Aplicações Biotecnológicas das Enzimas - (LTC) de NUTES

Aula 4
Aplicações Biotecnológicas das Enzimas
As aplicações tecnológicas das enzimas são amplas e abrangem desde o uso clínico (no
diagnóstico e tratamento de doenças) como industrial (alimentos, têxtil, ente outros).
Nesta aula, nossa intenção é dar uma visão geral da aplicação de enzimas “fora de um
organismo vivo”. Não é possível dar um resumo de todas as aplicações atualmente
existentes, mas podemos ter uma visão geral de como as enzimas podem ser úteis,
inclusive em situações inusitadas.
APLICAÇÕES CLÍNICAS
As enzimas podem ser usadas tanto no
diagnóstico como no tratamento de doenças
e nesta aula veremos um pouco de como isso
é importante na clínica médica. A primeira
doença diagnosticada por dosagens de
enzimas no plasma sanguíneo foi infarto do
miocárdio e, atualmente, a dosagem de
enzimas no sangue auxilia o diagnóstico de
muitas outras doenças. No tratamento de
doenças, as enzimas são usadas diretamente
como auxiliares digestivos, em tratamentos
dermatológicos e até de leucemia, um tipo
de câncer que afeta as células do sangue.
Além disso, a perda da atividade de uma ou
mais enzimas em nosso organismo pode
ocasionar os Erros Inatos do Metabolismo,
um grupo de doenças geneticamente
determinadas, decorrentes da deficiência
em alguma via metabólica, seja de
anabolismo ou catabolismo.
determinação de isoformas1 de creatina
cinase (CK) e de lactato desidrogenase (LDH
ou LD) foi introduzida no diagnóstico do
infarto.
LDH é uma proteína tetramérica que pode
ser formada por subunidades H (de heart) ou
M (muscle). Existem 5 isoformas de LDH que
refletem as diferentes combinações das duas
cadeias polipeptídicas (H e M), como mostra
a tabela abaixo:
Isoforma da LDH
Subunidades
LDH1
4H
LDH2
3H1M
LDH3
2H2M
LDH4
1H3M
LDH5
4M
ENZIMAS NO DIAGNÓSTICO
Algumas doenças podem ser diagnosticadas
pela dosagem de enzimas no plasma
sanguíneo. Esta forma de diagnóstico tem
uma grande vantagem sobre outros métodos,
pois requer apenas uma coleta de sangue do
paciente. Esse procedimento clínico é menos
invasivo quando comparado a outros, como a
biópsia e a cirurgia.
A aspartato aminotransferase (AST) foi a
primeira enzima utilizada em diagnóstico,
na década de 1950 (LaDue et al., 1954),
como marcador bioquímico de infarto do
miocárdio. Como a enzima AST ocorre em
outros tecidos, ao longo dos anos, outros
marcadores foram identificados a fim de se
garantir um diagnóstico preciso. Assim, a
Localização
tecidual
Coração
sistema
reticuloendotelial
pulmões e outros
tecidos
Placenta, rins e
pâncreas
Músculo estriado e
fígado
De forma semelhante, a CK apresenta três
diferentes isoformas (CK-BB, CK-MB e CKMM). Essa proteína é dimérica e pode ser
formada por cadeias polipeptídicas B (brain)
ou M (muscle). A CK-BB é expressa em todos
os tecidos em baixa quantidade e não tem
relevância clínica. A CK-MM corresponde a
mais de 98% da creatina cinase expressa em
músculo esquelético e 70% da mesma, em
miocárdio.
1
Isoforma é o nome que se dá para uma proteína com
mesma função, mas com sequência polipeptídica
distinta de outra proteína.
Com exceção daquelas que atuam no
estômago ou no lumen intestinal, a maioria
das enzimas são intracelulares, atuando no
citosol ou no interior das organelas. Quando
ocorre a renovação celular, o conteúdo
interno das células rompidas chega ao
plasma sanguíneo.
As enzimas intracelulares provenientes da
degradação celular que normalmente ocorre
em nosso organismo também passam para a
corrente sanguínea. Essas são as enzimas
que encontramos em uma análise sanguínea
normal, em concentrações que são
consideradas como os valores de referência
nos quais nos baseamos para analisar os
resultados de um paciente. Uma dosagem
enzimática que revele valores maiores que o
valor de referência é um indicativo de
alguma patologia.
Valores de referência para
atividades enzimáticas no soro
Enzima
Alanina
aminotransferase
(ALT)
Amilase
Aspartato
aminotransferase
(AST)
Colinesterase
Creatino quinase
(CK Total)
Fosfatase Alcalina
Gama-Glutamil
Transferase
Lactato
desidrogenase
(LDH Total)
Lipase
Valor de Referência
(U/L)
até 41 (37 ºC)
22 a 80
até 42 (37 ºC)
4.970-13.977 (37 ºC)
Mulher: 26-140
Homem: 38-174
26 a 117
Mulher: até 38
Homem: até 55
207 – 414 (37 ºC)
até 200
A tabela a seguir resume as enzimas que são
encontradas no sangue de um paciente, em
decorrência de diversas patologias, e que
podem ser usadas no diagnóstico das
mesmas.
Enzimas usadas em diagnóstico
Doenças
Enzimas Usadas para o
Diagnóstico
Câncer de próstata
Fosfatase ácida
Doenças hepáticas
Alanina aminotransferase
Aspartato aminotransferase
Fosfatase alcalina
Ornitina-carbamoil transferase
g-Glutamiltransferase
Lactato desidrogenase (LD4 e
LD5)
Infarto do miocárdio
Creatino cinase
Aspartato aminotransferase
Lactato desidrogenase (LD1 e
LD2)
Glicose-6-fosfato desidrogenase
Músculo esquelético
Aldolase
Aspartato aminotransferase
Creatina quinase
Lactato desidrogenase (LD1 e
LD2)
Pancreatite aguda
Amilase
Lipase
Doenças dos ossos
Fosfatase alcalina
5’-nucleotidase (5NT)
Embolia pulmonar
Lactato desidrogenase (LD3)
Anemias hemolítica
e megaloblástica
Lactato desidrogenase (LD1 e
LD2)
glicose-6-fosfato desidrogenase
Algumas dessas enzimas estão aumentadas
no sangue em consequência de mais de uma
doença. Esse é o caso da aspartato
aminotransferase (AST) que ocorre tanto em
doenças hepáticas como no infarto do
miocárdio ou em decorrência de um dano
muscular (um corte acidental ou cirúrgico).
A AST é encontrada, também, no pâncreas,
rins e eritrócitos.
Essa enzima é normalmente chamada de
transaminase
glutâmico
oxalacética (ou
TGO) nos exames laboratoriais, mas esse é
seu nome antigo que devia ter caído em
desuso. Dessa forma, procura-se dosar mais
de uma enzima a fim de se obter um
diagnóstico diferencial. Um bom exemplo é
a dosagem de alanina aminotransferase
(ALT) que é específica para o fígado.
Curiosamente, na clínica essa enzima
também é conhecida pelo nome antigo
(transaminase glutâmico pirúvica ou TGP).
ENZIMAS NA FARMACOLOGIA
As enzimas são, também, amplamente
usadas como medicamentos em diferentes
doenças, como mostrado a seguir:
Enzimas utilizadas no tratamento
de diversas doenças
Tipo de Aplicação
Antibiótico
Enzimas utilizadas no
tratamento
Lisozima
Antiviral e alguns
cânceres
Ribonucleases
Auxiliar digestivo
Lipase
Papaína
Celulase
β-amilase
Papaína
Celulase
β-amilase
Bronquite crônica e
Pneumonia aguda
Esfericase
Coágulo sanguíneo
Estreptocinase
Distrofia do tecido
subcutâneo e edemas
traumáticos, flebológicos
ou cirúrgicos*
Mucopolissacaridase
Doença de Fabry
Galactosidase
Doença de Gaucher
Glicocerebrosidase
Edemas locais de origem
traumática, inflamatória*
Hialuronidase
Estrias
Papaína
Fibrose cística
Desoxiribonuclease
Gota
Urato oxidase
Inflamação
Superóxido Dismutase
Serrapeptase
Lactase
Intolerância à Lactose
Leucemia Linfoblástica
Aguda
L-Asparaginase
Úlcera Gástrica
Desoxiribonuclease
(esteptodornase)
Colagenase
Úlceras de pele
Uma enzima de grande interesse clínico é a
asparaginase, que vem sendo utilizada como
agente antineoplásico há cerca de 40 anos.
A descoberta desse efeito foi casual. Em
1953, o Dr. John G. Kidd da Cornell
University em Nova Iorque (USA) estava
pesquisando a eficácia de um novo composto
quimioterápico em ratos geneticamente
(leucêmicos). Para tal, a nova droga era
dissolvida em soro de porquinhos da Índia e
injetada nos ratos.
O grupo controle era composto pelo mesmo
tipo de ratos, que recebiam apenas o soro.
Ao final de alguns dias, Kidd observou a
morte da maioria dos ratos tratados com a
nova droga. Para sua surpresa, os ratos do
grupo controle mostravam uma melhora
significativa no quadro clínico.
Num primeiro momento, pensou ser um erro
experimental: talvez a droga tivesse sido
injetada nos ratos que seriam do grupo
controle e o soro, nos ratos que deveriam
receber o tratamento. Depois de algumas
repetições, ele percebeu que a nova droga
apresentava um efeito tóxico considerável,
pois os ratos morriam em tempo mais curto
que o esperado. Porém, a observação mais
interessante foi de que o soro de porquinho
da Índia estava levando a uma considerável
melhora nos sintomas decorrentes da
leucemia. Kidd também testou o soro de
coelhos, de cavalo e, até mesmo, soro
humano, sem sucesso.
Foi apenas em 1961 que outro pesquisador,
Dr. John D. Broome, trabalhando no
laboratório do Dr. Kidd, apresentou
evidências de que a enzima L-asparaginase
era a responsável pelos efeitos antitumorais
do soro de porquinho da Índia.
A L-asparaginase catalisa a hidrólise do
aminoácido L-asparagina em ácido aspártico
e amônia. A L-asparagina é um aminoácido
essencial para células neoplásicas já que
elas não o produzem em uma quantidade
suficiente para a manutenção da síntese
proteica intracelular. A administração de Lasparaginase em pacientes leucêmicos leva à
transformação da L-asparagina circulante no
soro em ácido aspártico e amônia, no
entanto, as células leucêmicas não são
capazes de converter o ácido aspártico em
asparagina novamente dentro da célula, pois
são deficientes na enzima que catalisa tal
reação, a asparagina sintase. Com isso, a
síntese
proteica
fica
comprometida,
causando a morte celular.
Esta foi uma descoberta muito importante
para o tratamento clínico de crianças
leucêmicas.
ERROS INATOS DO
METABOLISMO (EIM)
EIM fazem parte de um grupo de doenças
geneticamente determinadas, decorrentes
da deficiência em alguma via metabólica
que está envolvida na síntese (anabolismo),
no
transporte
ou
na
degradação
(catabolismo) de uma substância. Muitas
dessas doenças são decorrentes da perda da
atividade de uma ou mais enzimas. Tais
erros do metabolismo são considerados a
causa das Doenças Metabólicas, cujas
manifestações clínicas ocorrem devido ao
acúmulo do substrato de uma reação, da
falta de produto desta mesma reação ou
ainda do acúmulo de uma substância
originada de via metabólica alternativa, que
pode levar ao comprometimento dos
processos celulares.
Apesar de raras individualmente, essas
doenças
acometem,
aproximadamente
1:1000 nascidos vivos. Os EIM são
classificados em três grupos, como mostrado
nas tabelas a seguir. Uma parte dos EIM são
potencialmente
tratáveis,
desde
que
diagnosticados corretamente e em tempo
hábil e representam cerca de 10% das
doenças genéticas autossômicas recessivas.
Pela falta do reconhecimento das doenças,
algumas são fatais nos primeiros dias ou
meses de vida.
Classificação dos EIM
Grupo 1: defeito na síntese (catabolismo) de
macromoléculas.
Grupo 2: defeito no metabolismo intermediário.
Grupo 3: defeito na produção ou utilização de
energia.
Erros inatos
Grupo 1
Defeito em
organelas
celulares
(lisossomos e
peroxissomos),
na síntese ou
catabolismo de
moléculas
complexas.
Enzima deficiente e
sintomas
Glicocerebrosidade e
esfingomielinase:
acúmulo de
glicocerebrosídeo e
esfingomielina
Enzimas lisossômicas da
degradação dos
mucopolissacarídeos:
acúmulo de heparan e
dermatan sulfato.
Defeito no
metabolismo de
Lipídios, ácidos
biliares,
purinas,
pirimidinas e
transporte de
metais.
Redução/ausência dos
peroxissomos:
diminuição da
destoxicação.
Grupo 2
Oxidase homogentísica:
bloqueia o metabolismo
da fenilalanina-tirosina;
acúmulo de ácido
homogentísico.
Defeitos no
metabolismo
intermediário.
Sintomas permanentes
e progressivos; quadro
clínico não tem relação
com ingestão alimentar
ou intercorrências.
Propionil-CoA
carboxilase - coma e
convulsões.
Liase e arginase.
Lactase, sacarase e
maltase.
Sintomas: intoxicação
aguda ou crônica.
Defeito na
produção ou
utilização de
energia.
Defeitos no
fígado cérebro e
músculo.
Glicose-6-fosfatase:
acúmulo intracitoplasmático de glicogênio e
lipídios.
Defeito de transporte
mediado por receptor
de alta afinidade LDL:
aumento de LDL dentro
das células e vasos.
Função anormal do
canal de cloro epitelial
e/ou íons bicarbonato:
secreções hipertônicas
e/ou ácidas com
precipitação de mucina
e obstrução de ductos.
Sintomas: vômitos,
desidratação, letargia,
alteração de tônus
muscular e convulsões,
decorrentes do
acúmulo de substâncias
tóxicas ou déficit de
energia.
Doença
Depósito
lisossômico:
Esfingolipido
ses (Doença
de Gaucher,
doença de
NiemannPick),
Mucopolissac
aridoses e
Doença de
Pompe.
Peroxissomo
s: Síndrome
de Zelweger
Aminoacidop
atias:
Alcaptonúria
Acidemia
propiônica
Insuficiência
renal,
nefrite,
pielonefrite.
Intolerância
aos açúcares
Doenças do
depósito do
glicogênio:
Von Gierke;
glicogenose
do tipo V.
Hipercoleste
rolemia
Fibrose
cística
APLICAÇÃO NA INDÚSTRIA
A utilização das enzimas como catalisadores
em processos industriais oferece inúmeras
vantagens, tais como: maior especificidade,
menor consumo energético, redução de
custos com uso de maquinário, aumento da
qualidade do produto e maior velocidade de
reação quando comparadas aos catalisadores
não biológicos. Além disso, as enzimas
podem
ser
obtidas
facilmente
por
biotecnologia, através da transferência de
informações
genéticas
para
um
microorganismo hospedeiro conhecido, por
meio de técnicas de DNA recombinante.
Não sabemos com precisão quando as
enzimas começaram a ser utilizadas no
cotidiano da humanidade. Entretanto, os
povos primitivos instintivamente faziam uso
de enzimas na transformação do leite de
cabra em queijo, a fim de facilitar o seu
transporte. A evolução industrial e
tecnológica permitiu a descoberta das
formas de atuação, caracterização e função
das enzimas, que passaram a ser
amplamente utilizadas na indústria com
diversas finalidades e em vários setores,
principalmente o alimentício, o têxtil e o de
detergentes.
As tabelas a seguir resumem o uso de
diversas enzimas na indústria alimentícia:
Enzimas
Amilase
Utilizada para
complementar a
atividade da alfa-amilase
da farinha
Celulases e xilanases
Utilizada no
condicionamento da
massa. Adequada para
uso em combinação com
ou para substituir
emulsificantes em pães e
bolos.
Celulases
Adequada para uso em
biscoitos, bolos e massas.
Oxidase
Utilizada em pão, como
uma alternativa à
agentes oxidantes e
agentes emulsificantes.
Protease
Adequadas para
utilização em pães,
biscoitos, e torradas.
Lipase
Adequada para utilização
em produtos de
panificação. Ela funciona
de forma mais eficaz em
combinação com
hemicelulase e / ou alfaamilase fúngica.
As enzimas estão presentes tanto no corpo
humano, quanto em microorganismos, bem
como nos animais e vegetais. Grande parte
das enzimas utilizadas na indústria é
extraída de microorganismos, entretanto,
enzimas como a pancreatina e a tripsina
podem ser obtidas de animais e a papaína e
bromelina de vegetais.
Através de técnicas de DNA recombinante,
atualmente está sendo possível inserir genes
de plantas e animais em microorganismos a
fim de que eles passem a fornecer as
enzimas de interesse, diminuindo o custo do
processo logístico. As vantagens das enzimas
em relação aos catalisadores não biológicos
se devem ao fato de que em condições
fisiológicas as enzimas apresentam um poder
catalítico absurdamente maior que os
catalisadores não biológicos que precisam de
condições de acidez, temperatura e pressão
incompatíveis com a vida para atingirem
eficiência máxima, aumentando o custo
energético do processo realizado.
Aplicação em produtos
de panificação
Enzimas
Aplicação em produtos
derivados do leite
Proteases
Utilizada para aumentar a
intensidade do sabor de
queijos.
Lipases
Utilizada para conferir uma
textura cremosa e sabor, para
queijos, sem alterar o sabor
essencial do laticínio.
Enzimas
Catalase
Aplicação em derivados do ovo
As enzimas também são utilizadas em:
Decompõe o peróxido de
hidrogênio residual em
subprodutos inofensivos.
Detergentes: Protease, lipase e amilase
Glicose oxidase
Previne o escurecimento
Fosfolipase
Melhora a emulsificação e as
propriedades de gelificação da
gema do ovo.
Lipase
Quebra os lipídeos complexos
para assegurar a capacidade da
clara de ovo de formar espuma.
Protease
Melhora a capacidade de
formação de espuma,
modificando a proteína da clara
de ovo.
Enzimas
Aplicação em produtos
com álcool e amido
Celulase
Extração e liquefação de
materiais de plantas.
Alfa-amilase
termoestável
Utilizada para altas
temperaturas. Na
liquefação de amido contido
nos grãos.
Glucoamilase
Sacarificação de grãos
inteiros de amido em
glicose.
Protease
Conversão de proteínas de
grãos em amino livre e
nitrogênio.
Uma mistura de
amilases e proteases
Sacarificação simultânea a
fermentação do amido dos
grãos.
Carbohidrase
Extração aquosa de vários
óleos antes da separação
por decantadores ou
prensas. E utilizada para a
extração e liquefação de
materiais de plantas.
Amilase
Usada para produzir xaropes
de maltose a partir de
amido liquefeito.
Amilase bacteriana
Utilizada para a liquefação
de amido de grãos inteiros.
Presentes em detergentes e sabões, para a
desincrustação de resíduos orgânicos,
remoção de manchas e conferir mais brilho
ao tecido.
Indústria de Papel: Celulase
Decompõem a celulose para a produção de
papel e derivados.
Indústria Têxtil: Celulase, amilase,
catalase e protease
Amolecimento do algodão e
remoção de tintas em excesso.
do
linho,
Cosméticos: mucopolissacaridase,
proteases, amilase, catalase e protease.
Estão em estudo as enzimas superóxido
dismutase (SOD) e peroxidase.
Esfoliação (peeling), tratamento de estrias e
celulite. Proteção contra radicais livres.
É claro que existem outras aplicações
industriais, mas esta aula tem o objetivo de
ilustrar algumas delas, para que você possa
escolher algum dos tópicos abordados e
desenvolver com seus alunos ou, pelo
menos, ilustrar com aplicações além da mais
óbvia: a manutenção da vida!
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publicação sem a permissão formal de seus autores.
Laboratório de Biocalorimetria
Instituto de Bioquímica Médica
UFRJ / 2012
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