Enzimas: Catalisadores Biológicos

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Enzimas
Enzimas são catalisadores (substâncias que aumentam a velocidade de reação das
reações químicas) biológicos, de natureza proteica, que participam de várias reações
bioquímicas do metabolismo de organismos vivos.
As enzimas, para atuarem como catalisadores, interagem com um substrato pelo sítio ativo
(a região por onde acontece essa interação chamamos de sitio de catalização),
alterando/transformando esse substrato.
Existem algumas teorias de como acontece a interação entre substratos e enzimas. O
primeiro modelo é que havia uma interação chave-fechadura (o substrato é a chave e a
fechadura – ponto fixo – é a enzima). A segunda teoria é a teoria do ajuste induzido, onde a
enzima tem o sítio ativo, mas a medida que o substrato se aproxima da enzima, há um
ajuste da estrutura dimensional da enzima pela própria interferência do substrato, e aí sim é
possível acontecer a interação. Há terceira teoria é de que existem duas formas da enzima,
existe um equilíbrio da forma da enzima variando entre os estados que o sítio ativo não
interage, e a que o sitio ativo interage. (O ajuste induzido é o mais considerado hoje em
dia).
Algumas enzimas só possuem a parte proteica, mas temos enzimas que necessitam da
presença de cofatores. O cofator é uma substância química que intervém obrigatoriamente
em uma reação enzimática (é necessária a presença do cofator pra que aconteça a reação
– geralmente eles são grupos prostéticos; podem ser moléculas orgânicas ou compostos
inorgânicos). Existe também a necessidade, em algumas reações, da presença de
coenzimas que são pequenas moléculas orgânicas que transportam um grupo químico de
uma enzima para a outra (ex. NADH, FAD).
Propriedade das Enzimas –
Alta capacidade catalítica; Seletividade (importante porque os catalisadores químicos em
geral, são poucos seletivos); especificidade (atuam especificamente em um grupo químico);
estereoseletividade (são capazes de diferenciar os isômeros óticos, que muitas vezes os
catalisadores químicos não são capazes de diferenciar); atuam em condições e
temperaturas moderadas; biodegradáveis (os catalisadores químicos, como os metais,
depois da catalização, são resíduos. Temos então o problema de descarte, no caso das
enzimas, não se tem esses problemas).
Classificação das Enzimas –
Oxidorredutases – (favorecem as reações de oxirredução como as desidrogenases e as
oxidases). Exemplo: Ação da glicose oxidase sobre a glicose mais oxigênio.
Transferases – (transferem grupos químicos de uma substância para outra como as
quinases e as transaminases). Exemplo: ação da hexoquinase sobre a glicose mais o ATP,
transferindo o P do ATP para glicose formando glicose - 6P
Hidrolases – (envolvem a quebra de substâncias como os peptidases, hidrólises de ésteres,
ligações glicosídicas e ligações peptídicas). Exemplo: atuação da lactase na lactose.
Liases – (Quebra de ligações, mas frequentemente envolvendo a água – desidratação- ou
grupos carboxílicos, como a dehidratases e descarboxilases). Exemplo: quebra do isocitrato
pela isocitrato liase formando succinato + glioxilato.
Isomerases – (Causam alteração do isômero como as epimerases). Exemplo: Mutarrotase
transforma a alfa-D-glicose em beta-D-glicose.
Ligases – (favorece a condensação de duas moléculas, e uma característica das ligases é
que elas sempre exigem a presença de energia ATP. As ligases são ainda sintetases)
Cinética da reação enzimática –
É o estudo da velocidade de uma reação química que ocorre na presença de uma enzima.
O papel da enzima é reduzir a energia de ativação, e com isso é possível acelerar a
velocidade da reação. Existem na verdade duas fases pra que essa reação catalítica
aconteça, a primeira delas é a união entre o substrato e enzima e a segunda é de fato a
etapa catalítica. Tem-se uma pequena energia de ativação pra formação do complexo
enzima-substrato, depois precisa-se da energia de ativação da formação do substrato em
produto e aí tem-se o produto e liberação da enzima. (lembrar do gráfico).
Com excesso de substrato, chega-se em um ponto que não há como acelerar mais essa
velocidade de reação – velocidade máxima.
Constante Km – É A CONCENTRAÇÃO em que se atinge o valor de ½ da velocidade
máxima.
Existe uma linearização dessa curva do gráfico Concentração de substrato X velocidade da
reação, a vantagem é que é mais fácil achar a informação no gráfico (tem-se os mesmos
resultados).
Qual a importância de determinar essa Constante de Michaelis-Menten (Km – constante de
dissociação do complexo ES, inverso da constante de afinidade de E por S) e a velocidade
máxima? A velocidade máxima é para saber qual é o limite de ação catalítica da enzima e a
partir dela tem-se a possibilidade de calcular a Km, que é importante para informar a
afinidade do substrato pela enzima e permite comparar as diferentes enzimas.
A cinética da reação enzimática é muito utilizada em produção de alimentos que utilizam
enzimas (biotecnologia), mas também quando queremos observar a sensibilidade dos
alimentos há algumas alterações enzimáticas (as enzimas atuam diferentemente de acordo
com os alimentos).
A reação enzimática é regulada por alguns fatores:
-Presença de ativadores: ativadores são substâncias que se ligam com a enzima e
ACELERAM a velocidade da reação. (geralmente interagem com o sítio alostérico da
enzima).
- Presença de inibidores: inibidores são substâncias que se ligados com a enzima
REDUZEM a velocidade da reação. Essa inibição pode ser competitiva (atua no mesmo
sítio de ligação do substrato e essa ligação pode ser reversível – se reversível pode ser
comparada a uma dança das cadeiras e o que podemos fazer é aumentar a quantidade de
substrato para que a ligação aconteça entre S e E e não entre S e I- ou irreversível. As
irreversíveis geralmente são covalentes) ou não competitiva (interação é no sitio alostérico).
Controle da Reação Enzimática –
Quando pensamos em ação enzimática, existem alguns pontos importantes como o pH e a
temperatura, não são os únicos. Toda enzima possui um pH ótimo de atuação e tem uma
temperatura ótima de ação, pra cada enzima temos um pH ótimo (quanto maior a
quantidade de aminoácidos ionizáveis mais interferência do pH a enzima sofre – ex.:
diferença entre papaína e colinesterase). A temperatura pode causar desnaturação proteica,
em temperaturas mais baixas as enzimas tem atividade menor que vai aumentando
progressivamente até que se tem um efeito de desnaturação (a partir da desnaturação, a
redução da atividade enzimática acontece de forma drástica).
No controle da reação enzimática temos de lembrar da presença de inibidores ou ativadores
e existem ainda outros fatores (que interferem na desnaturação enzimática – se acontece a
desnaturação proteica eu tenho perda da atividade enzimática) a depender da enzima,
como a força iônica, solventes, etc.
Papel das enzimas nos alimentos –
• Deterioração (geralmente enzimas endógenas aos alimentos). Ex.: oxidases e
hidrolases
• Controle de qualidade: Branqueamento (inativa as peroxidases); pasteurização (para
testar se a pasteurização foi realizada corretamente)
• Processamento dos alimentos: cerveja, pão, vinho...
Na produção de alimentos essas enzimas podem atuar amenizando os defeitos das
matérias primas, na transformação desses alimentos, na sua valorização, podem ainda
melhorar a qualidade do produto final e valorizar subprodutos pra que ele seja utilizado
como alimento.
Fontes de enzimas –
• Origem animal: amilase e lipase pancreáticas; pepsina; quimosina; pancreatina.
(estão em desuso devido a dificuldade dos processos requeridos).
• Origem vegetal: alfa e beta amilases; bromelina (abacaxi); papaína (mamão); ficina
(figo).
• Origem microbiana: amiolíticas; glicose oxidase; lactase; lipases; proteases.
(principal fonte de enzimas da indústria).
Aplicação Industrial –
1. Bebidas alcoólicas: produzidas por fermentação de leveduras, e essas leveduras
não degradam o amido porque não possuem amilase, então o amido deve ser sacarificado
(acontece a hidrólise do amido em glicose, maltose e maltodextrina).“O malte é o grão de
cevada submetido a um processo de germinação controlada para desenvolver enzimas e
modificar o amido para que ele seja sacarificado.”
2. Panificação: objetivo de formar CO2 (pra massa crescer). Adiciona-se enzimas à
massa nas proporções corretas para que liberem glicose, maltose e dextrinas de forma
lenta e gradual durante os períodos de mistura e descanso da massa (o excesso de açúcar,
por exemplo, aumenta a atividade enzimática e o que acontece é uma liberação rápida de
gás que faz com que a massa “estoure”, o bolo ou pão podem ficar solados). As leveduras
fermentam na taxa ideal, pequenas quantidades de glicose livre auxiliam na formação da
cor do pão (reação de Maillard), e aumenta a vida de prateleira do pão porque tem a
redução da retrogradação do amido que causa endurecimento do produto de panificação.
3. Hidrólise de Amido: obtenção de açúcares simples (xaropes de maltose, glicose,
frutose). Esses açucares ajudam em diferentes aspectos, conferem brilho, ajudam no
controle da cristalização no congelamento, entre outros.
Escurecimento enzimático –
O escurecimento enzimático é o escurecimento de frutas e certos vegetais devido a ação
enzimática em compostos fenólicos. A principal enzima é a polifenol oxidase. O
escurecimento enzimático é uma reação de oxidação de compostos naturais na presença
de enzimas e oxigênio. A polifenol-oxidase é encontrada em todos os tecidos vegetais
(cogumelo, batata, maçã, café e outros). O escurecimento só acontece quando há ruptura
da célula e a exposição da enzima com o substrato presente no alimento, quando acontece
esse contato, a reação não é controlada (quando a banana amassa, por exemplo, nesse
ponto, é por onde começa o escurecimento).
A reação de escurecimento passa pela presença de fenóis (hidroxila ligada à um grupo
aromático) e o produto dessa oxidação é sempre uma quinona (sempre que é viscinal,
acontece um grupo do lado do outro, a reação é mais rápida) e depois essa substâncias vão
reagindo com aminoácidos, proteínas e outras quinonas e formam polímeros escuros
denominados como melaninas.
O escurecimento enzimático é um dos principais problemas na indústria de alimentos,
principalmente em alimentos minimamente processados (aqueles que são vendidos
cortados, descascados, ralados).
O escurecimento enzimático gera mudanças indesejáveis na aparência e nas propriedades
sensoriais (cor, textura), leva uma diminuição da vida útil e causa perdas econômicas
significativas. Também pode acontecer a diminuição da qualidade nutritiva do alimento, a
orto-quinona pode reagir com aminas e tióis e pode reagir com aminoácidos e vitaminas e ai
eu diminuo a disponibilidade de aminoácidos essenciais (metionina e lisina e também pode
ter uma redução de tiamina também).
O escurecimento enzimático acontece em alimentos com compostos fenólicos e acontece
preferencialmente em catecóis (catecol é um fenol com duas hidroxilas vicinais – uma do
lado da outra).
Alimentos vegetais que apresentam tirosina, ou outros compostos fenólicos com apenas
uma hidroxila, eles serão escurecidos mais lentamente, já que precisam sofrer atuação da
fenoloxidase para que sejam transformados em catecóis (e essa é uma etapa lenta).
Métodos de controle da reação de escurecimento –
A reação depende do substrato, da enzima e do oxigênio o que temos de fazer é controlar
cada um desses 3 aspectos do alimento.
1. Avaliar a susceptibilidade do vegetal: A banana possui catecóis que é mais
suscetível do que a tirosina presente no cogumelo, por exemplo, então deve-se conhecer o
vegetal.
2. Impedir que o substrato entre em contato com a enzima e oxigênio: o problema é
quando temos algum dano, ruptura que pode acontecer durante o transporte,
armazenamento, venda. Maçãs em caixa, por exemplo, escurecem menos do que maçã
empilhadas. (orientar o cliente a não apertar a maçã, por exemplo, o cheiro é mais efetivo
do que o toque)
Em relação as enzimas –
pH: Vimos que as enzimas possuem um pH ótimo de atuação que acontece por volta de 6,0
à 7,0 no caso das polifenol-oxidases. Então, se acidificamos um alimento vegetal,
protegemos ele do escurecimento enzimático (pode-se utilizar ácidos orgânicos, como ácido
cítrico).
Algumas polifenol-oxidase precisam do cobre para o processo de escurecimento, nesse
caso é necessária a retirada do cobre por meio do uso de quelantes (EDTA; ácido cítrico –
citrato: complexa com o cobre impedindo que ele interaja com as enzimas).
É possível trabalhar também com a atividade de água (secagem, por exemplo) e a
inativação enzimática térmica (branqueamento).
Branqueamento –
O branqueamento é um tratamento térmico brando, utiliza temperaturas menores que 100°
por poucos minutos (geralmente 60° à 70°C). O objetivo do branqueamento, primariamente,
é a inativação enzimática.
Eliminação do oxigênio –
1. Embalagens (atmosfera modificada ou controlada – vácuo, por exemplo, para alguns
vegetais. A atmosfera controlada coloca-se mais CO2 na embalagem)
2. Adição de substâncias redutoras (ácido ascórbico – interage com o oxigênio e oxida
no lugar de outras substâncias e os sulfitos – também tem a capacidade de sequestrar
oxigênio formando sulfato, e além disso, o sulfito tem o efeito de inibição direto nessas
enzimas oxidativas e também interfere de alguma forma nesses complexos de quinona,
impedindo que eles sejam formados, os mecanismos ainda não são muito claros). O ácido
ascórbico e o ácido cítrico possuem um efeito sinérgico (juntos, potencializam sua ação ao
impedir o escurecimento dos alimentos).