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ENZIMAS Enzimas � Características Gerais � Importância Biomédica� Importância Biomédica � Estrutura Enzimática � Enzimas como Catalisadores � Componentes da Reação Enzimática � Ligação Enzima-Substrato � Cofatores Enzimas - Nomenclatura Século XIX - poucas enzimas identificadas � Adicionava-se sufixo ASE ao nome do substrato� Adicionava-se sufixo ASE ao nome do substrato � enzimas que hidrolisam � gorduras (lipo - grego) - LIPASE � amido (amylon - grego) - AMILASE � proteínas - PROTEASE � Nomes arbitrários � Tripsina e pepsina - proteases � Catalase - H2O2 Enzimas - Nomenclatura � Século XX - ↑↑↑↑ quantidade de enzimas descritas � Nomenclatura existente se tornou ineficaz� Nomenclatura existente se tornou ineficaz � Década de 60 - IUB - União Internacional de Bioquímica adotou um novo sistema de nomenclatura e classificação •mais complexo •sem ambigüidades •baseado no mecanismo de reação Enzimas - Nomenclatura N0 Classe Tipo de reação catalisada 1 Oxirredutases Transferência de elétrons (íons hidreto ou átomos H) (íons hidreto ou átomos H) 2 Transferases Reações de transferência de grupos 3 Hidrolases Reações de hidrólise 4 Liases Adição de grupos em ligas duplas ou remoção de grupos com a formação de ligas duplas 5 Isomerases Transferência de grupos dentro da mesma molécula para formar isômeros 6 Ligases Formação de ligações C-C, C-S, C-O, C-N pelo acoplamento da clivagem do ATP Enzimas Proteínas especializadasProteínas especializadas Aceleram reações químicas Enzimas � Com exceção de um pequeno grupo de moléculas de RNA que possuem atividade enzimática e são chamadas de RIBOZIMAS,enzimática e são chamadas de RIBOZIMAS, todas as enzimas são PROTEÍNAS Enzimas 1 Catalisadores de reações nos sistemas biológicos 2 Grande eficiência catalítica 3 Alto grau de especificidade por seus substratos 4 Funcionam • em soluções aquosas • em pH e temperaturas fisiológicas Importância � Aceleram reações � Coordenam cadeias de reações � Respondem a estímulos locais e à distância � Estudo de patologias genéticas � Acompanhamento de doenças e tratamentos � Diagnóstico de doenças � Processamento de alimentos Enzimas Importância Biomédica � Biocatalisadores � regulam as velocidades de todos os processos fisiológicosfisiológicos � Papel fundamental na saúde e na doença Saúde Enzimas Processos Fisiológicos Ocorram de modo ordenado Homeostasia Enzimas Catalisadores Aumentam a velocidade das reaçõesAumentam a velocidade das reações Atuam diminuindo a energia de ativação Enzimas � Energia de ativação � Diferença entre os níveis de energia do estado basal e do estado de transição EnergiaEnergiaEnergiaEnergia Caminho da ReaçãoCaminho da Reação Energia de ativação Energia de ativação semsem enzimaenzima SS PP Energia de ativação Energia de ativação com com enzimaenzima Enzimas Componentes da Reação Enzimática EE ++ SS EE SS EE ++ PP E - Enzima S - Substrato(s) ES - Complexo Enzima -Substrato P – Produto(s) Enzimas Componentes da Reação Enzimática EE ++ SS EE SS PP + + EE Substrato se liga ao SÍTIO ATIVO da enzima Enzimas - Via Metabólica Substrato inicial Enzimas Substratos Complexo ES (Enzima-Substrato) Ligação Sítio Ativo Liberação do Produto + Enzima inalterada Enzimas Ligação da enzima ao substrato Modelo Encaixe Induzido Enzimas Centro Catalítico / Sítio Ativo •Região da molécula enzimática que participa da reação com o substrato •Pode possuir componentes não protéicos • cofatores •Possui aminoácidos auxiliares e de contato Enzimas Cofatores e CoenzimasCofatores e Coenzimas Enzimas - Cofatores Porção protéica Cofator AtivadorPorção protéica APOENZIMA Cofator HOLOENZIMA Coenzima Grupamento prostético Enzimas - Cofatores Ativadores Íons inorgânicos que condicionam a ação catalítica das enzimas Exemplos: Magnésio - Reações de fosforilação Manganês- Superóxido dismutase mitocondrial Zinco - Anidrase carbônica, Carboxipeptidase Enzimas Enzimas PropriedadesPropriedadesPropriedadesPropriedades Enzimas = Catalisadores � Propriedades � Aceleram as reações Não são consumidos na reação� Não são consumidos na reação � Atuam em pequenas concentrações � Não alteram o equilíbrio das reações Enzimas - Propriedades - Aceleram reações químicas Condições da Reação Energia livre de Ativação kj/mol kcal/mol Velocidade Relativa Decomposição do H2O2 kj/mol kcal/mol Relativa Sem catalisador Platina Enzima Catalase 75,2 18,0 48,9 11,7 23,0 5,5 1 2,77 x 104 6,51 x 108 Enzimas - Propriedades - Não são consumidos na reação H2O2 H2O O2+ Catalase H2O2 H2O O2+ E E ++ SS EE ++ PP Enzimas - Propriedades - Atuam em pequenas concentrações 1 molécula de Catalase decompõe 5 000 000 de 1 molécula de Catalase 5 000 000 de moléculas de H2O2 pH = 6,8 em 1 min Enzimas - Propriedades - Não alteram o estado de equilíbrio � no nível basal (forma estável), S e/ou P contém uma quantidade característica de energia livre � o equilíbrio entre S e P reflete a diferença em energia livre dos seus estados basaislivre dos seus estados basais Caminho da ReaçãoCaminho da Reação Energia de ativação Energia de ativação semsem enzimaenzima SS PP Energia de ativação Energia de ativação com com enzimaenzima Diferença entre a energia livre de S e P EnzimasEnzimas EspecificidadeEspecificidadeEspecificidadeEspecificidade Comparação entre a hidrólise de vários Comparação entre a hidrólise de vários substratos por:substratos por: Catalisador Inorgânico e EnzimaCatalisador Inorgânico e Enzima EnzimasEnzimas-- EspecificidadeEspecificidade Hidrólise catalisada pelo HCl a quente Hidrólise catalisada por uma enzima específica para HCl a quente Proteínas → Aminoácidos Triacilgliceróis → Glicerol + ác. Graxos Glicogênio → Glicose enzima específica para o glicogênio Proteínas → Inalteradas Triacilgliceróis → Inalterados Glicogênio → Glicose + Maltose + Oligossacarídeos ramificados Enzimas Especificidade Estereoquímica Enzimas Especificidade de Grupo Tipo de ligação e um dos fragmentos devem ser específicos Ex: maltase digestão de glicídios Glicose Glicose MaltoseMetade da molécula deve ser a glicose Glicose Ex: ose Enzimas Especificidade Funcional Enzimas diferentes atuam sobre o mesmo substrato DESAMINAÇÃO DESAMINAÇÃO Enzima E1 RACEMISAÇÃO AMINO-ÁCIDO DESCARBOXILAÇÃO Enzima E3 Enzima E2 Enzima E4 TRANSAMINAÇÃO Aminoácido Enzima 3 EnzimasEnzimas Fatores que Alteram Fatores que Alteram a Atividade de Enzimasa Atividade de Enzimas Importância Biomédica � Fatores que alteram a velocidade de reações enzimáticas:enzimáticas: � concentração das enzimas � concentração dos substratos � temperatura � pH � presença de inibidores Fatores que alteram a atividade de uma enzima E + S ES E + P • Fatores decorrentes da natureza protéica das enzimas - pH- pH - temperatura • Fatores decorrentes da formação do complexo ES - concentração do substrato - concentração da enzima • Presença de inibidores Influência do pH do meiosobre a atividade enzimática • Mantidas fixas as condições de -temperatura -concentração de substrato -concentração de enzima-concentração de enzima pH ótimo pH Influência do pH do meio sobre a atividade enzimática pH ótimo varia para diferentes enzimas a) fosfatase ácida resíduo de aa envolvido na catálise aspartato - pH ótimo ≈ 4,5 b) fosfatase alcalina resíduo de aa envolvido na catálise lisina - pH ótimo ≈ 9,5 Influência do pH do meio sobre a atividade enzimática FOSFATASES Fosfatase alcalina (pH ótimo 8-9) Presente em vários tecidos RO-PO3-2 + H2O RO-H + HO- PO3-2 Presente em vários tecidos Fígado -↑↑↑↑ na concentração na doença hepática obstrutiva Osso - papel provável na deposição de fosfato de cálcio ↑↑↑↑ na concentração em distúrbios ósseos Invasão do osso por câncer de um tumor primário -metástase ↑↑↑↑ fisiológico durante a adolescência - crescimento ósseo Fosfatase ácida (pH ótimo 5-6) Enzima lisossômica Carcinoma metastásico de próstata libera ↑↑↑↑ quantidades desta enzima no sangue Influência da temperatura do meio sobre a atividade enzimática Ativação Temperatura ótima •Mantidas fixas as condições de -pH ótimo -concentração de substrato -concentração de enzima Ativação térmica Desnaturação térmica Influência da concentração da enzima sobre a atividade enzimática •Mantidas fixas as condições de - temperatura ótima - pH ótimo- pH ótimo - [substrato] em excesso [E] Influência da concentração de substrato sobre a atividade enzimática •Mantidas fixas as condições de - temperatura ótima - pH ótimo - [enzima]- [enzima] [S] Cinética de 1a ordem Cinética de ordem zero Influência da concentração de substrato sobre a atividade enzimática E E S + E ES E E P Baixa concentração de substrato E E E E + E E E E S E E E E P P+ Formação do produto é PROPORCIONAL à concentração de substrato Influência da concentração de substrato sobre a atividade enzimática 3/4 de saturação do centro ativo da enzima S E E E ES S E E P P S S + E E E E E E E E S E E E E + P P P P P Formação do produto é PROPORCIONAL à concentração de substrato Influência da concentração de substrato sobre a atividade enzimática 100 % de saturação do centro ativo da enzima S S E E E E S S E E P P S S S + E E E E E E E E S S E E E E + P P P P P P Formação do produto é PROPORCIONAL à concentração de substrato Influência da concentração de substrato sobre a atividade enzimática [Substrato] em excesso S SS S S + E E E ES S E E P PS S S S S + E E E E E E S S E E E E + P P P P P P S SS S S S S S Velocidade da reação independe da [S] Influência da concentração de substrato sobre a atividade enzimática Quando a formação de P for formação de P for proporcional à [S] proporcional à [S] a velocidade da reação é de 1a ORDEM Quando a velocidade velocidade da reação independe da reação independe da [S]da [S] a reação é de ORDEM ZERO1a ORDEM ORDEM ZERO [S] Atividade Enzimática � Depende também: � presença e concentração do cofator � afinidade da enzima pelo substrato (Km) maior ou menor capacidade da enzima de se ligar ao substrato� maior ou menor capacidade da enzima de se ligar ao substrato E + S → ES � poder catalítico da enzima � capacidade da enzima de transformar o substrato ligado ao complexo ES em produto ES → E + P Atividade Enzimática Introdução à Cinética � FATORES QUE INFLUENCIAM NA VELOCIDADE DAS REAÇÕES ENZIMÁTICAS SÃO RESPONSÁVEIS ENZIMÁTICAS SÃO RESPONSÁVEIS PELOS 2 PRINCIPAIS TIPOS DE CINÉTICA �MICHAELIANA � NÃO-MICHAELIANA Perguntas, Dúvidas e Sugestões ?? ENZIMAS Cinética Enzimática Cinética Enzimática V Quantidade de produto formado em unidade de tempo Quantidade de substrato transformado Estudo da velocidade da reação (V): S → P V Quantidade de substrato transformado em unidade de tempo Atividade enzimática pode ser medida pela velocidade da reação catalisada Importância Biomédica � Fatores que alteram a velocidade de reações enzimáticas: � concentração das enzimas� concentração das enzimas � concentração dos substratos � temperatura � pH � presença de inibidores Importância Biomédica Toxicologia e Farmacologia Venenos metabólicos Drogas terapeuticamente importantes Inibir ou abolir reações metabólicas essenciais Inibir a atividade de enzimas importantes Competem com o substrato pelo sítio ativo da enzima Enzimas Poder catalítico � Capacidade de converter substrato em produtoproduto � QUIMIOTRIPSINA - 1,9 x 102 mol/s � ANIDRASE CARBÔNICA - 1 x 106 mol/s Enzimas Poder catalítico Poder catalíticonº de renovação Velocidade máxima da reação Enzimas Cinética enzimática 1913 Leonor Michaelis -Enzimologista Maude Menten - Pediatra Representaram uma reação Representaram uma reação enzimática em 2 etapas E + S K1 K2 ES K3 K4 E +P K= constante de velocidade= [produto] [substrato] Enzimas Cinética enzimática E + S K1 K2 ES K3 K4 E +P Estabilidade do complexo ES pode ser Km = K2+ K3 K1 Estabilidade do complexo ES pode ser expressa pela relação entre as velocidades de dissociação e de formação do complexo Enzimas - Cinética enzimática Km Constante de Michaelis Medida da afinidade do complexo Medida da afinidade do complexo enzima-substrato (ES) Medida do PODER CATALÍTICO DA ENZIMA Específico para cada enzima Cinética enzimática Michaelis e Menten expressaram matematicamente a velocidade da reação pela fórmula: V= Vm . [S] Km +[S] Onde Vm é velocidade máxima da reação . Km= [S] . Vm V 1 Quando V =Vm 2 Km= [S] . Vm . 2 1 Vm Km= [S] Cinética enzimática V máx V Vmax 2 Km= [S] Numericamente, Km pode ser expresso como a [substrato] necessária para que a velocidade da reação seja metade da velocidade máxima [S] Conclusões importantes sobre Km � Característico de cada enzima � Reflete a afinidade da enzima pelo seu substratosubstrato � É numericamente IGUAL a [substrato] na qual a velocidade da reação é metade da Vmáxima Conclusões importantes sobre Km Km Pequena [substrato] é necessária para que a reação atingir metade da Vmáxima Afinidade da enzima pelo substrato atingir metade da Vmáxima Conclusões importantes sobre Km Km Grande [substrato] é necessária para que a reação atingir metade da Vmáximaatingir metade da Vmáxima Afinidade da enzima pelo substrato Conclusões importantes sobre Km Km Afinidade da enzima pelo substrato Km Afinidade da enzima pelo substrato vV V V/2 1/V Km Km s -1/Km -1/Km 1/s Vmáx V/2 Km Km [s] Conclusões importantes sobre a Cinética Michaeliana Quando a [S][S] for menor que o for menor que o Km(até atingir a Km(até atingir a saturação da enzima)saturação da enzima) a velocidade da reação é proporcional à [S] Reação de 1a ORDEM Quando a [S] é muito maior que Km a velocidade da reação é constante e igual a Vmax Reação é de ORDEM ZERO [S] Gráfico característico é uma hipérbole Cinética Enzimática Devido à ascenção gradual da curva hiperbólica é difícil determinar quando foi atingida a Vmáx Não se pode calcular com exatidão os valores de Km e Vmáx [S] Cinética Enzimática Lineweaver e Burke Curva DUPLO-RECÍPROCA 1V Vmax = Km . 1 1+[S] Vmax 1 Equação da reta y= ax + b a= inclinação da reta b= intercepto em y 1 V 1 [S] 1 Vmax -1 Km Cinética Enzimática Importância de conhecer o Km das enzimas � Hexoquinase Presente em todas as células Km=30µM � Glicoquinase Presente no fígado Km=10mM Capaz de metabolizar mais glicose conforme o aporteSaturada Km=30µM Km=10mM Após refeições [glicose] na veia porta hepática é da ordem de mM Enzimas � Inibição enzimática � Regulação enzimática� Regulação enzimática � Enzimas Constitutivas e Adaptativas � Uso de enzimas em diagnóstico Inibição Enzimática Quanto ao tipo: inibidor ↓ a atividade de todas as enzimas ex: agentes desnaturantes inespecífica - competitiva não-competitiva incompetitiva inibidor ↓ a atividade de uma única enzima ou de um grupo restrito de enzimas irreversível reversível específica - Inibição Enzimática � Inibição Enzimática Irreversível • inibidor se combina com um grupo funcional (sítio ativo) da enzima • inibidor se liga à enzima formando um complexo ESTÁVEL • forma-se uma ligação COVALENTE entre o inibidor e a enzima Inibição Enzimática Irreversível Ex: Inibição da enzima ciclo-oxigenase pelo acetilsalicilato Ciclo-oxigenase SÍNTESE Prostaglandinas Processo biológicos, ex. sensação de dor Inibição Enzimática Irreversível Uteis para o estudo do mecanismo de reação determinação do aminoácido que se liga covalentemente ao inibidor depois que a enzima está inibida + H+ F Enz - CH2-OH Serina + DIFP diisopropilfluorfosfato Ex. DIFP inibe aceticolinesterase hidrolisa aceticolina Neurotransmissor Contração e peristaltismo intestinal Bradicardia Inibição Enzimática Irreversível Inibidores Suicidas Inibidores com Base no Mecanismo ou Compostos, em geral, pouco reativos até se ligarem à enzimaligarem à enzima Convertido em um composto muito reativo que se combina IRREVERSIVELMENTE com a enzima Forma um produto que é um potente inibidor do próximo passo da via metabólica Exemplo de Inibidor Suicida Reações do Ciclo de Krebs Oxalacetato + Acetil-CoA →→→→ Citrato → Isocitrato →→ Oxalacetato + Fluoroacetato → Fluorocitrato Inibidor suicida Inibição Enzimática – Inibição Enzimática Reversível • inibidor forma com a enzima um composto INSTÁVEL • inibição NÃO envolve modificação COVALENTECOVALENTE • Tipos de inibidores reversíveis � competitivos � não competitivos � incompetitivos Inibição Competitiva Inibidor competitivo Estrutura semelhante à do substrato Liga-se ao Sítio Ativo da Enzima E + S ES E + P + EI + I Enzima Inibição Competitiva Enzima Sítio Ativo S SIC P SS S S S S IC S IC IC IC IC S P S SS P P P P Inibição Competitiva [substrato] necessária para que a enzima afinidade da enzima pelo substrato Na presença do inibidor competitivo [substrato] necessária para que a enzima funcione normalmente Km da enzima Inibição Competitiva Análise Gráfica v V 1/VV V/2 1/V Km Km s -1/Km -1/Km 1/s 1/[s][s] Com inibidor Sem inibidor Inibição Competitiva FAD FADH2 CH2 – COOH CH - COOH CH2 – COOH CH - COOH Ácido Succínico Ácido FumáricoSuccinato - - Fumarato - - Succinato Desidrogenase Exemplo: inibidor do metabolismo energético Ácido Succínico Ácido Fumárico COOH CH2 COOH Ácido Malônico (inibidor) Succinato Fumarato Malonato - - inibidor competitivo Inibição Competitiva Intoxicação por Metanol Metanol Álcool URINA Formaldeído Álcool desidrogenase Causa lesão tecidual cegueria Infusão EV Etanol URINA Inibição Competitiva Exemplo antibacteriano PABA Ácido fólico Diidropteroato sintetase bacteriana Essencial para o crescimento bacteriano Sulfanilamida Inibição Não-Competitiva E + S ES E + P + I + I � Inibidor não competitivo NÃO se liga ao sítio ativo da enzima EI + S I I EIS Enzima Inibição Enzimática Não-Competitiva � Inibidor não tem semelhança estrutural com o substrato � NÃO se liga no sítio ativo da enzima � Aumento da [substrato] não diminui a inibição � Km da enzima NÃO se altera � A VELOCIDADE máxima DIMINUI na presença do inibidor Inibição Não-Competitiva Diminui a concentração de enzima ativa Velocidade Máxima da Reação Exemplos: Metais pesados - Pb+2 Inibição Não-Competitiva v V 1/vV 1/V Análise Gráfica V V/2 1/V V/2 1/V km s -1/Km 1/sKm 1/Km [1/s][s] Com inibidor Sem inibidor Inibição Incompetitiva �I liga-se a outro sítio somente no complexo ES �Formas mistas em substratos múltiplos Enzimas Regulatórias �Definição �Controlam a etapa limitante em uma cadeia de reações �Atividade aumentada ou diminuída em �Atividade aumentada ou diminuída em função de sinais �Classificação �Alostéricas �Reguladas por modificações covalentes reversíveis Cinética Enzimática �Michaeliana � Não-Micheliana Enzimas ALOSTÉRICAS Curva sigmóide Característica das Afinidade da enzima pelo substrato Poder catalítico Modifica com a variação da concentração do substrato Característica das enzimas alostéricas Enzimas Alostéricas �Características �Moduladores não-covalentes �Feedback �Exceções a várias regras�Exceções a várias regras �Sítio alostérico (pode coincidir com o sítio catalítico) �Não seguem a cinética proposta por Michaelis-Menten �Classificação �Homotrópicas �o substrato é o modulador (efetor) �Heterotrópicas �o modulador não é o substrato Enzimas Alostéricas Apresenta-se em 2 conformações Relaxada Tensa equilíbrio Características das conformações R e T Ambos protômeros de uma mesma enzima apresentam-se na mesma conformação R ou T A forma R tem afinidade pelo substrato e/ou efetor positivo A forma T tem afinidade pelo efetor negativo Modelo para ligação cooperativa de efetor positivo - ATIVADOR: Sitio inacessível Sitio acessívelSitio inacessível para ativador equilíbrio Sitio acessível para ativador ATIVADOR Tensa Relaxada Rompe o equilíbrio em favor da forma R Modelo para ligação cooperativa de efetor negativo - INIBIDOR: Sitio inacessível Sitio acessívelSitio inacessível para inibidor Sitio acessível para inibidor INIBIDOR Relaxada Tensa equilíbrio Rompe o equilíbrio em favor da forma T Enzimas Alostéricas � Quando um efetor se liga à conformação para a qual tem mais afinidade esta conformação permanece ESTÁVELpermanece ESTÁVEL � O equilíbrio é rompido em favor desta forma Enzimas Alostéricas [Efetor positivo] Todas as moléculas da enzima na forma R [substrato] CINÉTICA MICHAELIANA Enzimas Alostéricas �Efetor Homotrópicos �Efetor Heterotrópico�Efetor Heterotrópico Enzimas Alostéricas Efetor Homotrópicos Em geral é o Substrato união do efetor a um dos sítios da enzima aumenta as propriedades catalíticas dos outros sítios de ligação Fenômeno de COOPERATIVIDADE Enzimas Alostéricas Efetor Heterotrópico Diferente do substrato Ex: inibição por feedback Enzima possui um sítioalostérico ao qual se liga o produto final da via A B C D E Enzimas e a Clínica Médica • Além do papel central das enzimas na bioquímica, a atividade das enzimas no sangue fornece informações importantes para o diagnóstico de doenças.diagnóstico de doenças. • O perfil da atividade de enzimas no soro está relacionado à processos patológicos. TGO / TGP Presentes nas células do fígado, coração, músculo esquelético, rim e pâncreas. Transaminases pâncreas. DOENÇA HEPÁTICA INFARTO AGUDO DO MIOCÁRDIO Fosfatases FOSFATASE ALCALINA Presente em muitos tecidos, principalmente no fígado e nos ossos.no fígado e nos ossos. DISTÚRBIOS ÓSSEOS DOENÇA HEPÁTICA OBSTRUTIVA Transferases GAMA GLUTAMIL TRANSPEPTIDASE Presente no fígado. INDICADOR DE DOENÇA HEPÁTICA ALCOOLISMO Amilase Produzida pelo pâncreas e pelas glândulas salivares. PANCREATITE CAXUMBA
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