ACTIVIDADE ENZIMÁTICA
Lisboa, 30 de Abril de 2009
Produção de alimentos e
sustentabilidade
• Propriedades das enzimas: relação enzima – substrato
•Condições necessárias na actividade enzimática.
• Mecanismos de inibição enzimática.
• Síntese dos principais processos associados à Biotecnologia no diagnóstico e terapêutica de
doenças.
Professora estagiária Margarida Flores Martins
Sumário
ENZIMA
Metabolismo celular
A vida dos microrganismos, como aliás, a de todos os sistemas biológicos, depende
de um conjunto de reacções que, de forma ordenada, ocorrem em cada instante e
constituem o metabolismo celular.
Catabolismo
Anabolismo
Há degradação de compostos
orgânicos complexos em compostos
orgânicos mais simples, com
libertação de ATP. São reacções
exoenergéticas.
Há formação de substâncias mais
complexas a partir de substâncias mais
simples. Há consumo de ATP, que se
libertou pelo catabolismo e que não foi
usado. São reacções endoenergéticas.
Ex: crescimento, síntese de proteínas
Ex: digestão, renovação celular
ENZIMA
História
Catálise biológica  início séc. XIX
digestão da carne: estômago;
digestão do amido: saliva.
Década de 50
Louis Pasteur - concluiu que a fermentação do açúcar em álcool pela levedura era
catalisada por “fermentos” = enzimas.
Eduard Buchner (1897)
extratos de levedo podiam fermentar o açúcar até álcool;
enzimas funcionavam mesmo quando removidas da célula viva.
James Sumner (1926)
Isolou e cristalizou a urease;
Cristais eram de proteínas;
Postulou que “todas as enzimas são proteínas”.
John Northrop (década 30)
Cristalizou a pepsina e a tripsina bovinas;
Década de 50 – séc. XX
75 enzimas  isoladas e cristalizadas;
Ficou evidenciado caráter protéico.
Atualmente + 2000 enzimas são conhecidas
ENZIMA/BIOCATALIZADOR
Características
Substâncias que aumentam a velocidade de uma reacção
sem serem consumidas
mecanismo: diminuição da barreira de energia de activação
A adição de um catalisador não altera a posição de equilíbrio
mas apenas a velocidade em que o equilíbrio é atingido.
ENZIMA
Estrutura
•
Estrutura
Enzimática
Holoenzima
Proteína
Cofator
Cofator
Ribozimas
Apoenzima ou
Apoproteína
RNA
Pode ser:
• íon inorgânico
• molécula orgânica
Coenzima
Se covalente
Grupo Prostético
ENZIMA
Energia de activação
ENZIMA
Vias metabólicas
ENZIMA
Acção
As enzimas...
Aceleram reações químicas
Ex: Decomposição do H2O2
Condições da Reação
Energia livre de Ativação
KJ/mol
Kcal/mol
Velocidade
Relativa
Sem catalisador
75,2
18,0
Platina
48,9
11,7
2,77 x 104
Enzima Catalase
23,0
5,5
6,51 x 108
1
ENZIMA
Acção
A catalase é um enzima;
Não são consumidas na reacção…..
• O enzima catalase decompõe o peróxido de hidrogénio em água
e oxigénio molecular;
• A polpa de batata
contém catalase;
Catalase
+ O
H
O
H
O
2
2
2 resulta
2
• A imersão de polpa de batata em peróxido de hidrogénio
na libertação de bolhas gasosas.
E+S
E+P
ENZIMA
Acção
ENZIMA
Acção
• Atuam em pequenas concentrações
•
1 molécula de Catalase
decompõe
5 000 000 de moléculas de H2O2
pH = 6,8 em 1 min
Número de renovação = n° de moléculas de substrato convertidas em
produto por uma única molécula de enzima em uma dada unidade de tempo.
ENZIMA
Acção
Não alteram o estado de equilíbrio
•Baixam a energia de ativação;
•Keq não é afetado pela enzima.
Não apresenta efeito termodinâmico global
•G não é afetada pela enzima.
Diferença entre
a energia livre
de S e P
S
P
Energia de ativação sem enzima
Energia de ativação com
enzima
Caminho da Reação
ENZIMA
Características
Apresentam alto grau de especificidade;
São produtos naturais biológicos;
Reações baratas e seguras;
São altamente eficientes, acelerando a velocidade das
reações (108 a 1011 + rápida);
São econômicas, reduzindo a energia de ativação;
Não são tóxicas;
Condições favoráveis de pH, temperatura, polaridade do solvente e
força iônica.
ENZIMA
Centro activo
A reacção ocorre no centro activo:
– contém os resíduos de aminoácidos directamente envolvidos
na reacção;
– ocupa uma parte relativamente pequena do volume total da
enzima;
– trata-se de uma entidade tridimensional;
– corresponde, geralmente, a uma cavidade na molécula de
enzima, com um ambiente químico muito próprio.
– o substrato entra no sítio activo e liga-se à enzima através de
interacções fracas, não covalentes
ENZIMA
Especificidade
ENZIMA
Especificidade
A especificidade das enzimas varia muito de uma enzima para outra, sendo muito baixa para algumas
enzimas e muito alta para outras.
Especificidade relativa: Quando esta relação existe apenas em relação a tipos de ligação, como
certas peptidases, fosfatases, podendo-se citar a lipase que hidrolisa as ligações ácido-alcóol de
quase todos os ésteres orgânicos.
Especificidade absoluta: Tipo de especificidade exclusiva, isto é, quando uma enzima actua
somente sobre um determinado composto, como a urease que hidrolisa a ureia, mas nenhum dos
seus derivados, ou a tripsina que hidrolisa apenas ligações peptídicas formadas por grupos
carboxílicos dos aminoácidos básicos.
ENZIMA
Modelos
• Modelo de Fischer ou Modelo Chave/Fechadura: prevê um encaixe
perfeito do substrato no sítio de ligação, que seria rígido como uma fechadura.
ENZIMA
Modelos
Modelo de Koshland ou Modelo do encaixe induzido: existe um sítio
de ligação não totalmente préformado, mas sim moldável à molécula do
substrato – a enzima ajusta-se à molécula do substrato na sua presença,
sendo complementar ao seu estado de transição
ENZIMA
Modelos
• Evidências experimentais sugerem um terceiro modelo que combina o
ajuste induzido a uma "torção" da molécula do substrato, que o "activaria"
e o prepararia para a sua transformação em produto.
ENZIMA
Componente não
proteíco
ENZIMA
Inibição competitiva
O inibidor liga-se ao centro activo,
competindo com o substrato, e diminuindo
a actividade da enzima.
ENZIMA
Inibição não competitiva
O inibidor liga-se numa região distinta do
centro activo, afectando-o, e diminuindo
a actividade da enzima.
ENZIMA
Inibição alostérica
A ligação do indutor provoca
modificações no centro
activo, permitindo a
actuação enzimática.
• Algumas enzimas além dos centros activos, possuem centros alostéricos
(centros reguladores), onde se ligam inibidores que não têm estrutura
semelhante ao substrato.
ENZIMA
Classificação
• Século XIX - poucas enzimas identificadas
• Adição do sufixo “ASE” ao nome do substrato:
Ex:
- gorduras (lipo - grego) – LIPASE
- amido (amylon - grego) – AMILASE
• Nomes arbitrários:
- Tripsina e pepsina – proteases
ENZIMA
Classificação
• 1955 - Comissão de Enzimas (EC) da União Internacional de Bioquímica (IUB) 
nomear e classificar.
• Cada enzima  código com 4 dígitos que caracteriza o tipo de reação catalisada:
•1° dígito - classe
•2° dígito - subclasse
•3° dígito - sub-subclasse
•4° dígito - indica o substrato
ENZIMA
Factores que influenciam
actividade enzimática
pH
O efeito do pH sobre a enzima deve-se às variações
no estado de ionização dos componentes do sistema
à medida que o pH varia.
Enzimas  grupos ionizáveis, existem em ≠ estados
de ionização.
TEMPERATURA
 temperatura dois efeitos ocorrem:
(a) a taxa de reação aumenta, como se observa na maioria das
reações químicas;
(b) a estabilidade da proteína decresce devido a desativação
térmica.
O efeito da temperatura depende:
- pH e a força iônica do meio;
- a presença ou ausência de ligantes.
A temperatura ótima para que a
enzima atinja sua atividade máxima,
é a temperatura máxima na qual a
enzima possui uma atividade cte.
por um período de tempo.
CONCENTRAÇÃO DAS ENZIMAS
•Velocidade de transformação do S em P  qtidade de E.
• Desvios da linearidade ocorrem:
• Presença de inibidores na solução de enzima;
• Presença de substâncias tóxicas;
• Presença de um ativador que dissocia a enzima;
• Limitações impostas pelo método de análise.
•Recomenda-se:
• Enzimas com alto grau de pureza;
• Substratos puros;
• Métodos de análise confiável.
CONCENTRAÇÃO DOS SUBSTRATOS
•
•
[S] varia durante o curso da reação à medida que S é convertido em P.
Medir Vo = velocidade inicial da reação.
•[E] = cte.
vo
•[S] pequenas  Vo linearmente.
•[S] maiores  Vo por incrementos cada vez
menores.
•Vmax  [S]  Vo insignificantes.
•Vmax é atingida  E estiverem na forma ES e a [E]
livre é insignificante, então, E saturada com o S e V
não  com  de [S].
Vmax
INIBIDORES
REVERSÍVEIS
COMPETITIVOS
IRREVERSÍVEIS
NÃO COMPETITIVOS
INCOMPETITIVOS
ENZIMA
Cinética enzimática
• Victor Henri (1903): E + S ES
• Em 1913:
Leonor Michaelis -Enzimologista
Maud Menten - Pediatra
K1
E+S
K-1
Etapa rápida
ES
Kp
E+P
Etapa lenta
ENZIMA
Enzimas Vs Catalisadores
químicos
Característica
Enzimas
Catalisadores
Químicos
alta
baixa
Natureza da estrutura
complexa
simples
Sensibilidade à T e pH
alta
baixa
suaves
drástica
(geralmente)
alto
moderado
Natureza do processo
batelada
contínuo
Consumo de energia
baixo
alto
Formação de subprodutos
baixa
alta
difícil/cara
simples
Atividade Catalítica (temperatura ambiente)
alta
baixa
Presença de cofatores
sim
não
Estabilidade do preparado
baixa
alta
Energia de Ativação
baixa
alta
Velocidade de reação
alta
baixa
Especificidade ao substrato
Condições de reação (T, P e pH)
Custo de obtenção (isolamento e purificação)
Separação catalisador/ produtos
ENZIMA
Aplicações
TIPOS DE APLIÇÕES INDUSTRIAIS
• Alimentos
• Rações animais
• Papel e celulose
• Couro
• Têxtil
ALIMENTOS
•
Indústria de azeite de oliva:
- Aplicação de polygalacturonase e pectinesterase na melhoria de
aspectos organolépticos e estabilidade a
longo prazo.
•
Panificação:
- Melhoria de cor, sabor e estrutural através de
preparado
enzimático que contém alfa-amilase
fúngicas. Atua sobre a farinha
de trigo, acelerando o processo de fermentação devido a uma maior
formação
de açúcares para o fermento.