, Sephadex G-25). A eliminação do sulfato de amônia facilitará a ligação das proteínas à resina de troca iônica. Outras etapas podem ser altamente eficientes para certas enzimas incluem 37 centrifugação diferencial, precipitação por sulfato de protamina ou sulfato de estreptomicina, cromatografia de afinidade, e eletroforese preparativa em gel. 9.4. Precipitação de Proteínas Uma das etapas iniciais de purificação é a precipitação de proteínas de uma solução aquosa concentrada (extrato). Vários agentes precipitantes são disponíveis, incluindo sais, calor, pH e solventes orgânicos. A solubilidade da proteína é devido, em grande parte, à distribuição de resíduos hidrofílicos e hidrofóbicos na superfície da molécula e, desta maneira, proteínas diferentes componentes de uma mistura, ao responderem de modo distinto a agentes precipitantes, podem ser separadas. O fracionamento de acordo com a solubilidade em soluções de sulfato de amônio é muito utilizado em protocolos de isolamento de proteínas e, em geral, fornece preparações com menor grau de contaminação e mais enriquecidas da proteína de interesse. Adicionalmente, preparações homogêneas podem ser obtidas pela precipitação dos contaminantes permanecendo a proteína de interesse solúvel. 9.5. Quantificação de Proteínas A determinação quantitativa de proteínas é indispensável durante o procedimento de isolamento e caracterização destas biomoléculas. Entre os vários métodos para quantificar proteínas, o de Lowry e colaboradores e a medida da absorção de luz ultravioleta (280 nm) são freqüentemente utilizados. 9.6. Processos cromatográficos Cromatografia é um procedimento físico-químico que se desenvolve em um meio sólido, de origem orgânica (Sephadex, Celulose) ou inorgânica (poliacrilamida, sílica). Neste processo ocorre a separação dos componentes constituintes de uma mistura, devido a migração destes em diferentes velocidades, através de uma coluna. Em cromatografia vários são os fatores que determinam a qualidade da separação (resolução), sendo exemplos: temperatura e velocidade de fluxo, 38 volume e concentração da amostra e propriedades da matriz, como: forma e tamanho da partícula e número de sítios de adsorção disponíveis. Cromatografias mais utilizadas: cromatografia de troca iônica, cromatografia de afinidade, cromatografia de fase reversa, cromatografia de exclusão (filtração em gel). 10. UTILIZAÇÃO DE ENZIMAS 10.1. HISTÓRICO 1876 – Willain Krihne, propôs o nome ENZIMA EN = EM ZIMA = LEVEDO Enzimas de plantas e animais de importância industrial Nome Fonte Aplicação Papaína mamão Digestiva, médica, bebidas, carne Bromelina abacaxi Digestiva, médica, bebidas, carne Diastase malte Xarope, panificação, digestivo Pepsina estômago Amaciamento de carne 10.2. Usos de Enzimas na Indústria Industria de Cerveja Indústria de Amido E Açucares Indústria de Álcool Detergentes Têxtil Papel E Celulose Curtumes Panificação 11. BIBLIOGRAFIA BROCK, T. (1997), Biology of Microorganisms. Prentice-Hall Inc. Chapter12. Industrial Microbiology. 39 GLAZER, A. N. & NIKAIDO, H. (1994) Microbial Biotecnology, fundamentals of applied Biotecnology. University of California, Berkeley. W. H. Freeman & Company, N.Y. NOVONORDISK. (1995) Apostila sobre uso de enzimas. SHREVER, R. N. & BRINK JR, J. A. (1980) Indústrias de Processos Químicos. Ed. Guanabara Dois S.A. R.J. SEGEL, I.H. (1979) Bioquímica. Teoria e Problemas. Ed. Livros técnicos e científicos. RJ. BAILEY, J. E. e OLLIS,.D. F. – Biochemical Engineering Fundamentals – 2 nd edition. LEHNINGER, A . L. - Bioquímica - volume 1 - Componentes Moleculares das Células
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