T04 - enzimas

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ENZIMAS
INTRODUÇÃO
Exceto por um pequeno grupo de moléculas de RNA catalíticas, todas as enzimas são proteínas;
Algumas enzimas não necessitam de outros grupos além de seus próprios resíduos de aminoácidos;
Outras necessitam de cofatores, íons inorgânicos, ou coenzimas, moléculas orgânicas ou metalorgânicas complexas;
A maioria das coenzimas é derivada de vitaminas; 
Uma coenzima ou íon metálico que se ligue firmemente a uma enzima é denominado grupo prostético.
Enzimas completas, isto é, junto com sua coenzima e/ou cofator são denominadas holoenzimas; 
A parte proteica de uma dessas enzimas é denominada apoenzima ou apoproteína.
O sistema internacional de classificação de enzimas divide-as em seis classes, cada uma com subclasses, baseadas no tipo de reações que catalisam;
Oxidorredutases: realizam transferência de elétrons (reações de oxidação/redução);
Transferases: realizam reações de transferências de grupos;
Hidrolases: realizam reações de hidrólise;
Liases: realizam adição de grupos a ligações duplas, ou remoção de grupos com consequente formação de duplas;
Isomerases: realizam transferência de grupos dentro de uma mesma molécula; 
Ligases: realizam reações de condensação.
FUNCIONAMENTO DAS ENZIMAS
As enzimas contornam os problemas proporcionando um ambiente específico adequado para que uma dada reação possa ocorrer mais rapidamente;
A reação ocorre em um bolsão da enzima denominado sítio ativo;
A molécula sobre a qual a enzima age (liga no sítio ativo) é denominada substrato;
Frequentemente, o sítio ativo engloba o substrato, formando o complexo enzima-substrato.
Uma reação enzimática simples pode ser escrita como:
E + S ES EP E + P;
A catálise aumenta a velocidade da reação, sem alterar seu equilíbrio;
O equilíbrio entre S e P reflete a diferença entre seus estados fundamentais; 
No gráfico acima, a energia livre do estado fundamental de P é menor do que a de S, e então a variação de energia é negativa e o equilíbrio favorece P; 
Há uma barreira energética entre S e P: a energia necessária para alinhar os grupos reagentes, para a formação de cargas instáveis transitórias, rearranjos de ligações e outras transformações necessárias; 
Para que a reação ocorra, as moléculas devem suplantar esta barreira e atingir um nível de energia mais alto, sendo o topo da curva um ponto a partir do qual o decaimento para os estados S ou P tem a mesma probabilidade de ocorrer, sendo chamado de estado de transição; 
A diferença entre os níveis energéticos do estado basal e do estado de transição é a energia de ativação;
Os catalisadores aumentam a velocidade das reações por diminuírem as energias de ativação.
As reações podem ter várias etapas, incluindo a formação e o consumo de espécies químicas transitórias chamadas de intermediários da reação, espécies que tenham uma vida química finita dentro da reação;
Os complexos ES e EP podem ser considerados intermediários, constituindo sua interconversão uma etapa da reação;
Quando uma reação tem várias etapas, a velocidade final é determinada pela etapa com a maior energia de ativação (etapa limitante da velocidade).
Velocidade de reação e equilíbrio têm definições termodinâmicas precisas:
O equilíbrio está ligado à variação da energia livre padrão da reação, enquanto a velocidade está ligada à energia de ativação;
A velocidade de uma reação é determinada pela concentração do reagente e por uma constante de velocidade (k); 
V = k[S];
Nessa equação, a velocidade depende apenas da concentração do substrato, sendo a constante uma reflexão da probabilidade de ocorrência da reação em um conjunto de condições (pH, temperatura, etc).
O aumento de velocidade altamente seletivo desencadeado pelas enzimas pode ser explicado a partir de duas razões, interconectadas:
Durante a reação catalisada pela enzima, ocorre o rearranjo de ligações covalentes, com reações de muitos tipos ocorrendo entre substratos e grupos funcionais da enzima;
Grupos funcionais catalíticos podem formar ligações covalentes transitórias com um substrato e ativá-lo para a reação, bem como o grupo pode ser transitoriamente transferido; 
Interações covalentes entre enzimas e substratos diminuem a energia de ativação, acelerando a reação.
A segunda parte da explicação baseia-se em interações não covalentes entre enzima e substrato;
A interação entre substrato e enzima no complexo ES é mediada pelas mesmas forças que estabilizam a estrutura das proteínas (ligações fracas); 
A formação de cada interação fraca é acompanhada pela liberação de certa quantidade de energia que estabiliza a reação (energia de ligação);
Os grupos presentes no substrato que estão envolvidos nessas ligações podem atuar a alguma distância das ligações que são rompidas ou modificadas, havendo grande “pagamento de energia”.
A noção moderna da catálise enzimática diz que as enzimas devem ser complementares ao estado de transição da reação, com interações ótimas entre enzima e substrato só ocorrendo neste estado;
De maneira geral, a especificidade deriva da formação de muitas interações fracas entre a enzima e a molécula do substrato específico.
CINÉTICA ENZIMÁTICA
Compreende a determinação da velocidade da reação (mecanismo de ação das enzimas) e como ela se modifica em resposta a mudanças nos parâmetros experimentais;
Um fator chave que afeta a velocidade das reações catalisadas por enzimas é a concentração do substrato [S];
A medida da velocidade inicial (V0) é uma abordagem que simplifica os experimentos de cinética;
A região de V0 tipo platô está próxima à velocidade máxima;
O gráfico abaixo representa a cinética de saturação da maioria das enzimas, sendo a curva uma hipérbole retangular;
Michaelis e Menten postularam que a enzima primeiramente combina-se de modo reversível com o substrato, formando um complexo (ES) em uma etapa reversível e relativamente rápida; então, o complexo é rompido (etapa mais lenta), fornecendo a enzima livre e o produto;
A velocidade inicial máxima de uma reação ocorre quando quase toda a enzima estiver presente como complexo ES e [E] é desprezível.
A relação entre a concentração do substrato e a velocidade da reação pode ser expressa quantitativamente, segundo a dedução de Michaelis e Menten de que a etapa limitante da velocidade em uma reação enzimática é a quebra do complexo ES em produto e enzima livre;
 , a equação de Michaelis-Menten (equação da velocidade), que define a relação quantitativa entre a velocidade inicial, a máxima e a concentração inicial de substrato, todas interligadas pela constante de Michaelis Km;
Sequenciando a reação, obtém-se ainda que: Km = [S] quando V0 = ½ Vmáx.
A equação de Michaelis-Menten pode ser transformada algebricamente em equações mais úteis para fazer gráficos com dados experimentais, como a equação de Lineweaver-Burk:
 , no caso das enzimas que obedecem a relação de Michaelis-Menten, um gráfico 1/V0 versus 1/[S] produz uma linha reta, que possui inclinação de Km/Vmáx;
O gráfico de Lineweaver-Burk é útil para diferenciar certos tipos de mecanismos de reação enzimática, bem como na análise de inibição de enzimas.
Enzimas são sujeitas à inibição reversível e irreversível:
Inibidores enzimáticos são moléculas que interferem com a catálise, diminuindo ou interrompendo as reações, estando distribuídos em duas classes:
Inibidores reversíveis:
Competitivos: compete com o substrato pelo sítio ativo da enzima; à medida que ocupa o sítio, impede que o substrato se ligue à enzima, levando muitas vezes à formação de um complexo EI que não leva à catálise; aumentam a constante de Michaelis;
Ex: tratamento de intoxicação por metanol com infusão de etanol para que compita pela álcool-desidrogenase hepática.
Incompetitivos: liga-se em um sítio distinto do sítio do substrato, diminuindo a Vmáx medida.
Inibidores irreversíveis: ligam-se covalentemente com ou destroem um grupo funcional da enzima que é essencial para a atividade da enzima ou então forma uma associação não covalenteestável;
Ex: inativadores suicidas, compostos relativamente não reativos até que se liguem ao sítio ativo de uma enzima específica; passa pelas primeiras etapas de uma reação enzimática, mas ao invés de ser transformado em produto normal, é convertido em um composto muito reativo que se combina irreversivelmente com a enzima.
ENZIMAS REGULATÓRIAS
Enzimas que apresentam atividade catalítica aumentada ou diminuída em resposta a certos sinais;
Enzimas alostéricas: agem por meio de ligações reversíveis e não covalentes com compostos regulatórios denominados moduladores alostéricos, geralmente metabólitos pequenos ou cofatores;
Mudanças conformacionais induzidas por um ou mais moduladores interconvertem formas mais ativas em formas menos ativas das enzimas; 
Muitas vezes, o modulador é o próprio substrato (enzimas homotrópicas); quando não é, a enzima é denominada heterotrópica;
Além do sítio ativo, enzimas alostéricas possuem um ou mais sítios regulatórios para ligarem o modulador; em enzimas homotrópicas, sítio ativo e alostérico são iguais;
Em muitos sistemas, as enzimas alostéricas são inibidas especificamente pelo produto final da via metabólica sempre que a concentração do produto final exceder as necessidades celulares (inibição por retroalimentação – feedback negativo).
Outras enzimas são reguladas por modificações covalentes reversíveis;
A atividade é modulada por moficiações covalentes em um ou mais dos resíduos de aminoácidos da molécula da enzima;
A modificação de um resíduo de aminoácido faz com que um novo resíduo com propriedades diferentes seja introduzido; a introdução de uma carga pode induzir uma mudança conformacional, enquanto a introdução de um grupo hidrofóbico pode desencadear uma associação com membrana;
A fosforilação é o tipo de modificação regulatória mais importante (1/3 de todas as proteínas de uma célula eucariótica passem por processo de fosforilação);
A ligação de grupos fosforil a resíduos de aminoácidos de proteínas e catalisada por proteínas cinases, e a remoção por fosfatases.
Diferentemente da regulação mediada por moduladores, a feita por proteólise é irreversível;
No caso de algumas enzimas, um precursor inativo (zimogênio) é hidrolisado, formando a enzima ativa;
Muitas das proteases do estômago e do pâncreas são reguladas dessa maneira;
Clivagens específicas provocam mudanças conformacionais que expõem o sítio ativo da enzima;
As proteases são inibidas por proteínas inibidoras que se ligam aos seus sítios ativos, já que o mecanismo de proteólise é irreversível.
FUNÇÃO BIOLÓGICA DE ALGUMAS VITAMINAS
Vitaminas são moléculas orgânicas que funcionam em uma variedade de processos dentro do organismo; 
A função mais comum é atuar como coenzimas em reações enzimáticas.
Tiamina (vitamina B1): funciona como coenzima na utilização da glicose e gordura, além de estruturar nervos e contribuir para boa digestão e apetite; 
Riboflavina (vitamina B2): participa do metabolismo oxidativo, síntese de ácidos graxos e manutenção da cútis, além de contribuir para visão normal em luz clara; 
Piridoxina (vitamina B6): funciona como coenzima do metabolismo proteico, além de participar da formação do heme e de reações de transaminação; 
Ácido nicotínico (vitamina B3): funciona como precursor para a nicotinamida, transportador de hidrogênio; 
Ácido fólico (vitamina B9): atua na maturação de células vermelhas, no metabolismo de purinas e pirimidinas, na síntese de DNA e RNA e em reações de carboxilase;
Ácido pantonênico (B5): é componente da coenzima A, participando da síntese de esteróis, 
Cobalamina (vitamina B12): participa da maturação das células vermelhas e do metabolismo de DNA e RNA;
Ácido ascórbico (vitamina C): atua na síntese de colágeno e hormônios e na resistência à infecções, além de aumentar a absorção de ferro e funcionar como antioxidante.
O ácido lipoico é um composto sintetizado pelo fígado que apresenta algo poder antioxidante;
Suas quatro principais ações metabólicas giram em torno da eliminação de espécies reativas de oxigênio, regeneração de antixoxidantes endógenos (vitamina C, coenzima Q10 e vitamina E), atividade quelante de metais e reparação de proteínas oxidadas;
Diversos estudos o têm colocado como envolvido na via de sinalização de insulina, por meio a absorção de glicose em células musculares e adiposas, logo melhorando a sensibilidade a ela.