UNIVERSIDADE FEDERAL DO PAMPA
ENGENHARIA DE ALIMENTOS
TÓPICOS SOBRE ENZIMAS
Prof. Paulo Duarte Filho
BAGÉ – SETEMBRO/2010
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ENZIMAS – ESTRUTURA
Estrutura
Enzimática
Holoenzima
Proteína
Apoenzima ou
Apoproteína
Cofator
Pode ser:
• íon inorgânico
• molécula orgânica
Coenzima
Se covalente
Grupo Prostético
MERCADO GLOBAL DA INDÚSTRIA DE ENZIMAS
- Mercado mundial é estimado em 2,3 bilhões de
dólares anuais:
• indústrias de tecidos e produtos de limpeza;
• indústria de alimentos e bebidas;
• ração animal.
- Brasil: em 2005
• importações chegaram a 31 milhões de dólares;
• exportações a 3 milhões de dólares.
MERCADO GLOBAL DA INDÚSTRIA DE ENZIMAS
Fonte: Dados de 1998
MERCADO GLOBAL DA INDÚSTRIA DE ENZIMAS
- as enzimas mais comercializadas no Brasil foram:
• amilases;
• proteases.
- Mesmo não tendo grande representatividade, o
mercado brasileiro apresenta grande potencialidade –
elevada geração de resíduos agroindustriais.
MERCADO GLOBAL DA INDÚSTRIA DE ENZIMAS
Embrapa e Novozymes buscam enzimas e
microrganismos para agroenergia
(Brasília, 29 de junho de 2010) A Embrapa e a Novozymes discutiram
diversos temas para efetivar parcerias de modo a executar projetos de
pesquisa, desenvolvimento e inovação em agroenergia. Foram
discutidas várias possibilidades de atuação conjunta das empresas,
realizando projetos de exploração de novas fontes de enzimas e de
microrganismos e identificando aplicações em diferentes aspectos da
produção de alimentos, fibras e biocombustíveis.
MERCADO GLOBAL DA INDÚSTRIA DE ENZIMAS
Aplicação das enzimas
http://www.novozymes.com.br/produtosesolucoes_produtos.htm
MECANISMO DE AÇÃO ENZIMÁTICA
Energia de ativação
Energia mínima necessária para que uma
molécula de reagente ou de substrato alcance o estado
de transição para a partir daí tornar-se uma molécula
de produto.
Diferença entre os níveis de energia do estado
basal e o estado de transição.
MECANISMO DE AÇÃO ENZIMÁTICA
 Não alteram o estado de equilíbrio
• diminuem a energia de ativação;
• Keq não é afetado pela enzima.
 Não apresenta efeito termodinâmico global
• G não é afetada pela enzima.
Energia de ativação sem enzima
Diferença entre
a energia livre
de S e P
Energia de ativação com enzima
S
P
Estado
basal
Estado
basal
Caminho da Reação
MECANISMO DE AÇÃO ENZIMÁTICA
Sítio Ativo
Região da molécula enzimática (bolsão) que
participa da reação com o substrato.
E+S
ES
EP
E+P
MECANISMO DE AÇÃO ENZIMÁTICA
Sítio Ativo
- a molécula que é ligada no sítio ativo e age
sobre a enzima é chamada de substrato;
- a superfície do sítio ativo é revestida com
resíduos de aminoácidos – ligam o substrato catalisam
sua transformação química;
- freqüentemente, o sítio ativo envolve um
substrato, seqüestrando-o completamente da solução.
MECANISMO DE AÇÃO ENZIMÁTICA
Sítio Ativo
- Charles-Adolphe Wurtz (1880): primeiro a
propor a existência do complexo enzimasubstrato;
- fator chave para ação das enzimas;
- ponto inicial para o tratamento matemático
que define o comportamento cinético das
reações catalisadas por enzimas e para
descrição
enzimáticos.
teórica
dos
mecanismos
MECANISMO DE AÇÃO ENZIMÁTICA
Sítio Ativo
• Pode
possuir
componentes
não
protéicos:
cofatores.
• Possui aminoácidos auxiliares e de contato.
Porção protéica
APOENZIMA
Cofator
Ativador:Íons inorgânicos que
condicionam a ação catalítica das
enzimas. Fe²+
Coenzima: molécula orgânica
complexa. Ex:NAD+
HOLOENZIMA
Grupamento
prostético
MECANISMO DE AÇÃO ENZIMÁTICA
Cofator
• Algumas enzimas que contêm ou necessitam de
um cofator para demonstrar sua atividade.
ENZIMA
COFATOR
PEROXIDASE
Fe+2 ou Fe+3
CATALASE
CITOCROMO OXIDASE
Cu+2
ÁLCOOL DESIDROGENASE
Zn+2
HEXOQUINASE
Mg+2
UREASE
Ni+2
MECANISMO DE AÇÃO ENZIMÁTICA
Coenzimas
• Maioria
deriva
de
vitaminas
hidrossolúveis
Classificam-se em:
- transportadoras de hidrogênio
- transportadoras de grupos químicos
TRANSPORTADORAS DE HIDROGÊNIO
Coenzima
Abreviatura Reação
Origem
catalisada
Nicotinamida adenina NAD+
Oxi-redução Niacina ou
dinucleotídio
Nicotinamida adenina NADP+
dinucleotídio fosfato
Flavina adenina
FAD
dinucleotídio
Vitamina B3
Oxi-redução Niacina ou
Vitamina B3
Oxi-redução Riboflavina ou
Vitamina B2
MECANISMO DE AÇÃO ENZIMÁTICA
Coenzimas
TRANSPORTADORAS DE GRUPOS QUÍMICOS
Coenzima
Coenzima A
Abrev.
Reação catalisada Origem
Pantotenato ou
CoA-SH Transferência de
Biotina
Piridoxal fosfato
PyF
Metilcobalamina
Tetrahidrofolato
THF
Tiamina
pirofosfato
TPP
grupo acil
Transferência de
CO2
Transferência de
grupo amino
Transferência de
unidades de carbono
Transferência de
unidades de carbono
Transferência de
grupo aldeído
Vitamina B5
Biotina ou
Vitamina H
Piridoxina ou
Vitamina B6
Cobalamina ou
Vitamina B12
Ácido fólico
Tiamina ou
Vitamina B1
MECANISMO DE AÇÃO ENZIMÁTICA
Teorias propostas para explicar a ação enzimática
Teoria de Emil Fisher (1894): o alto grau
de especificidade originou a hipótese do
modelo “chave fechadura” – enzima
possui uma região complementar a
estrutura do substrato em tamanho,
forma e natureza química.
MECANISMO DE AÇÃO ENZIMÁTICA
Teorias propostas para explicar a ação enzimática
Pesquisas mostraram que esta teoria às vezes não é a mais
adequada ou entra em conflito com dados experimentais.
MECANISMO DE AÇÃO ENZIMÁTICA
Teorias propostas para explicar a ação enzimática
Teoria
de
Daniel
Koshland
(1958):chamado de “enzima flexível”
ou do ajuste induzido – a ligação do
substrato
induz
a
uma
mudança
conformacional na enzima que resulta
em um encaixe complementar depois
que o substrato é ligado.
MECANISMO DE AÇÃO ENZIMÁTICA
Teorias propostas para explicar a ação enzimática
Permitiu a explicação de alguns fatos que não eram
contemplados pelo modelo chave-fechadura.
MECANISMO DE AÇÃO ENZIMÁTICA
Dentre os fatos que levaram a proposição da teoria do
ajuste induzido, pode-se destacar:
• centro catalítico ou centro ativo: constituído
por grupos funcionais dos aminoácidos que
estruturam as proteínas na zona catalítica;
• número de grupos funcionais envolvidos na
catálise costuma ser pequeno;
MECANISMO DE AÇÃO ENZIMÁTICA
Dentre os fatos que levaram a proposição da teoria do
ajuste induzido, pode-se destacar:
• complexo instável E-S: a estrutura química do
substrato deve ser compatível com grupos
ativos da enzima;
• nem sempre a ação catalítica depende da
molécula como um todo, ás vezes depende
somente da parte associada ao centro ativo.
MECANISMO DE AÇÃO ENZIMÁTICA
Sendo assim, a teoria propõe:
a) deve ocorrerem mudanças consideráveis na
geometria da proteína quando o substrato se liga ao
centro ativo;
b) deve ser necessária uma orientação do
grupo catalítico para que a transformação ocorra;
c)
o
substrato
deve
induzir
sua
própria
orientação pela mudança na geometria, o que facilita
a ligação ao centro ativo.
MECANISMO DE AÇÃO ENZIMÁTICA
As principais evidências experimentais desta teoria
são:
a) mudanças no centro ativo em ligação com o
substrato;
b) mudanças na reatividade dos do sítio
catalítico;
c) mudanças na fluorescência e absorbância
dos grupos;
d)
mudanças
termodinâmicas.
demonstráveis
por
medidas
MECANISMO DE AÇÃO ENZIMÁTICA
- Nem todos os complexos enzima-substrato formados
originam um determinado produto;
- Substrato se liga ao sítio ativo de maneira incorreta;
- formação de intermediários covalentes entre a
enzima e o substrato:
a) formam intermediários covalentes: número
de posições – enzima e substrato;
b) não formam intermediários covalentes.
MECANISMO DE AÇÃO ENZIMÁTICA
Por que as enzimas possuem a capacidade de
aumentar a velocidade das reações em ordens
de 108 a 1020 vezes???
MECANISMO DE AÇÃO ENZIMÁTICA
Principais razões:
1) a enzima se liga ao substrato de modo que a
ligação susceptível está:
- estreita proximidade ao grupo catalítico
no sítio ativo;
- orientada de tal maneira em relação ao
grupo catalítico que o estado de transição é formado
facilmente.
MECANISMO DE AÇÃO ENZIMÁTICA
Principais razões:
2)
formação
de
intermediários
covalentes
instáveis: sofrem a reação mais rapidamente para
formação de produtos – catálise ácido-básica
As enzimas possuem grupamentos que podem agir
como ácido ou como base – amínicos, carboxílicos,
fenólicos, hidroxílicos, entre outros.
MECANISMO DE AÇÃO ENZIMÁTICA
3)
algumas
enzimas
podem
atuar
como
catalisadores nucleofílicos e eletrofílicos;
4) enzima pode induzir uma distorção ou tensão
em ligações susceptíveis da molécula do substrato –
torna mais fácil o rompimento da ligação.
MECANISMO DE AÇÃO ENZIMÁTICA
- Não
se
sabe
ao
certo
como
determinar
quantitativamente a influência de cada fator no
aumento da velocidade de reação;
- Mas sim uma combinação específica de fatores é a
responsável pela aceleração global da reação –
característica dos seres vivos – simultaneidade de
reações e efeitos.