AULA ENZIMAS

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ENZIMAS
Prof.: GAMALIEL MOURA
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Introdução:
De todas as funções das proteínas, provavelmente a mais importante é a CATALISE.
A manutenção da vida depende da contínua ocorrência de um conjunto de reações químicas que deve atender a 2 exigências fundamentais
Devem ocorrer a velocidades adequadas à fisiologia celular
Precisam de ser altamente específicas para gerar produtos definidos
Maioria das reações nos sistemas biológicos é muito lenta!!!
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oxidação da gasolina em um processo de explosão controlado a altíssimas temperaturas(2.200ºC)
Como se obtém energia da oxidação da glicose em 37ºC!!!
Benditas ENZIMAS!!!
Elas nos faz SERES VIVOS.
Digerir um simples café da manhã poderia levar 50 anos....
Potentes catalisadores: acelerar uma reação química da ordem de até 1014
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Definição: enzimas são catalisadores de natureza protéica que diminuem a energia de ativação das reações biológicas. 
Estão entre as biomoléculas mais notáveis, devido a extraordinária especificidade e poder catalítico. 
Mesmo uma reação tão simples como a hidratação do dióxido de carbono é catalisada por uma enzima: ANIDRASE CARBÔNICA: CADA UMA PODE HIDRATAR 106 moléculas de CO2 /s 
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Conceitos gerais e funções
Praticamente todas as reações que caracterizam o metabolismo celular são catalisadas por enzimas
As enzimas aceleram a velocidade de uma reação química e não são consumidas durante a reação
A atividade da enzima pode ser regulada: ativação ou inibição
As enzimas são consideradas as unidades funcionais do metabolismo celular
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Uma reação enzimática pode ser expressa pela seguinte equação:
E + S ES E + P
A- As enzimas possuem um local onde os reagentes(substratos) são convertidos em produtos, denominado sítio ou centro ativo.
As enzimas são catalisadores poderosos e muito específicos. A especificidade de uma enzima é devida à interação precisa do substrato com a enzima. Esta precisão é resultado da complexa estrutura tridimensional da enzima.
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 As enzimas possuem um local onde os reagentes (substratos) são convertidos em produtos, denominado sítio ou centro ativo.
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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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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.
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ESTRUTURA QUÍMICA
Apoenzima: contém o centro ativo da enzima;
Coenzima: grupo não protéico que pode estar presente;
Haloenzima: apoenzima + coenzima;
Cofatores: moléculas não protéicas ligadas às enzimas.
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A atividade de muitas enzimas depende da presença de pequenas moléculas denominadas co-fatores que podem ser metais ou moléculas orgânicas pequenas (co-enzimas)
Uma enzima sem seu co-fator é denominada: Apoenzima
Uma enzima completa, cataliticamente ativa é denominada: Holoenzima
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COFATORES
São pequenas moléculas orgânicas ou inorgânicas que podem ser necessárias para a função de uma enzima. Estes cofatores não estão ligados permanentemente à molécula da enzima mas, na ausência deles, a enzima é inativa.
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COENZIMAS
São compostos orgânicos, quase sempre derivados de vitaminas, que atuam em conjunto com as enzimas.
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NOMECLATURA DAS ENZIMAS
Existem três métodos para nomenclatura enzimática:
Nome recomendado: mais curto e utilizado no dia a dia de quem trabalha com enzimas; utiliza o sufixo “ase” para caracterizar a enzima. Ex: urease, peptidade, etc..
Nome sistemático: mais complexo, nos dá informações precisas sobre a função metabólica da enzima. Ex: ATP- Glicose-Fosfo-Transferase;
Nome usual: consagrados pelo uso. Ex: Tripsina, Pepsina, Ptialina.
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CLASSIFICAÇÃO DAS ENZIMAS
Vários critérios o mais importante foi estabelecido pela União Internacional de Bioquímica (IUB), e estabelece 6 classes:
Oxirredutases: catalisam reações de transferência de elétrons, ou seja: reações de oxi-redução. São as desidrogenases e as oxidases;
Transferases: catalisam reações de transferência de grupamentos funcionais como grupos amina, fosfato, acil, carboxil, etc. Como exemplo temos as transaminases;
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CLASSIFICAÇÃO DAS ENZIMAS
3) Hidrolases: catalisam reações de hidrólise de ligação covalente. Ex: as Peptidases;
4) Liases: catalisam a quebra de ligações covalentes e a remoção de moléculas de água, amônia e gás carbônico. As desidratases e as descarboxilases são bons exemplos;
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 moléculas já existentes, sempre às custas de energia (ATP). São as Sintetases.
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PROPRIEDADES DAS ENZIMAS
São catalisadores biológicos extremamente eficientes 	Aceleram em média de 109 a 1012 vezes a velocidade da reação, transformando de 100 a 1000 moléculas de substrato em produto por minuto de reação;
Atuam em concentrações muito baixas
Atuam em condições suaves de temperatura e pH;
Possuem todas as características das proteínas;
Podem ter sua atividade regulada;
Estão quase sempre dentro da célula e compartimentalizadas. 
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ESPECIFICIDADE DAS ENZIMAS
As enzimas são muito específicas para os seus substratos. A especificidade se deve à existência na superfície da enzima de um local denominado SÍTIO DE LIGAÇÃO DO SUBSTRATO.
O sítio de ligação do substrato de uma enzima é dado por um arranjo tridimensional especial dos aminoácidos de uma determinada região da molécula, geralmente complementar à molécula do substrato, e ideal espacial e eletricamente para a ligação do mesmo.
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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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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.
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 As enzimas possuem um local onde os reagentes (substratos) são convertidos em produtos, denominado sítio ou centro ativo.
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ESPECIFICIDADE DAS ENZIMAS
Fig. 5.4 Mudança da conformação da enzima induzida pela ligação com o substrato. O exemplo mostra a hexoquinase antes (a) e depois (b) de se ligar ao substrato, a glicose. A molécula da enzima consta de dois domínios, que se aproximam, encaixando o substrato. 
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MODELOS PARA EXPLICAR A ESPECIFICIDADE DAS ENZIMAS
Modelo Chave/Fechadura prevê um encaixe perfeito do substrato no sítio de ligação, que seria rígido como uma fechadura.
Especificidade relativa:
Baixa especificidade Ex. Lipase, peptidades, etc.
Especificidade de grupo ex: esterases.
Estereoespecificidade relativas aos isômeros D e L dos aminoácidos
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Enzimas são catalisadores de natureza protéica que diminuem a energia de ativação das reações biológicas. 
Uma reação química ocorre sob algumas condições:
- forma produtos mais simples
 liberação de energia
 PROCESSO ESPONTÂNEO
NEM SEMPRE É INSTANTÂNEO!!!
Glicose + O2 CO2 + H2O
Precisa de uma energia “extra” para iniciar a reação
ENERGIA DE ATIVAÇÃO: Similar ao ato de empurrar morro acima um objeto para que ele desça morro abaixo
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As reações químicas comumente acontecem quando as ligações químicas das moléculas de substratos são rompidas e novas ligações são estabelecidas, originando novas moléculas.
Uma condição obrigatória para a ocorrência de uma reação química é o acontecimento de um choque entre as moléculas dos substratos. Sem se encontrarem, elas nunca vão reagir
O choque entre as moleculas de substrato é facilitado pelo encaixe dos substratos nas moleculas de enzimas(sitio ativo)
Para que ocorra a reação, as moleculas de substrato
devem alcançar um estado energético maior que o seu estado habitual(estado de transição ou complexo ativado)
A energia necessária para levar a este estado é chamada de energia de ativação.
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MECANISMO GERAL DE CATÁLISE
As enzimas aceleram a velocidade de uma reação por diminuir a ENERGIA LIVRE DE ATIVAÇÃO.
Fig. 5.1 Diagrama mostrando a variação de energia livre em função do caminho de uma reação espontânea hipotética. Na presença do catalisador, a reação ocorre por um caminho alternativo com energia de ativação (Ea) menor. 
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O estudo das velocidades de reações químicas é chamado cinética
A cinética enzimática estuda a velocidade das reações enzimáticas e os fatores que a influenciam. 
Assim permite a compreensão do mecanismo enzimático
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; 
A velocidade de uma reação enzimática depende das concentrações de ENZIMA e de SUBSTRATO.
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Equação de Michaelis - Menten
Pesquisadores que propuseram o modelo citado e criaram uma equação para demonstrar como a velocidade de uma reação varia com a variação da concentração do substrato: a velocidade aumenta com o aumento da concentração de substrato.
Fig. 5.9 Variação da velocidade da reação enzimática (v0) em função da concentração do substrato (S).
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CINÉTICA ENZIMÁTICA
Fig. 5.10 Variação da velocidade da reação enzimática (v0) em função da concentração do substrato (S) para duas concentrações de enzima (E, 3E).
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CINÉTICA ENZIMÁTICA
Fig. 5.11 Velocidade da reação enzimática (v0) em função da concentração da enzima (E).
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FATORES EXTERNOS QUE INFLUENCIAM NA VELOCIDADE DE UMA REAÇÃO ENZIMÁTICA
TEMPERATURA: quanto maior a temperatura, maior a velocidade da reação, até se atingir a TEMPERATURA ÓTIMA; a partir dela, a atividade volta a diminuir, por desnaturação da molécula.
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FATORES EXTERNOS QUE INFLUENCIAM NA VELOCIDADE DE UMA REAÇÃO ENZIMÁTICA
pH: existe um pH ÓTIMO, onde a distribuição de cargas elétricas da molécula da enzima e, em especial do sítio catalítico, é ideal para catálise.
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INIBIÇÃO DA ATIVIDADE ENZIMÁTICA
Qualquer substância que possa diminuir a velocidade de uma reação catalisada por uma enzima é denominada inibidor. Os inibidores reversíveis ligam-se de maneira não covalente às enzimas, ou seja, a enzima volta recupera sua atividade após a dissociação do inibidor. A inibição irreversível ocorre quando uma enzima inibida não retorna sua atividade após a diluição do complexo enzima-inibidor. Os dois tipos mais comuns de inibição são a competitiva e não-competitiva.
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INIBIÇÃO DA ATIVIDADE ENZIMÁTICA reversível
O critério para classificar o tipo de inibição em competitiva ou não competitiva é o estabelecimento ou não de competição entre o inibidor e o substrato pelo centro ativo da enzima.
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INIBIÇÃO DA ATIVIDADE ENZIMÁTICA reversível
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REGULAÇÃO DA ATIVIDADE ENZIMÁTICA
A atividade de enzimas tem que ser com freqüência regulada de modo que elas funcionem em tempo e local adequados. 
Esta regulação é essencial para a coordenação do vasto conjunto de processos bioquímicos que ocorrem a todo instante em um organismo.
Esta regulação pode ser efetuada de 5 formas
CONTROLE ALOSTÉRICO
FORMAS MULTIPLAS DE ENZIMAS
MODIFICAÇÃO COVALENTE REVERSÍVEL
ATIVAÇÃO POR PROTEÓLISE
REGULAÇÃO DA EXPRESSÃO GENICA
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REGULAÇÃO DA ATIVIDADE ENZIMÁTICA
A regulação da velocidade de reação das enzimas é essencial para o organismo coordenar seus inúmeros processos metabólicos. As velocidades da maioria das enzimas são sensíveis a alterações na concentração do substrato. Assim, uma concentração alta de substrato é seguida de um aumento na velocidade da reação, o que tende a fazer a concentração do substrato retornar ao normal. Além disso, algumas enzimas com funções reguladoras especializadas respondem a efetores (positivos e negativos) ou modificação covalente, ou mostram velocidade de síntese alterada quando condições fisiológicas são alteradas.
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REGULAÇÃO DA ATIVIDADE ENZIMÁTICA
1) SITIOS DE LIGAÇÃO ALOSTÉRICO: As enzimas alostéricas são reguladas por moléculas denominadas efetores que se ligam de modo não-covalente a um sítio diferente do sítio ativo, podendo assim modificar a afinidade da enzima pelo seu substrato. Os efetores negativos inibem a atividade enzimática enquanto os inibidores positivos aumentam.
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REGULAÇÃO DA ATIVIDADE ENZIMÁTICA
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REGULAÇÃO DA ATIVIDADE ENZIMÁTICA
1.1) EFETORES HOMOTRÓPÍCOS: Quando o próprio substrato serve de efetor, o efeito é dito homotrópico. Mais frequentemente, um substrato alostérico funciona como um efetor positivo.
1.2) EFETORES HETEROTRÓPICOS: O efetor pode ser diferente do substrato; neste caso, o efeito é dito heterotrópico. Um exemplo é a inibição por feedback.
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REGULAÇÃO DA ATIVIDADE ENZIMÁTICA
2) REGULAÇÃO DE ENZIMAS POR MODIFICAÇÃO COVALENTE: Muitas enzimas podem ser reguladas por modificação covalente, mais frequentemente por adição ou remoção de grupos fosfatos. As reações de fosforilação são catalisadas por uma família de enzimas, denominadas proteína quinases, que usa o ATP como doador de fosfato. Os grupos fosfatos são clivados das enzimas fosforiladas pela ação das fosfoproteínas fosfatases.
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REGULAÇÃO DA ATIVIDADE ENZIMÁTICA
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REGULAÇÃO DA ATIVIDADE ENZIMÁTICA
MODIFICAÇÃO POR PROTEÓLISE
Muitas enzimas em sua estrutura tridimensional codificada geneticamente são inativas cataliticamente e só se tornam ativas quando uma ou mais ligações peptídicas específicas são quebradas.
O precursor inativo : ZIMOGÊNIO OU PRO-ENZIMA
EX: enzimas digestivas: pepsinogênio, quimiotripsinogênio, tripsinogênio, procarboxipeptidase
A clivagem de ligações peptídicas específicas dispara alterações importantes de conformação
Isto é capaz de proteger os próprios órgão contra auto-digestão.
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REGULAÇÃO DA ATIVIDADE ENZIMÁTICA
3) INDUÇÃO E REPRESSÃO DA SÍNTESE DE ENZIMAS: Os mecanismos regulatórios descritos anteriormente modificam a atividade das enzimas já existentes. Entretanto, as células podem regular a quantidade de enzima presente, geralmente alterando a síntese da enzima. A síntese aumentada (indução) ou diminuída (repressão) da enzima leva a uma alteração no número total de sítios ativos, em vez de influenciar a eficiência das moléculas de enzimas existentes. Esse tipo de regulação pode levar horas a dias para acontecer. 
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REGULAÇÃO DA ATIVIDADE ENZIMÁTICA
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INFLUENCIA DO INIBIDOR NÃO COMPETITIVO SOBRE A VELOCIDADE DA REAÇÃO ENZIMÁTIVA
Fig. 5.15 Efeito de duas concentrações de inibidor não-competitivo (INC1<INC2) sobre a velocidade da reação enzimática. As velocidades máximas decrescem com o aumento da concentração do inibidor.
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