Enzimas: Catalisadores Biológicos

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Enzimas
Márcia Vanusa
Recife, 2011
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ENZIMAS 
Definição:
Catalisadores biológicos.
Função:
Viabilizar a atividade das células, quebrando moléculas ou juntando-as para formar novos compostos.
Com exceção de um pequeno grupo de moléculas de RNA com propriedades catalíticas, chamadas de RIBOZIMAS, todas as ENZIMAS são PROTEÍNAS.
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Características de uma proteína para ser considerada ENZIMA:
 Apresentar extraordinária eficiência catalítica;
 Demonstrar alto grau de especificidade em relação a seus substratos (reagentes) e aos seus produtos;
 Acelerar a velocidade das reações 106 a 1012 vezes mais do que as reações não-catalíticas;
 Não ser consumida ou alterada ao participar da catálise;
 Não alterar o equilíbrio químico das reações e 
 Ter atividade regulada geneticamente ou pelas condições metabólicas.
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ENZIMAS – ESTRUTURA
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• Enzima + cofator e/ou coenzima
“Holoenzima” proteínas complexas (heteroproteínas)
• Parte não protéica : não desnaturada pelo calor
“Coenzimas e Cofatores”
• Enzimas: parte protéica desnaturada pelo calor
“Apoenzima”
Enzima apresenta: Sítio ativo (região responsável pela ligação ao substrato) e grupo prostético (Cofatores e Coenzimas).
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• Isoenzimas: enzimas com funções idênticas (mesma espécie)
• Heteroenzimas: enzimas com funções idênticas (diferentes
espécies)
• Aloenzimas: variantes de isoenzimas
Variantes enzimáticas:
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As enzimas podem ser classificadas de acordo com vários critérios. O mais importante foi estabelecido pela União Internacional de Bioquímica e Biologia Molecular (IUBMB), e estabelece 6 classes:
1. Oxidorredutases: São enzimas que catalisam reações de transferência de elétrons, ou seja: reações de oxi-redução. São as Desidrogenases e as Oxidases.
 
 
 
2. Transferases: Enzimas que catalisam reações de transferência de grupamentos funcionais como grupos amina, fosfato, acil, carboxil, etc. Como exemplo temos as Quinases e as Transaminases. 
 
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3. Hidrolases: Catalisam reações de hidrólise de ligação covalente. Ex: As peptidades 
4. Liases: Catalisam a quebra de ligações covalentes e a remoção de moléculas de amônia e gás carbônico. As Descarboxilases são bons exemplos. 
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5. Isomerases: Catalisam reações de interconversão entre isômeros ópticos ou geométricos. As Epimerases são exemplos.
 
6. Ligases: Catalisam reações de formação de novas moléculas a partir da ligação entre duas já existentes, quase sempre às custas da hidrólise de ATP. São as Sintetases 
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ENZIMAS – CLASSIFICAÇÃO
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ENZIMAS – CLASSIFICAÇÃO
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1955 - Comissão de Enzimas (EC) da União Internacional de Bioquímica (IUB)  nomear e classificar.
Cada enzima  código com 4 dígitos que caracteriza o tipo de reação catalisada:
1° dígito - classe
2° dígito - subclasse
3° dígito - sub-subclasse
4° dígito - indica o substrato
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ADP + D-Glicose-6-fosfato
ATP + D-Glicose
IUB - ATP:glicose fosfotransferase
E.C. 2.7.1.1
2 - classe - Transferase
7 - subclasse - Fosfotransferases 
1 - sub-subclasse - Fosfotransferase que utiliza grupo hidroxila como receptor
1 - indica ser a D-glicose o receptor do grupo fosfato
Nome trivial: Hexoquinase
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 Componentes da Reação Enzimática
E - Enzima
S - Substrato(s)
ES - Complexo Enzima -Substrato
P – Produto(s)
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LIGAÇÃO ENZIMA - SUBSTRATO
Emil Fischer (1894): alto grau de especificidade das enzimas originou  Chave-Fechadura , que considera que a enzima possui sitio ativo complementar ao substrato. 
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LIGAÇÃO ENZIMA - SUBSTRATO
Koshland (1958): Encaixe Induzido , enzima e o o substrato sofrem conformação para o encaixe. O substrato é distorcido para conformação exata do estado de transição.
Modelo Encaixe Induzido
Modelo Encaixe Induzido combinado com a tensão do substrato
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Centro Catalítico / Sítio Ativo 
Região da enzima que participa da reação com o substrato.
Pode possuir componentes não protéicos
 cofatores e coenzimas
Possui aminoácidos auxiliares e de contato
 
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ESPECIFICIDADE SUBSTRATO \ ENZIMA: O SÍTIO ATIVO 
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 É a parte da enzimologia que estuda a velocidade das reações enzimáticas e os fatores que influenciam nesta velocidade. 
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. 
    Uma reação enzimática pode ser expressa pela seguinte equação: 
E + S  <==> [ES]  ==> E + P
 
CINÉTICA ENZIMÁTICA
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- O complexo enzima/substrato (ES) tem uma energia de ativação ligeiramente menor que a do substrato isolado, e a sua formação leva ao aparecimento do estado de transição "Ts". 
- A formação de "P" a partir de ES é a etapa limitante da velocidade da reação. 
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MECANISMO GERAL DE CATÁLISE 
São 4 os mecanismos principais através dos quais as enzimas aceleram uma reação, aumentando a formação de moléculas de substrato em "Ts“ "Estado de Transição": 
 - Catálise Ácido-Base:  que ocorre com a participação de aminoácidos com cadeias laterais ionizáveis, capazes de doar ou liberar prótons durante a catálise. 
  - Torção de Substrato: que depende da torção do substrato induzida pela ligação do mesmo com o sítio de ligação da enzima, alcançando o estado de transição e estimulando sua conversão em produto. 
 
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- Catálise Covalente: que resulta do ataque nucleofílico ou eletrofílico de um radical do sítio catalítico sobre o substrato, ligando-o covalentemente à enzima e induzindo a sua transformação em produto. 
- Efeito de Diminuição da Entropia: As enzimas ajudam no posicionamento e na definição da estequiometria correta da reação, facilitando os mecanismos anteriores.   
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CINÉTICA ENZIMÁTICA
 Cinética Enzimática
Determinar as constantes de afinidade do S e dos inibidores;
Conhecer as condições ótimas da catálise;
Ajuda a elucidar os mecanismos de reação;
Determinar a função de uma determinada enzima em uma rota metabólica.
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- A velocidade de uma reação enzimática depende das concentrações de ENZIMA e de SUBSTRATO. 
Etapas:
Em baixas [S], a velocidade da reação é mais ou menos diretamente proporcional à [S] (cinética de primeira ordem); 
2. A velocidade é dependente de duas situações: a ligação da enzima com o substrato e da conversão do substrato em produto; 
3. O aumento da [S] pouco influencia a velocidade da reação (cinética de ordem zero). A velocidade da reação é dependente da concentração do complexo ES.
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Efeito da concentração do substrato sobre a velocidade inicial
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Equação de Michaelis-Menten:
Modelo de reação enzimática para apenas um substrato que demonstra como a velocidade de uma reação varia com a variação da concentração do substrato;
 
V = Vmax . [S]
 Km + [S]
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Determinação do Km pelo gráfico de velocidade inicial versus concentração do substrato
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 Vmáx é proporcional à [E].
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Constante de Michaelis (Km)
 Km de um substrato para uma enzima específica é característico, e nos fornece um parâmetro de especificidade deste substrato em relação à enzima; 
Quanto menor o Km, maior a especificidade, e vice-versa: valores de Km muito baixos, alta afinidade com o substrato (eficiência catalítica com pouca [S]).
 [S] na qual a velocidade da reação corresponde a: Vmax/2
- S diferentes que reagem com a E: Km diferentes
- E diferentes que reagem com um S: Km diferentes
- Depende do pH e da temperatura
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CINÉTICA ENZIMÁTICA
Afinidade da enzima ao substrato.
 Km depende:
 aspectos específicos do mecanismo de reação.
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Gráfico de Lineweaver-Burk
Necessário para obtenção de valores mais exatos de Km;
 É o inverso da equação de Michaelis-Menten
y = ax + b
 1 = km 1 + 1 _
 V Vmax [S] Vmax
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ATIVIDADE ENZIMÁTICA
Fatores que alteram a velocidade de reações enzimáticas:
- pH;
	- temperatura;
	- concentração das enzimas;
	- concentração dos substratos;
	- presença de inibidores.
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INFLUÊNCIA DA TEMPERATURA
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Algumas enzimas estão próximas da perfeição catalítica...
 Eficiência catálise enzimática: Constante catalítica Kcat
 
 Kcat = Vmáx
 [ E ] t
Kcat: Número de renovação (turnover number). Número máximo de moléculas de substrato que um centro ativo converte em produto, por segundo.
 Indica a rapidez com que a enzima pode operar, quando todos os outros centros ativos estão ocupados.
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INIBIÇÃO ENZIMÁTICA
 Qualquer substância que reduz a velocidade de uma reação enzimática.
INIBIDORES
	REVERSÍVEIS			IRREVERSÍVEIS
 COMPETITIVOS NÃO COMPETITIVOS
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Na inibição enzimática irreversível, há modificação covalente e definitiva no sítio de ligação ou no sítio catalítico da enzima. 
Existem 2 tipos de inibição enzimática reversível: 
  1.     Inibição Enzimática Reversível Competitiva: Quando o inibidor se liga reversivelmente ao mesmo sítio de ligação do substrato; O efeito é revertido aumentando-se a concentração de substrato. 
Altera apenas o Km e não a Vmax.
Inibição Enzimática
Gráfico dos inversos:
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2.  Inibição Enzimática Reversível Não-Competitiva: Quando o inibidor liga-se reversívelmente à enzima em um sítio próprio de ligação, podendo estar ligado à mesma ao mesmo tempo que o substrato. Este tipo de inibição depende apenas da concentração do inibidor. 
Gráfico dos inversos:
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Algumas enzimas podem ter suas atividades reguladas, atuando assim como moduladoras do metabolismo celular. 
Esta modulação é essencial na coordenação dos inúmeros processos metabólicos pela célula. 
Existem 2 modelos de regulação enzimática mais conhecidos: 
Modulação Alostérica  e Modulação Covalente
ENZIMAS REGULATÓRIAS
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1.     Modulação Alostérica  
 Ocorre nas enzimas que possuem um SÍTIO DE MODULAÇÃO, ou ALOSTÉRICO, onde se liga de forma não-covalente um modulador alostérico que pode ser positivo (ativa a enzima) ou negativo (inibe a enzima). 
A ligação do modulador induz a modificações conformacionais na estrutura espacial da enzima, modificando a afinidade desta para com os seus substratos.
 
2.  Modulação Covalente: 
Ocorre quando há modificação covalente da molécula da enzima, com conversão entre formas ativa/inativa. 
 O processo ocorre principalmente por adição/remoção de grupamentos fosfato. 
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ENZIMAS – APLICAÇÕES
Industria de álcool;
Industria de detergentes;
Industria têxtil;
Industria de papel;
Curtumes;
Bioremediação: de polímeros, de hidrocarbonetos e clorados.
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ENZIMAS – APLICAÇÕES
Permitem às indústrias usarem processos mais econômicos, diminuindo o consumo de energia e recursos; mais confiáveis e que poluem menos. 
São eficientes; 
Muito específicas;
Permite produção segura e ambientalmente amigável. 
Origem vegetal
Origem animal 
Origem microbiana
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