Enzimas - Completo

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Enzimas 
 
 1850-Louis Pasteur concluiu que leveduras catalisam a conversão de 
açúcares em álcool. 
 1878- Kühne: "enzima", "en" = dentro e "zyme" = levedura. 
 1926- o isolamento da enzima urease, estabeleceu a natureza proteica 
das enzimas, criando-se o conceito de que todas as enzimas são 
proteínas. 
 Na década de 80, entretanto, foram identificadas moléculas de RNA que 
possuem atividade catalítica, as ribozimas, caindo desta forma o 
conceito que todas as enzimas são proteínas. 
 São proteínas especializadas na catálise de reações biológicas, ou seja, 
proporcionam que as reações químicas tornem-se muito mais rápidas 
que a reação não catalisada o que as coloca entre as biomoléculas mais 
importantes para o ser vivo. 
 Ocorrem situações onde uma pequena queda ou aumento na atividade 
enzimática acarreta problemas fisiológicos sérios. 
 
 
Teoria da colisão 
 As reações químicas acontecem quando ligações são quebradas ou 
formadas. 
 Para tanto os átomos, íons e moléculas devem colidir. 
 Todos os átomos, íons e moléculas estão em constante movimento e 
portanto colidindo constantemente. 
 A energia que é transferida pelas partículas na colisão pode 
desorganizar suas estruturas eletrônicas o suficiente para que as 
ligações químicas sejam quebradas ou novas ligações se formem. 
 
 
 
Como uma proteína, uma enzima depende da estrutura terciária (ou 
quaternária) para exercer sua função catalisadora, uma vez que tem que 
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interagir com as moléculas dos reagentes (aqui denominados de substrato) 
para convertê-las nos produtos, de uma maneira a diminuir a energia 
necessária para levar estes substratos ao estado de ativação energética 
caracterizado por uma molécula em transição entre o substrato e o produto. 
 
Equação geral de uma reação enzimática: 
 
 
 
 
 
E- enzima 
S-substrato 
P-produto 
 
ES: representa o estado de transição 
 
 
Quais as diferenças existentes entre catalisadores inorgânicos, como 
íons metálicos e as enzimas? 
 As enzimas são mais eficientes: podem acelerar reações até 1014 
vezes contra 102 – 103 vezes dos catalisadores inorgânicos. 
 As enzimas são específicas: catalisam reações envolvendo às vezes 
apenas um único tipo de reagente; 
 As enzimas não produzem sub-produtos reacionais; 
 As enzimas operam em condições amenas de temperatura, pressão 
e pH; 
 As enzimas podem ser altamente reguladas através de fatores 
extrínsecos à reação, tanto por ativadores como por inibidores. 
 
 
 
 
E + S ES P + E 
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Enzimas 
 
 A região da enzima onde ocorre este encaixe é denominada de sítio de 
ligação ou sítio catalítico e corresponde, geralmente, a um entalhe na 
estrutura da molécula da enzima formado por uma sequencia de 
aminoácidos que garante a forma de uma cavidade. 
 
 
 
 
A) o encaixe se dá pelo sítio catalítico da enzima; 
B) formação de um complexo enzima-substrato; 
C) o substrato é convertido no produto (a estrutura em azul); 
D) o produto é liberado, regenerando a molécula de enzima. 
 
Algumas enzimas são formadas exclusivamente por aminoácidos (p.ex.: a 
ribonuclease pancreática), porém, a maioria precisa de um cofator que 
permite o encaixe perfeito da enzima com o substrato e proporcionando a 
quebra da estrutura original da molécula do substrato, iniciando a formação do 
produto final da reação enzimática. 
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Cofatores 
 Os cofatores podem ser íons metálicos (Fe++, Mn++, Zn++) ou 
compostos orgânicos denominados coenzimas (p.ex.: vitaminas 
hidrossolúveis como a B6, B12). 
Algumas enzimas utilizam um ou outro tipo de cofator ou ainda ambos, com a 
parte proteica denominada apoenzima e o complexo enzima/cofator 
denominado holoenzima 
 
 
 enzima sem o cofator (apoenzima) 
 não possui ação catalítica, mas somente o complexo enzima/cofator 
(holoenzima). 
 
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 Grupo prostético: em alguns casos, a ligação da enzima com o cofator 
não se faz de maneira permanente, porém quando esta ligação é 
estável, o cofator faz parte da enzima denomina-se grupo prostético. 
 Isoenzimas: enzimas que são produzidas em tecidos diferentes e 
catalisam a mesma reação, porém apresentam características químicas 
ou físicas diferentes. Possuem importância em interpretações clínicas 
por interferir no diagnóstico laboratorial de certas doenças. Como no 
caso da fosfatase alcalina, uma enzima hepática que tem a 
concentração plasmática aumentada na obstrução hepática, e que 
possui uma isoenzima produzida pela placenta em mulheres grávidas. 
 
Classificação das enzimas 
 Denominadas pela adição do sufixo –ase no nome do substrato. 
 As enzimas são denominadas pela reação que executam sobre 
determina do substrato. 
 A enzima hexoquinase, que catalisa a transferência de um grupamento 
fosfato do ATP para a glicose, é denominadade ATP-glicose 
transferase 
 
International Union of Biochemistry and Molecular Biology (IUBMB) classificou 
as enzimas em seis grandes grupos (Classes), de acordo com o tipo de reação 
que catalisam. Cada enzima descrita recebe um número de classificação, 
conhecido por “E.C.” (Enzyme Commission of the IUBMB), 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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Exemplo: 
Quimotripsina: E.C. 3.4.21.1 
 3 → Classe = Hidrolase (catalisa reações de hidrólise de ligações 
covalentes) 
 4 → Sub-Classe = Peptidase (hidrolisa ligações peptídicas) 
 21 → Serino-endopeptidases (enzimas contendo serina no sítio ativo) 
 1 → quimotripsina 
 
Por que as enzimas são catalisadores tão eficazes? 
 
a) Ações na “economia” energética celular: 
 Diminuem a necessidade energética para que as reações bioquímicas 
aconteçam, o que, por si só, já torna a reação mais rápida e eficiente. 
 
 As enzimas não modificam o processo de produção ou consumo 
energético de uma reação química, não alteram o equilíbrio da reação, 
mas aumentam a velocidade da reação por diminuir a energia de 
ativação dos substratos. 
 Isto acontece devido à conversão dos substratos em produtos devido ao 
alinhamento tridimensional entre os substratos, exigindo uma energia 
bem menor para a quebra do limiar energético para a formação dos 
produtos. 
 ação catalítica é possível graças à forma tridimensional do sítio de 
catalítico da enzima (e o cofator, na maioria das vezes) com o substrato 
que permite uma rápida reação, ao invés da reação não catalisada que 
necessitaria de um movimento e alinhamento aleatórios. 
 
 
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Modelo chave-fechadura 
 
 
 
 
 
b) Alta eficiência mesmo em baixas concentrações: 
 As enzimas são regeneradas ao final do processo, podendo reagir com 
novas moléculas do substrato sendo necessárias, portanto em 
quantidades bastante inferiores das do substrato. 
 
c) Especificidade enzima substrato como fator acelerador da reação: 
 É fundamental para o sucesso o fato que os substratos permanecem 
"presos" no sítio catalítico, reduzindo os movimentos aleatórios da 
molécula (redução da entropia) permitindo a catálise mais rápida. 
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d) A ação das enzimas é regulável: 
 feedback que pode ser negativo ou positivo, de acordo com a 
natureza da reação. 
 
 
 
 
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Enzimas e pH 
 
 
Desnaturação das enzimas pelo calor 
 
 
 
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Mecanismos de ação enzimática 
Três mecanismosprincipais que abrangem a maioria das reações enzimáticas: 
 Catálise ácido-básica: 
 Catálise Covalente: 
 Catálise por íon metálico: 
 
Catálise ácido-básica 
 Utiliza os íons H+ (catálise ácida) ou OH- (catálise básica) da água, ou a 
propriedade ácido-básica de alguns aminoácidos, para promover a 
formação de um intermediário entre os substratos e os produtos que se 
quebra rapidamente impedindo o retorno à forma de substrato. 
 dependente do pH uma vez que o grupamento R de vários aminoácidos 
varia sua carga elétrica com o pH o que interfere neste tipo de catálise. 
 
Catálise Covalente 
 Há a formação de uma ligação covalente entre a enzima (ou o cofator) e 
o substrato impedindo que haja a regeneração do substrato e a rápida 
formação dos produtos. 
 Há sempre a necessidade de uma reação adicional que permita a 
regeneração da enzima. 
 
 
Catálise por íon metálico: 
 Os íons presentes na molécula da enzima ou captados do meio no 
momento da formação do complexo enzima-substrato favorecem o 
alinhamento tridimensional do substrato, estabilização do complexo 
transitório. 
 Favorece uma maior estabilidade eletrostática, o que permite que a 
reação ocorra com menor necessidade energética para atingir o estado 
de transição. 
 
 
 
 
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Mecanismos que aceleram a reação enzimática 
 Catálise eletrostática: existência de pontos de atração eletrostática 
entre a enzima e o substrato que excluem totalmente a água no sítio de 
ligação favorecendo uma reação em condições de extrema rapidez 
devido à aproximação máxima entre enzima e substrato. 
 
 Catálise por efeitos de proximidade e orientação: quando estão 
envolvidos mais de um substrato e as enzimas favorecem um 
alinhamento tridimensional entre as moléculas estabelecendo um grau 
de torção ideal para que os substratos reajam entre si. 
 
Cinética enzimática 
 A diminuição da energia de ativação (ΔGAt) é o principal efeito da ação 
enzimática. 
 Um aumento da concentração do substrato também aumenta a 
velocidade de reação, mas somente até um determinado ponto que 
corresponde a um valor da concentração do substrato em que a 
capacidade catalítica da enzima está no máximo e a reação atinge, sua 
velocidade máxima, não aumentando mesmo que se aumente a 
concentração do substrato, ocorre saturação da enzima. 
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Meia lua: enzima 
Círculo: substrato 
 
 
 
Regulação enzimática 
 Todas as enzimas possuem um pH ótimo de atuação onde qualquer 
variação para mais ou menos, modifica a eficácia da reação enzimática 
(radicais R funcionam como ácidos ou bases, doando ou cedendo 
prótons para o meio): 
 Variações na temperatura também diminuem a eficácia da reação 
enzimática por modificar o equilíbrio químico. 
 Variações extremas de pH (geralmente abaixo de 4,0 e acima de 8,0) e 
temperatura (acima de 56oC) in vitro terminam por desnaturar de 
maneira irreversível as enzimas 
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 Enzimas alostéricas: formação de uma ligação não-covalente e 
reversível da enzima com o seu produto, levando a desestabilização da 
sua forma tridimensional impedindo a interação com o substrato. Há um 
ponto para o encaixe com esse metabólito regulador, denominado sítio 
de regulação ou alostérico 
 Enzimas reguladas por ligações covalentes reversíveis: Há a 
formação de uma enzima inativa pela adição de grupamentos fosfato 
inorgânico (Pi), AMP (adenosina mononucleotídeo fosfato), UMP (uridina 
mononucleotídeo), ADP ribose (adenosina difosfato + ribose) ou metil (–
CH3), através de ligação covalentes por intermédio de outras enzimas 
 Enzimas reguladas por clivagem proteolítica: há a participação de 
um precursor inativo da enzima, denominado zimogênio que 
corresponde a uma enzima com aminoácidos a mais dos que os 
necessários para a função catalítica. Na forma de zimogênio, esses 
aminoácidos adicionais impedem a ação catalítica da enzima. A ativação 
da enzima é feita com a retirada destes grupos. 
 A reação enzimática pode sofrer ação de agentes inibidores que 
diminuem a velocidade da reação, agindo por mecanismos diversos que 
podem ser produtos do próprio metabolismo celular ou externas ao 
organismo, como é o caso de vários tipos de medicamentos. 
 Os mecanismos de inibição são, em sua maioria, reversíveis 
 
 
Tipos de inibição enzimática 
 
 Inibidores enzimáticos competitivos: reagem reversivelmente com a 
enzima livre no sítio catalítico em competição com o substrato, para 
formar um complexo enzima-inibidor. A inibição ocorre em virtude de 
uma extrema similaridade tridimensional do inibidor com o substrato. O 
acúmulo de substrato leva ao fim da inibição. 
 
 Inibidores não-competitivos: reagem com a enzima livre, mas não no 
sítio catalítico. 
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 Inibidores irreversíveis: promovem uma alteração permanente, 
química, de algum grupo funcional essencial na molécula da enzima. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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Estudo dirigido 
 
1) O que são enzimas? 
2) Explique a teoria da colisão das reações. 
3) Explique a seguinte reação: 
E + S ES P + E 
 
E- enzima 
S-substrato 
P-produto 
ES = representa o estado de transição 
 
4) Quais as diferenças existentes entre catalisadores inorgânicos, como 
íons metálicos, e as enzimas? 
5) O que é sítio de ligação ou sítio catalítico de uma enzima? 
6) O que é o cofator de uma enzima? 
7) O que é apoenzima e holoenzima? 
8) O que é grupo prostético? 
9) O que são isoenzimas? 
10) Como são denominadas as enzimas? 
11) Quais são as classes de enzimas e que tipos de reações catalisam? 
12) Por que as enzimas são catalisadores tão eficazes? 
13) Quais os mecanismos principais que abrangem a maioria das reações 
enzimáticas? 
14) Quais mecanismos aceleram as reações enzimáticas? 
15) Explique como funciona a cinética enzimática de uma enzima 
16) Quais os possíveis tipos de regulação enzimática? 
17) Explique os tipos de inibição enzimática