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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE - FURG ESCOLA DE QUÍMICA E ALIMENTOS - EQA BIOQUÍMICA EXPERIMENTAL Prática 4 e 5: Extração e medida da atividade de enzimas amilolíticas e determinação da sua atividade - tempo e temperatura Júlia Gonzalez - 86756 Lisliane Kickofel - 71591 Simone Soares - 47475 Profª Márcia Luvielmo Rio Grande 2018 1. INTRODUÇÃO As enzimas são substâncias orgânicas específicas compostas por polímeros de aminoácidos, que atuam como catalisadores no metabolismo dos seres vivos. Há muito tempo as enzimas são utilizadas como catalisadores em uma série de reações. Por exemplo, a utilização do malte da cevada já era usado para conversão do amido em açúcares fermentescíveis antigamente (SPIER, 2005). As enzimas são denominadas de acordo com o substrato sobre o qual atuam, portanto, o termo amilase indica a ação sobre o amido (amilo), que contém dois tipos de polissacarídeos: a amilose (15-20%) e a amilopectina (80-85%). A produção de enzimas amilolíticas teve início no século passado, em decorrência do interesse industrial da produção de glicose a partir de materiais amiláceos. As amilases promovem a hidrólise do amido a açúcares redutores, sendo detectadas há mais de um século em grande variedade de materiais biológicos. Essas enzimas são designadas amilolíticas porque promovem a degradação do amido (SANTANA, 2012). As enzimas são consideradas catalisadores biológicos, formados por longas cadeias de moléculas pequenas ligadas entre si (aminoácidos). São, portanto, um tipo de proteína com atividade catalítica, sendo encontrada em todos os seres vivos. Sua principal função é viabilizar a atividade das células, quebrando moléculas ou juntando-as para formar novos compostos, sob condições específicas para cada substrato. A interação enzima-substrato ocorre no interior de uma cavidade chamada sítio ativo. A substância que sofrerá a ação da enzima será transformada pelos resíduos de aminoácidos presentes no plano do sítio ativo (LEHNINGER, 1985). As enzimas podem ser extraídas de células vegetais e animais. Além disso, são altamente específicas por um substrato característico; diminuem a energia de ativação e por isso aumentam a velocidade de uma reação química; e agem em condições brandas de temperatura e pH. (LEHNINGER, 1985). O mecanismo de atuação da enzima se inicia quando ela se liga ao reagente, mais propriamente conhecido como substrato. É formado um complexo enzima-substrato, instável, que logo se desfaz, liberando os produtos da reação. A enzima permanece intacta embora tenha participado da reação. Na formação das estruturas secundária e terciária de uma enzima, acabam surgindo certos locais na molécula que servirão de encaixe para o alojamento de um ou mais substratos.(LEHNINGER, 1985). Figura 1. Atividade enzimática através do modelo encaixe induzido. A atividade catalítica depende da integridade da conformação proteica. Se uma enzima é quebrada em seus aminoácidos constituintes, a atividade catalítica é perdida. As estruturas proteicas primárias, secundárias, terciárias e quaternárias de uma enzima são essenciais para a sua atividade catalítica (LEHNINGER, 1985). As enzimas são essenciais para os sistemas vivos. Sob condições biológicas normais, as reações não catalisadas tendem a ser muito lentas, além disso, muitas reações envolvem intermediários carregados, que torna desfavorável a formação, ou requerem a colisão de duas ou mais moléculas com a orientação precisa para que ocorra a reação. Uma enzima contorna esse problema fornecendo um ambiente específico onde uma reação é energeticamente mais favorável. A característica que distingue uma reação catalisada por uma enzima é a de ela ocorrer no interior de uma cavidade na enzima, chamada sítio ativo. A molécula que se liga ao sítio ativo é denominada substrato (LEHNINGER,1985). O amido, representado na figura 2, é um homopolisacarídeo não-redutor constituído essencialmente por dois polissacarídeos, a amilose e amilopectina. São constituídos pela molécula α-glicose, porém são ligeiramente diferentes. A amilose corresponde a um polímero de cadeia normal com mais de 1000 moléculas de α-glicose unidas por meio de uma ligação α-1,4 glicosídica e está presente na proporção de 20 a 30%. Já a amilopectina é constituída por cadeias longas e muito ramificadas de unidades de α-glicose unidas entre a ligação α-1,4 glicosídica. A ramificação é resultado de ligações cruzadas entre o carbono número 1 de uma unidade de glicose e o carbono número 6 de outra unidade formando ligação α-1,6 glicosídica e corresponde 70 a 80% restantes do amido. (SPIER, 2005) Figura 2. Representação da estrutura do amido. A α-amilase e amiloglucosidase são enzimas capazes de romper as ligações α-1,4 e α-1,6 do amido, a partir da extremidade não redutora, até a formação da glicose. Essas enzimas são chamadas de enzimas amilolíticas e possuem diversas aplicações, como por exemplo, na indústria têxtil, alimentícia, ração animal, indústria química e farmacêutica (SPIER, 2005). As amilases são enzimas que catalisam a hidrólise do amido e seus derivados, pertencendo à classe das hidrolases, dentre as quais encontram-se a α-amilase, a βamilase e a amiloglucosidase. Esta última produz glicose a partir do amido, a β-amilase produz maltose e a α-amilase dá origem às dextrinas. Estas enzimas possuem grande importância biotecnológica com aplicações em alimentos, fermentação, indústria têxtil e de papel. Amilases podem ser obtidas de diversas fontes, incluindo plantas, animais e microrganismos. Atualmente, grande quantidade de amilases microbianas estão disponíveis comercialmente e tem substituído quase completamente a hidrólise química do amido (GUPTA et al., 2003). As amilases são classificadas como endoamilases ou exoamilases conforme seu ponto de atuação. A α-Amilase pertencem à classe das endoamilases, atuando ao acaso ao longo das cadeias de amilose e amilopectina hidrolisando as ligações α-1,4 e liberando malto-oligossacarídeos. As ligações -(1,6) não são quebradas por esta enzima. Também α chamadas de enzimas dextrinizantes, estas enzimas são divididas em duas categorias, de acordo com o grau de hidrólise do substrato: a-amilases sacarificantes que hidrolisam de 50 a 60% do substrato, e as liqueficantes, que quebram 30 a 40% do substrato. De maneira geral, esta enzima ataca os grânulos de amido, formando dextrinas que serão hidrolisadas pela β-amilase (MC KNIGHT e MAZZIEIRO, 2000). A ação da -amilase sobre a amilose consiste no ataque α aleatório e rápido do substrato, resultando em maltose e maltotriose e em seguida uma etapa mais lenta permite a formação de glicose e maltose. A hidrólise da amilopectina pela a-amilase produz oligossacarídeos contendo ligações -(1,6), α além de glicose e maltose. A β-amilase trata-se de uma exoenzima que hidrolisa ligações β-(1,4) a partir da extremidade não redutora, produzindo maltose, não sendo capaz de hidrolisarligações -1,6 dos substratos ramificados, ou seja, esta α enzima é bloqueada por ramificações ou outras irregularidades na cadeia. Assim, a amilopectina é apenas parcialmente degradada pela β-amilase (MC KNIGHT e MAZZIEIRO, 2000). Figura 3. Representação esquemática da ação das enzimas amilolíticas α-amilase, β-amilase, glicoamilase, isolamilase e pululanase. A atividade enzimática pode ser influenciada pelos fatores de temperatura, concentração de substrato, pH e a presença ou ausência de inibidores. A velocidade de uma reação enzimática aumenta com o aumento da temperatura, mas a partir de uma determinada temperatura a velocidade da reação diminui bruscamente. O aumento de temperatura provoca maior agitação das moléculas e, portanto, maiores possibilidades delas se chocarem para reagir. Porém, se for ultrapassada certa temperatura, a agitação das moléculas se torna tão intensa que as ligações que estabilizam a estrutura espacial da enzima se rompem e ela se desnatura. Para cada tipo de enzima existe uma temperatura ideal, na qual a velocidade da reação é máxima, permitindo o maior número possível de colisões moleculares sem desnaturar a enzima. A maioria das enzimas humanas tem sua temperatura ótima entre 35 e 40 ºC (CISTERNAS, 2001). Além disso, à medida que aumenta a concentração do substrato, a enzima satura-se e a velocidade atinge o valor máximo (Vmáx), a saturação acontece, porque, à medida que é aumentada a concentração do substrato, aumenta também a quantidade de enzima presente sob a forma de complexo enzima-substrato, todos os sítios ativos estão ocupados com o substrato (LEHNINGER, 1985). A atividade enzimática é descrita através de velocidade máxima (Vmáx) e também da constante de Michaelis-Menten (Km) que representa a concentração do substrato a qual se detecta uma velocidade de reação igual à metade de velocidade máxima. Cada enzima possui um Km para um cada substrato e este parâmetro é utilizado para demonstrar à força de ligação de um substrato a uma enzima (CISTERNAS, 2001). A aplicabilidade da lei de Michaelis-Menten pode ser verificada calculando (V) para valores de [S], usando as constantes Vm e Km e comparando com a aplicabilidade da lei de Michaelis-Menten, usando as constantes Vm e Km e comparando com a curva experimental. O processo acima não é tão preciso, uma vez que o valor de Km pode somente ser estimado de uma maneira aproximada, um método mais preciso consiste em aplicar a lei de tal forma que permita a obtenção de uma linha reta no gráfico (CISTERNAS, 2001). A forma mais comum de se determinar os parâmetros cinéticos (Km e Vmáx) pode ser descrita pela equação de Michaelis-Menten, representada na forma inversa, pode ser vista na Equação 1, que representa uma equação do tipo: y = m x + b, em que 1/V toma o lugar do y e 1/[S] toma o lugar da coordenada x, a inclinação da reta é igual a Km/Vmáx e o intercepto no eixo y é igual a 1/Vmáx (CAMPBELL, 2007). v 1 = 1v máx + Km v máx 1 [S] (1) A equação de Michaelis-Menten é chamada de equação de Lineweaver-Buk representada na Figura 3. Figura 4. Gráfico de Lineweaver-Buk Fonte: CAMPBELL, 2007 2. OBJETIVO Os objetivos da aula é determinar o Km de enzimas amilolíticas, identificar a que tem maior afinidade pelo substrato amiláceo e avaliar para assim determinar a temperatura e o tempo ótimo de ação da enzima. MATERIAL E MÉTODOS 3.1 Material - Parte 1 e 2 ● Extrato enzimático de malte; ● Solução padrão de amido solúvel (1 mg mL-1); ● Tampão fosfato pH 6; ● Ácido acético 0,2 M; ● NaOH 1 M; ● 3,5 DNS; ● Água destilada ● Banho maria; ● Recipiente para banho de gelo; ● Tubos de ensaio; ● Pêra de sucção; ● Pipetas; ● Espectrofotômetro. 3.2 Métodos 3.2.1 Parte 1 - Estudo da temperatura de reação enzimática para a enzima Tabela 1. Procedimento para a reação enzimática Tubo Solução de amido 1% (mL) Tampão pH 6 (mL) Água (mL) Extrato enzimático de malte (mL) Banho a 55 °C (min) Banho maria (°C/5 min) 1 (B) 0 2,0 0,4 0,1 20 100 2 0,1 1,9 0,4 0,1 20 100 3 0,2 1,8 0,4 0,1 20 100 4 0,5 1,5 0,4 0,1 20 100 5 1,0 1,0 0,4 0,1 20 100 6 1,5 0,5 0,4 0,1 20 100 7 2,0 0 0,4 0,1 20 100 Após o banho-maria, resfriar os tubos. 3.2.2 Parte 1 - Quantificação de açúcares redutores Para a quantificação de açúcares redutores utilizou-se a curva padrão de glicose realizada em uma aula anterior. Tabela 2. Procedimento para quantificação de açúcares redutores Tubo Meio da reação (mL) NaOH (mL) 3,5 DNS (mL) Banho a 100 °C (min) Resfriar (min) Água Diluição 1 (B) 2,5 1 3 5 5 10 1 mL de amostra: 3 mL de H2O 2 2,5 1 3 5 5 10 1 mL de amostra: 3 mL de H2O 3 2,5 1 3 5 5 10 1 mL de amostra: 3 mL de H2O 4 2,5 1 3 5 5 10 1 mL de amostra: 3 mL de H2O 5 2,5 1 3 5 5 10 1 mL de amostra: 3 mL de H2O 6 2,5 1 3 5 5 10 1 mL de amostra: 3 mL de H2O 7 2,5 1 3 5 5 10 1 mL de amostra: 3 mL de H2O 3.2.3 Parte 2 - Temperatura ótima de reação Tabela 3. Estudo da temperatura de reação enzimática para a enzima Tubo Solução de amido 1% (mL) Tampã o pH 6 (mL) Água (mL) Extrato enzimático de malte (mL) Temperatura (°C) Tempo (min) Banho maria (°C/5 min) 1 0,5 0,1 0,3 0,1 -15 Geladeira 15 100 2 0,5 0,1 0,3 0,1 Temperatura ambiente 15 100 3 0,5 0,1 0,3 0,1 37 15 100 4 0,5 0,1 0,3 0,1 55 15 100 5 0,5 0,1 0,3 0,1 70 15 100 3.2.4 Parte 2 - Tempo ótimo de reação Tabela 4. Estudo do tempo de reação enzimática para a enzima Tubo Solução de amido 1% (mL) Tampão pH 6 (mL) Água (mL) Extrato enzimático de malte (mL) Temperatura (°C) Tempo (min) Banho maria (°C/5 min) 1 0,5 0,1 0,3 0,1 55 5 100 2 0,5 0,1 0,3 0,1 55 15 100 3 0,5 0,1 0,3 0,1 55 25 100 4 0,5 0,1 0,3 0,1 55 35 100 5 0,5 0,1 0,3 0,1 55 50 100 6 0,5 0,1 0,3 0,1 55 60 100 3.2.5 Parte 2 - Quantificação de açúcares redutores Para a quantificação de açúcares redutores utilizou-se a curva padrão de glicose realizada em uma aula anterior. Tabela 5. Procedimento para quantificação de açúcares redutores Tubo Meio da reação (mL) NaOH (mL) 3,5 DNS (mL) Banho a 100 °C (min) Resfriar (min) Água Diluição 1 (B) 1 1 3 5 5 10 1 mL de amostra: 3 mL de H2O 2 1 1 3 5 5 10 1 mL de amostra: 3 mL de H2O 3 1 1 3 5 5 10 1 mL de amostra: 3 mL de H2O 4 1 1 3 5 5 10 1 mL de amostra: 3 mL de H2O 5 1 1 3 5 5 10 1 mL de amostra: 3 mL de H2O 6 1 1 3 5 5 10 1 mL de amostra: 3 mL de H2O 7 1 1 3 5 5 10 1 mL de amostra: 3 mL de H2O 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO Utilizou-se a curva padrão da glicose preparada em outra aula para quantificação dos açúcares redutores tanto na parte 1, como na parte 2. Figura 5. Gráfico da curva padrão de glicose para posterior quantificação de açúcares redutores 3.1 Parte 1: Para o cálculo da concentração de amido, utilizou-se a seguinte relação, considerando a diluição realizada (como exemplo, usou-se o tubo 2): 10 mg 1 mL x 0,1 mL x = 1 mg Lembrando que o volume total de diluição foi primeiramente 16,5 mL e logo 3 mL. [S] = = 0,0606 mg/mL1 mg16,5 mL [S] = = 0,0202 mg/mL1 mg3 mL Para calcular a concentração de açúcares redutores, foi utilizado a equaçãoda reta da curva mostrada na Figura 2, onde y é a absorbância e x é a concentração. Já a velocidade, foi calculada a partir da concentração de açúcares redutores dividido pelo tempo de reação (20 minutos). O mesmo cálculo foi realizado para os outros tubos. Tabela 6. Dados obtidos da reação enzimática do extrato de malte e os valores de absorbância e concentração de açúcares redutores Tubo [S] amido AR (mg/mL) Velocidad e 1/[S] 1/v Abs 1 Abs 2 Média Sem o branco 1 0 - - - - 0,016 0,015 0,016 - 2 0,0202 0,0200 0,00203 49,5 492,6 0,061 0,067 0,064 0,046 3 0,0404 0,0406 0,00380 24,8 263,2 0,159 0,201 0,180 0,165 4 0,1010 0,0760 0,00616 9,9 162,3 0,374 0,387 0,381 0,365 5 0,2020 0,1232 0,00857 4,9 116,7 0,663 0,632 0,648 0,632 6 0,3030 0,1714 0,00965 3,3 103,6 0,925 0,915 0,920 0,905 7 0,4040 0,1929 0,00136 2,5 735,3 0,104 0,104 0,104 0,089 A partir dos dados obtidos, plotou-se os gráficos de Michaelis-Menten e Lineweaver-Buk para a posterior determinação de Km. Figura 6. Gráfico de Michaelis-Menten (v vs [S]) Pelo gráfico de Michaelis-Mentem o valor obtido de Km foi de 0,059, no qual a Vmáx é dividida pela metade e então é traçado uma linha, sendo o valor encontrado um valor aproximado. Figura 7. Gráfico de Lineweaver-Buk (1/v vs 1[S]) Através da equação da reta obtida pela curva de Lineweaver-Buk, foi possível determinar o Km, ao igualar a zero e encontrar o valor de x. 0 = 8,3144 x + 74,029 x = - 8,904 Utilizando a Equação 2 abaixo, determinou-se o valor de Km. x = − 1Km (2) O valor encontrado de Km por Lineweaver-Buk foi de 0,112. 3.2 Parte 2: Para a temperatura ótima de reação, foram obtidos os seguintes valores de absorbância de cada temperatura, que podem ser observadas na Tabela 7. Tabela 7. Absorbâncias obtidas para cada temperatura testada Tubo Temperatura (°C) Absorbância 1 Absorbância 2 Média 1 - 15 0,283 0,289 0,286 2 25 0,351 0,349 0,35 3 37 0,491 0,488 0,490 4 55 0,495 0,506 0,501 5 70 0,179 0,267 0,223 Para a determinação da concentração de açúcares redutores, utilizou o gráfico da curva padrão da glicose, da Figura 3. No qual a equação da reta é: y = 5,6579 x - 0,0651 Onde y é a absorbância e x a concentração dos açúcares redutores. Sendo assim, a concentração obtida pode ser observada na Tabela 8 abaixo. Tabela 8. Concentração de açúcares redutores obtidos através da curva padrão de glicose para cada temperatura testada Tubo Temperatura (°C) Concentração de açúcares redutores (mg/mL) 1 - 15 0,0621 2 25 0,0734 3 37 0,0981 4 55 0,1001 5 70 0,0509 A partir das concentrações obtidas, plotou-se um gráfico para melhor visualizar a temperatura ótima da reação enzimática. Figura 8. Gráfico da influência da temperatura sobre as enzimas do extrato de malte com o tempo de reação de 15 minutos Dentre as temperaturas testadas, aquela que obteve a maior concentração de açúcares redutores, ou seja, a temperatura em que a enzima teve a sua melhor atuação e foi considerada a temperatura ótima foi a de 55°C. A temperatura de 37 °C possuiu uma boa atuação e a diferença foi pouquíssima em relação a de 55 °C, para uma melhor avaliação é sugerido posteriores testes com temperaturas entre 37 a 55 °C para um menor gasto de energia e uma reação eficiente com a menor temperatura ótima. Como já citado anteriormente, a velocidade da maioria das reações químicas aumenta quando a temperatura aumenta, devido a agitação das moléculas. Para as reações enzimáticas, entretanto, as elevações além de certa temperatura reduz drasticamente a velocidade de reação. No qual, a temperatura ótima para a maioria das enzimas se situa entre 35 a 40 °C. A redução da velocidade de reação acima da temperatura ótima é devida a desnaturação das enzimas, ou seja, a perda de sua estrutura tridimensional característica (NAIDEK, 2016). Para a avaliação do tempo ótimo, foram obtidos as seguintes absorbâncias, que podem ser vistas na Tabela 9. Tabela 9. Absorbâncias obtidas para cada tempo testado Tubo Tempo (min) Absorbância 1 Absorbância 2 Média 1 5 0,412 0,412 0,412 2 15 0,479 0,479 0,479 3 25 0,491 0,505 0,498 4 35 0,471 0,465 0,468 5 50 0,480 0,523 0,502 6 60 0,433 0,482 0,458 Vale ressaltar, que a concentração de amido para o estudo da temperatura e o tempo ótimo, foi de 0,5 mg/mL. Para a determinação da concentração de açúcares redutores, realizou-se o mesmo procedimento da temperatura ótima. Ou seja, através da equação da reta da curva padrão de glicose. Tabela 10. Concentração de açúcares redutores obtidos através da curva padrão de glicose para cada tempo testado Tubo Tempo (min) Concentração de açúcares redutores (mg/mL) 1 5 0,0843 2 15 0,0962 3 25 0,0995 4 35 0,0942 5 50 0,1002 6 60 0,0923 A partir das concentrações obtidas, plotou-se um gráfico para melhor visualizar o tempo ótimo da reação enzimática. Figura 9. Gráfico da influência do tempo sobre as enzimas do extrato de malte na temperatura de reação de 55 °C Dentre os tempos testados, o tempo de 25 e 50 minutos obtiveram a maior concentração de açúcares redutores, ou seja, o tempo em que a enzima possui uma melhor atuação, porém visando diminuir o tempo, o tempo considerado ótimo foi de 25 minutos. Assim como, é possível observar que o tempo não tem tanta influência na reação enzimática, pois a concentração de açúcares redutores foram todas muito próximas. 4. CONCLUSÃO Através da realização das práticas, obteve-se o valor de Km pelo método de Michaelis-Menten e de Lineweaver-Buk, sendo eles 0,059 e 0,112, respectivamente. Além disso, determinou-se a temperatura ótima de 55°C (com o tempo de reação de 15 minutos) para a ação das enzimas do extrato de malte sobre o amido e o tempo ótimo, ou seja, melhor desempenho de hidrólise a 55°C em 25 minutos. 5. REFERÊNCIAS LEHNINGER, A. L. PRINCÍPIOS DE BIOQUÍMICA. 2. ed. São Paulo: Editora Sarvier,1985 CISTERNAS, J.R.; VARGAS, J.; MONTE, O. Fundamentos de Bioquimica Experimental. São Paulo: Editora Atheneu, 2ª Ed., 2001 CAMPBELL, Mary K. Bioquímica. 3. ed. Porto Alegre, RS: Artmed, 2007 SPIER, M. R. PRODUÇÃO DE ENZIMAS AMILOLÍTICAS FÚNGICAS α-AMILASE E AMILOGLUCOSIDASE POR FERMENTAÇÃO NO ESTADO SÓLIDO. Dissertação de mestrado, 2005. Disponível em: <https://acervodigital.ufpr.br/bitstream/handle/1884/4684/Disserta%E7%E3o%20de %20Mestrado%20-%20Michele%20Rigon%20Spier.pdf;jsessionid=47CC74D13B5 F3F52BAC164E34A81A878?sequence=1> SANTANA, RSM. Produção de enzimas amilolíticas através da fermentação em estado sólido. Tese de Doutorado. Universidade estadual do sudoeste da Bahia, Itapetininga, BA, 2012. Disponível em: <http://www2.uesb.br/ppg/ppgecal/wp-content/uploads/2017/04/RENATA-MAFRA.p df> NAIDEK, K. Cinética Enzimática, 2016. Disponível em: <http://www.joinville.udesc.br/portal/professores/karine/materiais/Aula_09.pdf> Guandalini, Natália Capeletti G931e Estudo da produção de enzimas amilolíticas pelo fungo Metarhizium ansiopliae utilizando resíduos amiláceos como substrato / Natália Capeletti Guandalini. – Campinas, SP:, 2007. Disponível em: <http://repositorio.unicamp.br/bitstream/REPOSIP/255479/1/Guandalini_NataliaCapeletti_M.pdf>
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