Enzimas

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Enzimas
· Enzimas são moléculas proteicas essenciais ao metabolismo dos seres vivos, graças à sua capacidade de promover e acelerar reações químicas em nível celular.
· Essas proteínas envolvem-se com os processos metabólicos essenciais à manutenção da vida. No entanto, dada a sua especificidade de ação, o uso de enzimas tem sido cada vez mais explorado em nível industrial, seja na área médica, alimentícia ou química.
Os componentes de uma reação enzimática
· As enzimas são proteínas biocatalisadoras que regulam a velocidade de todos os processos fisiológicos.
· não são alteradas no processo químico.
· Garantem a homeostasia do organismo.
· Elas podem reduzir a energia de ativação, mas não alteram o equilíbrio da reação.
· Grande parte das reações do corpo humano é acelerada por enzimas chamadas de biocatalisadores, que influenciam na velocidade dos processos sem serem consumidas ou modificadas
· As enzimas são específicas para cada substrato, em concentração mínima, mantendo inalterado o equilíbrio da reação.
· Alguns tipos de RNA podem também funcionar como biocatalisadores – são as chamadas ribozimas, porém são menos comuns.
· Em relação à nomenclatura, as enzimas podem ser nomeadas de acordo com o substrato ou com a reação, adicionando-se o sufixo “ase”.
Exemplos: sacarase e lactato desidrogenase
· Algumas têm nomes particulares, como a tripsina.
· As enzimas possuem uma pequena região denominada sítio ativo, que funciona como uma espécie de bolsa.
· Ao se ligar com a substância certa, o sítio ativo forma o complexo enzima-substrato (ES), convertido em enzima-produto (EP) gradativamente
· A ciência catalítica, denominada número de renovação (turnover), determina a quantidade de moléculas de substrato convertidas em produto por mol de enzimas em um segundo, representando, dessa maneira, a eficiência do catalisador.
· As enzimas são altamente específicas, catalisando somente determinado tipo de reação
· Algumas enzimas necessitam de cofatores, elementos não proteicos necessários para sua atividade. Há dois tipos de cofatores:
· Os ativadores: geralmente íons metálicos (por exemplo, Zn2+ e Fe2+)
· As coezimas: moléculas orgânicas frequentemente derivadas de vitaminas
· O conjunto enzima-cofator é denominado holoenzima; já o termo apoenzima se refere à unidade enzimática proteica pura.
· O Catalisador é toda substância capaz de modificar a velocidade de uma reação sem ser nela consumido ou aparecer entre os produtos.
· Para que ocorra uma reação, as moléculas dos reagentes (R), também chamados de substratos, precisam obter uma energia extra chamada de energia de ativação. Essa energia de ativação faz com que as moléculas atinjam um estado ativado (R*) mais rico em energia, no qual uma ligação pode ser formada ou quebrada gerando o produto (P)
· O catalisador é capaz de se combinar com os reagentes formando um composto intermediário de menor energia. Assim, a barreira energética a ser transposta é diminuída, os produtos são formados e o catalisador livre é regenerado.
· As enzimas catalisam as reações porque reduzem o nível da energia de ativação.
· Nas reações catalisadas por enzimas estão envolvidos os seguintes componentes: enzima (E), substrato (S), complexo enzima-substrato (ES) e produto – composto formado pela transformação do substrato.
Principais mecanismos de catálise das enzimas
· A enzima se une ao substrato através de uma pequena parte de sua molécula denominada centro ativo. Uma enzima pode ter um ou mais centros ativos.
· Há diferentes tipos de ligações entre enzima e substrato: ligações iônicas, ligações hidrofóbicas, ligações covalentes, pontes de hidrogênio e forças de Van der Walls.
· Para que a reação enzimática se realize é necessário que o centro ativo da enzima se ajuste perfeitamente ao substrato para permitir trocas de elétrons, prótons e grupamentos.
· Durante uma reação enzimática, o substrato vai desaparecendo e o produto vai aumentando de concentração até que a reação chegue ao estado de equilíbrio
· Quando a velocidade de formação do complexo Enzima-Substrato for igual à velocidade de decomposição, a reação atinge o estado estacionário, também chamado equilíbrio dinâmico.
· Certas enzimas, quando tratadas de modo a se tornarem proteínas puras, perdem a capacidade de catalisar reações.
· Von Euler denominou cofatores as substâncias não proteicas necessárias à atividade de algumas enzimas
· As enzimas que necessitam de cofator para apresentarem atividade biológica são compostas por duas partes:
· a parte proteica denominada apoenzima	
· a parte não proteica, que recebe o nome de cofator.
· Como vimos anteriormente, a união cataliticamente ativa (apoenzima + cofator) é chamada holoenzima.
· Os cofatores orgânicos recebem o nome de coenzimas, e os inorgânicos são chamados ativadores.
· Os ativadores são íons inorgânicos que condicionam a ação catalítica das enzimas. A grande maioria dos ativadores é constituída por cátions, entre os quais Na+ , K+ , Mg2+, Ca2+, Zn2+, Mn2+, Fe2+, Co2+, etc
· Por sua vez, as coenzimas são cofatores orgânicos, muitas delas derivadas de vitaminas hidrossolúveis, que tomam parte da reação enzimática como transportadores de hidrogênio ou de um grupo químico
· Uma única coenzima pode formar, com diversas enzimas, proteínas conjugadas
· As coenzimas não realizam a ação, somente determinam o modo como a enzima total age, seja transportando hidrogênio, seja transportando grupos químicos
· A ação da catálise é feita pela parte proteica da holoenzima.
· Como vimos antes, quando a coenzima está fortemente ligada à proteína e não pode ser dialisada, recebe o nome de grupo prostético.
Os modelos de ligação da enzima ao substrato e os tipos de reações catalisadas
· Há dois modelos conhecidos de ligação entre enzima e substrato: 
· chave-fechadura: a enzima encaixa-se perfeitamente ao seu substrato no sítio ativo, de forma que nenhuma outra molécula possa iniciar a reação com esta enzima
· Encaixe induzido: ocorrem pequenas variações, havendo quebras e novas ligações químicas entre a enzima e o substrato. No encaixe induzido, ocorrem alterações na estrutura da enzima para otimizar a energia de ligação que está sendo formada.
· As enzimas podem ser distinguidas em seis classes:
· Oxidorredutases - reações de oxidação-redução ou transferência de elétrons. Exemplo: Desidrogenases e Oxidases.
· Transferases: transferência de grupos funcionais como amina, fosfato, acil e carboxi. Exemplo: Quinases e Transaminases
· Hidrolases: reações de hidrólise de ligação covalente. Exemplo: Peptidases e Lactases
· Liases: Adicionam ou removem elementos (como água, amônia e dióxido de carbono) por meio da formação ou quebra de ligações duplas. Exemplo: Dehidratases e Descarboxilases.
· Isomerases: realizam a transferência de grupos dentro da mesma molécula para formar isômeros, portanto são extremamente específicas. Exemplo: Epimerases.
· Ligases: catalisam ligações pelo acoplamento da clivagem do ATP. Exemplo: Piruvato Carboxilase.
Os mecanismos de regulação da atividade enzimática
· Os mecanismos de regulação da atividade enzimática são fundamentais para o controle dos níveis de ATP, a regulação das vias metabólicas anabólicas e catabólicas e o bom funcionamento das reações bioquímica.
· A regulação da atividade enzimática pode ser administrada por diferentes estruturas da célula, de modo a garantir a homeostase do corpo humano
· Para regular as atividades enzimáticas, temos:
· Controle da velocidade das reações das enzimas, que permite ajustar os processos metabólicos às necessidades do organismo. A velocidade das reações enzimáticas geralmente está relacionada à disponibilidade de substrato, a substância sobre a qual atua a enzima. À medida que aumenta a concentração de substrato, a velocidade da reação enzimática também aumenta.
· Modificação covalente: neste caso, o fosfato proveniente do ATP é adicionado às células pelas proteínas- -cinases e retirado pelas fosfoproteínas-fosfatases. Essa adição ouremoção pode, dependendo da enzima, aumentar ou diminuir a atividade catalítica.
· Inibição enzimática (utilizada em muitos fármacos): Nesse regulador temos:
1. Inibidores irreversíveis: se unem à enzima por meio de ligações covalentes, que são mais estáveis, e a enzima inibida não recupera sua função após conectar-se com o inibidor
2. Inibidores reversíveis: se unem ao catalisador por meio de ligações não covalentes, que são mais fáceis de serem rompidas, possibilitando que a diluição do complexo enzima-inibidor restaure a atividade da enzima após a interação. Os inibidores reversíveis são classificados em:
· Inibição não competitiva: o inibidor e o substrato unem-se em sítios diferentes: enquanto o inibidor se conecta ao complexo enzima-substrato, ou diretamente à enzima livre, o substrato acopla-se no centro ativo da enzima. A velocidade máxima não pode ser atingida por meio do aumento da concentração do substrato, já que a presença do inibidor diminui a taxa de formação de produtos (não ocorre elevação do ).
· Inibição competitiva: o inibidor ocupa o sítio ativo e diminui a velocidade máxima momentaneamente. O efeito do inibidor competitivo pode ser revertido com o aumento da concentração do substrato, já que apenas o valor do aparente aumenta.
Enzimas alostéricas e seus efetores positivos e negativos
· As enzimas alostéricas são muito importantes para a regulação das rotas bioquímicas no nosso organismo.
· Enzimas alostéricas são enzimas que contém uma região separada daquela em que se liga o substrato, na qual pequenas moléculas regulatórias podem se ligar e modificar a atividade catalítica destas enzimas. As modificações no sítio catalítico podem diminuir ou acelerar a velocidade da reação.
· A enzima alostérica é um oligômero, composto de protômeros (locais onde o substrato se liga ao sítio ativo) e do sítio alostérico, ao qual se ligam de modo não covalente os efetores positivos e negativos
· Efetores positivos: aumentam a afinidade da enzima pelo substrato, já que ela adquire a forma relaxada, passível de ligação. (maior atividade enzimática)
· Efetores negativos: diminuem essa afinidade, e todos os protômeros da enzima tornam-se tensos (menor atividade enzimática).
		Mais informações
· Os efetores também podem ser classificados como homotrópicos ou heterotrópicos.
· Homotrópicos: o próprio substrato atua como efetor e normalmente causa efeito positivo, pois a sua ligação à enzima aumenta a afinidade dos outros sítios de ligação. Este é o chamado efeito da cooperatividade.
· Heterotrópicos: o efetor é diferente do substrato. Estes são geralmente utilizados pelos sistemas de controle de alça fechada de feedback negativo: quando determinado produto, no fim de uma rota metabólica, está muito concentrado, a enzima diminui a taxa de sua síntese.
A regulação mediada por zimogênios e por modificação covalente
· As enzimas secretadas na forma inativa, chamadas zimogênios, sofrem a clivagem de um fragmento de sua estrutura, o que resulta no aparecimento do centro ativo. Com isso, a enzima passa da forma inativa para a forma ativa.
· No trato gastrointestinal esse tipo de regulação é muito comum, por exemplo, na conversão do pepsinogênio (inativo) à pepsina (ativa) pelo ácido clorídrico, no pH ácido do estômago
· Imagine que a pepsina estivesse o tempo todo ativa no nosso trato digestivo. Ou que os fatores da coagulação estivessem o tempo todo se ativando, produzindo coágulos. Seria um grande problema para o organismo. Por isso, essa forma inativa da enzima é muito importante. É um controle para que a enzima só atue quando realmente precisa atuar. Ela está lá presente. Pronta para agir. Mas, precisa de um "comando". Após realizar suas funções ela volta a ser inativada ou é degradada. E, assim, o equilíbrio (homeostase) fica garantido.
· Já na modificação covalente, a regulação ocorre por adição ou remoção de radicais, normalmente fosfatos, de resíduos de serina, treonina ou tirosina da enzima.
· Este é o chamado mecanismo de fosforilação e desfosforilação, catalisado por proteínas quinases que fosforilam, ou por fosfoproteínas-fosfatases, que removem o radical fosfato.
· O controle da atividade enzimática em nível gênico é baseado na quantidade de enzimas presentes e pode ser regulado por indução (aumento da síntese da enzima) ou repressão (diminuição da síntese).
· O gene estrutural responsável pela síntese de certas enzimas é controlado por um segundo gene localizado ao lado do gene estrutural, denominado operador.
· O gene operador pode ser inibido por um repressor e, neste caso, não há síntese da enzima. O repressor é sintetizado por um terceiro gene, localizado em local afastado do gene estrutural, denominado gene regulador.
Principais propriedade das enzimas
· A cinética enzimática estuda a velocidade das reações catalisadas pelas enzimas e o modo pelo qual certos fatores conseguem modificar a velocidade destas reações.
· 
· A velocidade de uma reação pode ser definida pela quantidade de produto formado ou pela quantidade de substrato transformado pela unidade de tempo.
· A atividade de uma enzima pode, assim, ser medida pela velocidade da reação que ela é capaz de catalisar. Para ser medida recorre-se à medida da atividade expressa em unidades enzimáticas.
· Unidades arbitrárias: são expressas em bases empíricas, usualmente envolvendo a quantidade de substrato transformado em um tempo de incubação definido e sob condições padronizadas de pH, temperatura, concentrações e etc. (Esta unidade chama-se arbitrária por ser estabelecida pelo pesquisador sem a obediência de um critério técnico ou científico)
· Unidade internacional: é definida pelo número de micromols de substrato desdobrado ou de produto formado por um mililitro da solução em um minuto em condições padronizadas de pH e temperatura.
· Katal: é a unidade enzimática definida pelo número de mols de substrato desdobrado ou de produto formado por litro de solução em um segundo em condições padronizadas de pH e temperatura.
· Quando se trabalha com purificação de enzimas costuma-se expressar os resultados da medida da atividade enzimática em atividade específica.
· A atividade específica é o número de unidades internacionais (UI) por miligrama de proteínas num mililitro de material biológico que está sendo examinado.
· A velocidade máxima da reação enzimática está relacionada com o número de renovação de uma enzima, que expressa o poder catalítico da enzima.
· O número de renovação de uma enzima é o número de mols do substrato transformado em produto por mol de enzima na unidade de tempo. As unidades do número de renovação são segundos-1 (ou unidade de tempo-1)
As principais propriedades das enzimas
· Os catalisadores atuam em reações que, em sua ausência, seriam muito lentas
· As enzimas produzem resultados apreciáveis em concentrações ínfimas e aceleram as reações químicas sem modificar o estado de equilíbrio por agirem nos dois sentidos da reação.
· Os catalisadores não são consumidos nem transformados durante a reação química.
· As enzimas são catalisadoras porque apresentam as mesmas características dos catalisadores em geral.
· Apenas uma quantidade mínima (uma molécula) da enzima catalase decompõe 5 milhões de moléculas de água oxigenada em um minuto, em pH = 6,8
· A renina (enzima dos rins) faz coagular 72,3 milhões de vezes o seu peso de leite desengordurado em 10 minutos, em pH= 5,8 e a 40°C de temperatura.
· Ao contrário, porém, dos catalisadores inorgânicos, as enzimas apresentam especificidades para determinadas reações ou grupos de reações.
· Quando se adiciona ácido clorídrico a uma mistura aquecida de proteína, triacilglicerol e glicogênio, ocorre hidrólise dos três compostos: a proteína libera aminoácidos,os triacilgliceróis formam glicerol e ácidos graxos, e o glicogênio produz glicose.
· Tal fato não ocorre quando se adiciona à mesma mistura uma enzima capaz de catalisar, seletivamente, a hidrólise do glicogênio. Neste caso as proteínas e os triacilgliceróis permanecem inalterados,enquanto que o glicogênio é totalmente degradado.
Os fatores que afetam a velocidade das reações catalisadas por enzimas
· Diversos fatores influem na atividade das enzimas. Dois deles decorrem da natureza proteica da molécula da enzima, e dois são consequência da formação do complexo enzima-substrato.
1. Fatores decorrentes da natureza proteica das enzimas:
a) pH do meio onde atua a enzima.
· Quando uma mesma quantidade de enzimas atua sobre uma mesma concentração de substrato, em diferentes valores de pH do meio onde a reação se efetua, há uma região na qual a atividade da enzima é máxima. Esta região é denominada de pH ótimo da atividade.
· A estrutura proteica das enzimas explica a influência do pH. As variações de pH afetam profundamente a ionização dos grupos amino e carboxílicos dos radicais dos aminoácidos colaboradores, auxiliares e de contato. Essas modificações do caráter iônico dos radicais determina uma pronunciada alteração no efeito catalítico da enzima por mudança de conformação da proteína enzimática.
· Em adição às modificações puramente iônicas, a molécula proteica pode sofrer, também, desnaturação com consequente perda da atividade. A desnaturação pode ocorrer quando o pH do meio se tornar muito baixo ou muito alto.
2. Temperatura do meio em que se desenvolve a reação enzimática.
· Quando uma mesma quantidade de enzimas atua sobre uma mesma concentração de substrato no pH ótimo, mas, em temperaturas diferentes, há um ponto onde a atividade da enzima é máxima, essa região é denominada temperatura ótima da atividade enzimática.
· Muitas enzimas não revelam atividade a 0°C. Com a elevação da temperatura, a enzima passa a funcionar e a atividade cresce à medida que a temperatura aumenta. Existe um determinado ponto no qual o aumento de temperatura, ao invés de aumentar a atividade enzimática, causa uma diminuição e até completa inativação.
· O aumento da temperatura determina, também, a desnaturação da proteína.
· A partir de 45°C a desnaturação da enzima se faz rapidamente; aos 55°C a desnaturação é acelerada, e, acima deste valor, a enzima chega à completa inativação
· As enzimas das bactérias que vivem em ambientes naturais quentes (bactérias termófilas) podem conservar a atividade em temperaturas superiores a 85°C.
2. Fatores decorrentes da formação do complexo enzima-substrato:
a) concentração do substrato.
· Quando se faz variar a concentração do substrato mantendo-se a mesma concentração da enzima, e a temperatura e o pH ótimos, observa-se que a velocidade da reação aumenta segundo uma reação linear.
· Porém, no momento em que esta concentração ultrapassa um determinado valor, a velocidade de reação permanece independente da concentração do substrato.
· Se a concentração do substrato for grande, a concentração do complexo enzima-substrato será maior, e, consequentemente, maior será a velocidade de reação.
· Com a adição de novas moléculas de substrato, chegará um momento em que todas as moléculas da enzima estarão sob a forma de enzima-substrato, e, neste ponto, o acréscimo de maior quantidade de substrato não aumenta a concentração do complexo enzima-substrato e, portanto, a velocidade permanece constante.
· Além dos fatores já mencionados, a atividade das enzimas depende, também, da concentração dos cofatores.
b) concentração das enzimas.
· Fazendo-se variar a concentração da enzima, mantendo-se fixa uma alta concentração de substrato, na temperatura e no pH ótimos, verifica-se que a velocidade da reação aumenta linearmente com a concentração da enzima.
· A influência da concentração da enzima deve ser medida em presença de uma elevada concentração de substrato.
· Entende-se por afinidade da enzima pelo substrato a maior ou a menor capacidade da enzima de se ligar ao substrato.
· Já o poder catalítico é a capacidade de uma enzima em transformar o substrato ligado no complexo enzima-substrato (ES) em produto.
· Na cinética michaeliana, a afinidade da enzima pelo substrato e o poder catalítico da enzima permanecem constantes quando se faz variar a concentração do substrato.
· Na cinética não michaeliana, a afinidade da enzima pelo substrato ou o poder catalítico da enzima sofrem modificações em função da concentração do substrato ou outros modificadores da velocidade (efetores).
Os parâmetros cinéticos de e e sua aplicação sobre a inibição de enzimas
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