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ENZIMAS Estrutura e Função Conceitos Gerais As enzimas são catalisadores, ou seja, aceleradores de reações; Os catalisadores biológicos são mais eficientes do que os sintéticos ou químicos; Reações como digerir alimentos, enviar sinais através dos nervos, contrair músculos, processo germinativo, de floração e frutificação ocorreriam muito lentamente na ausência de catalisadores (enzimas). Conceitos Gerais Enzimas são proteínas com atividade catalítica*; Podem ser intra ou extracelulares; As enzimas atuam como reguladoras do metabolismo, respondendo a vários sinais metabólicos, mantendo o sistema enzimático organizado. Atividade catalítica: capacidade de realizar a degradação/hidrólise de substratos. Conceitos Gerais Atuam em soluções aquosas ou não e em condições brandas de pH e temperatura; Apresentam especificidade da reação; São consideradas as unidades funcionais do metabolismo celular; Com exceção das algumas moléculas de RNA, todas as enzimas são proteínas. Conceitos Gerais A atividade catalítica é sempre perdida quando a enzima sofre desnaturação ou dissociação (quebra em aminoácidos); A manutenção da conformação 1ª, 2ª, 3ª e 4ª são essenciais para manter a função catalítica; O peso molecular varia entre 12.000 a 1 milhão de KD; São biodegradáveis; Importância das Enzimas Ausência, excesso ou deficiência enzimática podem causar doenças genéticas ou condições anormais Galactosemia - galactosidase; Não permitir o ciclo do vegetal – (proteases, lipases, amilases, hexoquinases); Diagnósticos de doenças Kits de diagnósticos (farmacêuticos); Indústria química e de alimentos Detergentes, couro e etc; Pão, queijo e etc; Agricultura Agrotóxicos. Enzimas Algumas exoenzimas de aplicação industrial. Extremozimas: enzimas de procariotos que vivem em ambientes extremos Figura 18 – Exemplos de extremozimas. (a) Enzimas ácido- tolerantes. (b) Enzimas termoestáveis. Enzimas em agrotóxicos - inseticidas A grande maioria apresenta como mecanismo de ação a inibição da enzima acetilcolinesterase; Porém, esse mecanismo de ação implica riscos humanos e animais, além de matar insetos benéficos e desejáveis; Grandes verbas têm sido empregadas no desenvolvimento de novas moléculas com alta seletividade (enzimas) quanto às pragas alvo; Substâncias atóxicas aos mamíferos e à maioria dos insetos, mas letais para a praga específica a que se destina. EX: inseticidas fisiológicos inibidores da síntese de quitina. Atuam somente sobre as lagartas nas plantas pulverizadas, inibindo a ecdise (troca de exoesqueleto), sem afetar nenhum outro inseto, nem os adultos dessas pragas ou outras pragas que estejam atacando a mesma lavoura ou insetos que habitem as matas próximas. Aumenta a produção do neurotransmissor acetilcolina causando morte do inseto por asfixia por colapso sináptico Vantagens dos catalisadores biológicos 1. Velocidade de reações mais rápidas Aceleram processos reacionais em cerca de 105 à 1017 vezes Fosfoglicomutase – acelera até 1012 Urease – acelera a reação até 1014 2. Condições reacionais mais brandas pH, temperatura e pressão; 3. Maior especificidade de reação Substratos e redução de subprodutos; 4. Capacidade de regulação Em resposta às concentrações de substâncias que não os substratos. 5. Atuam em pequenas concentrações 10-3 a 10-4 % do catalisador Nomenclatura Existem 3 métodos para nomenclatura enzimática: Nome Recomendado: utiliza o sufixo "ase" para caracterizar a enzima. Ex: Urease, Hexoquinase, Peptidase, etc. Nome Sistemático: fornece informações precisas sobre a função metabólica da enzima, minimizar ambiguidades; Ex: ATP-Glicose-Fosfo-Transferase. Nome Usual: Consagrados pelo uso. Ex: Tripsina, Pepsina, Ptialina. Classificação da Enzimas São classificadas de acordo com: A forma de uso (catálise, auxiliar, produto); Origem (intra e extracelular); Modo de ação (endo ou exoenzimas); Reação química catalisada (função). Forma de uso Reação principal; Reações laterais; Á enzima é o produto; Origem Intracelulares e extracelulares Modo de ação Endoenzimas; Exoenzimas; Reação química catalisada Função enzimática Classificação da Enzimas São classificadas e denominadas, em geral, de acordo com a natureza da reação química que catalisam; Existem seis classes principais: Oxidorredutases: reações de oxidação-redução; Transferases: Transferências de grupos funcionais; Hidrolases: Reações de hidrólise; Liases: Adição de grupos em ligações duplas ou formação de ligações duplas pela remoção de grupos; Isomerases: Transferência de grupos dentro da mesma molécula para formar isômeros; Ligases: Formação de ligações (C-C, C-S, C-O e C-N) pelo acoplamento da clivagem do ATP com as reações de condensação. Classificação da Enzimas Classe Enzimas Reação Esquematização 1) Oxidorredutases Desidrogenases e Oxidases Reações de oxidação e redução; 2) Transferases Quinases e Transaminases Transferências de grupos funcionais 3) Hidrolases Peptidases Reações de hidrólise 4) Liases Dehidratases e Descarboxilases Adição de grupos em ligações duplas ou formação de ligações duplas pela remoção de grupos; 5) Isomerases Epimerases Transferência de grupos dentro da mesma molécula para formar isômeros 6) Ligases Sintetases Formação de ligaçoes (C-C; C-S; C-O; C-N) pelo acoplamento da clivagem do ATP com as reações de condensação Classificação da Enzimas A cada enzima é assinalado um número classificatório de 4 dígitos: Ex: • Enzima: ATP: glicose fosfotransferase • Número de classificação (EC): 2.7.1.1 Onde: Primeiro dígito (2): denota o nome da classe (transferase); Segundo dígito (7): denota a subclasse (fosfotransferase); Terceiro dígito (1): fosfotransferases que trabalham com um grupo hidroxila como receptor; Quarto dígito (1): indica ser a D-glicose o receptor do grupos fosfato. Enzyme Commission Cofatores e Coenzimas Cofator: um ou mais íons inorgânicos (Fe2+, Mg2+ e etc ); Coenzima: molécula orgânica complexa (metalorgânica); Algumas enzimas necessitam dos dois, cofator e coenzima; Grupo prostético: uma coenzima ou íon metálico que está covalentemente ligado à parte protéica da enzima. Cofatores Coenzimas Haloenzima X Apoenzima Sítio Ativo As enzimas são muito específicas para os seus substratos; Esta 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; Sítio Ativo É no SÍTIO ATIVO que ocorre a reação enzimática; O sítio ativo se liga aos substratos por ligações fracas, como as eletrostáticas, interações hidrofóbicas, forças de van der Waals e ligações hidrogênio; Essas últimas reforçam o grau de especificidade entre enzima e substrato. Alguns Modelos ProcuramExplicar a Especificidade Substrato/Enzima Modelo Chave/Fechadura Alguns modelos procuram explicar a especificidade substrato/enzima Modelo do Ajuste Induzido: Prevê um sítio de ligação não totalmente pré-formado, mas sim moldável à molécula do substrato; a enzima se ajustaria à molécula do substrato na sua presença; A função de um catalisador é aumentar a velocidade de uma reação, porém não afetam o equilíbrio da reação; Catálise Enzimática E + S <==> [ES] <==> [EP] <==> E + P E = enzima S = substrato ES = complexo enzima-substrato P = produto Catálise enzimática A quantidade de E livre diminui e a de complexo ES aumenta; A quantidade de S diminui e a de P aumenta; [P] [E] [ES] [S] C o n c e n tr a ç ã o Andamento da reação Catálise Enzimática Cinética Enzimática • Cinética é os estudo das velocidades de reações e como mudam em resposta a diferentes parâmetros experimentais. Km = Constante de Michaelis-Menten Representa a concentração de substrato onde a Vo (velocidade inicial) é a metade da Vmax (velocidade máxima). Vmax = Velocidade máxima É atingida quando todas as moléculas da enzima estiverem na forma ES (complexo enzima-substrato) e a [ ] de E for insignificante. Cinética Enzimática Equação de Michaelis-Menten Invertendo a Equação de Michaelis-Menten Equação de Lineweaver-Burk Cinética Enzimática Quanto menor o Km, maior a especificidade, logo maior será a afinidade do substrato pela enzima. Lineweaver-Burk Concentração do substrato: Excesso de substrato também pode agir como um inibir; Seleção do substrato: Para cada enzima existe um substrato natural correspondente, ou seja, aquele substrato que apresenta maior afinidade com a enzima (menor Km); Concentração de enzima: A velocidade da reação é diretamente proporcional à concentração da enzima, mantendo-se a concentração de substrato constante. Fatores Externos que influenciam as reações enzimáticas Atividade de água: pode alterar a atividade catalítica da enzima (reações de esterificação – álcool mais ácido = éster); 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; pH: existe um pH ÓTIMO, onde a distribuição de cargas elétricas da molécula da enzima e, em especial do sítio catalítico, é ideal para a catálise. Fatores Externos que influenciam as reação enzimática Influencia do pH na Velocidade de uma Reação Enzimática Pepsina no estômago, pH ótimo próximo de 1,6. Glicose-6-fosfatase nos hepatócitos, pH ótimo de 7,8. Inibição Enzimática Os inibidores enzimáticos são compostos que podem diminuir (inibir) ou acelerar (ativar) a atividade de uma enzima; A inibição enzimática pode ser: Reversível: Competitiva; Não-competitiva; Incompetitiva. Irreversível: modificação covalente e definitiva no sítio de ligação ou no sítio catalítico da enzima. Inibição Enzimática Reversível Competitiva Quando uma determinada molécula de estrutura química e espacial análoga ao substrato, se liga ao sítio ativo da enzima, impedindo o complexo ES. Inibição Enzimática Reversível Não-Competitiva Quando uma determinada molécula se liga em um local diferente do sítio ativo da enzima, formando o complexo ESI, que não afeta a afinidade da enzima e substrato, porém, não gera produtos. Inibição Enzimática Reversível Incompetitiva Quando na enzima podem existir dois sítios ativos, um para a ligação do substrato e outro para o inibidor, formando o complexo ES, que gera produtos e o ESI, que não gera produtos. Regulação Enzimática Todo o organismo deve poder regular as atividades enzimáticas das suas enzimas, coordenando assim, seus processos metabólicos que podem ocorrer de duas formas: Controle da disponibilidade de enzima: dependente da velocidade de síntese e degradação; Controle da atividade da enzima: dependente de alterações estruturais que influenciam a afinidade da ligação enzima- substrato.
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