1 Enzimas e Biotecnologia

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Enzimas e Biotecnologia
Características Gerais e Participação em Bioprocessos Biotecnológicos
Enzimas: definição
Proteínas com atividade catalítica que aumentam a velocidade de reações químicas ao interagir com o substrato, modificando-o e gerando o produto final, ao diminuir a energia de ativação dessas reações.
· Proteína do leite (caseína) protease do coalho (quimosina) liberação de fragmento hidrofóbico (se agrega e precipita) formação de coalhada para a fabricação de queijo
· Protease (do coalho): obtida através do estômago de ruminantes (enzima quimosina) atua na proteína caseína, seu alvo, liberando fragmentos hidrofóbicos que se agregam (formando o coalho), os quais são então recolhidos para formar o queijo
Classes de enzimas
Oxidorredutases: desidrogenases que retiram o hidrogênio das moléculas que são seus substratos, transferem elétrons e o hidrogênio já retirado, ocasionando a reação de formação (piruvato transformado em lactato ou ácido láctico)
· Catalisam reações de oxido-redução
· A maior parte dessas enzimas é comumente chamada desidrogenase
· Outras enzimas nessa classe são as chamadas oxidases, peroxidases, oxigenases ou redutases
Transferases: alanina transaminase atua sobre o aminoácido alanina, retira seu grupo H3, inserindo-a no cetoglutarato e forma o glutamato mono ou dissódico
· Catalisam reações de transferência de grupos
· Várias necessitam da presença de coenzimas
Hidrolases: catalisam a reação da hidrólise (pirofosfatase tem o piruvato retirado e sobra o fosfato)
· Catalisam reações de hidrólise
· São uma classe especial de transferases, com água servindo como aceptor do grupo transferido
Liases
· Catalisam a lise de um substrato, gerando uma ligação dupla
Isomerases
· Catalisam reações estruturais de uma molécula (isomerização)
Ligases
· Catalisam a ligação ou a união de dois substratos
· Essas reações requerem o fornecimento de energia potencial na forma de ATP
· rapidamente associam uma molécula a outra (glutamato vira glutamina)
CINÉTICA ENZIMÁTICA
As enzimas alteram a energia gasta na formação do complexo enzima-substrato.
Reações que ausentam enzimas possuem um gasto energético maior.
COMPLEXO ENZIMA-SUBSTRATO
Há dois modelos de encaixe: o modelo chave-fechadura e o modelo encaixe-induzido.
No modelo chave-fechadura, a enzima apresenta o encaixe perfeito para o substrato, enquanto que no moelo encaixe-induzido, a enzima se molde de forma a acomodar o substrato que se adere. 
KM: CONSTANTE DE MICHAELIS E MENTEN
· KM: concentração de substrato necessária para a reação enzimática atingir metade da velocidade máxima
· Indica a afinidade da enzima pelo substrato; dessa forma, quanto menor o Km, maior a afinidade
Fatores que alteram a velocidade da reação
Concentração do substrato
Em altas concentrações de substrato, a velocidade da reação é constante e independente da concentração do substrato. Em baixas concentrações de substrato, a velocidade da reação é proporcional à concentração de substrato.
Temperatura
Altas temperaturas ocasionam na inativação e desnaturação das enzimas pelo calor.
pH
Cada enzima tem seu pH ideal de funcionamento.
Presença de co-fatores
Os co-fatores são moléculas orgânicas não proteicas ou íons necessários para as enzimas exercerem seu papel catalítico. 
Inibidores enzimáticos
Inibidores irreversíveis
· Reagem quimicamente com a molécula da enzima, acarretando na inativação da mesma
Inibidores reversíveis competitivos
· Competem com o substrato pela ligação no sítio ativo da enzima
· Apresentam estrutura molecular com características semelhantes às do substrato
· Formam complexo enzima-inibidor, comprometendo a formação do complexo enzima-substrato
· Efeito de um inibidor reversível competitivo sobre a velocidade de reação:
Inibidores reversíveis não-competitivos
· A ligação do inibidor na molécula da enzima ocorre em um sítio diferente do sítio ativo;
· O inibidor não bloqueia a formação do complexo enzima substrato; entretanto, a enzima é inativada na presença do inibidor
· Efeito de um inibidor não-competitivo sobre a velocidade de reação:
Efeito dos inibidores reversíveis sobre as cinéticas
APLICAÇÃO INDISUTRIAL DE ENZIMAS
Na última década, aumentou consideravelmente a demanda mundial de enzimas industriais nos diversos mercados, especialmente no de alimentos e bebidas, produtos de limpeza, ração animal, dentre outros. Algumas das principais indústrias consumidoras de enzimas são as indústrias de detergentes, processamento do amido e laticínios. 
Outra possibilidade de utilização das enzimas é como tratamento de problemas ambientais associados às mais diversas indústrias. Por exemplo, o cianeto, produzido na indústria química e farmacêutica na produção de intermediários químicos, fibras sintéticas e borracha, é extremamente tóxico, interrompendo o metabolismo energético de organismos que possuem mitocôndias. A utilização da cianidase e cianeto-hidratase podem contribuir para a diminuição do impacto ambiental causado pela liberação do cianeto no ambiente.
APLICAÇÃO INDUSTRIAL DE ENZIMAS
Na última década, houve um aumento considerável na demanda por enzimas nas mais diversas indústrias, especialmente na de alimentos e bebidas, produtos de limpeza, ração animal, dentre outras. As principais indústrias consumidoras de enzimas são as de detergentes, processamento de amido e laticínios. 
As enzimas também podem ser utilizadas como tratamento de problemas ambientais causados pelas mais diversas indústrias. Por exemplo, indústrias químicas e farmacêuticas podem liberar o cianeto na produção de intermediários químicos, fibras sintéticas e borracha. O cianeto é extremamente tóxico, e interrompe o metabolismo energético de organismos que possuem mitocôndrias. O uso da cianidase e/ou da cianeto-hidratase podem ajudar a conter e reduzir o impacto ocasionado pela liberação do cianeto no ambiente. 
Enzimas terapêuticas na indústria farmacêutica
Várias enzimas são produzidas pela indústria farmacêutica para confecção de medicamentos e tratamentos diversos. 
Por exemplo, a asparaginase, produzida sinteticamente pela indústria farmacêutica, é encontrada naturalmente no pâncreas bovino e suíno. Ela é responsável por degradar a asparagina, um aminoácido essencial para o metabolismo de células tumorais, especialmente de tumores sanguíneos, tendo alto potencial de uso na medicação contra leucemia. Porém, tem um processo produtivo extremamente caro.
Diversas enzimas também podem ser utilizadas como auxiliares em diagnósticos, encurtando o procedimento. 
As enzimas também podem ser obtidas a partir de várias espécies de fungos, sobretudo dos gêneros Aspergillus e Penicilium.
As enzimas também podem ser produzidas sinteticamente pela indústria farmacêutica para composição de medicamentos para as mais diversas funções.
A asparaginase, por exemplo, é naturalmente encontrada no pâncreas de suínos e bovinos. Ela degrada a asparagina, um aminoácido essencial no metabolismo de células tumorais, especialmente de tumores sanguíneos, tendo alto potencial no tratamento para leucemia. 
A bromelina, presente no abacaxi, atua como auxiliar digestivo. A pancreatina, presente no pâncreas bovino e suíno, pode ser utilizada no tratamento da insuficiência pancreática. 
As enzimas também podem ser utilizadas em diagnósticos laboratoriais, facilitando os procedimentos.
Algumas espécies de fungos podem ser utilizadas para a obtenção de enzimas comerciais. Os principais gêneros envolvidos são Aspergillus e Penicilium. 
Imobilização de enzimas em biorreatores
Todo o processo envolvendo a utilização de enzimas é extremamente caro. Estas, porém, são necessárias para algumas reações.
Sendo assim, foram desenvolvidos métodos para o reaproveitamento de enzimas em biorreatores, a partir do confinamento de enzimas ou da ligação em suportes sólidos. Estes processos são chamados de imobilização de enzimas.
O processo de imobilização de enzimas é de alto custo, e as enzimas podem sofrer alterações na sua conformação e ligação com o substrato. Porém, também se tornam mais resistentesà alterações de pH, temperatura e ataque microbiano, além do procedimento não promover toxidez e fornecer uma alta capacidade de retenção. 
Vantagens e desvantagens da utilização da imobilização
· Vantagens gerais: resistem melhor a variações de pH e tratamentos térmicos;
· Desvantagens gerais: tem alto custo operacional;
· Cuidados com as enzimas:
· Quando a enzima é ligada ao suporte, pode sofrer alguma alteração na conformação, o que poderá abalar a sua eficiência catalítica;
· Quando a enzima é ligada ao suporte, a região do sítio alvo pode se tornar menos acessível ao substrato;
· O comportamento cinético de uma enzima presa a um suporte carregado pode diferir daquele apresentado pela enzima livre.
Enzimas em medicamentos e análises clínicas
Devem apresentar alguns critérios importantes para este uso:
· Baixa resposta imunológica, com afinidade dirigida ao problema em questão;
· Alta atividade e estabilidade em pH fisiológico;
· Alta afinidade pelo substrato (baixo Km);
· Baixa taxa de eliminação pela circulação quando injetados;
· Pouca inibição pelos produtos ou constituintes normais encontrados nos fluídos corporais;
· Não tenham necessidade de co-fatores exógenos.