As enzimas são proteínas que catalisam processos químicos em condições suaves e com elevada selectividade e estereoespecificidade. A Engenharia Enzimática, apareceu como área de investigação durante a década de 60, com a imobilização de enzimas para utilização em processos químicos. Desde então, o universo de aplicações de processos enzimáticos tem conhecido um importante desenvolvimento: biossensores, terapia enzimática, síntese químico-enzimática de compostos bioactivos, obtenção de novos biopolímeros, processos em indústrias tradicionais como os curtumes, o papel, o têxtil, etc. Através da biocatálise combinatorial, é possível obter uma vasta biblioteca de compostos químicos.
Para a crescente competitividade das tecnologias enzimáticas contribuem a selecção de novas enzimas, as tecnologias de DNA recombinante e da engenharia de proteínas, que permitiram a modificação de propriedades cinéticas e de estabilidade, o desenvolvimento de novas soluções ao nível da tecnologia de reactores enzimáticos e das técnicas de imobilização e o desenho do meio reaccional. A utilização de enzimas vem ao encontro dos pressupostos da chamada Química Verde.
Dada a natureza fortemente interdisciplinar da Engenharia Enzimática e o seu vasto universo de aplicações, este livro tem por destinatários estudantes de diversos cursos universitários, nomeadamente nas áreas da Biotecnologia, Bioquímica, Engenharia Química, Engenharia Biológica, Biologia e Química, ao nível pré e pós-graduado, e, de um modo geral, todos aqueles que pretendem aumentar a sua cultura científica e tecnológica.
1. INTRODUÇÃO
Joaquim M.S. Cabral, Miguel Gama, Maria Raquel Aires-Barros
1.1 Introdução histórica
1.2 Propriedades gerais de enzimas
1.3 Classificação e nomenclatura dos enzimas
1.3.1 Oxido-redutases
1.3.2 Transferases
1.3.3 Hidrolases
1.3.4 Liases
1.3.5 Isomerases
1.3.6 Ligases
1.4 Engenharia enzimática
1.5 Perspectivas em engenharia enzimática
2. ESTRUTURA E FUNÇÃO DOS ENZIMAS
M. Ângela Taipa, Miguel Gama
2.1 Estrutura dos enzimas
2.1.1 Características gerais dos aminoácidos
2.1.2 Ligação peptídica
2.1.3 Hierarquia estrutural em enzimas
2.1.4 Forças físicas responsáveis pela estabilidade estrutural
2.2 Função dos enzimas
2.2.1 Anatomia funcional de um enzima
2.2.2 Noções gerais sobre cinética
2.2.3 Tipos de mecanismos envolvidos na catálise enzimática
2.2.4 Cinética dos enzimas livres
2.2.5 Efeito da temperatura na reacção enzimática
2.2.6 Efeito do pH na actividade enzimática
2.2.7 Inibição da actividade enzimática
2.2.8 Reacções com mais que um substrato
2.2.9 Mecanismos reaccionais
2.3 Exercícios
3. ESTABILIDADE DE PROTEÍNAS
Eduardo Pinho e Melo
3.1 Introdução
3.2 Desnaturação reversível
3.2.1 Indução da desnaturação
3.2.2 Técnicas para avaliar a desnaturação
3.2.3 Natureza do processo de desnaturação
3.3 Desnaturação irreversível ou desactivação
3.3.1 Causas para a desnaturação irreversível
3.3.2 Mecanismos de desnaturação irreversível
3.4 Estabilidade operacional
3.5 Exercícios
4. ENGENHARIA DE PROTEÍNAS
Lucília Domingues, Miguel Gama, Arnaldo Videira
4.1 Introdução
4.2 Objectivos
4.3 Metodologias
4.3.1 Métodos químicos
4.3.2 Técnicas de biologia molecular
4.3.3 Métodos bioinformáticos - previsão e análise da estrutura proteica
4.3.4 Como modificar a conformação proteica
4.4 Engenharia de anticorpos
4.4.1 Modificação de anticorpos
4.4.2 Geração de anticorpos catalíticos
4.5 Desenvolvimento de um processo enzimático
4.6 Aplicações da engenharia de proteínas
4.6.1 Medicina/Farmácia
4.6.2 Indústria
4.7 Exercícios
5. IMOBILIZAÇÃO DE BIOCATALISADORES
Maria Raquel Aires-Barros, Pedro Fernandes
5.1 Introdução
5.2 Métodos de imobilização de biocatalisadores
5.2.1 Reticulação com reagentes bifuncionais
5.2.2 Imobilização em suportes sólidos
5.3 Conclusões
5.4 Exercícios
6. BIOCATÁLISE EM MEIOS NÃO-CONVENCIONAIS
Maria Raquel Aires-Barros, Miguel Gama
6.1 Definição e objectivos
6.2 Biocatálise em solventes orgânicos
6.2.1 Selecção do solvente orgânico
6.2.2 Toxicidade molecular e toxicidade de fase
6.2.3 Classificação dos sistemas biocatalíticos
6.2.4 Classificação dos sistemas biocatalíticos: perfis de concentração
6.2.5 Efeito da água na actividade e estabilidade do biocatalisador
6.2.6 Engenharia do biocatalisador
6.2.7 Exemplos de processos industriais
6.3 Biocatálise na presença de líquidos iónicos
6.4 Biocatálise em fluidos supercríticos
6.5 Biocatálise em sistemas sólido-sólido
6.6 Biocatálise em sistemas sólido-gás
6.7 Conclusões
6.8 Exercícios
7. CINÉTICA ENZIMÁTICA EM SISTEMAS MULTIFÁSICOS
Bruno S. Ferreira, Pedro Fernandes, Joaquim M. S. Cabral
7.1 Introdução
7.2 Efeitos conformacionais e estereoquímicos
7.3 Efeitos de partição
7.4 Efeitos de transferência de massa externa
7.5 Efeitos de transferência de massa interna
7.6 Efeitos combinados de transferência de massa externa e interna
7.7 Sistemas multifásicos não-convencionais
7.7.1 Sistemas de duas fases líquidas orgânico-aquosas
7.8 Conclusões
7.9 Exercícios
8. REACTORES ENZIMÁTICOS MULTIFÁSICOS
Pedro Fernandes, Bruno S. Ferreira, Joaquim M. S. Cabral
8.1 Introdução
8.2 Reactores descontínuos
8.3 Reactores contínuos
8.3.1 Reactores contínuos com agitação
8.3.2 Reactores de fluxo tipo pistão
8.4 Modelação de reactores de enzimas imobilizados ideais
8.4.1 Reactores descontínuos agitados
8.4.2 Reactores contínuos de fluxo tipo pistão
8.4.3 Reactores contínuos com agitação
8.5 Comparação de reactores ideais de enzimas imobilizados
8.5.1 Requisitos operacionais
8.5.2 Grau de conversão
8.6 Reactores não ideais
8.6.1 Efeitos de transferência de massa
8.6.2 Efeito da mistura axial no desempenho de reactores de enzimas imobilizados
8.6.3 Desactivação enzimática
8.7 Conclusão
8.8 Exercícios
9. APLICAÇÕES DE ENZIMAS
Miguel Gama, Luís P. Fonseca, Maria Raquel Aires-Barros
9.1 Introdução
9.2 Aplicações como produtos finais
9.2.1 Indústria de alimentação animal e rações
9.2.2 Indústria de detergentes
9.2.3 Indústria farmacêutica
9.2.4 Aplicações analíticas
9.3 Aplicações como aditivos do processo
9.3.1 Indústria do papel e pasta de papel
9.3.2 Indústria têxtil
9.4 Aplicações na produção de alimentos e bebidas
9.4.1 Indústria dos lacticínios
9.4.2 Óleos e gorduras
9.5 Aplicações em processos de biotransformação
9.5.1 Introdução
9.5.2 Indústria de processamento do amido
9.5.3 Indústria de antibióticos ß-lactâmicos
9.5.4 Indústria de Química Fina
9.6 Conclusões
10. BIOSSENSORES E DIAGNÓSTICOS CLÍNICOS ENZIMÁTICOS
Luís P. Fonseca
10.1 Introdução
10.1.1 Principais características de biossensor "ideal"
10.1.2 Tipos de transdutores
10.1.3 Enzimas utilizados em biossensores
10.1.4 Áreas de aplicação
10.2 Tipos de biossensores
10.2.1 Biossensores ópticos
10.2.2 Biossensores electroquímicos
10.2.3 Biossensores potenciométricos
10.2.4 Biossensores condutimétricos
10.2.5 Biossensores termométricos
10.2.6 Biossensores enzimáticos para imunodetecção
10.3 Avanços recentes na área dos biossensores e diagnósticos clínicos enzimáticos
10.4 Conclusões
Joaquim M.S. Cabral
Professor Catedrático de Engenharia Química e Bioengenharia do Departamento de Engenharia Química; Responsável do Grupo de Bioengenharia do Centro de Engenharia Biológica e Química(CEQB) do Instituto Superior Técnico da Universidade Técnica de Lisboa
Maria Raquel Aires-Barros
Professora Associada de Biotecnologia do Departamento de Engenharia Química; Investigadora do Centro de Engenharia Biológica e Química(CEQB) do Instituto Superior Técnico da Universidade Técnica de Lisboa
Miguel Gama
Professor Associado de Engenharia Enzimática do Departamento de Engenharia Biológica; Investigador do Centro de Engenharia Biológica da Universidade do Minho.