ESTUDO DIRIGIDO- Enzimas.

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Universidade Federal do Maranhão - UFMA
Centro de Ciências Sociais, Saúde e Tecnologia - CCSST
Curso de Engenharia de Alimentos
Disciplina: Bioquímica Geral
Discente: Glória Maria de Oliveira Paixão
Ano/período: 2021.1, 3º período
Data:18/08/2021
Bioquímica Geral
ESTUDO DIRIGIDO - ENZIMAS
As enzimas são proteínas (quase sempre) especializadas que catalisam
reações biológicas. Praticamente todas as reações que ocorrem em uma célula
requerem a ação de uma enzima porque essas reações não ocorreriam nas
condições físicas (pH, temperatura e ambiente) da célula.
1. Explique porque as enzimas são catalisadores eficientes.
As enzimas são proteínas que atuam controlando a velocidade e regulando as
reações que ocorrem no organismo. Dessa forma, elas são catalisadores
proteicos que aumentam a velocidade de uma reação química e não são
consumidos durante a reação que catalisam. (Nota: Alguns tipos de RNA
podem atuar como enzimas, geralmente catalisando a quebra e a síntese de
ligações fosfodiéster. Os RNAs com atividade catalítica são chamados
ribozimas e são encontrados com muito menos frequência que as proteínas
catalisadoras.)
Imagem 1- enzimas
2. Defina energia de ativação e explique qual sua relação com a atividade
enzimática.
A energia de ativação é a quantidade mínima de energia necessária para que a
colisão entre as partículas dos reagentes, feita em uma orientação favorável,
seja feita e resulte em reação. As reações só ocorrem quando os reagentes
possuem energia de ativação (ou energia mínima necessária, que varia de
reação para reação; tanto na quantidade como na forma) ou quando ela é
fornecida a eles. Dessa forma, podemos mencionar que a velocidade da reação
catalisada por uma enzima é aumentada devido ao abaixamento da energia de
ativação necessária para converter o substrato no produto.
3. Explique o que é estado de transição nas reações enzimáticas.
Estado de transição é o ponto da reação que possui a maior energia de
ativação. Nesse ponto, a reação está no ponto máximo da barreira energética
que separa os reagentes e os produtos, fazendo com que a probabilidade de
uma ligação química se rompa ou se forme seja muito elevada. O sítio ativo
frequentemente atua como um molde molecular flexível, que se liga ao
substrato em uma geometria que lembra estruturalmente o estado de transição
ativado da molécula. Estabilizando o substrato em seu estado de transição, a
enzima aumenta enormemente a concentração do intermediário reativo que
pode ser convertido no produto e, assim, acelera a reação.
4. Defina os termos:
a) Apoenzima
É a parte proteica responsável pela escolha da reação, portanto, age como
indicador do substrato. A proteína enzimaticamente inativa, resultante da
remoção do cofator da holoenzima, é chamada de apoenzima; isto é:
apoenzima (inativa) + cofator holoenzima (ativa)
Figura 2- apoenzima
b) Coenzima
É definida como uma molécula orgânica que ligue aos locais ativos de
determinadas enzimas para ajudar na catálise de uma reação. Mais
especificamente, as coenzimas podem funcionar como portadores
intermediários dos elétrons durante estas reações ou ser transferidas entre
enzimas como grupos funcionais. As coenzimas atuam como transportadores
recicláveis que conduzem muitos substratos de um ponto a outro dentro da
célula.
c) Holoenzima
É uma enzima composta por uma parte da proteína chamada apoenzima
combinada com uma molécula não proteica chamada cofator. Nem a
apoenzima nem o cofator estão ativos quando estão separadamente; isto é,
para funcionar, eles precisam ser acoplados. Assim, as holoenzimas são as
enzimas combinadas e, consequentemente, são cataliticamente ativas. Uma
enzima completa, cataliticamente ativa junto com a sua coenzima e/ou íons
metálicos, é denominada holoenzima.
d) Cofator
Cofatores são pequenas moléculas orgânicas ou inorgânicas, fraca ou
fortemente ligados às enzimas, que podem ser necessárias para a função
catalítica da enzima. Estes cofatores não estão ligados permanentemente à
molécula da enzima, mas, na ausência deles, a enzima é inativa. Os cofatores
podem se associar diretamente à enzima ou na forma de um complexo cofator
substrato. Ao mesmo tempo que os cofatores desempenham funções
semelhantes às dos grupamentos prostéticos, eles ligam-se de forma transitória
e dissociável.
e) Isoenzimas
Isoenzimas são enzimas que têm essencialmente o mesmo plano arquitetônico,
diferindo levemente na estrutura proteica, catalisam as mesmas reações, porém
diferem-se a longo modo pela qual são reguladas.
As isoenzimas são formas enzimáticas distintas que catalisam a mesma reação.
Com frequência, os organismos superiores elaboram diversas versões
fisicamente distintas de uma determinada enzima, e cada uma delas catalisa a
mesma reação. Como os membros de outras famílias de proteínas, essas
proteínas catalisadoras, ou isoenzimas, originam-se por meio da duplicação do
gene.
Enquanto as proteases descritas anteriormente possuem substratos diferentes,
as isoenzimas podem ter diferenças sutis em propriedades, como sensibilidade
a determinados fatores reguladores ou afinidade ao substrato.
f) Enzimas Alostéricas
É uma enzima na qual necessita de um modulador que se ligue em outro sítio
que não o catalítico, para aumentar ou diminuir sua atividade. Essa modulação
também pode ser por adição de grupamentos químicos em sítios específicos da
enzima.
∙ Possui sítios reguladores para a ligação do modulador especifico ∙ Maiores e
mais complexas que as não alostéricas (mais que uma cadeia polipeptídica)
∙ Sofrem modificações conformacionais em resposta à ligação do modulador
(positivo ou negativo)
g) Sítio Ativo
É uma região da molécula enzimática que participa da reação com o substrato.
A parte da enzima em que o substrato se conecta é chamado de sítio de
ativação (uma vez que é aí onde ocorre a "ação" catalítica). A propriedade
característica das reações catalisadas por enzimas é que a reação ocorre
confinada em um bolsão da enzima denominado sítio ativo.
h) Complexo enzimático
O complexo enzima-substrato, cuja existência foi primeiramente proposta por
Charles-Adolphe Wurtz em 1880, é fundamental para a ação enzimática.
Também é o ponto de partida para o tratamento matemático que define o
comportamento cinético das reações catalisadas por enzimas e para a
descrição teórica dos mecanismos das enzimas.
A cinética enzimática é o estudo do mecanismo pelo qual as enzimas ligam
substratos e os transformam em produtos. O primeiro, o substrato liga-se de
forma reversível à enzima, formando o complexo enzima-substrato. Este
complexo é por vezes designado complexo de Michaelis. A enzima catalisa
então o passo químico da reação e liberta o produto.
Figura 3 - enzimas
5. Abaixo estão as principais classes de enzimas. Defina cada uma e
descreva o tipo de reação que cada classe catalisa.
I. Oxirredutases –
Catalisam reações do tipo oxidação-redução, isto é, realizam transferência de
elétrons nesse tipo de processo. São exemplos disso as desidrogenases.
II. Transferases –
Podem transferir grupos funcionais entre duas moléculas. As quinases são um
exemplo desse tipo de enzima. Enzimas que catalisam a transferência de
moléculas como os grupamentos glicosil, metil ou fosforil.
As enzimas que realizam translocação de grupos funcionais como grupamento
amina, fosfato, carbonila e carboxila, de uma molécula para outra.
III. Hidrolases –
São enzimas que associadas a moléculas de água, promovem a cisão (quebra)
de ligações covalentes. Assim, elas catalisam reações de hidrólise
(transferência de grupos funcionais para a água).
IV. Ligases –
São enzimas que formam novas moléculas, unindo duas pré-existentes. Elas
catalisam:
Formação de ligações C-C, C-S, C-O e C-N por reações de condensação
acopladas à hidrólise de ATP ou cofatores similares.
V. Isomerases –
São enzimas que mediam a conversão de substâncias isoméricas, sejam
isômeros geométricos ou ópticos. Elas catalisam: transferência de grupos
dentro de uma mesma molécula produzindo formas isoméricasVI. Liases
São enzimas que atuam na remoção de moléculas de água, gás carbônico e
amônia, a partir da ruptura de ligações covalentes.
Tipo de reação que catalisam:
Clivagem de C-C, C-O, C-N ou outras ligações por eliminação, rompimento de
ligações duplas ou anéis, ou adição de grupos a ligações duplas.
6. Mostre a diferença entre os modelos que explicam o mecanismo de
ação das enzimas.
a) Chave-fechadura: Sabemos que as enzimas são específicas e, essa teoria
denominava que cada enzima possui uma área chamada de sítio novo, no qual
se encaixa um substrato específico. O substrato seria a chave e a enzima seria
a fechadura.
Figura 4-
processo da teoria chave-fechadura
De acordo com esse modelo, tanto a enzima como o substrato são fatores
rígidos, ou seja, não apresentam flexibilidade e, por isso, as reações
enzimáticas apresentam alta especificidade. Porém, estudos comprovam que
enzimas apresentam certa flexibilidade, o que viabiliza uma variedade
conformacional. Além disso, alguns trabalhos comprovam que o substrato pode
induzir tais mudanças.
Dessa maneira, os estudos foram avançando até chegarem a outra teoria,
conhecida como encaixe induzido; que seria mais ainda mais especifica.
b) Encaixe induzido:
Esse modelo é o mais recente. De acordo com essa teoria, o substrato é capaz
de induzir uma mudança na conformação de uma enzima. Essa modificação
pode ser passada para as enzimas próximas, garantindo assim que estas
desempenhem seu papel catalítico.
A teoria do encaixe induzido sugere, portanto, que a interação entre enzima e
substrato não é um processo tão preciso e simples como se imaginava.
Entretanto, vale destacar que esse modelo não consegue explicar a grande
especificidade observada nas reações enzimáticas.
Figura 5- processo do encaixe induzido
Na teoria do encaixe induzido, o substrato induz uma mudança conformacional
na enzima, enquanto que, no modelo chave-fechadura, considera-se que a
enzima e o substrato complementam-se de maneira rígida.
7. Defina inibidor COMPETITIVO e NÃO COMPETITIVO e relacione para
cada tipo de inibição as alterações que podem ocorrem nos valores de Km
e Vmáx.
∙ Inibição competitiva – os inibidores competitivos são substâncias que
concorrem diretamente com o substrato específico da enzima. As moléculas
desses inibidores têm uma estrutura muito parecida com a do substrato da
enzima e, por isso, se unem reversivelmente às enzimas, formando um
complexo enzima-inibidor muito semelhante ao complexo enzima-substrato,
que inativa a catálise da enzima. Por não haver a formação do complexo
substrato, a atividade catalítica da enzima é inibida enquanto existir o
complexo enzima-inibidor.
Efeito sobre a V max: O efeito de um inibidor competitivo é revertido pelo
aumento da [S]. Em uma concentração de substrato suficientemente alta, a
velocidade da reação atinge a Vmax observada na ausência do inibidor.
Efeito sobre o K: Um inibidor competitivo aumenta o Km aparente para
determinado substrato. Isso significa que, na presença de um inibidor
competitivo, mais substrato é necessário para atingir Y2 Vmax·
∙ Inibição não competitiva – a substância inibidora pode ligar-se tanto à enzima
quanto ao complexo enzima-substrato, mas num sítio de ligação diferente.
Nesse caso, a ligação do inibidor com a enzima não atrapalha a ligação do
substrato, mas gera uma alteração que impede a formação do produto da
reação.
Efeito sobre a Vmax: A inibição não-competitiva não pode ser superada pelo
aumento da concentração de substrato. Desse modo, os inibidores não
competitivos diminuem a v max da reação.
Efeito sobre o Km: Os inibidores não-competitivos não interferem na ligação
do substrato com a enzima. Assim sendo, a enzima mostra o mesmo Km na
presença e na ausência do inibidor não-competitivo
Podemos incluir um exemplo:
Figura 6- representação variação da velocidade de reação em relação à quantidade de
substrato presente.
8. Represente graficamente uma inibição competitiva e uma não
competitiva. Indique em ambos os gráficos:
a) Vmáx
b) ½ Vmáx
c) Km
Consoante as explicações da questão anterior, podemos representa-los:
Inibição Competitiva:
Figura 7- inibição competitiva. Fonte: Bioquímica Ilustrativa- Champe,3 eds.
Inibição não-competitiva:
Figura 8- inibição não-competitiva. Fonte: Bioquímica Ilustrativa- Champe,3 eds.
9. Há vantagem ou desvantagem uma enzima ser inibida reversivelmente?
Justifique sua resposta.
Como citado na questão 7 das duas classificações das enzimas reversíveis,
elas possuem inúmeras vantagens para a nossa vida. Podemos mencionar que
na categoria das enzimas competitivas elas auxiliam no tratamento de diversas
doenças, por exemplo, o câncer. O tratamento de diversas doenças através de
intervenção quimioterapêutica, por inibição seletiva de enzimas envolvidas em
processos vitais nos organismos infecciosos, tem sido explorado com sucesso
na medicina moderna e é bem representado pelo número de fármacos
(antivirais, antiparasitários e antibióticos) em uso clínico que atuam como
inibidores enzimáticos.
Podemos mencionar ainda, como inibidores competitivos de algumas enzimas,
seus substratos naturais e as moléstias em cujo tratamento são empregados.
Inibidor: Metotrexato
Substrato: Diidrofalato
Enzima: Diidrofolato redutase
Moléstia: Leucima
Figura 9- leucemia
10.Represente o gráfico da velocidade de uma reação enzimática em
relação:
a) Temperatura
A temperatura é um importante fator que altera a atividade de uma enzima. O
aumento é devido ao número de moléculas com energia suficiente para
atravessar a barreira de energia e formar os produtos da reação. Da mesma
forma temos a diminuição dessa temperatura que é resultado da desnaturação
da enzima.
Figura 10- reação enzimática, em relação a T.
Fonte: Bioquímica Ilustrativa- Champe,3 eds.
Outro exemplo bastante conhecido no nosso dia-a-dia é a febre. A atividade
enzimática (velocidade) está no máximo quando a temperatura está aos 37 °C.
Se a nossa temperatura sobe, começa a ter febre. Assim, a atividade
enzimática começará a diminuir e, consequentemente pode levar a problemas
graves.
b) pH
Efeito do pH sobre a ionização do sítio ativo:
A concentração de H+ afeta a velocidade de reação de várias maneiras.
Primeiro, o processo catalítico geralmente requer que a enzima e o substrato
tenham determinados grupos químicos em um estado ionizado ou não-ionizado,
de modo a interagirem.
Efeito do pH sobre a desnaturação da enzima:
Valores extremos de pH também podem levar à desnaturação da enzima, pois a
estrutura da molécula protéica cataliticamente ativa depende do caráter iônico
das cadeias laterais dos aminoácidos.
O pH ótimo varia de acordo com a enzima:
O pH no qual a atividade máxima da enzima é atingida difere para cada enzima
e, geralmente, reflete a [H+] na qual a enzima funciona no organismo.
Figura 11- reação enzimática, em relação ao PH.
Fonte: Bioquímica Ilustrativa- Champe,3 eds.
c) Concentração do substrato:
Velocidade máxima:
A obtenção de um platô na velocidade de reação em altas concentrações de
substrato reflete a saturação pelo substrato de todos os sítios de ligação
disponíveis nas moléculas enzimáticas presentes.
Formato hiperbólico da curva de cinética enzimática:
A maioria das enzimas mostra uma cinética de Michaelis-Menten, na qual a
curva de velocidade de reação inicial, V0, contra a concentração do substrato,
[S], possui uma forma hiperbólica (semelhante à curva de dissociação do
oxigênio da mioglobina.
Figura 12- reação enzimática, em relação a concentração do substrato.
Fonte: Bioquímica Ilustrativa- Champe,3 eds.
11.Como as enzimas podem ser indicadores de doenças?
A utilidade diagnóstica da medida das enzimas plasmáticas reside no fato que
as alterações em suas atividades fornecem indicadores sensíveis de lesão ou
proliferação celular. Estas modificações ajudam a detectar e, em alguns casos,
localizar a lesão tecidual, monitorar o tratamento e o progresso da doença. No
entanto, muitas vezes falta especificidade, isto é, existem dificuldadesem
relacionar a atividade enzimática aumentada com os tecidos lesados. Isto
porque as enzimas não estão confinadas a tecidos ou órgãos específicos, pois
estão grandemente distribuídas e suas atividades podem refletir desordens
envolvendo vários tecidos.
As enzimas são bastante utilizadas na medicina para comprovação de
diagnósticos, a determinação de enzimas no laboratório clínico tem uma grande
aplicação para o diagnóstico, prognóstico e acompanhamento da terapia de
diversas patologias, especialmente o caso das doenças hepáticas, cardíacas,
ósseas, musculares e pancreáticas.
12.Como as enzimas podem regular as reações metabólicas?
As enzimas são catalisadores das reações bioquímicas, isto é, atuam tornando
possível uma nova reação com energia de ativação menor. Elas aceleram a
velocidade das reações, o que contribui para o metabolismo. Estas atuam
regulando a taxa das vias metabólicas. Muitas vezes, elas ocupam o primeiro
lugar da sequência da via metabólica e aumentam ou diminuem a atividade
mediante alguns sinais, como os níveis de substrato ou a demanda energética
da célula.
Sem as enzimas, muitas reações seriam extremamente lentas. Geralmente elas
aumentam a velocidade da reação por um fator de 105 a 1017. Podemos
mencionar um exemplo que sem a enzima para essa determinada reação
acontecer levaria 78 milhões de anos e, com a enzima leva 25 milissegundos,
esta enzima chama-se: orotidina-5'-fosfato descarboxilase. Assim, depois que
acontece todos os processos como a catalisar, diminuir a energia de ativação e
aumentando a velocidade ela não é consumida. Posteriormente, volta e faz todo
o processo novamente.
13.Cite pelo menos quatro exemplos de enzimas que podem ser utilizadas
na produção de alimentos.
Podemos citar:
α – amilase: Hidrólise do amido em polissacarídeos.
Exemplos: panificação; malteação.
Lipase: é uma enzima que faz parte do processo digestivo. Ela ajuda o
organismo a quebrar as moléculas de gordura para serem absorvidas com mais
facilidade pelo intestino.
Exemplos: Hidrólise ou interesterificação de óleos e gorduras
Lactase: é uma enzima presente naturalmente no corpo humano. Exemplos:
hidrólise da lactose (laticínios), é responsável por fazer a digestão da lactose, o
açúcar presente no leite.
Quimosina: Hidrólise da kappa-caseína.
Exemplos: coagulação do leite para queijo.
Pepsina: é uma enzima digestiva produzida pelas paredes do estômago e
secretada pelo suco gástrico.
Sua fonte: abomaso de bovinos
Ação nos alimentos: como a quimosina + hidrólise, da caseína mais geral de
queijos.
Aplicação nos alimentos: usualmente presente com quimosina como parte do
coalho.
14.Comente sobre a importância das enzimas e dos inibidores enzimáticos
na indústria de alimentos.
As enzimas são proteínas que atuam controlando a velocidade e ainda
regulando as reações que ocorrem no organismo. Como visto em aula, elas
catalisam reações químicas específicas atuando sobre substratos específicos e
em locais específicos desses substratos. Quando adentramos esses conceitos
nos alimentos percebemos a sua grande importância, elas são proteínas que
servem para quebrar as moléculas dos alimentos em substâncias menores e
mais simples, que facilitam o processo de metabolismo do ser humano.
Podemos citar um exemplo bastante conhecido nas enzimas nos alimentos é
no processo/produção de pães por exemplo: a amilases, o amido é um
polissacarídio constituído de amilose e amilopectina. O amido presente no trigo
pode sofrer danos durante a moagem.
O teor de amido danificado altera a absorção de água da massa e a qualidade
do pão. As amilases atuam somente sobre o amido danificado ou gelatinizado,
durante o aquecimento no forno. Ela irá retardar o envelhecimento precoce do
pão e melhora as características desejáveis no pão.
Imagem 13- Enzimas para pães
REFERÊNCIAS
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Porto Alegre: Artmed, 2006.
Copeland, R. A.; Evaluation of enzyme inhibitors in drug discovery: a guide for
medicinal Chemists and Pharmacologists, Wiley: New Jersey, 2005.
COURI, S.; DAMASO, M.C.T. Enzimáticos. Agência Embrapa de Informação
Tecnológica. Disponível em:
https://www.agencia.cnptia.embrapa.br/gestor/tecnologia_de_alimentos/arvore/
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2021.
FOGAÇA, Jennifer Rocha Vargas. "Energia de ativação"; Brasil Escola.
Disponível em: https://brasilescola.uol.com.br/quimica/energia-ativacao.htm.
Acesso em 27 de agosto de 2021.
LEHNINGER, ALBERT LESTER. LEHNINGER: princípios de bioquímica. 4.ed.
Porto Alegre: Artmed, 2005.
Marzzoco, Anita. Bioquímica básica/Anita Marzzoco, Bayardo Baptista Torres. –
4. ed. – Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2015.il. ISBN 978-85-277-2781-51.
Bioquímica. I. Torres, Bayardo Baptista. II. Título.
MORAES, Daniel Clemente. INTRODUÇÃO à ENZIMOLOGIA. WEB Artigos,
2009. Disponível em: https://www.webartigos.com/artigos/introducao-a
enzimologia/13711/. Acesso em: 20 de agosto de 2021.