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Bioquímica Humana UNIDADE 1 1 UNIDADE I DISCIPLINA: BIOQUÍMICA HUMANA Apresentação da Disciplina Seja bem-vindo(a) à disciplina de Bioquímica Humana aplicada à Nutrição. Nessa matéria você irá aprender como os humanos extraem energia do meio externo e como a direciona para manter o funcionamento adequado dessa incrível máquina. Porém para que você compreenda melhor a bioquímica humana gostaria que fizesse uma breve reflexão sobre a seguinte pergunta: Qual a diferença entre você e a matéria inanimada (terra, pedra, plásticos etc.) o cerca? Talvez a primeira e mais lógica resposta fosse “Eu tenho vida e uma pedra não”. Em primeiro momento pode até soar como uma reflexão bem simples e até certo ponto cômica, porém te convido a ampliar esse pensamento. Pense e reflita agora na se- guinte pergunta: de que você é formado que o torna tão distinto de uma pedra? Ao fazer essa reflexão você irá observar que sua estrutura é muito mais complexa e organizada quando comparada à estrutura da pedra, não importa o tamanho desse material. A matéria inanimada é composta por um conjunto de substancias simples. Entretanto, o corpo humano é constituído pela união dos sistemas biológicos (diges- tório, circulatório, urinário etc.), que trabalhando de forma cooperativa garantindo o funcionamento adequado do organismo. Cada sistema é formado por órgãos com funções bem específicas. Tais órgãos são compostos por tecidos que por sua vez são formados pela união de células – a menor unidade de vida. A complexidade e o nível de organização param na célula propria- mente dita, em nível celular observamos estruturas com funções específicas – as organelas. Elas atuam de forma convergente trabalhando para manter a célula viva. Dentre as organelas podemos destacar os ribossomos que tem uma importante fun- ção celular: síntese de proteínas. Os ribossomos são formados por um tipo de material conhecido como RNA ribossomal. No caso do RNA, ele é formado por cadeia polinu- cleotídica a qual é formada por unidades menores, os nucleotídeos. Cada nucleotídeo é constituído por uma base nitrogenada, um carboidrato e um grupamento fosfato. Observamos que a complexidade dos seres humanos tem como base a diversidade das moléculas que os compõe. Os seguintes assuntos serão discutidos nessa primeira unidade: • Aminoácidos: Estrutura Química e Classificação. • Propriedades Ácido/Base. • Proteínas: Classificação e Níveis Estruturais. • Desnaturação Proteica. 2 • Hemoglobina: estrutura e função. Mecanismo cooperativo de ligação do oxi- gênio. Efeito Bohr. • Enzimas: Propriedades, Classificação e Interação Enzima/Substrato. • Cinética Enzimática: Definição de Km, e Velocidade Máxima (Vmáx). • Mecanismo de controle da atividade enzimática. Ao final dessa unidade você desenvolverá todos os tópicos acima citados. Porém é imprescindível a leitura completa do conteúdo do livro. Entretanto, leia a breve intro- dução sobre o tema disponível no seu livro na unidade 3, só então retorne para esse guia de estudos. AMINOÁCIDOS Antes de conhecer o universo das proteínas é necessário que você compreenda a bioquímica dos aminoácidos, visto que as proteínas são polímeros de aminoácidos, ou seja, as proteínas são longas cadeias de aminoácidos. Esses são denominados de estruturas monoméricas das proteínas ou simplesmente monômeros. Os aminoácidos são pequenas moléculas orgânicas. Acesse o link a seguir para saber a definição de compostos orgânicos (http://sereduc.com/4btkVM). Observe a figura abaixo. Você deve identificar um aspecto químico muito importante: Todos os aminoácidos, com exceção da prolina, têm como característica em comum que são formados por um grupamento amina (-NH2) - circulado de azul; um ácido carboxílico (-COOH) – circulado de vermelho, ambos ligados a um átomo de carbo- no. Como o átomo de carbono faz quatro ligações, as outras duas ligações serão rea- lizadas com um átomo de hidrogênio circulado de roxo e com um radical R, chamado de cadeia lateral selecionado de verde. Fonte: Arquivo pessoal Prof. Ronmilson Marques 3 Você não deve esquecer essa estrutura química, pois mais adiante iremos descrever os níveis estruturais das proteínas e vamos necessitar dessa informação. CLASSIFICAÇÃO DOS AMINOÁCIDOS Nos seres humanos são encontrados 20 diferentes tipos de aminoácidos sendo classificados como essenciais e não essenciais. Agora você deverá acessar o link abaixo e ler o conteúdo disponível no artigo como forma complementar do mate- rial, observe atentamente as cadeias laterais dos diferentes grupos de aminoácidos: http://sereduc.com/Cbo8K9 Como você leu, existe outra classificação para os aminoácidos, na qual se utiliza as características químicas da cadeia lateral para separar os aminoácidos nos seguintes grupos: • Aminoácidos Hidrófobos ou Apolares – Apresentam cadeias laterais apo- lares, isto é, apresentam cadeias carbônicas em sua constituição. Caso não tenha observado isso, acesse novamente o link acima citado. Lembre-se que substâncias apolares não interagem facilmente com a água, visto que a mo- lécula de água é uma substância polar. Logo nas proteínas os resíduos de aminoácidos apolares estarão localizados, em sua maioria, no interior do po- lipeptídio. • Aminoácidos Polares Neutros – Têm uma cadeia lateral polar, logo podem interagir com a água. Se necessário for, volte e acesse novamente o link aci- ma e observe que esse grupo de aminoácidos possui em sua cadeia lateral grupos hidroxila (-OH), sulfidrila (-SH) e amidas (-CONH2). Eles podem ser encontrados mais facilmente em porção mais superficial das proteínas, jus- tamente pela possibilidade de interagir com a água, bem como por possuir grupos funcionais reativos, que dependendo a função a qual se destina a proteína é recurso extremamente necessário. • Aminoácidos com polares com carga - São aminoácidos polares, porém apresentam em pH fisiológico carga elétrica. Podem ser subdivididos em dois grupos: Ácidos Básicos Além disso, os aminoácidos com carga estão localizados na superfície proteica ser- vindo de ponto de ancoragem de moléculas de água ou podendo interagir com outras estruturas com carga oposta – Interações Coulômbicas. Agora você deve prestar muita atenção na figura a seguir. Há uma ilustração de uma proteína transmembranar. Esse tipo de proteína apresenta um domínio na membrana lipídica e outros domínios extras e intracelulares. 4 Na imagem você vai identificar que pequenas bolas vermelhas que são os resíduos de aminoácidos apolares - Leucina (Leu), Fenilalanina (Phe), Valina (Val), Alanina (Ala), Metionina (Met) e Isoleucina (Ile) – estão localizados justamente no domínio membra- nar, uma vez que a membrana plasmática é apolar devido a presença dos lipídios de membrana. Já nos domínios extra e intracelular a proteína apresenta uma sequência de aminoácidos polares – Treonina (Thr), Serina (Ser), Tirosina (Tyr). Evidentemen- te você já observou que pode existir tanto aminoácidos apolares na porção externa como também aminoácidos polares dentro da porção membranar. Fonte: Figura disponibilizada no site: http://sereduc.com/sc5gnN. Acessada em 11.01.2015 COMPORTAMENTO ÁCIDO/BASE DOS AMINOÁCIDOS A partir desse ponto vamos discutir outra importante propriedade dos aminoácidos no que se refere ao comportamento ácido e básico. Para facilitar o entendimento desse tópico é necessário que você acesse o link para relembrar os conceitos de acidez, alcalinidade e pH: http://sereduc.com/wKTpga Os aminoácidos em meio aquoso, ou seja, no pH na faixa de neutralidade existem na forma de zwitterions. Você já ouviu falar nessa palavra? Sabe o que quer seu signi- ficado? Se você sabe, meus parabéns! Caso contrário pode deixar que eu te explico. O termo zwitterion é uma palavra oriunda do alemão que significa íon híbrido. Você deve lembrar que um íon pode ser um cátion (carga positiva) ou um ânion (carga ne- gativa). As moléculas zwitteriônicas eletricamente são neutras, porémpossuem car- gas opostas na mesma estrutura química, isto é, a mesma molécula tem uma região carregada positivamente e outra carregada negativamente. 5 Essa definição encaixa perfeitamente nos aminoácidos, pois em pH fisiológico (neu- tro), o grupo amina por ser uma base captura íon H+ adquirindo um aspecto positivo. Enquanto que o ácido carboxílico doa o hidrogênio na forma de H+ adotando uma característica negativa. Você consegue identificar isso na figura abaixo? Fonte: Figura disponibilizada no site: http://sereduc.com/fNPFRz. Acessada em 11/01/2015 Um zwitterion pode atuar tanto como ácido (doador de prótons) quando como uma base (aceptor de prótons). Você deve estar se perguntando algo do tipo: Doador e aceptor de prótons? Mas não eram íons H+ no parágrafo anterior? Pode ficar calmo... Esses dois termos (H+ e prótons) são equivalentes. As substâncias que apresentam forma de zwitterion - como os aminoácidos por exemplos - são definidas como subs- tâncias anfóteras. LIGAÇÃO PEPTÍDICA Você já consegue entender as estruturas básicas que compõe as proteínas? Se ainda tem alguma dúvida consulte novamente o livro ou retorne e leia novamente as páginas anteriores desse guia de estudo. Então vamos avançar no conteúdo, porém antes disso quero lançar duas perguntas para você: Como que um aminoácido vai se ligar ao outro aminoácido? E depois que o dipeptídeo foi formado, como irá se ligar outros aminoácidos até a formação da pro- teína por completo? Observe a figura abaixo. A ilustração representa a interação de um aminoácido com outro para formar o dipeptídeo. 6 Fonte: http://sereduc.com/7VcQKr. Página acessada em 12.01.2015 Como você pode observar para a formação da ligação peptídica existe a liberação de uma molécula de água. Logo, ocorre uma Reação de Desidratação na formação dos peptídeos. Segue algumas características da ligação peptídica: • É uma ligação covalente; • Rígida e plana; • O átomo de nitrogênio e o átomo de oxigênio (C=O) irão estar envolvidos na estabilização da estrutura secundária da proteína; • Não são quebradas em condições desnaturantes. PROTEÍNAS Você acabou de entender como é construída a cadeia de aminoácido. É evidente que a imagem anterior demonstra a ligação de apenas dois aminoácidos, porém observe novamente a figura e veja que no dipeptídeo formado existem duas extremidades: uma com a função amina, chamada de resíduo amino-terminal (ou N-terminal) e outra com a função ácido carboxílico denominado de resíduo carboxi-terminal (ou C-terminal). Nesses dois pontos, outro aminoácido pode se ligar formando um tripep- tídeo por exemplo. Quando existe a união de vários aminoácidos tem-se a formação de um polipeptídeo. Uma proteína é composta por centenas de aminoácidos. Por exemplo, a hemoglobina humana que possui em sua estrutura 574 resíduos de aminoácidos e um peso mole- cular de 64.500 Da. 7 Você pode encontrar o termo oligopeptídeo. Essa terminologia se refere à junção de poucos aminoácidos. É interessante destacar que oligo é um termo grego que signi- fica pouco. Segue alguns exemplos de pequenos peptídeos, oligopeptídeos e pequenos polipep- tídeos: (Acesse o link ao lado de cada exemplo para conhecer quantidade de resíduos e a função de cada peptídeo). • Ocitocina (http://pt.wikipedia.org/wiki/Ocitocina) • Aspartame (http://pt.wikipedia.org/wiki/Aspartame) • Insulina (http://pt.wikipedia.org/wiki/Insulina) • Glucagon (http://pt.wikipedia.org/wiki/Glucagon) • Corticotropina (http://www.scielo.br/pdf/abem/v46n6/a04v46n6.pdf) NÍVEIS ESTRUTURAIS DAS PROTÉINAS Até o presente momento o que você sabe sobre as proteínas podem resumir na se- guinte afirmação: São polímeros orgânicos, com estrutura complexa e elevada massa molecular, constituídas por um conjunto de aminoácidos. Então vamos expandir esse conhecimento e entender a importância da estrutura tridimensional de uma proteína e analisar alguns arcabouços proteicos bem como a função de algumas proteínas. ESTRUTURA PRIMÁRIA DAS PROTEINAS A estrutura primária de uma proteína é caracterizada pelo sequenciamento linear dos aminoácidos. É esse nível de organização que será determinante na composição da estrutura tridimensional de uma proteína. É importante ressaltar que a função de uma proteína esta atrelada diretamente à sua estrutura tridimensional. Além disso, o enten- dimento da estrutura primária é extremamente válido, uma vez que, várias doenças gênicas são os resultados de um sequenciamento anômalo de aminoácidos, o que irá ocasionar uma desorganização estrutural, havendo o detrimento da função fisiológica normal. Fonte: http://sereduc.com/XGSW73. Página acessada em 12.01.2015 8 ESTRUTURA SECUNDÁRIA DAS PROTEÍNAS A composição primária do polipeptídeo não irá adotar de modo aleatória a estrutura tridimensional, isto é, naturalmente a sequência linear dos aminoácidos não ficará moldando sua conformação por tentativas até encontrar a configuração mais está- vel. Normalmente formam-se arranjos regulares entre os aminoácidos adjacentes, ou seja, os aminoácidos vizinhos interagem mutuamente, de modo que condicionam a estrutura linear a se moldar de tal maneira, que essa cadeia peptídica adota a confor- mação de estrutura secundária. Fonte: http://sereduc.com/toiKXD. Página acessada em 12.01.2015 Existem duas estruturas secundárias mais comuns: A α-hélice e a folha β-pregueada. Na figura acima a estrutura da esquerda é a α-hélice, enquanto que a da direita é a folha β-pregueada. Você pode observar na ilustração anterior que ambos os arcabouços peptídicos se- cundários têm linhas pontilhadas coloridas com a cor amarela. Você consegue identi- ficar quais são os átomos que essa linha está ligando? Em ambas as situações, as linhas amarelas demonstram a interação de um átomo de hidrogênio com o átomo de oxigênio. Esse tipo de interação é bastante conhecido na química e na bioquímica: são denominadas ligações ou pontes de hidrogênio. Logo concluímos que as estruturas secundárias das proteínas são estabilizadas por pontes de hidrogênio. Ou seja, tanto a α-hélice quanto a folha-β existem e são man- tidas de modo estável mediante essa atração química ordenada pelas pontes de hi- drogênio. 9 Você lembra o que é ponte de hidrogênio e em quais condições é formada? Acesse o link e assista um pequeno vídeo cujo tamanho é 4:19 que descreve sobre a ligação hidrogênio: https://www.youtube.com/watch?v=5r4KUPUjgkA ESTRUTURA TERCIÁRIA A estrutura terciária é definida como a forma tridimensional das proteínas propriamen- te dita. As formas secundárias da proteína são submetidas uma sequência de dobra- mentos até obter sua conformação tridimensional. Você pode chamar esse processo de enovelamento proteico. Essa estrutura é estabilizada por interações das cadeias laterais, podendo ser liga- ções covalentes, por atrações químicas de grupos com características semelhantes ou ainda por atrações eletrostáticas. A seguir vamos listas todas essas interações. É importante que você esteja acompanhando todos os recursos tanto nesse guia de estudos quanto no livro. Fonte: http://sereduc.com/gn2FcS: Página acessada em 12.01.2015 As interações entre as cadeias laterais são: • Interações hidrofóbicas: São as forças não covalentes mais importantes para estabilizar a estrutura enovelada. Surgem das cadeias laterais hidrofó- bicas (aminoácidos hidrofóbicos) que são atraídas umas pelas outras. Na fi- gura acima identificamos este tipo de atração nos átomos coloridos de verde. • Interações eletrostáticas ou iônicas: Grupos carregados negativamente (-COO-) que se atraem com grupos carregados positivamente (-NH3+). Na figura essa interação química é demostrada nos átomos selecionados com cor laranja. 10 • Ligações covalentes (pontes dissulfeto): Única ligação covalente formada por dois grupos de sulfidrila de cadeia lateral e dois resíduos de cisteína. For- necem e proteção parcial da estrutura das proteínas contra modificações do pH. Alémde contribuir para a estabilidade e conformação tridimensional da proteína. Observe as pontes dissulfeto coloridas com azul. • Pontes de hidrogênio: Cadeias laterais de aminoácidos contendo ligações entre hidrogênio e o oxigênio ou nitrogênio. Não se esqueça que as ligações hidrogênio são relativamente fracas, porém com existem inúmeros pontos de atração elas passam a ter significância. Entretanto, contribuem moderada- mente para o enovelamento da proteína. São formadas no interior e na su- perfície da proteína. São identificadas na ilustração anterior na cor amarela. • Forças de Van der Waals: Força de atração inespecífica que ocorre entre dois átomos próximos. Fornece estabilidade para a estrutura. CLASSIFICAÇÃO E ESTRUTURA QUATERNÁRIA DAS PROTEÍNAS Você pode observar que os níveis terciários e quaternários as proteínas exibem uma complexidade estrutural elevada. Porém foram observados alguns comportamentos semelhantes nas proteínas, o que permitiu segregá-las em dois grandes grupos: • Proteínas Fibrosas – Apresentam arranjos polipeptídicos na forma de fei- xes, geralmente são muito alongadas. • Proteínas Globulares – Possuem cadeias polipeptídicas compactadas na forma de esferas (glóbulos). Como exemplo tem a mioglobina. Fonte:http://tiempodeexito.com/bioquimica/53.html. Pagina acessada em 13.01.2015 As proteínas terciárias chamadas de globulares são muito compactas e com alta den- sidade de átomos no centro da molécula (estrutura altamente compactada no proces- so de enovelamento). Suas cadeias laterais hidrofóbicas posicionadas para o interior da molécula (cerne hidrofóbico), enquanto que os grupos hidrofílicos estão locali- 11 zados na superfície. A região da proteína globular que contém o centro hidrofóbico é comumente denomi- nada de domínio. Os domínios das proteínas também são as unidades funcionais das mesmas. Algumas proteínas complexas podem conter até mais de um domínio. Existe outra classificação para as proteínas. Nesse caso, especificamente, deve ser considerada a quantidade de estruturas monoméricas polipeptídicas envolvidas na constituição da proteína. Portanto, a proteína poderá ser classificada: • Monomérica – Apenas uma cadeia polipeptídica • Dimérica – Duas cadeias polipeptídicas (Dímero) • Trimérica – Três cadeias polipeptídicas (Trímero) • Tetramérica – Quatro cadeias polipeptídicas (Tetrâmero) Quando existem varias cadeias em uma mesma estrutura, podemos dizer que a de proteína é multimérica. Outra observação bastante importante é que as proteínas que são formadas por duas ou mais cadeias peptídicas estão adquirem o nível estrutural quaternário da proteína. A partir do entendimento adquirido até o momento, você tem alguma sugestão sobre a maneira na qual as cadeias de polipeptídicas distintas conseguem manter-se unidas na estrutura quaternária? Se você imaginou que provavelmente seriam interações químicas semelhantes as que mantêm as estruturas terciárias das cadeias peptídicas isoladas, você estar correto. Você vai estudar mais a frente alguns exemplos de proteínas globulares e fibrosas e construídas por várias cadeias peptídicas. Por hora, acesse o vídeo com uma dura- ção de 4min (https://www.youtube.com/watch?v=6iPsuezOcjA) e veja o processo de síntese de proteínas. Como você pôde observar no vídeo, as proteínas são sintetizadas nos ribossomos e logo em seguida são encaminhadas para o retículo endoplasmático rugoso, onde são submetidas à sequência de dobramentos (enovelamento). Ainda discutindo um pouco sobre os dobramentos, acredita-se que o enovelamento proteico deve estar diretamente ligado a sequência linear dos aminoácidos no polipep- tídeo, porém quando uma proteína enovelada sofre um processo de desnaturação (retorna a estrutura primária), dificilmente ela retorna à sua estrutura terciária. Portanto, os dobramentos ou o processo de enovelamento não dependem apenas das atrações químicas das cadeias laterais dos aminoácidos do polipeptídeo. Sabe que nos dobramentos existe um grupo de proteínas que direcionam a cadeia linear de forma que favorecem os dobramentos adequados. Essas proteínas são chamadas de chaperonas. 12 É importante que você assista ao próximo vídeo de 02min46s (http://sereduc.com/9dAB6D). Infelizmente está em inglês, porém da para acompa- nhar as ilustrações. Nesse vídeo será mostrado um processo de enovelamento protei- co. Você irá observar a formação da estrutura terciária a partir da sequência linear dos aminoácidos associados às chaperonas (bolas marrons e roxas). Para finalizar esse tópico de níveis estruturais das proteínas, não esqueça que para uma proteína exercer sua função ela deve ser encontrar na sua estrutura terciária (monomérica) ou quaternária (dimérica, trimérica, etc). DESNATURAÇÕES PROTEICAS Na leitura desse guia você provavelmente deve lembrar que falamos em alguns pará- grafos anteriores sobre desnaturação. A desnaturação é a perda da conformação das proteínas em consequência dos desdobramentos proteicos por agentes desnaturan- tes. Isto que dizer que, os níveis quaternário, terciário e secundário são desfeitos e é retomada a estrutura primária do polipeptídeo. Observe na figura próxima figura que em condições de desnaturação as ligações peptídicas não são rompidas. PROTEÍNA NATIVA PROTEÍNA DESNATURADA Fonte: Figura adaptada do site: http://sereduc.com/iR3Ul4. Página acessada em 13.01.2015 A desnaturação é um processo que geralmente é irreversível, porém em algumas si- tuações as proteínas podem retornar aos níveis mais complexos. Pode ser causada por agentes físicos ou químicos: Agentes Físicos • Calor • Agitação mecânica Agentes Químicos • Solventes Orgânicos • Detergentes • Ácidos ou Bases fortes 13 HEMOGLOBLINA Você já escutou falar alguma vez sobre hemoglobina? E sobre hemácia ou glóbulos vermelhos? Provavelmente quando você foi fazer exames de rotina o médico solici- tou o hemograma completo, você lembra? É comum nos hemogramas a análise de dosagem de hemoglobina. A hemoglobina (Hb) é uma proteína encontrada dentro das hemácias responsáveis pela coloração vermelha do sangue. A hemoglobina é uma proteína com estrutura quaternária, composta por quatro su- bunidades sendo duas denominadas de α e as outras de β, ou seja, é um tetrâmero. Você deve se lembrar de que as quatro cadeias peptídicas são mantidas unidas pelas mesmas atrações que estabilizam a estrutura terciária. A hemoglobina assim como a mioglobina tem como função o transporte de oxigênio. Porém a mioglobina mantém o suprimento de oxigênio nos músculos, já a hemoglobi- na é responsável pelo transporte e manutenção dos níveis de oxigênio e gás carbôni- co sangue. Ela conduz o O2 dos pulmões para os tecidos e transportando CO2 e H+ dos tecidos par os pulmões. Na ilustração abaixo temos a esquerda as quatro domínios proteicos da hemoglobina, cada qual associado e ao grupo prostético heme (em verde limão). Esse grupo heme também é localizado na mioglobina. Por enquanto o que você precisa saber sobre grupo prostético é que uma proteína sem essa unidade não é incapaz de exercer sua função. Fonte: Imagem adaptada do site: http://sereduc.com/YCN7Kq. Página acessada em 13.01.2015 Com esses conhecimentos, você poderia imaginar como seria a ligação do oxigênio à hemoglobina sanguínea? E o que poderia influenciar essa ligação? Para responder tais perguntas temos que partir do princípio que O2 se liga no grupo heme. O oxigênio faz ligações reversíveis tanto com a hemoglobina quanto com a mioglobina, porém essas proteínas apresentam comportamentos distintos de ligação. HEMOGLOBINA MIOGLOBINA 14 Fonte: http://sereduc.com/N1t6lg. Página acessada em 13.01.2015 A hemoglobina por ser um tetrâmero apresentará um comportamento bem diferente de ligação com o O2 quando comparado com a proteína monomérica mioglobina. Gostaria que você prestasse bastante atenção agora. A mioglobina tem uma facilida-de maior de se ligar ao oxigênio do que a hemoglobina, mesmo essa possuindo quatro sítios de ancoragem do gás oxigênio. Porém ao passo que a molécula de O2 vai se conectando em cada subunidade da cadeia peptídica, a afinidade da hemoglobina pelo O2 aumenta. Para que você tenha ideia e dimensão desse acontecimento, a afinidade quarta molécula de oxigênio pela hemoglobina é 100 vezes maior do que a primeira molécula que se liga. Esse fenômeno é conhecido como ligação cooperativa. EFEITO BOHR O efeito Bohr é observado quando existe uma diminuição da afinidade da ligação da hemoglobina ao oxigênio impulsionado pela diminuição do pH. Atente-se que nova- mente estamos falando de pH, potencial hidrogeniônico. É importantíssimo que você entenda esse conceito na bioquímica. O Efeito Bohr ocorre porque quando o oxigênio se liga a hemoglobina observa-se a li- beração de íons H+ no meio, fazendo com que ocorra uma diminuição do pH. Lembre- -se que quanto maior for a concentração de H+ menor será o pH. Agora por que esse comportamento da hemoglobina é importante fisiologicamente falando? A resposta é encontrada ao avaliarmos que enquanto os tecidos utilizam O2 liberam CO2 no processo de respiração celular. O CO2 ao entrar nas hemácias é transforman- do (pela ação da enzima anidrase carbônica) em bicarbonato (HCO3-) e liberando H+. Como vai existir uma diminuição no pH local, o oxigênio é liberado da hemoglobi- na (não esqueça que ela esta localizada nas hemácias). Dessa forma a demanda de 15 oxigênio é suprida. Já nos pulmões como a concentração de O2 é elevada ela se liga às hemácias com consequente liberação de H+. Este reage com o bicarbonato presente nas hemácias formando novamente CO2 que liberado na expiração. ENZIMAS Agora você já conhece o mundo das proteínas no que se refere a sua composição química e os níveis de organização. Vou te apresentar uma classe de proteínas que merecem atenção especial – as enzimas. Você esta lembrando qual é a definição de catalisadores na química? Provavel- mente você deve ter estudado esse tema no ensino médio. Faz já algum tempo, não é verdade? Acesse o link para rever alguns termos importantes sobre catálise: http://sereduc.com/YeXJ9g. As enzimas são proteínas conhecidas por atuarem como catalisadores nos sistemas biológicos. Ou seja, são biomoléculas que aumentam a velocidade de uma determi- nada reação química em nosso organismo. Preste bastante atenção: Todas as ca- racterísticas descritas anteriormente para as proteínas se aplicam para as enzimas, visto que toda enzima é uma proteína, porém nem toda proteína apresentará atividade catalítica. Você saberia dizer o porquê as enzimas ganham um tópico especial dentro do estudo da bioquímica? Você já imaginou quantas reações metabólicas estão ocorrendo den- tro de você durante a leitura desse guia? Quantas mais ocorrem quando estamos nos alimentando? E durante o exercício físico, já pensou? Portanto, poderíamos concluir que, constantemente, estão acontecendo inúmeras re- ações bioquímicas em nosso organismo, pois temos que retirar energia do meio exter- no (digestão) e só então utilizar essa energia para síntese de nutrientes específicos (biossíntese) e manutenção das funções biológicas. Agora imagine se todas essas reações químicas demorassem horas e horas para acontecer... Isso seria coerente para a existência de vida? Logo, pode-se dizer que as enzimas então determinam o perfil de transformações químicas bem como possibilita as modificações de uma forma de energia em outra. Antes de avançamos no conhecimento das enzimas pense na seguinte pergunta: As enzimas são as únicas biomoléculas consideradas como catalisadores biológicos? As enzimas não estão sozinhas nessa guerra para possibilitar a vida. Existem outros compostos orgânicos com função catalítica. São moléculas de um tipo RNA (ácido ribonucléico) com atividade catalisadora, sendo denominados de Ribozimas. NOMENCLATURA DAS ENZIMAS 16 Acredito que você já entendeu a importância do estudo enzimático, então vamos apro- fundar nosso conhecimento sobre o tema. Vamos iniciar com o sistema de nomencla- tura. Existem duas nomenclaturas para enzimas. A primeira é mais recomendada para o uso no dia a dia. A segunda é mais complexa e é conhecida como o nome sistemático que é usado para identificar a enzima de forma precisa e sem ambiguidades. Geral- mente utilizada em trabalhos de caráter científico. • NOMENCLATURA COTIDIANA: Nessa terminologia o sufixo ase adiciona- do ao nome do substrato da reação. Considere o substrato como sendo o material que a enzima vai utilizar para transformar no produto especifico da reação. Por exemplo, a enzima que utiliza como o substrato a uréia recebe o nome de urease. Você irá estudar no guia de estudos de carboidratos que a sacarose (açúcar) é hidrolisada pela enzima sacarase. Para determinadas enzimas o seu nome pode estar associado ao tipo de reação química por ela realizada. Como exemplo, a enzima lactato-desidrogenase, que pode con- verter o piruvato em lactato no metabolismo da glicose. Não fique apreensivo com os nomes das enzimas citadas anteriormente. Foram apenas exemplos! Você irá encontrar e estudar muitas enzimas no guia de estudos sobre os diversos metabolismos. • NOMENCLATURA SISTEMÁTICA: Existe um sistema de nomenclatura que dividem as enzimas em seis classes principais. Você pode observar a classi- ficação dos grupos na figura a seguir. Acesse também o arquivo disponível no link (http://www2.bioqmed.ufrj.br/enzimas/classificacao.pdf) para conhecer o sistema internacional de classificação das enzimas como também sobre cada um dos seis grupos. Fonte: http://sereduc.com/a1OM39 , acessado em 13-01-2015 17 Porém existem enzimas que mantém um nome trivial original, consagrados pelo uso, o que significa que seu nome não esta associado com a reação enzimática (Exemplo: Tripsina, Ptialina, Pepsina). PROPRIEDADES DAS ENZIMAS No início do nosso estudo descrevemos as enzimas frisando sua característica mais importante, a capacidade de catalítica. Iremos voltar a estudar essa propriedade e também aprofundar o conhecimento através da discussão de outras propriedades inerentes às enzimas. Podemos definir as enzimas como importantes proteínas que se tornaram específicas em catalisar reações biológicas. Por serem proteínas, apresentam níveis de organi- zação tridimensionais que possibilitam exercer sua função. Isto quer dizer que, elas estão configuradas em estruturas terciárias ou quaternárias. Como você estudou an- teriormente tais estruturas extremamente complexas. Essa complexidade estrutural nos direciona para outra propriedade especial das enzimas, a especificidade. Vamos iniciar a discussão das propriedades enzimáticas com a atividade catalítica. ATIVIDADE CATALÍTICA As enzimas por serem catalisadores biológicos, aumentam a velocidade de uma rea- ção química, porém são consumidas durante o processo, ou seja, ficam disponibiliza- das para um novo ciclo reacional. Na figura a seguir ilustra o gráfico de energia de duas reações químicas, porém uma na presença de uma enzima e a outra sem auxilio do catalisador. Para compre- ender melhor esse gráfico você deve assistir ao vídeo com duração de 4min32s: http://sereduc.com/vRGLaH. Você aprendeu no vídeo que para os reagentes se converterem em produtos, deve superar uma barreira energética. Essa barreira pode ser entendida como a energia de ativação, ou seja, os substratos (reagentes) apenas serão convertidos em produtos caso superem esse a energia de ativação (Ea), dessa forma mais substrato será convertido em produto no intervalo de tempo menor. Fonte: http://sereduc.com/DHy1sd , acessado em 16-01-2015 18 É importante que você compreenda o funcionamento das enzimas, portanto preste muita atenção nesse tópico. O mecanismo de ação enzimático se baseia na capaci- dade que a enzima dispõe de oferecer uma rota reacional alternativa de maneira que a energia de ativaçãonecessária para converter o substrato em produto seja menor quando comparada com a reação sem a presença do biocatalisador. Em outras pala- vras, as enzimas atuam diminuindo a energia de ativação da reação! ESPECIFICIDADE Você consegue imaginar uma imensa cadeia polipeptídica na sua forma tridimensio- nal? Realmente é difícil de imaginar. Então observe a figura a seguir. É a estrutura tridimensional da quimotripsina, uma proteína digestiva formada por três cadeias po- lipeptídicas. Você sabia que essa enzima, embora apresente uma elevada comple- xidade e peso molecular, apenas três resíduos de aminoácidos são essenciais para a sua atividade catalítica? Fonte: http://sereduc.com/j72vXq. Página acessada em 16.01.2015 A região da enzima onde ocorre a catálise é um local especifico geralmente compos- tos por poucos radicais de aminoácidos, denominado de sítio ativo ou centro ativo. No sítio ativo existem cadeias laterais de aminoácidos que criam uma superfície tridi- mensional complementar ao substrato que a enzima irá interagir para formar o produ- to desejado. Fonte: Arquivo pessoal do Professor Ronmilson Marques SÍTIO ATIVO ENZIMA 19 Portanto, identificamos outra propriedade das enzimas – A ESPECIFICIDADE. Esses biocatalisadores são altamente específicos. Tal característica é bem evidente em dois pontos: • As enzimas interatuam com um substrato ou poucos substratos distintos. Esse modelo de interação é conhecido como chave-fechadura, uma vez que uma chave só poderá abrir uma fechadura adequada a ela. Essa propriedade é tão interessante que as enzimas conseguem selecionar seus substratos dentre varias substâncias que se assemelhe tanto em tamanho quando em forma. • Cada tipo de enzima catalisa apenas um tipo de reação. Isto quer dizer que, se uma enzima tem a capacidade de transformar açúcar em álcool, ela não conseguirá converter o açúcar em outra substância diferente do álcool. No sítio ativo, quando o substrato se liga à enzima dizemos que ocorreu a formação do complexo Enzima-Substrato (ES). Este complexo é posteriormente convertido à Enzima-Produto (EP). Após a formação do produto terá a liberação da enzima (re- constituída). Fonte: http://sereduc.com/IawUHi. Página acessada em 16-01-2015 Você conseguiria responder por que o complexo enzima-produto é desfeito? Se você respondeu algo que demonstra a ideia de que o complexo é desfeito porque o produto não tem a especificidade para a enzima, você acertou muito bom! Essa es- pecificidade da enzima pelo substrato é chamada de afinidade. EFICIÊNCIA As reações catalisadas por enzimas são tão eficientes, que ocorrem entre 103 a 108 vezes mais rápidas quando não há a presença das mesmas. Elas podem transformar de 100 a 1000 moléculas de substrato por segundo em produtos. Você consegue di- mensionar isso? 20 Quando você esta realizando uma atividade física, o seu desempenho depende de algum fator externo ou simplesmente é sempre igual em qualquer circunstância? Não sei se acontece com você, mas geralmente em dias mais quentes ficamos mais disponíveis para atividades físicas como correr na praia e jogar bola com os amigos ou até ir à academia. Porém quando o tempo está mais frio, as atividades físicas não ficam tão prazerosas. Isso é um exemplo para demonstrar a influência do meio ex- terno em nosso organismo, imagine então alguns agentes impactando a atuação de algumas biomoléculas? Portanto, a eficiência da catálise enzimática depende de alguns parâmetros do meio. A atividade de uma enzima é influenciada principalmente pelo pH e temperatura. A maior parte das enzimas apresenta um valor de pH pela qual sua atividade é máxima. Tendo uma diminuição da velocidade à medida que o pH se afasta desse valor ótimo. Sendo assim cada enzima realiza suas atividades em um pH específico (pH ótimo). Com relação à temperatura segue a mesma regra do pH, porém a maioria das rea- ções químicas é favorecida com um aumento da temperatura. Vale ressaltar que tem- peraturas muito elevadas podem levar ao processo de desnaturação. A maioria das proteínas desnatura em temperaturas acima dos 55º C. Lembre-se que as enzimas são proteínas. ESTRUTURA ENZIMÁTICA Para entendermos melhor a estrutura enzimática imagine a seguinte situação: tem uma parede com um parafuso fortemente inserido nela. Você conseguira retirar um esse parafuso, que relativamente apertado, na parede utilizando apenas os dedos? Evidentemente que será muito difícil com os dedos, porém quando existe uma chave de fenda disponível, rapidinho você remove os parafusos, concorda? Mas o que isso tem haver com enzimas? Podemos fazer uma analogia interessante com o evento acima descrito. Considere que o objetivo de seus dedos é remover o parafuso, porém os dedos sozinhos não conseguem desempenhar o objetivo, neces- sitando do auxílio de um instrumento que permitirá a remoção do parafuso da parede. Muitas enzimas são “parecidas” com seus dedos na historia acima. Elas sabem que tem que “remover o parafuso”, porém só realiza a função com atuação conjunta do cofator específico - a chave de fenda. Determinadas enzimas precisam estar associadas à cofatores para exercerem suas atividades catalíticas. Os cofatores apresentam as seguintes características: • São moléculas não proteicas – Ou seja, não são compostos formados por aminoácidos. 21 • São divididos em dois grupos de acordo com sua composição química: • Íons metálicos inorgânicos – Acesse o link para ver alguns exemplos de cofatores iônicos: http://sereduc.com/GsT9QV • Coenzimas – Nesse caso, quando o cofator for um composto orgâni- co, ele é denominado de coenzima. Alguns derivados de vitaminas são bons exemplos de coenzimas. Observe na figura abaixo que conjunto da enzima com o seu cofator é chamado de holoenzima. A porção proteica é chamada de apoenzima. Não esqueça que na au- sência do cofator a enzima não pode realizar sua função, pois o substrato não pode se ligar à enzima. Fonte: Arquivo pessoal do Professor Ronmilson Marques Alguns cofatores não se ligam permanentemente às enzimas. Após a holoenzima re- alizar sua função, o cofator se desprende da porção proteica (apoenzima). Porém, quando o cofator está ligado definitivamente à enzima, dizemos que ele é o grupo prostético da enzima. Isso acontece quando uma coenzima e uma enzima se ligam firmemente não havendo dissociação. Como exemplo Tem o grupo heme, o qual está ligado à hemoglobina. Sem a presença desse cofator é impossível o transporte de oxigênio. Fonte: http://sereduc.com/pFb9Os. Página acessada em 16.01.2015 APOENZIMA COFATOR HOLOENZIMA SÍTIO ATIVO SÍTIO ATIVO 22 INIBIÇÃO ENZIMÁTICA Qualquer composto químico que age sobre as enzimas diminuindo sua atividade cata- lítica é chamado de inibidor enzimático. Os inibidores podem ser classificados como: • Inibidores Irreversíveis – A ligação das substâncias desse grupo inativam definitivamente as enzimas, de modo que a enzima perde sua função cata- lítica, não podendo mais utilizada. Por isso são conhecidos também como inativadores enzimáticos. • Inibidores Reversíveis – Neste tipo de inibição a enzima pode recuperar sua atividade enzimática após cessar a ação do inibidor. Os inibidores rever- síveis podem ser classificados em dois tipos: • Inibidores competitivos – O próprio nome da inibição é bem sugesti- vo, uma vez que o inibidor compete com o substrato pelo mesmo sítio ativo. Geralmente esses inibidores apresentam semelhante tridimensio- nal com o substrato, com isso podem ocupar o mesmo sítio ativo, porém a diferença é que a enzima ligada ao inibidor não apresentam nenhuma atividade. Essa inibição é revertida com o aumento da quantidade de substrato. Fonte: Imagem adaptada do site: http://sereduc.com/2mKuGz. Página aces- sada em 16.01.2015 • Inibidores não competitivos – Sua ação inibitória não ocorre no sítio ativo da enzima. O mecanismo de inibição esta baseado na alteração estruturaldo sítio ativo da enzima em decorrência da interação do ini- bidor em outra localidade da enzima. Ou seja, a ligação desse inibidor diminui a afinidade da enzima pelo substrato devido a alterações na estrutura tridimensional. INIBIDOR COMPETITIVO SUBSTRATO ENZIMA ENZIMA 23 Fonte: Imagem adaptado do site: http://sereduc.com/mI2i3D. Página acessada em 16.01.2015 CINÉTICA ENZIMÁTICA Considerando que existem várias enzimas em nosso organismo, catalisando inúme- ras reações, você acha que todas as enzimas atuam com o mesmo perfil cinético de reação, ou seja, todas apresentam a velocidade e o tempo de reação exatamente igual ou que isso pode variar de acordo com o tipo da enzima ou tipo de reação que ela catalisa? Para facilitar o entendimento da cinética enzimática vamos segregar as enzimas em dois grupos: Enzimas com perfil de Michaelis-Menten e Enzimas Alostéricas. Va- mos iniciar a discussão com as enzimas do tipo Michaelis-Menten, pois esse modelo de consegue explicar algumas características das reações enzimáticas. No modelo Michaelis-Menten a enzima (E) se liga reversivelmente ao substrato (S), formando o complexo enzima-substrato (ES). Em seguida, será formando o produto (P) e o catalisador estará disponível novamente. A partir das considerações acima, os dois pesquisadores Michaelis e Mentes propuse- ram uma equação matemática que relaciona a velocidade da reação enzimática com a concentração de substrato. Observe a equação abaixo: Fonte: Arquivo pessoal do professor Ronmilson 24 Para é importante destacar que a concentração de substrato é maior que a quanti- dade de enzimas disponíveis. Logo, quando todas as enzimas estiverem ligadas ao substrato, dizemos houve a saturação enzimática e que a atividade catalítica é a máxima possível. Veja a ilustração a seguir. É a representação de um gráfico que relaciona a concentra- ção de substrato [S] com a velocidade da reação. Fonte: Imagem adaptada do site http://sereduc.com/Nq0Cy4. Página acessada em 18.01.2014 Observe que o gráfico está descrito em azul. Essa curva hiperbólica é bem carac- terística de enzimas que apresentam uma cinética Michaelis-Menten. Ao passo que você for aumentando a concentração do substrato (avançando no eixo x da esquerda para a direita), a velocidade da reação aumenta também. Isto é até bem lógico, pois quanto mais substrato mais facilmente ocorrerá a formação do complexo ES. Porém, o número de enzimas é finito, logo quando todos os sítios ativos das enzimas forem preenchidos pelo substrato, será atingida a velocidade máxima (Vmáx) da re- ação enzimática. Mesmo que se adicione mais substrato ao meio reacional, a veloci- dade da reação não será alterada, uma vez que não existem mais enzimas possíveis para se ligar aos substratos em excesso. No gráfico acima observamos esse compor- tamento quando a curva hiperbólica alcança o platô (linha reta no gráfico). Observe que pode aumentar a concentração de substrato o quanto quiser, porém a velocidade sempre será o valor indicado nesse platô (linha verde no gráfico). Volte à figura anterior e observe a constante de Michaelis-Menten (Km) no gráfico. Através de resoluções matemáticas, pode-se chegar à conclusão de que o valor de Km é numericamente igual a metade do valor do Vmáx. Mas o que significa o Km ser igual à metade do Vmáx? 25 Para responder a essa resposta observe primeiramente no gráfico em qual eixo se en- contra localizado o Km. A constante de Michaelis-Menten se encontra exatamente no eixo que representa a concentração de substrato. Logo, o Km indica a concentração de substrato necessária para atingir metade da velocidade máxima. Mas qual a importância do Km e do Vmáx? A partir do entendimento desses dois parâmetros Km e Vmáx, podemos interpretar uma característica, anteriormente citada, que indica a interação da enzima com o substrato, a afinidade. • Km BAIXO – Revela uma elevada afinidade da enzima pelo substrato. Isto quer dizer que com uma baixa concentração de substrato rapidamente é atin- gido metade da velocidade máxima. • Km ALTO – Reflete uma baixa afinidade da enzima pelo substrato. Nesse caso, é necessária uma grande quantidade de substrato para alcançar a me- tade da velocidade máxima. O gráfico a seguir descreve a afinidade de uma enzima por dois substratos diferentes. A curva em azul demonstra a afinidade da enzima pela glicose, já em vermelho apre- senta a afinidade da enzima quando o substrato é a frutose. Observe que a enzima apresenta comportamento cinético diferente em resposta aos substratos diferentes. Fonte: http://sereduc.com/9MBmre. Página acessada em 18.01.2015 : Você conseguiria identificar qual dos dois substratos tem maior afinidade pela enzima em questão? Para auxiliar você em sua resposta, utilize a tabela abaixo. 26 Como você leu anteriormente, um baixo valor de Km representa uma elevada afinida- de. Como a enzima em questão tem um valor de Km igual a 0,05 quando o substrato é a glicose, ela tem uma maior afinidade pela glicose, visto que, quando o substrato é a frutose essa mesma enzima apresente um Km de 1,5. A CINÉTICA ENZIMÁTICA COM INIBIDORES ENZIMÁTICOS Na presença de inibidores enzimáticos podemos analisar os parâmetros cinéticos en- zimáticos Km e Vmáx de acordo com o tipo de inibição. • Inibição Competitiva – É revertida pelo aumento da concentração de subs- trato, logo, se observa que o valor de Km aumenta. Porém o Vmáx não é alterado. • Inibição Não competitiva – O efeito inibitório não pode ser revertido com o aumento da concentração do substrato. Dessa forma, se observa a diminui- ção do Vmáx, enquanto que o valor de Km não se altera. Observe o gráfico baixo o comportamento da hipérbole dois tipos de inibição. Esta bem evidente que na inibição competitiva (em vermelho) que a velocidade máxima não é alterada, porém deve-se aumentar a concentração de substrato para atingir a total saturação enzimática (Vmáx), o que irá causar o aumento do Km. Na inibição não competitiva (em azul) observe que a principal característica esta bem nítida, a diminuição do Vmáx. Fonte: Imagem adaptada do site http://sereduc.com/tzSuxJ. Página acessada em 18.01.2015 27 ENZIMAS ALOSTÉRICAS E CONTROLES ENZIMÁTICOS Como você estudou, as enzimas são catalisadores são restaurados ao final da catáli- se. Antes de continuarmos a discussão reflita sobre a seguinte pergunta: Uma reação enzimática ocorre infinitamente, ou até se esgotar a fonte de substrato ou existem mecanismos de controle sobre a atividade enzimática? É claro que a atividade de determinado sistema estará atuando com maior intensida- de quando as circunstancia forem favoráveis ao seu funcionamento. Isso quer dizer que as enzimas que compõem o metabolismo nos músculos, por exemplo, serão bem mais exigidas durante o exercício intenso. O funcionamento desse sistema enzimático é diminuído quando estamos relaxando ao assistir um filme. Essa analise nos permite concluir que existem mecanismos de controle enzimáticos. Como mecanismo de controle pode-se citar: • ALTERAÇÕES NA MUDANÇA DA CONCENTRAÇÃO DE SUBSTRATO – A velocidade de uma reação enzimática se eleva com o aumento da concentra- ção de substrato. • ENZIMAS ALOSTÉRICAS – São enzimas caracterizadas pela modulação de sua atividade catalítica de acordo com a presença de compostos químicos (efetores) ou também por alterações em sua conformação ocasionadas pela ligação de grupos químicos a sua estrutura (modificações covalentes). São regulações de rápidas, atuando em segundo. • ALTERAÇÃO NA SÍNTESE ENZIMÁTICA – São alterações mais lentas que podem levar horas para se concretizarem, sendo decorrentes de uma condi- ção fisiológica que pode inibir ou estimular a síntese de uma enzima especi- fica. Como exemplo, podemos citar a ação hormonal da insulina no metabo- lismo da glicose. Estamos encerrando esse primeiro módulo e você já deve ter percebido a dimensão dessa disciplina no que se refere aos conteúdos.São muitas informações sendo ne- cessária a leitura do livro texto que você recebeu como também o estudo nos livros de bioquímica. Para sedimentar ainda mais o entendimento sobre os aminoácidos, prote- ínas e enzimas, faça as atividades disponíveis no seu ambiente virtual. Bons Estudos.
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