Resumo de Enzimas

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Medicina UFRJ - Moléculas da Vida - Palhano
Miriã Carino
O que são enzimas?
São catalisadores naturais (substâncias que aceleram a
velocidade de uma reação sem alterar a proporção entre os reagentes).
Com exceção das ribozimas (moléculas de RNA com atividade
catalítica), todas as enzimas são proteínas. A atividade catalítica
depende da sua conformação protéica nativa.
As enzimas não são consumidas na reação, então elas podem
catalisar uma reação após outra. Enquanto a célula não degrada ou
desativa uma enzima, a concentração dela fica constante. Os
catalisadores participam das reações, sofrendo mudanças na sua
estrutura química, mas retornam à sua conformação original no final
do processo (mais um exemplo da importância das proteínas serem
flexíveis).
Sítio ativo
É o ambiente dentro da enzima onde ocorre a catálise. As
enzimas criam um microambiente para fazer com que uma reação
aconteça mais rápido, pois o ambiente celular (temperatura, pH)
geralmente não é adequado às necessidades da velocidade das
reações.
Cofatores enzimáticos
A atividade catalítica de várias enzimas está relacionada com a
ligação a cofatores enzimáticos (moléculas e íons metálicos). Moléculas
não proteicas associadas à enzima são chamadas de coenzimas. Essas
coenzimas podem se ligar covalentemente à enzima (grupo prostético)
ou apenas no momento da catálise. Vitaminas são precursores fazendo
parte da molécula de coenzimas, mas elas próprias podem ter função
de coenzimas.
Tipos de enzimas
● Oxirredutases: transferência de elétrons ou de H+
● Transferases: transferência de grupamentos químicos
● Hidrolases: catalisam hidrólises (ex: proteases)
● Liases: catalisam formações de ligações duplas
● Isomerases: catalisam a criação de isômeros específicos
● Ligases: catalisam a formação de ligações
As enzimas diminuem a energia de ativação necessária para que uma
reação ocorra, aumentando, assim, a velocidade de reação.
Energia livre de Gibbs
O ΔG é um indicativo da espontaneidade de uma reação. Se ΔG >
0, a reação não é espontânea, se ΔG < 0, a reação é espontânea, e se ΔG
= 0, a reação já alcançou o equilíbrio. Ou seja, para uma reação
acontecer, obrigatoriamente o Substrato deve ter mais energia de
Gibbs que o Produto.
Equação: ΔG = ΔH - T.ΔS
Sendo o ΔH a variação da entalpia, T a temperatura e ΔS a
variação da entropia.
Quanto maior o estado de transição, maior o tempo de reação. As
enzimas atuam acelerando a reação, diminuindo a energia necessária.
No gráfico, o caminho preto é o caminho da reação sem atuação de
enzimas e o caminho azul é com a atuação de enzimas.
O ΔG° é o ΔG calculado com a mesma concentração de
substratos e produto, é um valor padrão mas não necessariamente diz
se uma reação será favorável ou não.
Chave e fechadura vs Induced fit
Segundo o modelo de chave-fechadura, o substrato encaixa
perfeitamente no sítio ativo da enzima. Sabe-se que isso não acontece
e que, no modelo mais aceito, o Induced fit, quando o substrato se liga
à enzima, são realizadas interações não-covalentes no complexo
enzima-substrato, estabilizando a conformação "fechada” do complexo,
onde a reação enzimática pode ocorrer.
Várias enzimas aceitam mais de um substrato.
Velocidade inicial x Concentração do substrato
Existe um gráfico clássico que demonstra como a velocidade na
qual a reação enzimática ocorre (eixo y) de acordo com o aumento da
concentração do substrato (eixo x). Inicialmente, aumentando as
concentrações de substrato (a concentração de enzimas é fixa), ocorre
o aumento da velocidade, já que mais enzimas realizam a reação um
número maior de vezes; entretanto, quando ocorre a saturação de
todas as enzimas disponíveis, a velocidade torna-se constante. Neste
ponto, não importa o quão maior for a concentração de substrato, a
velocidade sempre será mantida no mesmo valor.
Conceito importante: Km
O km é o valor de substrato onde metade das enzimas estão
reagindo enquanto a outra metade está desocupada. Ele é importante
pois demonstra o grau de afinidade de uma enzima pelo seu substrato.
No gráfico, para localizar o Km, usa-se o ponto no eixo x onde a
velocidade no eixo y é metade da velocidade máxima atingida. Quanto
maior o Km, menor será a afinidade da enzima pelo substrato.
Km = concentração do substrato onde a velocidade corresponde
a 50% da enzima em forma livre e 50% na forma ocupada com substrato
(ES). Nessa situação, a V é igual a ½ da Vmax.
Ex.) a hexoquinase tem afinidade pela glicose e pela frutose. O km para
a glicose é 0,15mM, enquanto para a frutose é 1,5mM. Infere-se que é
necessária uma [0,15] mM de glicose para que a metade da enzima
disponível seja encontrada sob a forma de ES. Será necessária uma
concentração 10x maior de frutose para atingir o mesmo ponto.
Inibidores
● Inibidor competitivo: é um inibidor que compete com o
substrato pelo sítio ativo. Na presença de um inibidor
competitivo, esse inibidor faz com que o Km do substrato
com a enzima aumente, ou seja, diminui a afinidade. Isso
porque será necessário uma quantidade maior de
substrato para ocupar metade das enzimas, visto que
agora algumas enzimas irão se ligar ao inibidor. Porém, esse
inibidor não altera a velocidade máxima.
● Inibidor incompetitivo: é um inibidor que se liga em outro
ponto da enzima, que não é o sítio ativo. Além disso, ele
necessita que o substrato se ligue à enzima para depois ele
se ligar. Esse inibidor além de diminuir o Km do substrato
com a enzima (aumentar a afinidade), ele também diminui a
velocidade máxima. No entanto, ao mesmo tempo que o
substrato aumenta a afinidade do substrato com a enzima,
ele não permite a mudança transformacional para
transformar o substrato em produto. Uma enzima não pode
ter uma afinidade extremamente alta nem com o substrato,
nem com o produto, porque se houver uma afinidade
altíssima ela fica retendo o substrato/produto.
● Não competitivo: liga-se à enzima de modo a impedir que
ela realize seu papel como catalisador de um determinado
substrato; desse modo, ocorre a diminuição da velocidade
da reação, já que a quantidade de enzimas disponíveis é
menor. Este não necessita que o substrato já esteja ligado à
enzima.
Alosteria
Até agora, nós trabalhamos com enzimas que não são
controladas, o que define se uma via bioquímica vai para um sentido
ou para outro é a concentração do produto e do substrato. Então elas
conseguem acelerar as reações para os dois sentidos.
Em teoria, todas as reações que ocorrem no nosso corpo
deveriam ocorrer para os dois sentidos, e a maioria acontece assim,
porém há algumas que só ocorrem para um sentido, as chamadas
reações irreversíveis. Essas reações são irreversíveis no nosso corpo.
Essas enzimas que participam das reações irreversíveis precisam
ter um controle diferente daquelas que fazem as reações reversíveis. A
alosteria é uma forma de controle de reações que são irreversíveis no
organismo.
O controle alostérico é ter uma enzima que catalisa reações
irreversíveis e tem um ponto na sua estrutura (que não é o sítio ativo)
onde moléculas se ligam (de forma covalente ou não) e isso faz com que
o Km da enzima mude. Em outras palavras, a alosteria é controlar
enzimas usando moléculas biológicas que se ligam a ela e controlam a
afinidade dela pelo seu substrato. Essas moléculas biológicas são
chamadas de moduladores, que podem ser positivos, e aumentar a
afinidade, ou negativos, e diminuir a afinidade.
Um exemplo de modulador negativo, é quando o próprio produto
da reação catalisada pela enzima, depois de estar em alta
concentração, se liga ao sítio alostérico da enzima para diminuir sua
afinidade pelo substrato e, assim, impedir a formação de mais produto.
Isso ocorre no caso do produto não estar sendo consumido por
nenhuma outra reação e estar se acumulando. E eventualmente, como
a ligação do modulador/enzima não é covalente, essa ligação é
desfeita e a enzima volta a se ligar com o substrato.
[gráfico hexokinase]
No gráfico acima, está sendo medida a atividade enzimática de
duas isoformas da hexoquinase: a hexoquinaseI, que está no músculo,
e a hexoquinase IV, que está no fígado. É possível perceber que a
hexoquinase I tem mais afinidade com a glicose, pois com menor
concentração de glicose ela atinge a velocidade máxima. É necessário
que a hexoquinase IV tenha menor afinidade pela glicose para, quando
o glicogênio for degradado em glicose, essa enzima não fosforilar a
glicose em glicose 6 fosfato, prendendo ela no fígado. Pois a glicose 6
fosfato não atravessa o transportador, então a glicose que deveria ser
transportada ficaria presa. Já no músculo, a glicose presente é
exclusiva para o uso do músculo, portanto, a hexoquinase do músculo
pode ter alta afinidade com a glicose.
O glucagon é o hormônio que sinaliza que deve ser feita a quebra
do glicogênio, mas o músculo esquelético não tem receptores para esse
hormônio. No músculo, o que avisa que o glicogênio deve ser
degradado é a adrenalina.