enzimas aspectos gerais

enzimas aspectos gerais

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Universidade Federal de Santa Catarina

Centro Tecnológico

Departamento de Engenharia Química e Engenharia de

Alimentos Disciplina de Engenharia Bioquímica

Aspectos Gerais

Dirlei Diedrich Kieling Prof. Dr. Agenor Furigo Junior

Florianópolis, julho de 2002.

1. Introdução1
2. Histórico4
3. Conceito de Enzima5
4. Atividade Enzimática7
5. Especificidade7
6. Classificação9
7. Nomenclatura10
8. Fatores que Influenciam a Ação Enzimática1
8.1 pH1
8.2 Temperatura12
8.3 Cofatores12
8.4 Inibidores13
9. Conclusão13

SUMÁRIO 10. Bibliografia........................................................................................................................ 13

1 1. Introdução

Em todas as células vivas ocorrem ininterruptamente reações que, devido à sua grande complexidade, deveriam ser muito lentas nas temperaturas em que essas reações se processam (ao redor de 37°C). No entanto, essas reações são muito rápidas, o que nos leva à conclusão de que existem nas células vivas substâncias catalisadoras que diferem dos catalisadores inorgânicos pelo fato de serem substâncias muito mais complexas, formadas no interior das células vivas, mas capazes de agir também fora das células. São fatores importantes na tecnologia de alimentos pelo papel que desempenham no seu processamento e deterioração.

As enzimas são substâncias sólidas, mas difíceis de serem cristalizadas devido à complexidade de suas estruturas químicas. Com algumas exceções, são solúveis em água e álcool diluído, e quando em solução são precipitadas pela adição de sulfato de amônio, álcool ou ácido tricloroacético. São inativadas pelo calor e esta, talvez, seja a propriedade mais importante desses compostos em relação à tecnologia de alimentos.

Quimicamente as enzimas são proteínas com uma estrutura química especial, contendo um centro ativo, denominado apoenzima e algumas vezes um grupo não protéico, denominado coenzima. À molécula toda (apoenzima e coenzima) é dada o nome de haloenzima. Dependendo de tipo de ligação, o grupo prostético pode ser separado da proteína por métodos brandos, como por exemplo, diálise.

Grande parte das proteínas sintetizadas na célula são enzimas, referidas como enzimas intracelulares, citoplasmáticas. Somente podem ser obtidas e avaliadas por rompimento da célula. Mas, esta também tem a capacidade de sintetizar enzimas que são excretadas para fora da célula, podendo ser encontradas no meio de cultivo ou de propagação celular, lá sendo mais facilmente isoladas e avaliadas. São as enzimas extracelulares. Acredita-se que estas são sintetizadas nos ribossomos ligados à membrana celular, de lá passando para fora sob forma linear, assumindo sua conformação própria e característica, fora da célula.

Quase todas enzimas preparadas em escala industrial até hoje são extracelulares, porque seu isolamento dos meios ou caldos de cultivo é geralmente mais simples, embora elas se encontrem sob forma muito diluída nestes meios, o que pode tornar o seu isolamento muito dispendioso. Porém a maior parte das enzimas é intracelular, porque lá são continuamente sintetizadas metabolicamente.

Como o mecanismo celular dos sistemas vivos, animais, vegetais e microrganismos, depende das enzimas, a fonte primária destas são tecidos animais

(glândulas, principalmente), tecidos vegetais (sementes, frutas, exsudações) e culturas de microrganismos, quer se fazendo uso de cultivo total, quer extraindo as enzimas do meio de cultura de bactérias, fungos e leveduras.

Não é de admirar, portanto, que a maior parte das enzimas produzidas industrialmente tenha aplicação na produção, conservação e modificação de produtos animais e vegetais (principalmente alimentos), na produção de medicamentos (vitaminas, hormônios) e na produção de derivados de matérias primas animais e vegetais. Em todos casos de aplicação citados, se trata, fundamentalmente, de imitar tecnologicamente o que é feito na natureza, embora em escala condicionada à necessidade e vontade do homem.

Como fonte de enzimas, os vegetais têm sua limitação no fato de que relativamente pouca enzima pode ser extraída de uma em geral grande massa vegetal; o que somente é econômico onde mão de obra e terra tem custo menor. São poucas as enzimas que podem ser obtidas economicamente nestas condições. Entre elas, as proteinases, papaína, bromelina e ficina.

A papaína é obtida do mamoneiro (Carica papaya), a partir do líquido leitoso do fruto verde, ou do caule e das folhas. A bromelina é obtida dos caules deixados nos pés do abacaxi ou do ananás comum, após a colheita do fruto, embora folhas e o próprio fruto também a contenham, mas em menor quantidade. A ficina é contida no látex, esxudado que resulta de incisões feitas nas cascas de figueiras tropicais como Fícus glabrata, Fícus carica e outras espécies. Também da agave, produtora de sizal, é possível obter proteinase.

As enzimas proteolíticas sozinhas respondem por aproximadamente 60% das enzimas comercializadas, incluindo proteases microbianas; mas a papaína tem a supremacia no mercado.

Também uma enzima oxidativa é produzida a partir de vegetais; a lipoxidase, uma oxigenase, extraída da farinha de soja.

Por outro lado, o malte, o qual pode ser considerado como enzima amilolítica bruta, é, seguramente a ‘’enzima’’ vegetal mais difundida.

Enzimas de glândulas e órgãos animais também tem produção limitada, porque são obtidas de subprodutos da industrialização de carnes, recurso alimentar nobre e, por isso, além de dispendiosos, de oferta geralmente escassa. Um exemplo é o pâncreas bovino que, simplesmente congelado e moído, pode atuar como protease na chamada ‘’purga’’ de peles.

Enzimas microbianas, produzidas através do cultivo dirigido de microrganismos em substratos apropriados, não sofrem as limitações apontadas. Havendo disponibilidade dos insumos do substrato ou meio de cultura, sendo disponíveis e conhecidos o agente microbiano mais apropriado e o método e condução do cultivo, a produção é potencialmente ilimitada, dependendo da economia do respectivo processo.

Na Tabela 1 são indicados os principais usos de importantes enzimas produzidas em escala industrial.

Tabela 1: Fontes, aplicações e efeitos das principais enzimas

Enzimas Aplicação e efeito Fonte de enzima a) Hidrolases Amilases Panificação, massas e biscoitos: modificação da massa.

Cerveja: preparo do mosto doce. Álcool e bebidas destiladas: sacarificação. Álcool industrial: liquefação e sacarificação de amiláceos. Auxiliar digestivo. Amido modificado para alimentos.

Fungos, malte Malte Malte Fungos, bactérias Malte, pâncreas Malte, fungos

Proteases Panificação, massas e biscoitos: modificação da viscosidade e da textura da massa. Cerveja: estabilidade ao frio.

Lavagens, limpeza: remoção de manchas. Peles-couros: remoção da elastina.

Carnes: amaciamento. Queijos: formação da coalhada, flavorizante. Alimentos protéicos: obtenção de hidrolisados.

Papaína, bromelina

Papaína, pepsina gástrica Bactérias, fungos, pâncreas Bactérias, fungos, pâncreas Papaína, bromelina Renina, fungos Bactérias, pâncreas

Pectinases Frutas: clarificação do suco. Vinhos: clarificação, filtração. Fungos Fungos

Lípases Lavagens, limpeza: remoção de manchas.

Queijos: flavorizante.

Pâncreas, glândulas, fungos Fungos b) Oxido-redutases

Glicose-oxidase Alimentos: remoção de O2 prejudicial. Analítica: dosagem de glicose. Fungos Fungos

Catalase Remoção de H2O2 usado como alvejante ou bactericida. Fungos, fígado Lipoxidase Panificação: alvejante. Farinha de soja c) Isomerases Glicose-isomerase Xaropes de alto teor de frutose. Bactérias, fungos

4 2. Histórico

A literatura destaca alguns pontos históricos, que marcaram o conhecimento e o controle da atividade enzimática que hoje se emprega rotineiramente. A atividade catalítica de enzimas tem sido utilizada pelo homem há milhares de anos, em processos tais como fermentação do suco de uva para obtenção do vinho, fabricação de queijo e pão. No entanto, estas eram apenas aplicações práticas, uma vez que o conhecimento do modo de ação dos catalisadores biológicos só recentemente foi elucidado, precedido por uma série de fatos que culminaram nos conhecimentos para utilização de enzimas em diferentes ramos da atividade humana.

Van Helmont, no século XVII, considerava a transformação dos alimentos um processo químico mediado por “fermentos”. A experiência de Spallanzani (1729-1799) demonstrou que o suco gástrico continha um “princípio” capaz de liquefazer a carne.

Em 1814, Kirchoff demonstrou a conversão do amido em açúcar por um extrato de trigo. Quase vinte anos depois (1833), outro marco no conhecimento da enzimologia foi a demonstração da conversão do malte em extrato etanólico por Payen e Persoz. Eles nomearam de diastase o fenômeno da conversão do amido em açúcar. Atividade semelhante foi observada, posteriormente, na saliva.

Pasteur, em 1860, demonstrou através de uma série de experimentos que a fermentação alcoólica só ocorria em presença de células vivas de levedura. Na mesma época, Liebig defendia que os processos fermentativos eram reações químicas. Daí originou-se a denominação ENZIMA que vem do grego e significa “na levedura”, proposta por Kuhne em 1878, que também acreditava que catalisadores deste tipo só atuavam dentro das células vivas.

A polêmica Pasteur-Liebig foi resolvida em 1897 pelo trabalho dos irmãos

poderiam ser estudadas isoladamente e sob condições controladas

Buchner, que maceraram a levedura para obter um extrato. Este, inteiramente livre de células era capaz de fermentar o açúcar do mesmo modo que a célula de levedura. Isto significava que o extrato continha catalisadores da fermentação alcoólica, o que tornava possível estudar “in vitro” reações químicas da fermentação. A partir daí o progresso no conhecimento no modo de ação dos catalisadores foi rápido, pois as reações catalisadas

No entanto, a natureza química das enzimas ainda não era conhecida e isso só se tornou possível mais tarde, após um número de enzimas ter sido cristalizada e ser mostrado que consistia inteiramente de proteína. A primeira enzima a ser cristalizada (em 1926 por Summer) foi a urease, isolada do feijão.

O desenvolvimento da ultracentrifugação por Svedberg (por volta de 1920), permitiu a criação de centrífugas capazes de sedimentar macromoléculas. Estes estudos mostraram que proteínas em solução geralmente consistiam de moléculas homogêneas, com definido peso molecular M (no caso das enzimas M varia entre 104 e 107). A descrição da estrutura enzimática em termos químicos tornou-se, então, uma possibilidade real. Isto foi realizado em 1960 quando a seqüência de aminoácidos da ribonuclease (enzima que catalisa a hidrólise do ácido ribonucleico) foi deduzida. Em 1965 a estrutura tridimensional da lisosima (enzima que cliva a parede celular de certas bactérias) foi deduzida por uma técnica de cristalografia e o primeiro mecanismo de ação pode ser postulado em termos estruturais.

A evolução no estudo das enzimas (por volta de 1960), acompanhado por avanços tecnológicos, possibilitou o isolamento e a identificação de propriedades das enzimas. Desde então, vem sendo feita a caracterização e o estudo cinético de milhares de enzimas de diferentes fontes: animais, vegetais e de microrganismos.

Tais avanços tornaram necessária a criação de uma Comissão Internacional de

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