Importância das Coenzimas no Metabolismo

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Importância das coenzimas no metabolismo energético
As enzimas são em sua grande maioria proteínas que aceleram a velocidade das reações químicas, ou seja, funcionam como catalisadores biológicos.
Muitas enzimas para exercerem a sua função de catasador necessitam de cofatores que podem ser íons metálicos como o Fe2+ e o Cu2+, mas também podem ser compostos orgânicos. Quando o cofator for um composto orgânico recebe o nome de COENZIMA.
As coenzimas podem estar ligadas covalentemente as enzimas ou podem estar livres sendo apenas unidas as enzimas no momento da catálise.
Duas coenzimas muito discutidas na bioquímica é o FAD e o NAD+ que são muito importantes no metabolismo energético, ou seja, na formação de ATP a partir dos nutrientes ingeridos ou armazenados no organismo.
A coenzima FAD encontra-se covalentemente ligada a enzima, sendo considerada o seu grupo prostético. Por outro lado, a coenzima NAD+ está livre podendo auxiliar a enzima na sua catálise.
Várias coenzimas são formadas a partir das vitaminas do complexo B e tem como função o transporte de grupos. 
A tabela abaixo mostra alguns exemplos de coenzimas, o grupo transportado e a vitamina precursora.
	COENZIMA
	GRUPO TRANSPORTADO
	VITAMINA
	TPP (Tiamina pirofosfato)
	Aldeído
	Tiamina (B1)
	FAD (Flavina adenina dinucleotídeo)
	Hidrogênio
	Riboflavina (B2)
	Coenzima A
	Acila
	Ácido Pantotênico (B5)
	NAD+ (Nicotinamida adenina dinucleotídeo)
	Hidreto
	Niacina (B3)
O NAD+ e o FAD são formados por um nucleotídeo de adenosina ligado a um nucleotídeo de nicotinamida (NAD+) ou a um nucleotídeo de riboflavina (FAD).
Observe a figura abaixo e perceba que as vitaminas são componentes destas coenzimas.
Estrutura das formas oxidadas da nicotinamida adenina dinucleotídio (NAD+) e da flavina adenina dinucleotídio (FAD).
O organismo pode formar ATP diretamente nas reações químicas de degradação das biomoléculas, como na oxidação da glicose, aminoácidos e ácidos graxos. Porém a maior parte da energia contida nestes nutrientes são armazenadas nas coenzimas NAD+ e FAD.
A glicose proveniente da dieta para gerar energia necessita destas coenzimas. A glicose quando completamente oxidada é convertida em CO2 e H2O com produção de ATP. Neste processo de degradação da glicose o NAD+ recebe dois elétrons (é) e um próton (H+) do substrato e torna-se reduzido (NADH). Por outro lado, o FAD recebe dois elétrons (é) e dois prótons (H+) do substrato reduzindo-se a FADH2.
Estas coenzimas agora reduzidas transportam os elétrons e os prótons até a membrana interna da mitocôndria para que ocorra a síntese de ATP por mecanismos complexos designado fosforilação oxidativa.
 
Formas oxidada e reduzida das coenzimas NAD+ e FAD.
CARÊNCIA DAS VITAMINAS NIACINA (B3) E RIBOFLAVINA (B2) PODEM CAUSAR DIMINUIÇÃO NA FORMAÇÃO DE ATPCARÊNCIA DAS VITAMINAS NIACINA (B3) E RIBOFLAVINA (B2) PODEM CAUSAR DIMINUIÇÃO NA FORMAÇÃO DE ATP
Se um indivíduo ingerir carboidrato, como por exemplo, o amido, presente nas massas e apresentar carência das vitaminas niacina (B3) e riboflavina (B2) este carboidrato ingerido não irá se converter eficazmente em energia.
Isso ocorre porque estas vitaminas são precursoras das coenzimas NAD+ e FAD, as quais transportam os elétrons e os prótons provenientes da degradação dos nutrientes até a mitocôndria para formação de ATP. Sendo assim, a deficiência na ingestão destas vitaminas diminui a formação das coenzimas NAD+ e FAD e consequentemente da síntese de ATP.
Portanto, uma dieta adequada além de conter os macronutrientes (lipídios, carboidratos e proteínas) também tem que possuir as vitaminas e os minerais para que possam formar ATP, pois estas vitaminas e minerais constituem os cofatores enzimáticos necessários para o metabolismo energético.
Se um indivíduo ingerir carboidrato, como por exemplo, o amido, presente nas massas e apresentar carência das vitaminas niacina (B3) e riboflavina (B2) este carboidrato ingerido não irá se converter eficazmente em energia.
Isso ocorre porque estas vitaminas são precursoras das coenzimas NAD+ e FAD, as quais transportam os elétrons e os prótons provenientes da degradação dos nutrientes até a mitocôndria para formação de ATP. Sendo assim, a deficiência na ingestão destas vitaminas diminui a formação das coenzimas NAD+ e FAD e consequentemente da síntese de ATP.
Portanto, uma dieta adequada além de conter os macronutrientes (lipídios, carboidratos e proteínas) também tem que possuir as vitaminas e os minerais para que possam formar ATP, pois estas vitaminas e minerais constituem os cofatores enzimáticos necessários para o metabolismo energético.
Aplicações Biotecnológicas de Proteínas: Enzimas
Proteínas
As proteínas são as macromoléculas mais abundantes nas células vivas e as encontramos de diversas estruturas e milhares de tipos, desde peptídeos pequenos até enormes polímeros com pesos moleculares na faixa de milhões e com uma grande diversidade de funções biológicas. Podemos afirmar que as proteínas são a expressão da informação genética, sendo as macromoléculas mais importantes, cujo nome, proteínas, origina-se da palavra grega protos, significando “a primeira” ou a “mais importante”.
As proteínas são compostas por subunidades monoméricas, os aminoácidos, que se encontram em número de 20 na natureza, através de combinações e sequências diversas. A partir destes blocos formadores, podemos sintetizar proteínas diversas, como enzimas, hormônios, anticorpos, transportadores, músculos, entre outras, com diferentes atividades biológicas.
Entre os diversos tipos de proteínas sintetizadas por nossas células, podemos destacar as enzimas e os anticorpos, com uma potencialidade biotecnológica muito importante.
Enzimas
Caro aluno, você já deve ter ouvido a máxima: “Toda enzima é uma proteína, porém nem toda proteína é uma enzima”, não é verdade? As proteínas, como dito anteriormente, podem ter propriedades biológicas diversas. E neste tópico, destacamos as enzimas, proteínas especializadas na catálise de reações biológicas, acelerando a velocidade da reação, diminuindo a energia gasta e com grande aplicabilidade em diversos ramos da indústria. Os reagentes que participam das reações catalíticas são denominadas de substratos, cuja ligação entre enzima-substrato ocorre de forma específica, como uma ligação “chave-fechadura”.
Uma grande propriedade das enzimas é que as reações catalisadas por elas são mais rápidas, eficientes e ambientalmente sustentáveis (Figura 02). As enzimas vem sendo utilizadas há milênios, como no Egito Antigo e pelos Babilônios, que utilizavam o sistema enzimático de leveduras na fabricação de pães e cervejas além do que você pode encontrá-las em uma lista enorme de produtos, na sua própria casa, como detergentes, adesivos, roupas (indústria têxtil), comidas e bebidas. Experimente ler o rótulo de certas marcas de sabão em pó para comprovar a presença de enzimas nestes produtos.
As pesquisas de novas enzimas ou a busca de microrganismos que produzam enzimas importantes para o dia a dia são necessárias, uma vez que, a necessidade e o consumo mundial de enzimas vêm aumentando a cada ano. E o Brasil, além de ser um país que apresenta ainda, uso reduzido de enzimas nas indústrias, é essencialmente um importador desta tecnologia, tornando necessária uma maior participação como produtor de tecnologia enzimática.
Uso das enzimas na indústria alimentícia
As enzimas são utilizadas há muitos séculos na indústria alimentícia. Um exemplo é a produção de queijo, por pastores na antiguidade que armazenavam o leite no estômago de um animal degolado, tornando um alimento sólido. Entretanto, o uso de enzimas industriais para o processamento de alimentos data do século XIX. Na indústria de laticínios, uma enzima importantíssima é a quimosina, extraída de microrganismos, que coagula a caseína, principal proteína do leite, tendo como produto final o queijo. Na produção de queijos, temos também as lipases, que estão envolvidas na produção do queijo roquefort. Outra enzima utilizada é a lactase, que decompõe a lactoseem açucares mais simples, impedindo a lactose de absorver odores, mudando o estado do produto.
Nos processos de panificação, utilizamos as enzimas para decompor o amido (amilase), formando a maltose, dando maciez e a textura à massa, além de manter o produto mais fresco por mais tempo. As enzimas proteases alteram a elasticidade e a textura, além de melhorar a cor e o sabor do pão. Além da indústria de panificação, as proteases são utilizadas no amaciamento de carnes.
Na indústria de bebidas, a produção de sucos de frutas e vegetais requer métodos de extração, clarificação e estabilização. Atualmente, são utilizadas as enzimas pectinases e celulases neste processo. A pectinase facilita a extração, clarificação e filtração do suco, além de diminuir a viscosidade do produto. A celulase torna líquido o tecido vegetal e permite a extração dos pigmentos do fruto. Na produção de cervejas, por exemplo, utilizam-se diversas enzimas, como as amilases (liquefazem e fermentam a matéria-prima), a glicoamilase (aumentam o teor de açúcar), a glucanase (aumentam a velocidade de filtração), as pentosanases (removem compostos indesejáveis) e a papaína e bromelina (evitam a turbidez do produto final).
Uso das enzimas na indústria de papel e celulose
Para obtermos os papéis, precisamos reduzir a madeira em fragmentos e transformá-los em polpa. O papel é um composto formado por fibras de celulose, sendo que as enzimas celulases são responsáveis pela degradação da celulose. A celulose é um polissacarídeo formado por diversas unidades de glicose unidas entre si por ligações químicas, cujas ligações são quebradas pelas celulases. Esta reação enzimática permite a obtenção de papéis mais brancos e lisos. Este processo substitui o uso de compostos químicos que podem causar diversos problemas ambientais.
Uso de enzimas na indústria Têxtil
As celulases alcançaram um sucesso mundial na indústria têxtil e de lavanderia devido a sua capacidade de modificar as fibras de celulose de maneira controlada, com o objetivo de melhorar a qualidade dos tecidos, sem implicar em qualquer efeito nocivo ao meio ambiente. Na indústria têxtil, são utilizadas diversas enzimas. As lipases são usadas na remoção de lubrificantes e no melhoramento de poliéster. As lacases no branqueamento do algodão. As proteases impedem o encolhimento, melhoram a qualidade do tingimento e do brilho, além de serem aplicadas no processamento da seda. As celulases são utilizadas no envelhecimento do jeans, através da remoção de corantes, substituindo o processo anterior, que utilizava pedras, o que causava diversas desvantagens como desgaste dos equipamentos quanto dos tecidos, devido a abrasão.
Uso de enzimas na indústria do sabão em pó
Com a popularização das máquinas de lavar, capazes de lavar as roupas sem a necessidade de ferver a água e a atuação das enzimas em temperaturas baixas, estas logo entraram na composição dos produtos de lavagem de roupas. As enzimas animais, utilizadas antigamente, hoje são substituídas por enzimas microbianas. As enzimas eliminam a necessidade de esfregar a roupa, um trabalho pesado que desgasta as peças de roupas. Entretanto, é necessário deixar as roupas de molho para potencializar a ação enzimática. As substâncias orgânicas são fragmentadas o que facilita a sua remoção. As principais enzimas são as proteases, amilases e celulases. Estas enzimas atuam em manchas, compostas basicamente por proteínas, amido, carboidratos, ácidos graxos, lipídios, sais inorgânicos, argila e pigmentos.
Uso de enzimas na indústria farmacêutica e de diagnóstico clínico
A indústria farmacêutica e de diagnóstico são grandes produtores e usuários das enzimas. Uma grande variedade de enzimas, de diferentes fontes e uso terapêuticos podem ser encontrados. Podem ser aplicadas na produção de novos medicamentos, desenvolvimento de novos produtos, tanto em diagnóstico como em terapia, além de sua ampla utilização na área de cosméticos. O uso das enzimas é tão diversificado, auxiliando na digestão, cicatrização de feridas e até terapia anticâncer.
Um teste diagnóstico muito utilizado em análises clínicas, que inclui o uso de duas classes de proteínas é o ELISA (ensaio imunoenzimático). Utilizam-se neste ensaio anticorpos e enzimas. O objetivo do teste é detectar anticorpos séricos produzidos em resposta a infecções, sejam elas virais, parasitárias, bacterianas ou fúngicas, mediante reação enzimática entre a enzima e seu substrato. Ocorre a ligação antígeno-anticorpo e para detecção, utiliza-se um conjugado (anticorpos ligados a uma enzima) e adiciona-se um substrato para esta enzima. Ao ocorrer a reação catalítica, o sistema muda de cor, indicando a presença ou não de anticorpos do paciente (figura 03). O teste é bastante utilizado em banco de sangue na triagem de diversas doenças como hepatites virais, HIV e HTLV.
Ferramentas da Biotecnologia Moderna: As Enzimas de Restrição e suas Aplicações
Tecnologia do DNA Recombinante
Stanley Cohen e Herbert Boyer podem ser considerados os pais da tecnologia do DNA recombinante. Cohen manipulava os plasmídeos contendo genes de resistência a antibióticos da bactéria E. Coli. Os plasmídeos são moléculas de DNA, pequenas, circulares, que expressam proteínas e replica, exatamente da mesma maneira que o DNA bacteriano, sendo moléculas perfeitas para serem manipuladas. Já Boyer havia descoberto as enzimas de restrição que cortavam o DNA em regiões específicas produzindo “finais da molécula” que poderiam ser ligados a outras sequências de DNA. Surgiam as ferramentas ideais que possibilitariam a engenharia genética, conjunto de técnicas que permite alterar o DNA, seja eliminando ou acrescentando fragmentos de DNA, e consequentemente, modificando as informações genéticas. Estes dois pesquisadores realizaram o primeiro experimento de engenharia genética, sendo um divisor de águas entre a biotecnologia tradicional e a moderna.
Ferramentas de engenharia genética
Enzimas de restrição
As enzimas de restrição são uma das mais importantes ferramentas na tecnologia do DNA recombinante. Pesquisadores propuseram que células bacterianas (E. coli) possuem a habilidade de se proteger contra DNA estranho por algum tipo de mecanismo de defesa enzimático. Este fenômeno foi observado, através da infecção de bactérias por bacteriófagos, que variavam na sua capacidade de se replicar dentro das cepas bacterianas. As enzimas cortavam o DNA do bacteriófago.
As enzimas de restrição reconhecem regiões específicas do DNA, chamadas de regiões palíndromas. Palavras palíndromas podem ser lidas de trás para frente, sem alterar o sentido. Ou, para deixar mais claro, palavras que podem ser lidas de frente para trás, quanto de trás para frente. Exemplos de palavras palíndromas são ARARA, OVO, OMO, A IRA MÁ NA ANA MARIA. Uma região palíndroma de DNA são pequenos trechos de DNA que variam de 4 a 8 pares de bases, portadores da mesma sequência de nucleotídeos, mas com orientação com polaridade inversa.
O plasmídeo das bactérias contem regiões palíndromas que são reconhecidas pelas enzimas de restrição, que clivam ou quebram as pontes de hidrogênio da molécula de DNA, sendo úteis para a construção de plasmídeos recombinantes. Podemos adicionar um DNA exógeno, um DNA externo, por exemplo, um gene da insulina humana, utilizando uma enzima ligase, ligando os fragmentos de DNA, e construir um organismo transgênico, expressando insulina.
Esta propriedade das enzimas de restrição, ou tesouras moleculares, mostrou-se ser muito útil e prática para variadas análises do DNA, além da construção de moléculas recombinantes. Uma aplicação é montar mapas físicos de DNA ou bibliotecas de DNA e genes. As bibliotecas de DNA são coleções de clones de plasmídeos contendo todos os fragmentos de DNA, construídos com enzimas de restrição que representam a totalidade do genoma de um determinando organismo (Figura 04). Estas bibliotecas de DNA tiveram uma grande importância a partir do momento que desenvolveu-se a técnica de sequenciamento de DNA.
Outro importante uso dos fragmentosgerados pelas enzimas de restrição foi no sequenciamento de DNA. Ao desenvolver esta técnica, Fred Sanger primeiramente desenvolveu o método para o sequenciamento de RNA, uma vez que, existiam pequenas moléculas de RNA possíveis de serem sequenciadas. Não existem moléculas de DNA comparáveis em tamanho com estas pequenas moléculas de RNA.
Esta técnica de sequenciamento de DNA só se tornou possível com o uso das enzimas de restrição. Para realizar o sequenciamento, o DNA precisa ser fragmentado em sequências de 300 a 800 pb. O uso das enzimas de restrição é bastante indicado para estudos de diversidade genética com fins taxonômicos, por exemplo, devido a especificidade destas enzimas de restrição em clivar o DNA de qualquer organismo permitindo isolar fragmentos de DNA
A partir do sequenciamento automático de DNA, foi possível a realização do Projeto Genoma Humano (PGH), cujo projeto sequenciou completamente o DNA dos seres humanos e nos trouxe muitas conclusões e perspectivas no que diz respeito a causa de doenças, variabilidade genética, testes de diagnóstico mais específicos e terapêuticas mais eficazes.
Caro aluno, as ferramentas de biotecnologia a cada ano vão se modernizando, permitindo mais e mais aplicações. A grande contribuição na engenharia genética começou a partir da compreensão do funcionamento das enzimas de restrição. De bibliotecas de DNA, organismos com DNA recombinante até fecharmos com o ambicioso Projeto Genoma Humano.