Exercícios de engenharia bioquímica

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE GOIÁS 
INSTITUTO DE CIÊNCIAS BIOLÓGICAS 
DEPARTAMENTO DE BIOQUÍMICA E BIOLOGIA MOLECULAR 
Curso de Engenharia Química e Química Industrial 
Disciplina: Engenharia Bioquímica 
Professor: Armando Garcia Rodriguez 
 
Exercícios – Parte 3 
 
Qual a definição de enzimas? 
Enzimas são grupos de substâncias orgânicas de natureza proteica com atividade catalisadora intra e extracelular. 
Qual a diferença entre cofatores, coenzimas e grupo prostético? 
Cofatores são grupos que se ligam às enzimas para criar um sítio ativo para reação com substrato, podendo ser de origem orgânica (coenzima, ou seja, um tipo de cofator) ou iônica. Já o grupo prostético é uma classificação dentro das coenzimas (que estão dentro dos cofatores) que são aquelas ligadas covalentemente às enzimas. 
Como as enzimas são classificadas? 
Óxido-redutases, transferases, hidrolases, liases, isomerases, ligases (ou sintetases). 
Quais os dois modelos de encaixe da enzima com o substrato. Discorra sucintamente sobre cada um deles. 
Hidrólise, em que há a degradação de um substrato em dois produtos quando este se liga no sítio ativo da enzima; e síntese, quando dois substratos se ligam aos sítios ativos da enzima formando um único produto. 
Esquematize uma curva que represente a cinética de Michaelis-Menten, descrevendo o que acontece nela. 
Curva de Michaelis-Menten (velocidade X concentração de substrato) tem uma curva exponencial (?) até o ponto em que se alcança a velocidade máxima e, independente da adição de substrato, a curva se torna assintética. 
Por que calcular os parâmentros Km e Vmax há a necessidade de linearizar a equação de Michaelis-Menten? 
Pois com a linearização é possível determinar a concentração de substrato exata em que se alcança a velocidade máxima de reação, assim não ocorre a saturação de substrato no meio. 
Quais são os tipos de inibição? Qual a diferença entre elas? 
Inibição reversível, que acontece com inibidores competitivos: se assemelham ao substrato e se ligam fracamente à enzima, liberando o sítio ativo desta quando na presença do substrato; e inibição irreversível, com inibidores não competitivos: se estabilizam com a enzima por ligação covalente, impedindo a ativação desta ou a transformação do complexo ativado em produto. 
Dados os seguintes gráficos, diga qual tipo de inibição sofreu a enzima e explique. 
 
 
 
A enzima do primeiro gráfico sobre inibição competitiva (a adição de substrato aumenta a velocidade de reação) e do segundo gráfico sobre inibição não competitiva (a adição de substrato não tem efeito sobre a velocidade). 
 
Cite enzimas importantes na indústria e comente a sua função. 
Lipases: remoção de gorduras nas indústrias têxtil e de papel, além de ser usada na indústria alimentícia (leites e gorduras); 
Amilases: degradação do amido para indústrias de cervejaria, álcool, alimentícia, além de têxtil. 
Quais enzimas podem ser extraídas do malte? 
Proteases, lipases, óxido-redutases, hemicelulases e principalmente amilases. 
Como pode ser realizada a extração das endoenzimas? 
Por agitação mecânica ou com abrasivos, ultrassom, congelamento seguido de descongelamento, uso de detergente e solvente, entre outros métodos de extração. 
Quais são os métodos de purificação para enzimas? 
Por solubilidade em determinado solvente com carga específica ou em solventes miscíveis a água (diminuição da constante dielétrica da solução); por carga, na cromatografia por carga iônica; por tamanho, na cromatografia em gel; por afinidade, utilizando outras moléculas semelhantes ao substrato ou mudança de pH e força iônica. 
Qual a necessidade de etapa de concentração na purificação de enzimas? Quais são os métodos utilizados? 
Para obter maior concentração e pureza das enzimas envolvidas. Pode ser feita por adição de polímero (poros pequenos), remoção do solvente (membrana) ou remoção de água (liofilização). 
Quais as vantagens da imobilização de células e enzimas? 
Possibilidade de utilizar maiores concentrações e obter maiores velocidades e quantidade de produto; possibilidade de operação em sistemas contínuos a alta velocidade; eliminação de reciclos externos; possibilidade de utilização de biorreatores mais adequados e específicos; entre outras. 
Descreva os métodos de imobilização de células e enzimas, vantagens, desvantagens de cada um. 
Adsorção: utilização de materiais inorgânicos e poliméricos com formação de ligação iônica, porém sofre influência do meio. Ligação covalente: utiliza esferas de vidro, APTS e glutaraldeído e este, por sua vez, se liga a molécula, porém possui toxicidade. Envolvimento: confinamento das moléculas em matriz de gel hidrofílico (mais utilizado), porém limitação da difusão do substrato. 
Quais são os tipos de materiais usados como suporte na imobilização de células e enzimas? Quais as características que eles devem apresentar? 
Polímeros naturais, sintéticos e materiais inorgânicos que devem possuir: não toxicidade, alta capacidade de retenção, resistência ao ataque químico, pouca sensibilidade a solicitações mecânicas e alta difusividade de substratos. 
Quais os efeitos causados pela imobilização? 
Com a imobilização das enzimas elas se tornam reutilizáveis, possuem maior estabilidade em função de temperatura e pH e sofrem menos interferência de inibidores. 
Comente as características dos modelos Chave-Fechadura e Ajuste Induzido. Qual se adequa melhor a Enzima-Substrato?
Modelo Chave/ Fechadura: Prevê um encaixe perfeito do substrato no sítio de ligação, que seria rígido como uma fechadura. 
Modelo do Ajuste Induzido: Prevê um sítio de ligação não totalmente pré-formado, nas sim moldável à molécula do substrato; a enzima se ajustaria à molécula do substrato na sua presença. Encaixe induzido se ajusta melhor.
Comente as aplicações da alfa-amilase.
Panificação: redução da viscosidade e acelerar o crescimento da massa; cervejaria: liquefação do amido; papel: remoção de goma; têxtil: remoção de gomas de amido
Defina brevemente um inibidor enzimático competitivo e e explqieu brevemente como identificar sua presença num bioprocesso, a partir de Km e Vmax.
Um inibidor enzimático competitivo é aquele que ”disputa” o mesmo sítio ativo do substrato sem se ligar irreversivelmente com a enizima isto é ele naão compromete a capacidade dessa enzima de após ter a separado do inibidor se ligar co o sbtrato e promover a reação catalítica. Assim o efeito do inibidor competitivo pode ser minimizado com o aumento da concentração do substrato uma vez que isso aumentará a probabilidade de a enzima se ligar com o substrato ao em vez de se ligar com um inibidor. A identificação da inibição competitiva é feita baseada nas características apresentadas anteriroemtne. Aumentando aconetrnação de inibidor, será observado que Km aumentará mas que a velocidade máxima ficará constante conforme ilustrado pela figura.
Defina brevemente um inibidor enzimático não-competitivo e e explique brevemente como identificar sua presença num bioprocesso, a partir de Km e Vmax.
A substância inibidora pode ligar-se tanto à enzima quanto ao complexo enzima-substrato, mas num sítio de ligação diferente. Nesse caso, a ligação do inibidor com a enzima não atrapalha a ligação do substrato, mas gera uma alteração que impede a formação do produto da reação. O Aumento da concentração de substrato [s] não terá nenhum efeito sobre a velocidade da reação.
Mencione três enzimas produzidas por fermentação e suas aplicações industriais.
- Catalase 
	* a partir de fungos, bactérias e fígado e sangue de animais
	* maceração, extração com concentrações crescentes de acetona
	* filtração, secagem, extração aquosa
	* estabilização com glicerol
	* liofilização ou cristalização
- Papaína (vegetal) é uma protease utilizada no amaciamento da carne, clareamento da cerveja. 
- Transglutaminase (microbiana) promove a formação de ligações dos aminoácidos lisina e glutamina. Formação de géis. 
Quais as vantagens do sistema de fermentação com célulasimobilizadas?
Possibilidade de utilização de altas concentrações celulares, implicando em maiores velocidades de processamento;
Operação de sistemas contínuos à vazão específica de alimentação (d) acima da velocidade específica máxima de crescimento (mmax);
Eliminação de reciclos externos de células (sedimentadores, filtros, centrífugas);
Provável obtenção de maiores fatores de conversão de substrato ao produto desejado;
Possibilidade de utilização de projeto de biorreatores mais adequados à cinética do sistema biológico utilizado;
Maior proteção ao sistema biológico em relação ao estresse ambiental ocasionado por elevadas concentrações de substrato, ph e 	cisalhamento;
Possibilita a fermentação submersa para o cultivo de linhagens de células de mamíferos dependentes de ancoragem.
V ou F
(F) Nos sistemas de fermentação com células imobilizadas não é possível operar no regime contínuo com taxa de diluição (D) superior a velocidade especifica do crescimento (umax) por causa do risco de lavagem do biorreator.
(V) Numa reação catalisada por enzima foi detectada a presença de um inibior. Observou-se que com o aumento da concentração do inibidor o valor da velocidade máxima da reação diminuía enquanto o valor da Km permanecia constante. Podemos concluir que o inibidor é não-competitivo.
(V) A enzima invertase catalisa a hidrólise da sacarosa mediante a quebra da ligação glicosídica entre a glicose e a frutose. Essa enzima pode ser classfificada como uma hidrolase de especificidade absoluta.
(F) O glutaraldeido utilizada nas técnicas de imobilização por ligação covalente pode ser tóxico para as enzimas. (para algumas células).
(V) A enzima b-galactosidade imobilizada é útil para a produção de leite e soro lácteo livre de lactose.
(F) A equação de Michaelis-Menten descreve a relação entre a temperatura concentração de substrato e a velocidade de uma reação enzimática.
(F) Os biorreatores de leito fixo e leito fluidizado não são apropriadas para realizar processos fermentativos com células imobilizadas.
(F) A enzima glicose-isomerase imobilizada é útil para a produção industrial de amido a partir da celulose (glicose e frutose).