BIOQUÍMICA - PROTEÍNAS

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Química de PROTEÍNAS
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FUNDAMENTOS EM ENZIMOLOGIA
 AMINOÁCIDOS: São os componentes estruturais das proteínas.
 Proteínas são as macromoléculas mais abundantes nas células vivas.
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Estrutura dos aminoácidos 
 Eles diferem nas estruturas de suas cadeias laterais (grupos R). 
 Os 20 aminoácidos-padrão são conhecidos como -aminoácidos – grupo amino (NH2) e um grupo carboxílico (COOH).
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Ligação peptídica
 As proteínas são moléculas formadas por até milhares de aminoácidos unidos por ligações peptídicas (ligações covalente que ocorre entre a carboxila de uma aminoácido de o grupo animo do outro) com perda de uma molécula de água.
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Ligação peptídica
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 Quimicamente, são proteínas globulares constituídas de longas cadeias de aminoácidos unidas por ligações peptídicas. 
ENZIMAS
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Componentes dos peptídios
 Espinha dorsal - formada pela união dos aminoácidos  presença da ligação peptídica 
 Grupamento N-terminal (NH2 livre)
 C- terminal (COOH livre)
 Resíduos de aminoácidos
 Radicais dos aminoácidos  ligados a espinha dorsal
 Radicais são responsáveis pelas propriedades dos peptídios.
 O
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ESTRUTURA DE PROTEÍNAS
 Estrutura Primária:
- Mais simples e mais importante, pois dele deriva todo o arranjo espacial da molécula.
- É somente a sequência dos aminoácidos, sem se preocupar com a orientação espacial. 
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 Estrutura Secundária
 Rotação das ligações entre os carbonos dos aminoácidos de seus grupamentos amina e carboxila.
 Alfa-hélice: 
 forma mais comum; 
 hélice em espiral - as cadeias laterais dos se distribuem para fora da hélice;
- ponte H.
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 Estrutura Secundária
a) -hélice
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b) Folha beta () ou folha pregueada
- Arranjados em paralelo ou no sentido anti-paralelo. 
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Estrutura Terciária
 Resulta do enrolamento da hélice ou da folha pregueada.
upload.wikimedia.org/.../250px-Pilin-2pil.png 
-hélice
Folha-
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Estrutura Terciária
Estrutura Terciária – refere ao arranjo espacial da cadeia polipeptídica (dobramento ou formação de laços), com ou sem estrutura secundária. 
Na estabilização da estrutura terciária e na determinação da conformação de uma proteína entram forças de natureza diversas: 
Ligações dissulfeto (covalente) entre dois resíduos de Cis; 
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Estrutura Terciária
Ligações salinas ou interações eletrostáticas – mais fortes das ligações polares, porém mais fracas que as covalentes; 
Ligações ou pontes de H;
Interações dipolares;
Interações hidrofóbicas ou Van der Waals – são as mais baixas de todas as forças estruturais e a distância de interação é a maior. Além das forças de atração, existem as forças de repulsão, importantes no balanço à estabilização. 
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Estrutura Terciária
 Estabilizada por pontes de hidrogênio e pontes de dissulfetos.
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Estrutura Terciária
 - Têm sequências de aminoácidos diferentes, refletindo estruturas e funções diferentes,
- Forças fracas, podem ser facilmente quebradas – desnaturação.
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Estrutura Terciária
A quimotripsina é uma enzima digestiva, que cliva ligações peptíticas. 
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 Estrutura quaternária
 Possuem duas ou mais cadeias polipeptídicas.
 A estrutura tridimensional destas é a estrutura quaternária.
- Ex: hemoglobina - sua estrutura é formada por quatro cadeias polipeptídicas.
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 Estrutura quaternária
A maioria das proteínas globulares são formadas por mais de uma unidade estrutural; cada unidade estrutural pode conter um ou mais polipeptídeos, cada um apresentando seu próprio grau de estruturação (primário, secundário, terciário).
Estas subunidades estruturais se ligam entre si através de ligações não covalentes. A este grau de estruturação das proteínas dá-se o nome de estrutura quaternária 
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Estreita relação entre a estrutura da enzima e sua função:
 São altamente específicas 
 Somente certos substratos sofrem sua ação e unicamente um tipo de reação ocorre, sem reações colaterais ou produtos derivados,
 Se sua estrutura mudar – não catalisa mais aquele substrato.
Como isso ocorre?
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FUNÇÃO DAS PROTEÍNAS
Estrutural e Contrátil - participam como matéria-prima na construção de estruturas celulares e histológicas.
Ex: O colágeno - encontrada nos ossos, tendões, cartilagens e na pele; a queratina é encontrada na pele, unhas e cabelo, possui propriedades impermeabilizantes que dificultam a perda de água pelos animais; a albumina- presente em abundância no plasma sanguíneo; as proteínas miofibrilares “actina e miosina” (músculo).
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FUNÇÃO DAS PROTEÍNAS
Função Hormonal – Muitos hormônios são, na verdade, proteínas especializadas na função de estimular ou inibir a atividade de determinados órgãos, sendo portando reguladores do metabolismo.
Ex: O hormônio pancreático insulina que, lançado no sangue, contribui para a manutenção da taxa de glicemia.
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FUNÇÃO DAS PROTEÍNAS
Transporte – Muitas proteínas são transportadoras de nutrientes e metabólitos entre fluidos e tecidos; de uma forma geral, transportam ativamente substâncias. 
A hemoglobina é uma proteína que transporta oxigênio dos alvéolos para os tecidos e gás carbônico dos tecidos para os pulmões.
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FUNÇÃO DAS PROTEÍNAS
Função de Defesa - Em nosso sistema imunológico, existem células especializadas na identificação de proteínas presentes nos organismos invasores, que serão consideradas "estranhas". 
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FUNÇÃO DAS PROTEÍNAS
Função de Defesa 
 Estas proteínas invasoras denominam-se antígenos e promovem a produção de proteínas de defesa, nos plasmócitos, denominadas anticorpos que combinam-se quimicamente aos antígenos com o objetivo de neutralizá-los (há especificidade entre antígeno e anticorpo, ou seja, um anticorpo só neutralizará o antígeno que estimulou a sua formação). 
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FUNÇÃO DAS PROTEÍNAS
Função Nutritiva – Qualquer proteína exerce esta função, enquanto não for tóxica. 
Todos os alimentos ricos em proteína, como as carnes em geral, são fontes naturais de aminoácidos indispensáveis aos seres vivos para a produção de outras proteínas. 
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FUNÇÃO DAS PROTEÍNAS
Função Reguladora - Esta função é desempenhada por um grupo especial de proteínas denominadas vitaminas. 
As células dos vegetais clorofilados e certos microorganismos, como bactérias, têm a capacidade de produzirem vitaminas. 
Nos animais se dá através do processo de nutrição. Cada vitamina tem um papel biológico próprio, por isso não pode ser substituída por outra. 
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FUNÇÃO DAS PROTEÍNAS
Reserva – Sementes de plantas armazenam proteínas para a germinação, ex. albumina do ovo e a caseína do leite. 
Coagulação sanguínea - vários são os fatores da coagulação que possuem natureza proteica, como por exemplo: fibrinogênio, globulina anti-hemofílica.
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FUNÇÃO DAS PROTEÍNAS
Função Enzimática - As enzimas são proteínas especiais com função catalítica, ou seja, aceleram ou retardam reações bioquímicas que ocorrem nas células. 
Assim como os anticorpos, apresentam especificidade em relação à reação ou substância em que atuam. Isso se deve ao fato de cada enzima possuir em sua estrutura um ou mais pontos que se encaixam perfeitamente na substância ou reação que sofrerá sua ação. 
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 O substrato liga-se à enzima através do sítio ativo, local onde ocorrerá a reação catalisada pela enzima. 
Enzimas
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SÍTIO ATIVO
 Resíduos de aminoácidos capazes de interagir com o substrato e formação do produto.
 Estes resíduos denominam-se grupos catalítico.
Enzimas
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Representação esquemática da estrutura tridimensional da lipase de Pseudomonas cepacia.
SÍTIO ATIVO
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Teoria da “chave-fechadura” proposta por Emil Fischer 
 O sítio ativo possui uma conformação cujos grupos ligantes R dos aminoácidos estão corretamente posicionados, e sua conformação é complementar a estrutura do substrato. 
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Modelo do “encaixe induzido”, proposto por Koshland 
 O sítio ativo é uma região flexível cuja forma pode ser induzida para alojar compostos estruturalmente semelhantes. 
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União Internacional de Bioquímica e Biologia Molecular (UIBBM)
 Classificadas em seis grandes grupos, de acordo com o tipo de reação envolvida.
Oxidorredutases
Transferases
Hidrolases
Liases
Isomerases
Ligases
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Classificação das Enzimas - UIBBM
 
1. Oxidorredutases: São enzimas que catalisam reações de transferência de elétrons, ou seja: reações de oxi-redução. São as Desidrogenases e as Oxidases. 
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Classificação das Enzimas - UIBBM
 
2. Transferases: Enzimas que catalisam reações de transferência de grupamentos funcionais como grupos amina, fosfato, acil, carboxil, etc. Exs: Quinases e as Transaminases. 
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Classificação das Enzimas - UIBBM
 
3. Hidrolases: Catalisam reações de hidrólise de ligação covalente. Ex: As peptidades.
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Classificação das Enzimas - UIBBM
 
4. Liases: Catalisam a quebra de ligações covalentes e a remoção de moléculas de água, amônia e gás carbônico. Exs: Dehidratases e as Descarboxilases.
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Classificação das Enzimas - UIBBM
 
5. Isomerases: Catalisam reações de interconversão entre isômeros ópticos ou geométricos. Ex. As Epimerases. 
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Classificação das Enzimas - UIBBM
 
6. Ligases: Catalisam reações de formação e novas moléculas a partir da ligação entre duas já existentes, sempre à custa de energia (ATP). Ex. Sintetases.
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União Internacional de Bioquímica e Biologia Molecular (UIBBM)
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União Internacional de Bioquímica e Biologia Molecular (UIBBM)
Cada enzima descrita recebe um número de classificação, conhecido por “E.C.”, que é composto por 4 dígitos: 
1. Classe 
2. Sub-classe dentro da classe 
3. Grupos químicos específicos que participam da reação. 
4. A enzima, propriamente dita 
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COFATORES ENZIMÁTICOS E COENZIMAS 
Cofatores
 Um ou mais íons inorgânicos que podem ser necessários para a função de uma enzima.  
 Não estão ligados permanentemente à molécula da enzima mas, na ausência deles, a enzima é inativa. 
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Coenzimas
 Compostos orgânicos, quase sempre derivados de vitaminas, 
 A fração protéica de uma enzima, na ausência do seu cofator, é chamada de apoenzima. 
 Enzima + Cofator, chamamos de holoenzima.
COFATORES ENZIMÁTICOS E COENZIMAS
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COFATORES ENZIMÁTICOS E COENZIMAS
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Especificidade Substrato/Enzima: o Sítio Ativo 
• As enzimas são muito específicas para os seus substratos; 
• Esta especificidade se deve à existência, na superfície da enzima de um local denominado SÍTIO DE LIGAÇÃO DO SUBSTRATO. 
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Mecanismo Geral de Catálise
As enzimas aceleram a velocidade de uma reação por diminuir a ENERGIA LIVRE DE ATIVAÇÃO da mesma, sem alterar a termodinâmica da reação, ou seja, a energia dos reagentes e produtos da reação enzimática e de sua equivalente não enzimática é idêntica. 
• Energia de ativação: Quantidade de energia requerida para romper a configuração eletrônica estável de qualquer molécula específica para que os elétrons possam ser reorganizados.
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Reação catalisada por enzimas
Variação de energia ao longo de uma reação.
Energia de Ativação: quantidade de energia que é preciso fornecer aos reagentes para a reação ocorrer.
Mecanismo Geral de Catálise
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Catalisador atua diminuindo a Energia de Ativação (E.A.)
Mecanismo Geral de Catálise
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Cinética Enzimática
http://biomodel.uah.es/pe/protexpl/animgif.htm
• É a parte da Enzimologia que estuda a velocidade das reações enzimáticas bem como os fatores que a influenciam.
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Cinética Enzimática
• A cinética de uma enzima é estudada avaliando-se a quantidade de produto formado ou a quantidade de substrato consumido por unidade de tempo de reação. 
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Cinética Enzimática
Mecanismo de Ação Enzimática
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Cinética Enzimática
Uma reação enzimática pode ser expressa pela seguinte equação: 
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Aumentando-se a concentração de S percebemos uma mudança na atividade catalítica da enzima.
• A velocidade de uma reação enzimática depende das concentrações de ENZIMA e de SUBSTRATO. 
Cinética Enzimática
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 Concentração de substrato [S]: afeta a velocidade da reação;
Cinética Enzimática
Efeito de [S]: varia durante o curso de uma reação S  P;
 Velocidade inicial (V0): [S] >> [E]  tempo muito curto  [S] = constante.
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Teoria do Estado Estacionário
A produção e consumo do estado de transição ocorrem na mesma velocidade. Portanto, a concentração do estado de transição é constante.
Cinética Enzimática
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[ES] = Constante
Cinética Enzimática
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Na década de 1950,
Michaelis e Menten formularam as bases da cinética enzimática, para explicar como a concentração do substrato [S] afeta a velocidade da reação v.
Cinética Enzimática
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Cinética Enzimática
O modelo de Michaelis-Menten é útil para explicar a cinética das reações catalisadas por enzimas.
Parte a: v aumenta proporcionalmente 	com aumentos de S. 
Parte b: v aumenta não proporcional-	 mente com aumentos de S.
Parte c: v não aumenta mais, tendendo 	 a um valor máximo (Vmax), 	 sendo independente da [S]
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O Km é uma relação de constantes de velocidade e, portanto, é uma constante. 
O Km é uma medida da AFINIDADE da enzima pelo substrato:
Km ALTO = BAIXA AFINIDADE 
Km BAIXO = ALTA AFINIDADE
Cinética Enzimática
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Este gráfico mostra como varia a velocidade inicial de uma reação com o aumento da concentração de substrato:
Ou seja, Vmáx e Km podem ser calculados quando Vo é medida em função de várias concentrações de substrato.
Lucia Bianconi (IBqM/UFRJ)
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Fatores que interferem nas reações enzimáticas
1) Concentração de substrato
Quanto mais substratos (reagentes) presentes no meio mais produ-tos estarão sendo formados. Quando todas as enzimas estiverem ligadas aos substratos obtém-se a velocidade máxima da reação (x) na concentração (Y) de substrato
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Fatores que interferem nas reações enzimáticas
2)Temperatura
A velocidade das reações químicas tende a aumentar com o aumento da temperatura até atingir uma velocidade máxima (X) em uma temperatura ótima (Y)
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Fatores que interferem nas reações enzimáticas
2)Temperatura
Temperatura ótima
Pouca energia para a reação acontecer
Ao contrário da curva em forma de sino no caso da atividade enzimática versus pH, a enzima só está desnaturada em temperaturas acima da temperatura ótima.
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Fatores que interferem nas reações enzimáticas
3) pH (Potencial Hidrogeniônico)
As enzimas exigem um pH ótimo (Y) no qual a velocidade da reação seja máxima (X). Acima ou abaixo deste ponto elas diminuem sua atividade até que a reação química não mais ocorra.
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Muitas enzimas apresentam uma curva indicando que não existe um único valor de pH ótimo, mas uma faixa de pH ótimo (6,0 a 8,5). 
 6 > pH > 8,5 = inativação irreversível.
Fatores que interferem nas reações enzimáticas
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Fatores que interferem nas reações enzimáticas
Note que quanto maior a temperatura de, mais rápido é o processo de desnaturação térmica.
Rompidas as pontes de hidrogênio  alterações estruturas = nova conformação;
T desnaturação  pouco acima da T ótima.
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4.Tempo da Reação
5. Concentração: da Enzima e do Substrato 
A [substrato] cai na mesma razão em que a [produto] aumenta em função do tempo.
A enzima existe sob duas formas: enzima livre E e complexo enzima-substrato ES. No início da reação, a [E] livre cai e a do complexo [ES] aumenta e atinge um máximo,
em que não há mais [E] livre no meio. Nessa situação (indicada no retângulo cinza), diz-se que a enzima está saturada (só existe no complexo ES). A velocidade da reação é a máxima.