Enzimas: Histórico, Conceito e Estrutura

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Enzimas
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Histórico
Atividade catalítica: processos de fermentação de suco de uva, fabricação de pães e queijos.
Catálise biológica (século XIX)
Digestão da carne  secreções do estômago;
Conversão do amido em açúcares  saliva e extratos vegetais.
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Histórico
Louis Pasteur (50)
Açúcar  álcool catalisada por “fermentos”;
Fermentos = Enzimas  separáveis da estrutura das células de levedo.
Eduard Buchner (1897)
Extratos de levedos  açúcar até álcool  enzimas funcionavam mesmo quando removidas da estrutura celular.
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Histórico
James Summer (1926)
Isolou e cristalizou a urease  avanço nas propriedades específicas das enzimas;
Cristais de urease  proteínas;
Todas as enzimas são proteínas.
 John Northrop e seus colegas (30)
Cristalizaram a pepsina e tripsina bovinas  proteínas.
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Histórico
J. B. Haldane (30)
Tratado intitulado “Enzimas”;
Ligações fracas entre enzima e substrato  distorce a molécula do substrato e catalisa a reação.
Século XX
Pesquisas  reações do metabolismo celular;
Purificação, elucidação da estrutura molecular, mecanismo químico e compreensão geral.
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Conceito
Catalisadores biológicos: longas cadeias de moléculas pequenas  aminoácidos;
Função: viabilizar a atividade das células, quebrando e juntando moléculas;
Elevado grau de especificidade ao substrato;
Específicas: ligações químicas e isômeros ópticos.
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Características
Produtos naturais biológicos;
Alto grau de especificidade;
Reações baratas e seguras;
Mecanismo “turnover”: desempenha funções consecutivas;
Altamente eficientes: aceleram a velocidade das reações  108 a 1011 vezes;
Econômicas: reduz a energia de ativação.
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Enzimas e Proteínas
Grupo de moléculas de RNA (ribozimas) com propriedades catalíticas = NÃO são proteínas;
 Atividade catalítica
 Integridade da conformação protéica nativa;
Perda da atividade = desnaturação e dissociação em subunidades.
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Enzimas e Proteínas
Aminoácidos: 
Átomo de carbono ligado a uma carboxila, grupo amino e um atómo de hidrogênio;
Grupo R específica para cada aminoácido  propriedades particulares.
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Enzimas e Proteínas
Enzimas Ativas
Resíduos de aminoácidos
Cofatores
 Íons metálicos: Fe2+, Mg2+, Mn2+
 Coenzimas: moléculas orgânicas complexas
Holoenzimas
Grupo prostético: coenzima ou íon metálico covalentemente ligada à parte protéica.
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Coenzimas
Aceptores/doadores de atómos ou grupos funcionais;
Catálise: coenzima + substrato = alojados no centro ativo;
Reação modifica/restaura: enzimas diferentes e específicas  precede a ligação do substrato;
Encontra-se covalentemente ligada à enzima ou é uma molécula “livre”.
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Coenzimas
Componente orgânico  não sintetizado pelos animais superiores
Vitaminas
Compostos orgânicos indispensáveis
Pequenas quantidades  precursores de coenzimas
Hidrossolúveis
Coenzimas
Lipossolúveis
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Estrutura Primária
Ligação peptídica: grupo -carboxila e grupo -amino;
Grupos no radical R: NUNCA participam da ligação peptídica;
Número de aminoácidos e ordem que se encontram caracteriza uma enzima.
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Estrutura Secundária
-hélice: formada e estabilizada por pontes de hidrogênio  nitrogênio e oxigênio;
Ponte de hidrogênio
Ligação fraca  grande número conferem estabilidade à estrutura.
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Estrutura Secundária
 Ponte de Hidrogênio:
 Átomos de uma ligação peptídica com os átomos da quarta ligação subseqüente;
 Paralelamente ao eixo da hélice.
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Estrutura Secundária
Folha -pregueada
Arranjo paralelo de 2 ou mais segmentos de cadeias peptídicas;
Pontes de hidrogênio: une 2 segmentos distintos da cadeia protéica.
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Estrutura Secundária
Conformação espacial: -hélice, folha -pregueada e regiões de conformações irregulares.
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Estrutura Terciária
Conformação tridimensional em solução;
 Explica o dobramento da cadeia  forma geral globular;
Ligações químicas: formadas entre grupos R dos aminoácidos;
Interações hidrofóbicas = dobramento da cadeia polipeptídica.
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Estrutura Terciária
Ligação salina ou iônica: grupos R (+) fazem ligações eletrostáticas com grupos R (-);
Pontes de hidrogênio: não apresentam padrão regular;
Pontes dissulfeto (S-S): oxidação de 2 grupos -SH  cadeia lateral de um resíduo de cisteína;
Forma espacial  responsável pela função  estrutura primária.
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Estrutura Terciária
Principais ligações da estrutura terciária.
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Estrutura Quaternária
Organização presente nas proteínas;
 Quantos?
 Quais? Monômeros associados
 Como?
Forças = estrutura terciária  EXCETO pontes dissulfetos.
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Estrutura Quaternária
 Estrutura quartenária da hemoglobina: 4 cadeias polipeptídicas.
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Classificação e Nomenclatura
Adição do sufixo “ase” ao nome do substrato, à palavra ou frase que descreve sua atividade;
Comissão de Enzimas  IUB
Número classificatório de 4 dígitos  identificando a reação.
1º = 6 classes que a enzima pertence
2º = tipo de ligação que a enzima atua
3º = subclassificação do tipo de ligação
4º = número de série
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Classificação e Nomenclatura
Principais classes das enzimas
Oxidorredutases  reações de oxidação-redução ou transferência de elétrons
(CH – OH, C = O, C = O-, CH – NH2, CH – NH-, NADH, NADPH)
Transferases  transferem grupos funcionais entre moléculas
(Grupos: com um carbono, aldeído ou cetona, acil, glicosil, fosfatos, enxofre)
Hidrolases  reações de hidrólise
(Ésteres, ligações glicosídicas, ligações peptídicas, outras ligações C-N, anidridos ácidos)
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Classificação e Nomenclatura
Principais classes das enzimas
Liases  catalisam a quebra de ligações covalentes e a remoção de moléculas de água, amônia e gás carbônico
(=C=C=, =C=O, =C=N-)
Isomerases  transferência de grupos dentro da mesma molécula para formar isômeros
(racemases)
Ligases  catalisam reações de formação de novas moléculas a partir da ligação entre duas pré-existentes, sempre às custas de energia
(C-O, C-S, C-N, C-C)
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Classificação e Nomenclatura
Exemplo
ATP + D-glicose ADP + D-glicose-6-fosfato
Nome formal  ATP: glicose fosfotransferase
Número  2.7.1.1
1º = transferase
2º = fosfotransferase
3º = fosfotransferases  grupo hidroxila como receptor
4º = D-glicose receptor do grupo fosfato
Trivial: HEXOQUINASE
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Ação Catalítica
 tamanho  enzima e substrato;
Sítio ativo: região específica da superfície 
Constituída por grupos R de aminoácidos;
Especificidade à catalise enzimática.
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Modelos Enzima e Substrato
Emil Fischer (1894): “chave e fechadura”
Enzimas eram complementares ao tamanho, forma e natureza química do substrato;
“Chave e fechadura”  pouco eficiente!
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Modelos Enzima e Substrato
Koshland (1958): encaixe induzido
Altera o balanço de forças  nova conformação;
Substrato: conformação tensionada e distorcida.
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Velocidade das Reações
E + S ES EP E + P
Catalisador:  velocidade da reação  NÃO afetam o equilíbrio.
Diagrama de coordenadas da reação:
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Atividade Enzimática
Medida da atividade  velocidade da reação;
 Dosagem
Amostra +  concentrações de substrato;
Velocidade da reação  Unidades Internacionais (U);
U = quantidade de enzima capaz de formar 1 mol de P por minuto em condições ótimas;
Atividade específica = U
 mg de proteína