BIOQUÍMICA INDUSTRIAL Mestrado em Bioquímica Prof. Nuno Mateus Gab. 2.17 Telef. 220402562 Email. nbmateus@fc.up.pt 1
Sumário Prefácio A bioquímica e a biotecnologia no nosso dia-a-dia Histórico; Empresas e multinacionais; Criação de empresas de biotecnologia em Portugal Cap. 1 - Introdução à Enzimologia 1.1 Histórico 1.2 Definição 1.3 Propriedades gerais 1.4 Classificação e nomenclatura das enzimas Cap. 2 - Engenharia Enzimática e de Proteínas 2.1 Engenharia enzimática 2.2 Perspectivas futuras em engenharia enzimática 2.3 Estabilidade de proteínas 2.4 Engenharia de proteínas 2.5 Aplicações de enzimas na Indústria 2.5.1 Aplicações como produtos finais Indústria dos detergentes 2.5.2 Aplicações como aditivos do processo Indústria do papel e indústria têxtil 2.5.3 Aplicações na produção de alimentos e bebidas 2.5.3.1 Enzimas na Indústria dos sumos de fruta e processamento da fruta 2.5.3.2 Enzimas na indústria de lacticínios 2.5.3.3 Enzimas na indústria da cerveja 2.5.3.4 Enzimas na indústria da panificação 2.5.3.5 Enzimas na indústria de carnes e peixes 2.5.3.6 Enzimas na indústria de óleos e gorduras 2.5.4 Aplicações em processos de biotransformação 2.5.4.1 Indústria do processamento de amido 2.5.4.2 Indústria de antibióticos b-lactâmicos 2.5.4.3 Indústria de Química fina 2.5.5 Novos desenvolvimentos de enzimas na Indústria Cap. 3 Biossensores 3.1 Características gerais de um biossensor ideal 3.2 Tipos de transdutor 3.3 Enzimas utilizadas em biossensores 3.4 Áreas de aplicação 3.5 Biossensores ópticos 3.6 Biossensores electroquímicos 3.7 Biossensores potenciométricos 3.8 Biossensores condutimétricos 3.9 Biossensores termométricos 3.10 Biossensores enzimáticos para imunodetecção Cap. 4 - Bioprocessos 4.1 Imobilização de Biocatalisadores 4.1.1 Vantagens e limitações 4.1.2 Métodos de imobilização de biocatalisadores 4.1.3 Factores que afectam a cinética enzimática em sistemas multifásicos 4.1.4 Aplicações de sistemas de células e enzimas imobilizadas 4.2 Biocatálise em meios não-convencionais 4.2.1 Objectivos do uso de meios não-convencionais 4.2.2 Biocatálise em solventes orgânicos: vantagens e desvantagens 4.2.3 Meios não convencionais usados em Biocatálise 4.3 Bioreactores 4.3.1 Classificação dos reactores em função do regime de operação 4.3.2 Classificação dos reactores em função das características hidrodinâmicas 4.3.3 Reactores para biocatalisadores imobilizados Cap. 5 - Biotecnologia microbiana 5.1 Histórico 5.2 Objectivos da utilização industrial de microrganismos 5.3 Os microrganismos com maior importância industrial 5.4 Processo de biotecnologia microbiana 5.5 Selecção e melhoramento de estirpes 5.6 Condições de cultura e produção 5.7 Produtos do metabolismo microbiano 5.8 Exemplos da utilização industrial de microrganismos 5.9 Perspectivas: engenharia metabólica Cap. 6 - Biotecnologia ambiental 6.1 Poluição 6.2 Bioremediação 6.1.1 Vantagens e desvantagens 6.1.2 Principais poluentes 6.1.3 Ecologia microbiana 6.1.2 Vias metabólicas de degradação 6.1.3 Factores que influenciam a bioremediação 6.1.4 Processos de Bioremediação 6.3 Controlo da poluição aquática 6.4 Biotecnologia dos ambientes aéreos e confinados Cap. 7 - Biotecnologia da saúde 7.1 Terapia génica e novas vacinas 7.2 Sistemas de libertação controlada de fármacos 7.2.1 Sistema clássico ou convencional de libertação de fármacos 7.2.2 Sistema não convencional de libertação de fármacos 7.2.3 Vantagens da libertação controlada de fármacos 7.2.4 Abordagens para a obtenção de libertação controlada de fármacos 7.2.5 Aplicações terâpêuticas e formas comercializadas de sistemas de libertação 7.3 Biomateriais 7.3.1 Local vs Tipo de aplicação 7.3.2 Materiais utilizados em medicina 7.3.2.1 Metais 7.3.2.2 Cerâmicos 2 7.3.2.3 Polímeros 7.3.3 Aplicações de biomateriais 7.3.4 Ensaios
Normas da disciplina Avaliação: Nota Teórica (NT): exame teórico Nota Prática (NP): trabalhos práticos +monografia/apresentação de artigos + avaliação contínua Nota Final = NP x 0,30 + NT x 0,70 Bibliografia: Biotecnologia Fundamentos e Aplicações Nelson Lima, Manuela Mota LIDEL 2003 Engenharia Enzimática Joaquim Cabral, Maria Raquel Barros, Miguel Gama LIDEL 2003 Enzymes in Industry Production and Applications Ed. Wolfgang Aehle WILEY-VCH 2004 Outros livros de interesse geral: Biochemical Engineering Harvey W. Blanch, Douglas S. Clark MARCEL DEKKER 1997 Principles of Fermentation Technology 2nd Edition, Stanbury, Whitaker & Hall BH 1995 Environmental Biotechnology 2nd Edition, Alan Scraag Oxford University Press, 2005 3
Pesquisa bibliográfica http://isiknowledge.com http://www.scopus.com http://www.pubmedcentral.nih.gov/ http://www.b-on.pt http://www.sciencedirect.com http://www.interscience.wiley.com 4
Aulas Práticas Trabalhos práticos 1. Escurecimento enzimático dos frutos: cinética da enzima PPO 2. Determinação da actividade proteolítica em detergentes em pó 3. Determinação da actividade da lipase em detergentes em pó 4. Imobilização da invertase por oclusão em alginato de cálcio 5. Determinação da actividade de uma fitase para uso em rações animais 5
Aulas Práticas Temas de monografia (máximo de 30 páginas) 1. Engenharia enzimática e/ou proteica e aplicações industriais 2. Exploração comercial de microrganismos 3. Biossensores Inovações tecnológicas para a indústria clínica/farmacêutica 4. Bioreactores industriais Inovações e aplicações 5. Biocatalisadores imobilizados (produção e propriedades) 6. Biotecnologia microbiana e aplicações industriais 7. Indústria cosmética Aplicações químicas, bioquímicas e biotecnológicas 8. Química verde A biotecnologia ao serviço da sociedade 9. Desenvolvimento e aplicações de novas enzimas na Indústria Alimentar 10. Biomateriais Recentes avanços e aplicações 11. Sistemas de libertação controlada de Fármacos 13. Alimentos funcionais: prebióticos e probióticos 12. Biotecnologia Alimentar Alimentos transgénicos 14. Bioinsecticidas e Biopesticidas 15. Aplicação de polifenóis na Indústria Alimentar 16. Terapia genica e novas vacinas 17. Biosurfactantes e suas aplicações industriais 18. Bioremediação de solos Novas linhas de investigação 19. Biotecnologia Vegetal Exemplos e aplicações 20. Biotecnologia Farmacêutica (síntese de fármacos e derivados) 21. Nanotecnologia A ciência do século XXI? 22. Segurança e regulamentação em Biotecnologia 23. HACCP Controlo de Qualidade Industrial 24. Bioética Biotecnologia amiga ou inimiga? 25. Economia de bioprodutos (Case Studies) 6
Prefácio 7
Prefácio Química Bio-orgânica Biofísica Biotecnologia Bioquímica Fundamental Engenharia Bioquímica Bioquímica Industrial Biologia Molecular e Celular Química Bio-inorgânica Bioinformática Nanotecnologia 8
Prefácio 9
Prefácio Evolução da biotecnologia Sec. XXI Anos 70 Anos 30-40 Petroquímica Antibióticos Nanotecnologia Técnicas de DNA recombinante OGMs Sec. XIX Levedura Álcool etílico Indústrias de fermentação (acetona, Vit. B2 (riboflavina), glicerol, precursores de Vit. C, ac. cítrico, esteroides, enzimas 2500 A.C. Pão, queijo, vinho, cerveja, 10
Prefácio Principais áreas de intervenção da biotecnologia Indústria Química Etanol Metanol Ácido cítrico Acetona Butanol Ambiente Biopolímeros Recuperação de metais Biorremediação Indústria Alimentar Produtos de fermentação Enzimas Aromatizantes Vitaminas Polissacarídeos Indústria Farmacêutica Antibióticos Hormonas Esteróides Imuno-mediadores Terapia génica Agro-Indústria Pesticidas biológicos Insecticidas biológicos Plantas transgénicas 11
Prefácio www.genencor.com www.hovione.pt www.novozymes.com www.caudalie.com www.medinfar.pt www.novartis.com www.coca-cola.com www.corporate.basf.com www.avoncompany.com/ www.bial.pt www.lever.pt www.guccigroup.com/ www.yser.pt www.nestle.pt www.unicer.pt 12
Prefácio www.pg.com www.unilever.com 13
Prefácio 14
Capítulo I Introdução à Enzimologia 15
Histórico 1833 Payen e Persoz: uma substância convertia o amido em açúcar - diastase. 1897 Os irmãos Buchner conseguiram obter um extracto de levedura livre de células e possuidor de capacidade fermentativa. 1926 Sumner a primeira enzima na forma cristalina: a urease. Os cristais eram de natureza proteica. Nos anos 30 foi a vez da tripsina, quimiotripsina e pepsina. Foi então aceite de um modo geral que as enzimas são proteínas. 1945 Emil Fisher desenvolveu o modelo chave e fechadura : especificidade das enzimas. 1948 Linus Pauling desenvolveu a ideia de que as enzimas têm maior afinidade por uma espécie de transição do que pela molécula de substrato. Anos 80 Descoberta de alguns ácidos ribonucleicos (RNA) com propriedades catalíticas (ribozima). 16
Definição Enzimas são catalisadores biológicos que aumentam a velocidade das reacções químicas que ocorrem nas células e organismos sem se alterar. Cada enzima actua sobre um determinado substrato convertendo-o num determinado produto. 17
Propriedades gerais Regio- e estereo-selectividades Eficientes do ponto de vista energético (actuam a ph, temperatura e pressão moderadas) Aceleram reacções sem se consumir e sem alterar a constante de equilíbrio. Actividade enzimática depende: -natureza do substrato -presença ou não de co-factores -natureza do solvente -ph do meio -temperatura 18
Propriedades gerais k 1 k 2 E + S ES E + P k -1 k -2 [substrato] ou [produto] O gradiente da região linear dá-nos o número de unidades de actividade enzimática tempo Efeito da T na velocidade de reacção enzimática Curva de progressão de uma reacção enzimática 19
Classificação e nomenclatura das enzimas Actualmente, conhecem-se vários milhares de enzimas. Em 1961, a Comissão para Enzimas (EC) da União Internacional de Bioquímica (IUB) estabeleceu uma classificação e nomenclatura de enzimas (e de co-enzimas). Classificação O número de código tem 4 elementos (classe, subclasse, sub subclasse e ordenamento das enzimas dentro de cada categoria) precedido de EC. Nomenclatura Além dos nomes triviais, a nomenclatura das enzimas deve englobar um nome sistemático incluindo o nome do(s) substrato(s) seguido de uma palavra terminada em ase indicando a natureza da reacção. Exemplo: A glucocinase tem o seguinte código e nome sistemático: EC 2.7.1.2 ATP:D-glucose 6-fosfotransferase 20
Classificação e nomenclatura das enzimas 1º dígito classe Tipo de reacção catalisada 1 Oxido-redutases Reacções de oxidação-redução 2 Transferases Transferência de um átomo ou grupo entre moléculas 3 Hidrolases Reacções de hidrólise 4 Liases Remoção de um grupo de uma molécula (sem ser por hidrólise) 5 Isomerases Reacções de isomerização 6 Ligases Reacções de síntese acopladas à hidrólise de uma molécula de ATP 21
Classificação e nomenclatura das enzimas Classificação EC Tipo de ligação 3.1 éster 3.2 glicosilo 3.3 éter 3.4 peptídica 3.5 C-N, não peptídica 3.6 ácido anidro 3.7 C-C 3.8 haleto, C-X 3.9 P-N 3.10 S-N 3.11 C-P Subclassificação das hidrolases 22