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Enzimas constituem um grupo de subtâncias orgânicas protéicas com atividade intra ou extracelular, as quais possuem funções catalíticas em reações químicas. Estas, sem a presença das enzimas ocorreriam a velocidades extremamente baixas. Com exceção de um pequeno grupo de moléculas RNA catalíticas, todas as enzimas são proteínas e suas atividades dependem da integridade de sua conformação protéica original. Se uma enzima é desnaturada, dissociada em subunidades ou ainda quebrada em seus componentes aminoácidos, a atividade catalítica é normalmente perdida. Assim as estruturas primária, secundária, terciária e quaternária são de fundamental importância para esta atividade (LEHNINGER, 2002).

As enzimas são classificadas e codificadas pela NC-IUBMB (Nomenclature Committee of the International Union of Biochemistry and Molecular Biology) de acordo com a reação catalisada. Elas dividem-se em seis classes principais (BOMMARIUS, 2004):

Oxidorredutases: São enzimas que catalisam reações de transferência de

elétrons, ou seja, reações de oxi-redução. São as desidrogenases e as oxidases.

Transferases: Enzimas que catalisam reações de transferência de grupamentos

funcionais como grupos amina, fosfato, acila, carboxila, etc. Como exemplo, tem-se as quinases e as transaminases.

Hidrolases: Catalisam reações de hidrólise de ligação covalente. Ex: lipases. Liases: Catalisam a quebra de ligações covalentes e a remoção de moléculas de

água, amônia e gás carbônico. As desidratases e as aldolases são bons exemplos.

FIGURA 9 – Gráfico da evolução das publicações em biocatálise nos últimos dez anos

Isomerases: Catalisam reações de interconversão entre isômeros ópticos ou

geométricos. Um exemplo são as epimerases.

Ligases: Catalisam reações de formação de novas moléculas a partir da ligação

entre duas já existentes, sempre à custa de energia (ATP). Exemplos são as sintetases e as carboxilases.

As enzimas possuem várias propriedades que as tornam atrativas como catalisadores para biotransformações, atuando como catalisadores versáteis, existindo um processo enzimático equivalente para cada tipo de reação orgânica (FABER, 2000).

Relacionando reações orgânicas com a biocatálise, precisa-se definir o tipo de biocatalisador a ser utilizado. Uma comparação entre catalisadores químicos e enzimas por alguns autores revela que: enzimas "não são diferentes, apenas melhores". A gama de modelos de enzimas, prova que toda a ação enzimática pode ser explicada pela química racional e princípios físicos. Cada vez mais, um número maior de enzimas têm sido encontradas para catalisar as mais diversas reações em química orgânica (BOMMARIUS, 2004). A tabela 1 apresenta exemplos de uma série desse tipo de reações.

Entrada Reação Orgânica Enzima

1 _{Redução de Meerwein–Ponndorff–Verley} Álcool desidrogenase

2 Oxidação Oppenauer Álcool desidrogenase

3 Oxidação de Baeyer–Villiger Baeyer–Villiger Monooxigenase

4 Esterificação Subtilisina

5 Transaminação Aminotransaminase

6 _{Hidrólise Lipase, esterase}

7 _{Transesterificação Subtilisina}

8 _{Reação de Aldol Aldolase}

9 Decarboxilação(β-eliminação) _{L-asp. descarboxilase}

10 Reação de Mannich _{Triptofanase e β-tirosinase}

11 _{Reação de Diels–Alder Diels–Alderase}

12 _{Rearranjo de Claisen Corismato mutase}

13 _{Racemização Mandelato racemase}

14 _{Isomerização Glucose isomerase}

3.1.1 Oxidoredutases – aspectos gerais

O segundo grupo de enzimas mais utilizado compreende as oxidoredutases. Este grupo de enzimas é cofator-dependente. Neste caso a utilização de células íntegras ou de alternativas que permitam a regeneração de cofatores a partir dos subprodutos das reações são necessárias para viabilizar o custo na aplicação destas enzimas industrialmente. A regeneração do cofator também viabiliza o processo sintético geral e permite que a reação química se processe por completo, previne o acúmulo de subprodutos que venham a promover a inibição da enzima, facilita o tratamento da reação e promove o aumento da enantiosseletividade (OLIVEIRA e MANTOVANI, 2009).

As oxidoredutases catalizam reações redox, portanto há transferência de elétrons de/ou para o substrato. A redução de cetonas por exemplo, são catalisadas por álcool- desidrogenases, que também podem ser referidas como carbonil-redutases ou ceto-redutases. Entretanto, os álcoois também podem ser obtidos por oxidação das ligações C-H por monooxigenases (GOLDBERG et al, 2007).

A classe das oxidoredutases constitui-se de enzimas que requerem a presença de cofator para exibir sua atividade catalítica. A tabela 2 apresenta alguns dos cofatores requeridos por algumas enzimas para alguns tipos de reações (BRUICE, 1998).

COFATORES TIPO DE REAÇÃO

NAD+/NADH Remoção ou adição de hidrogênio NADP+/NADPH Remoção ou adição de hidrogênio

ATP, GTP, CTP e UTP Fosfoliração

SAM C1-alquilação

Acetil-CoA C2-alquilação

Flavinas Oxigenação

Piridoxal-fosfato Transaminação

Biotina Carboxilação

Complexo metal-porfirina Peroxidação, oxigenação

A título de exemplo, torna-se economicamente vantajoso o uso de células íntegras na redução de carbonilas de cetonas, pois fornece alta seletividade e elimina a necessidade de

fornecer quantidades equimolares de cofatores, como por exemplo NAD+/NADH ou NADP+/NADPH, que são bastante dispendiosos, ao sistema reacional.

A enzima álcool desidrogenase (ADH) é caracterizada por catalisar a transferência do hidrogênio e oxidar álcoois a compostos carbonílicos e vice-versa. Aplicados em reduções elas podem distinguir entre a face enantiotópica e diastereotópica do composto carbonílico pró-quiral e então obter a preparação de álcoois não racêmicos.

A maioria das ADH´s são dependentes dos cofatores NADH e NADPH, e como eles são muito caros para serem usados estequiometricamente – com preço estimado em R$ 3.700 por mol para NAD+ - têm aumentado o interesse no desenvolvimento de eficientes processos de regeneração dos mesmos. A regeneração do cofator ocorre em paralelo a conversão do substrato no produto, como demonstra a figura 10. No caso das ADH´s a produção do NADPH pode ocorrer por métodos químicos, eletroquímicos, fotoquímicos e enzimáticos. Uma outra abordagem para regeneração de cofator em processos de biotransformação por células íntegras usa o metabolismo de células cultivadas utilizando glicose ou outros compostos como nutrientes (HABERLAND et al, 2002).

Para a regeneração de cofator via enzimática existem duas diferentes abordagens: os processos de acoplamento com a enzima e o acoplamento com o substrato. O acoplamento com a enzima usa um co-substrato que é convertido por uma segunda enzima na direção oposta da redução, ou seja, o processo requer a aplicação de duas enzimas ao mesmo tempo. O acoplamento com o substrato usa somente uma enzima para a produção do composto e a regeneração do cofator, é uma melhor alternativa em comparação com o outro método. (GOLDBERG et al, 2007).

FIGURA 10 – Esquema geral do processo de regeneração de cofator

Substrato

Produto

Enzima

Cofator

Red./Ox.

cofator

Biocatálise envolvendo oxidoredutases isoladas ou de organismos vivos é sempre considerado um dos mais promissores métodos devido a excelente enantiosseletividade, condições brandas de reação e meio reacional suave. Nesse caso, células íntegras são uma excelente alternativa em detrimento do uso da enzima isolada, pois a oxidorredutase, o cofator e o sistema de regeneração, se localizam todos dentro da célula, e portanto a adição de um cofator caro é evitada (YANG, 2008).

Reações de redução de cetonas pró-quirais promovem a produção de álcoois enantiomericamente puros que são intermediários importantes na síntese orgânica assimétrica. Álcoois quirais são um dos mais importantes blocos de construção quiral para inúmeros fármacos quirais devido possuírem propriedades únicas em suas estruturas. A redução assimétrica de cetonas pró-quirais é uma das mais efetivas e promissoras rotas para obtenção de álcoois quirais (YANG, 2008; MOUAD, 2011).