Enzimologia e processos fermentativos - Apostilas - Engenharia Química_Parte1, Notas de estudo de Engenharia Química. Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG)
Pao_de_acucar
Pao_de_acucar5 de Março de 2013

Enzimologia e processos fermentativos - Apostilas - Engenharia Química_Parte1, Notas de estudo de Engenharia Química. Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG)

PDF (521.3 KB)
11 páginas
1000+Número de visitas
Descrição
Apostilas de Engenharia Química sobre o estudo da enzimologia e processos fermentativos, nomenclatura das enzimas, classificação das enzimas.
20pontos
Pontos de download necessários para baixar
este documento
baixar o documento
Pré-visualização3 páginas / 11
Esta é apenas uma pré-visualização
Consulte e baixe o documento completo
Esta é apenas uma pré-visualização
Consulte e baixe o documento completo
Pré-visualização finalizada
Consulte e baixe o documento completo
Esta é apenas uma pré-visualização
Consulte e baixe o documento completo
Esta é apenas uma pré-visualização
Consulte e baixe o documento completo
Pré-visualização finalizada
Consulte e baixe o documento completo
Bioquímica_completo_

Bioquímica

Aula 1 – 01/03

Enzimologia

A enzimologia é a ciência que estuda as enzimas e todos os demais fatores relacionados à sua

ação.

As enzimas são moléculas ou proteínas (formada por aminoácidos) que atuam como catalisadores

de reações específicas e que atuam em condições amenas de temperatura num ambiente reacional

favorável (pH, temperatura, concentração das enzimas, concentração do substrato, concentração dos

agentes inibidores, concentração de cofatores e força iônica).

O substrato é aquela substância que terá interação específica com o sítio catalítico também

chamado de sítio ativo, que é o local presente na molécula de enzima, que tem a capacidade de levar a

reação a cabo.

As proteínas, neste caso as enzimas, são moléculas com alto peso molecular, ou seja, são

macromoléculas com o peso molecular que pode variar de 15000 Daltons até vários milhões de Daltons.

Como a maior parte das reações que ocorrem no interior das células é catalisada por enzimas, elas

são assim conhecidas por biocatalisadores. Comparadas com outras reações catalisadas por catalisadores

não protéicos ou inorgânicos e efetuadas na temperatura ambiente, as enzimas apresentam maiores

velocidades de reação.

O estudo das enzimas tem passado por grandes revoluções desde que Büncher, em 1897, extraiu

enzimas ativas a partir de células vivas e, mais importante ainda: mostrou que tais substâncias também

podiam catalisar reações fora de sistemas vivos. Em 1926, Summer isolou e purificou moléculas de

enzimas e se descobriu que eram moléculas de proteínas, uma propriedade estabelecida anteriormente.

Nomenclatura das Enzimas

Com relação à nomenclatura das enzimas, não há uma regra que se aplique a todas elas. Em

geral, adiciona-se o sufixo –ase ao substrato sobre o qual ela atua (por exemplo, a ureiase que catalisa a

decomposição da uréia; a amilase que atua sobre o amido) ou ao nome da reação que está sendo

catalisada (por exemplo, álcool desidrogenase que catalisa a desidrogenização do álcool) mas há várias

exceções como o pepsina e a triptina que são enzimas digestivas, arenina que é uma enzima utilizada no

preparo de queijos (ver tabela 3.1 do Shüler).

Classificação das Enzimas

Há seis classes principais de reações que as enzimas catalisam que formam a base do sistema de

classificação do Ensyme Comission ou EC de códigos e nomes oficiais das enzimas. Vide tabela 3.1

Página 59 do Shüler.

docsity.com

A classificação é:

a) OXIREDUTASES: são reações de oxidação/redução;

b) TRANSFERASES: transformação de grupos funcionais;

c) HIDROLASES: provocam reação

d) LIASES: reação de adição nas duplas ligações;

e) ISOMERASES: reações de isomerização;

f) LIGASES: formação de ligações com quebra do ATP.

Uma outra característica das enzimas é que geralmente elas necessitam de cofatores para se tornarem

ativas. Os cofatores são substâncias não protéicas que se combinam com a molécula inativa (apoenzimas)

para formar o complexo cataliticamente ativo (holoenzimas ou enzimas).

Há duas variedades distintas de cofatores:

a) ÍONS METÁLICOS: cálcio 2+, magnésio, zinco, etc;

b) MOLÉCULAS ORGÂNICAS COMPLEXAS: ou coenzimas.

Em geral, os cofatores estão ligados por forças fracas em sítios específicos presentes na molécula de

enzima (ver tabela 3.2 Shüler).

Aula 02 – 03/03

A Ação das enzimas

As enzimas diminuem a energia de ativação

formando o complexo enzima-substrato sem afetar a constante de equilíbrio. Os aspectos moleculares da

interação entre enzima e substrato ainda não estão completamente esclarecidos. Normalmente a interação

entre enzima e substrato se dá por forças fracas como as de van der Waals e pontes de hidrogênio na

formação do complexo enzima-substrato.

O substrato se liga em pontos específicos da enzima chamados de sítios ativos. O sítio ativo

apresenta uma configuração tridimensional de tal modo que há uma perfeita (ou específica) com a

molécula de substrato. Então, podemos dizer que há um encaixe da molécula de substrato dentro do sítio

catalítico da enzima. Tal modelo é conhecido como chave

substrato a chave.

de hidrólise;

da reação catalisada ao se ligarem ao substrato

-fechadura, sendo a enzim

a a fechadura e o

docsity.com

As enzimas podem manter o substrato em certas posições e ângulos de tal modo a melhorar as

taxas da reação (ou velocidade). Isto é conhecido como “efeito de orientação”. Em algumas enzimas

informação do complexo enzima-substrato provoca uma pequena mudança na forma tridimensional da

enzima que também contribui positivamente na atividade catalítica. Exemplos: lisozima (lágrimas com

função bactericida) e carboxipeptidase. Assim, a catálise enzimática depende não somente da estrutura

primária da enzima (sequência de aminoácidos), mas também das estruturas secundárias, terciárias ou

quaternárias.

Logo, fatores que afetam essas estruturas: o pH, temperatura, concentração de sais (força iônica),

presença de solventes alteram a atividade catalítica da enzima pois promovem alterações no sítio catalítico

(sítio ativo). Normalmente, as enzimas atuam em condições amenas de temperatura e podem sofrer

desnaturação nas temperaturas mais elevadas e até mesmo nas temperaturas de congelamento. Por

desnaturação, entende-se pela perda das características originais da molécula ativa.

A velocidade de uma reação catalisada por uma enzima sofre um aumento com o aumento da

temperatura até um certo ponto e depois a velocidade diminui devido principalmente a desnaturação da

molécula com a perda progressiva dos sítios ativos, ou seja, há uma temperatura na qual a atividade

enzimática é máxima ou ótima para aquelas condições. A figura abaixo ilustra esquematicamente o efeito

da temperatura sobre a atividade enzimática.

Aula 03 – 08/03

Ação das Enzimas: Efeito do pH

O efeito da temperatura pode ser encontrado no item 3.3.5.2. No Shüler.

As enzimas como todas as proteínas são formadas por uma sequência de aminoácidos que

caracterizam a estrutura primária. Tais aminoácidos podem apresentar grupos iônicos que podem estar

carregados positivamente ou negativamente dependendo do pH em que a molécula de enzima encontra-se

dissolvida. Assim, o pH afeta os grupos presentes no sítio ativo e alteram a atividade enzimática pois

haverá uma alteração na configuração tridimensional do sítio ativo, o que irá interferir na atividade

enzimática. Logo, as enzimas são ativas apenas em faixas estreitas de pH e haverá um pH ótimo no qual a

atividade é máxima nas condições determinadas.

docsity.com

Figura 1 - efeito do pH sobre a atividade enzimática: comportamento típico

Ver seção 5.6.1 Biotecnologia Industrial Volume 1;

Ver seção 3.3.5 Shüler.

Existe uma distribuição de carga elétrica na molécula. Temperatura e pH alteram a estrutura da

molécula.

Cabe lembrar que o pH do meio também pode alterar as características do s

possuir grupos ionizáveis.

Outros Fatores que Afetam a Ação das Enzimas

Vimos duas importantes variáveis que afetam a atividade enzimática, porém, além da temperatura e

do pH, outras variáveis devem ser observadas, pois podem provocar alt

de enzima e consequentemente alterar a interação enzima

a) Forças fluidas como hidrodinâmicas, pressão hidrostática e tensões interfaciais.

b) Presença de agentes químicos.

c) Radiações (ultravioleta, ionizantes, infravermelhos, ultrasônica).

d) Presença de inibidores.

Cinética Enzimática

A cinética das reações enzimáticas é afetada por diversos fatores como pH, temperatura, presença

de substâncias químicas (agentes químicos), et

a) Enzimas clássicas: é quando a velocidade da reação apresenta uma relação assintótica com a

concentração de substrato, ou seja, obedecem o modelo cinético proposto por Michaelis

erações na estrutura da molécula

-substrato. Esses outros fatores são:

c. Em termos cinéticos, as enzimas são classificadas em:

ubstrato se este

-Menten.

docsity.com

 =  ∙  +  b) Enzimas regulatórias: são as demais enzimas que não obedecem a cinética clássica de Michaelis-

Menten. As enzimas regulatórias possuem dois tipos diferentes de sítios: um sítio catalítico (ou sítio ativo)

onde o substrato se liga e um sítio regulatório (não catalítico) onde se liga um regulador. Quando o

regulador se liga na molécula, provoca uma alteração no sítio catalítico o que altera as suas propriedades

cinéticas. Neste caso, o comportamento da velocidade versus a concentração do substrato é sigmoidal

(“S”).

Aula 04 – 10/03

Cinética Enzimática: Modelo Matemático

Um modelo matemático da cinética das reações enzimáticas com um único substrato foi primeiro

desenvolvido por V. C. R. Henri em 1902, e depois por L. Michaelis e M. L. Menten em 1913. A cinética

catalisada por uma enzima e um substrato com um comportamento clássico é conhecida como cinética de

Michaelis-Menten. O desenvolvimento do modelo se baseia no fato de que a solução de enzima tem um

número determinado de sítios ativos (finito) nos quais o substrato poderá se ligar. Nas altas concentrações

de substrato todos os sítios ativos estarão ocupados e dizemos que a enzima está saturada. O modelo

clássico descreve uma cinética de saturação que pode ser obtida a partir de um esquema reacional

simples que envolve a etapa reversível para a formação do complexo enzima-substrato (E.S) e a etapa

dissociativa do complexo E.S.

+  /  .    + Assume-se que a formação do complexo E.S é rápida e que a formação do produto é irreversível. A

taxa de formação do produto P pode ser dada por:

 =  = 3 .  A variação na concentração do complexo E.S pode ser escrita como:

docsity.com

 .   = 1  − 2!.  − 3 . 

Como a enzima não é consumida na reação (catalisador), temos:

 0 =   +  .  Michaelis e Menten, considerando um equilíbrio rápido entre enzima e substrato, definiram:

2 1 =

   .  = $

Como:

  =  0 −   Logo:

 .  =  0$ +  Km é a constante de dissociação do complexo E.S. Como:

 =  = 3 .  Logo:

 =  0$ +  Foi definido que:

$%& = 3 0 Logo:

 = $%&$ +  = '$. 

$ +  v= velocidade da reação

S=concentração do substrato

Vm=velocidade máxima da reação

Km=constante de Michaelis-Menten

A última equação descrita é conhecida como modelo clássico ou modelo de Michaelis-Menten e

ilustra a influência da concentração do substrato sobre a velocidade da reação. Graficamente, o modelo de

Michaelis-Menten pode ser representado:

docsity.com

Figura 2 - Representação gráfica do modelo clássico (M.M) que mostra o efeito da [S] na velocidade da

reação enzimática

Análise do Modelo

Podemos fazer esta análise considerando dois casos:

a) Altas concentrações de substrato. Neste caso, pode-se observar:

 ≅ $%& Ou seja, a reação enzimática se comporta como se fosse de ordem zero;

b) Concentrações muito baixas de substrato. Neste caso, a reação se processa como se fosse de

primeira ordem. Ou seja:

 ≅  Observação 01: a concentração de enzima afeta a velocidade da reação e aumentando-se a

concentração da enzima, aumenta-se proporcionalmente a velocidade máxima da reação.

Observação 02: Km, conhecida como constante de Michaelis-Menten, é um indicativo da afinidade da

enzima pelo substrato, ou seja, quanto menor o Km, menor a afinidade (maiores taxas).

Observação 03: Km corresponde a concentração de substrato na qual a velocidade de reação é metade

da velocidade máxima.

docsity.com

Determinação dos Parâmetros Cinéticos Vmax (Vm) e Km

O modelo obtido é um modelo geral com dois parâmetros cinéticos importantes que são a

velocidade máxima da reação (Vm) e a contante de Michaelis-Menten (Km). Cada enzima e seu substrato

possui valores distintos de Vm e Km. Para que esse modelo tenha utilidade prática e que possa ser

aplicado numa reação particular, torna-se necessário o conhecimento dos mesmos para se resolver a

equação de projeto do reator.

Para se obter estes parâmetros, devemos ter dados experimentais, por exemplo a partir de um

pequeno reator batelada, no qual se adiciona uma quantidade conhecida de substrato [S0] e de enzima

[E0]. A partir do tempo inicial, se acompanha a concentração do produto ou a concentração do substrato

com o transcorrer do tempo, assim, obtém-se a curva P versus t, ou S versus t.

Determina-se as velocidades em t=0 por:

 =  | = 0  = −  | = 0

Este valor para as velocidades corresponde ao valor de E0 e S0. Desta forma, é possível gerar vários

pares de V e S que são pontos do gráfico v versus S.

Esses pares de V e S convenientemente arranjados e ajustados ao modelo nos permitirá a

determinação dos parâmetros

Aula 05 – 15/03

Determinação de Vm e Km Método 1 – método de Lineweaver-Burk (duplo recíproco)

Neste método toma-se o recíproco de ambos os membros da eq. De Michaelis-Menten de tal modo que

: 1/v versus 1/s apresenta uma relação linear do tipo y=ax+b com coeficiente angular “a=Km/Vm” e

coeficiente linear “b=1/Vm” ou seja:

VmSVm

Km

v

111 + 

  

= (01)

docsity.com

Logo com os pares 1/v e 1/s fazemos uma regressão linear e daí tira

Vm e então determina-se Km pois o coeficiente angular obtido na regressão linear também é conhecido.

Figura

Esse método 1 deixa as variáveis dependente (v) e independente (S) bem separadas. Os melhores

valores dos dados experimentais nas concentrações mais altas de substrato ou próximos a V

aglomerados próximos à origem enquanto que os dados com medições menos precisas ficarão dispersos

mais longe da origem e terão um grande peso no cálculo do coeficiente angular. Sendo assim, neste

método Km tem baixa precisão, já Vm

Devido a este fato, outros métodos foram desenvolvidos para se determinar V

Método 2 – Método de Eadie-Hoftee

Este método torna linear a relação entre v

coeficiente angular e Vm o coeficiente linear.

S

v KmVmv −=

Figura

-se o coeficiente linear e calcula

3. Gráfico do modelo de Linewaver-Burk

tem boa estimativa neste método.

x v/s partindo da eq. De Michaelis

(02)

4. Gráfico do método de Eadie-Hofstee

-se

m ficam então

m e Km.

-menten, sendo –Km o

docsity.com

Neste método, ambas as coordenadas contem a variável “v” que está sujeita a grandes erros

experimentais.

Método 3 – Método de Hanes-Woolf

Relaciona (S/v x v):

Vm

Km S

Vmv

S + 

  

= 1

Graficamente:

Figura

Cada um desses métodos possuem “pontos fracos” seja no cálculo de V

Método 4 – Método Gráfico ou direto de determinação de V

Existe também o chamado método gráfico ou direto. Neste caso os pares v e S são colocados

diretamente num gráfico :

(03)

5. Gráfico do modelo de Hanes-Woolf

m ou de K

m e Km

Figura 6. Gráfico do método gráfico

m.

docsity.com

Exemplo (7.7 – Fogler)

Determine os parâmetros de Michaelis-Menten Vm e Km para a reação de decomposição da ureia pela

uréase. Sabendo que os dados cinéticos são conhecidos e mostrados na tabela abaixo:

S

(kmol/m³) 0,2 0,02 0,01 0,005 0,002

V

(kmol/m³.s) 1,08 0,55 0,38 0,2 0,09

Usar os 3 métodos e comparar.

1) Y=0,75+2,07.10-2X

1/Vm=0,78 Vm=1,33

Km/Vm=2,07.10-2 km=2,76.10-2

2)y=1,2216+2,44.10-2X

Km=2,44E-2

Vm=1,2216

3)1,9846E-2+0,826X=y

Vm= 1,2106

Km=1,40E-2

Aula 06 – 17/03

Cinética Enzimática (continuação)

Obs: (cap. 5 do Fogler – método numérico-pg216-derivada no ponto inicial)

Reações enzimáticas na presença de inibidores

Quando certas substâncias estão presentes numa reação enzimática e provocam uma diminuição nas

taxas da reação nós dizemos que tais substâncias inibem a reação enzimática. Essas substâncias são

chamadas inibidores e geralmente sua presença deve ser evitada no meio reacional. Temos inibidores que

se ligam irreversivelmente à molécula de enzima e anulam a atividade enzimática, ou seja, a enzima perde

sua função catalítica. Dentre esses inibidores temos os íons de metais pesados tais como chumbo,

mercúrio, cádmio, etc. Cabe lembrar que esses íons podem ser removidos com o uso de agentes

quelantes tais como o EDTA e Citrato. Outros tipos de inibidores são ditos reversíveis, pois se dissociam

mais facilmente após se ligarem a enzima. Dentre esses inibidores nós temos:

docsity.com

comentários (0)
Até o momento nenhum comentário
Seja o primeiro a comentar!
Esta é apenas uma pré-visualização
Consulte e baixe o documento completo
Docsity is not optimized for the browser you're using. In order to have a better experience we suggest you to use Internet Explorer 9+, Chrome, Firefox or Safari! Download Google Chrome