Enzimas, proteínas e aminoácidos

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Conhecer a síntese de aminoácidos não essenciais e ação das transaminases
IMPORTÂNCIA BIOMÉDICA: 
AMINOÁCIDOS NUTRICIONALMENTE ESSENCIAIS E NUTRICIONALMENTE NÃO ESSENCIAIS: aminoácidos, os termos “essencial” e “não essencial” são incorretos, visto que todos os 20 aminoácidos comuns são essenciais para assegurar a saúde. Desses 20 aminoácidos, 8 precisam estar presentes na dieta humana e, por conseguinte, são mais bem designados como “nutricionalmente essenciais”. Os outros 12 aminoácidos são “nutricionalmente não essenciais”, visto que não precisam estar presentes na dieta. Se os AA não estiverem presentes haverá distúrbios como kwashiorkor, que ocorre quando uma criança é desmamada e passa a ser alimentada com uma dieta a base de amido e pobre em proteínas, e o marasmo, em que há deficiência tanto de aporte calórico quanto de aminoácidos específicos.
Biossíntese dos AA não essenciais:
GLUTAMATO: A primeira reação na biossíntese de aminoácidos da “família do glutamato” consiste na amidação redutora do alfa-cetoglutarato, catalisada pela glutamato desidrogenase (Figura 27-1). A reação é mostrada como unidirecional, na direção da síntese de glutamato, visto que ela o favorece fortemente. Isso é fisiologicamente importante, pois o íon amônio em altas concentrações é citotóxico.
GLUTAMINA: A amidação do glutamato a glutamina, em uma reação catalisada pela glutamina-sintetase, envolve a formação intermediária de y-glutamil fosfato (Figura 27-2). Após a ligação ordenada do glutamato e ATP, o glutamato ataca o fósforo y do ATP, formando y-glutamil-fosfato e ATP. Em seguida, o NH4+ liga-se e, na forma de NH3, ataca o y-glutamil-fosfato, com formação de um intermediário tetraédrico. A liberação de Pi e de um próton do grupo y-amino do intermediário tetraédrico permite, então, a liberação do produto, a glutamina.
ALANINA E ASPARTATO: A transaminação do piruvato forma a alanina (Figura 27-3). De modo semelhante, a transaminação do oxalacetato forma o aspartato.
A glutamato-desidrogenase, a glutamina-sintetase e as aminotransferases desempenham papéis centrais na biossíntese dos aminoácidos
A ação combinada dessas enzimas converte o íon amônio inorgânico no nitrogênio alfa-amino dos aminoácidos. (Figuras 27-1, 27-2 e 27-3)
ASPARAGINA: A conversão do aspartato em asparagina, catalisada pela asparagina-sintetase (Figura 27-4), assemelha-se à reação da glutamina-sintetase (Figura 27-2), porém a glutamina, e não o íon amônio, é que fornece o nitrogênio. Entretanto, as asparagina-sintetases bacterianas também podem utilizar o íon amônio. A reação envolve a formação intermediária de aspartil-fosfato. A hidrólise acoplada do PPi a Pi pela pirofosfatase faz a reação ser fortemente favorecida.
SERINA: A oxidação do grupo alfa-hidroxila do intermediário glicolítico 3-fosfoglicerato pela 3-fosfoglicerato-desidrogenase o converte em 3-fosfo-hidroxipiruvato. Em seguida, a transaminação e a desfosforilação subsequente formam a serina (Figura 27-5).
GLICINA: As glicina-aminotransferases podem catalisar a síntese de glicina a partir do glioxilato e glutamato ou alanina. Diferentemente da maioria das reações das aminotransferases, essas reações favorecem fortemente a síntese de glicina. Outras vias importantes para a formação de glicina nos mamíferos são a partir da colina (Figura 27-6) e da serina (Figura 27-7).
PROLINA: A reação inicial na biossíntese de prolina converte o grupo y-carboxila do grupo glutamato no anidrido ácido misto de glutamato y-fosfato (Figura 27-8). A redução subsequente forma glutamato y-semialdeído, que, após ciclização espontânea, é reduzido a y-prolina.
CISTEÍNA: Apesar de não ser nutricionalmente essencial, a cisteína é formada a partir da metionina, que é nutricionalmente essencial. Após conversão da metionina em homocisteína (ver Figura 29-19), a homocisteína e a serina formam a cistationina, cuja hidrólise produz cisteína e homosserina (Figura 27-9).
TIROSINA: A fenilalanina-hidroxilase converte a fenilalanina em tirosina (Figura 27-10). Quando a dieta contém quantidades adequadas do aminoácido nutricionalmente essencial fenilalanina, a tirosina é nutricionalmente não essencial. Entretanto, como a reação da fenilalanina-hidroxilase é irreversível, a tirosina de origem nutricional não pode substituir a fenilalanina. A catálise por essa oxigenase de função mista incorpora um átomo de O2 na posição para da fenilalanina e reduz o outro átomo a água. O poder de redução, proporcionado como tetra-hidrobiopterina, deriva, em última análise, do NADPH (Figura 27-10).
HIDROXIPROLINA E HIDROXILISINA:
A hidroxiprolina e a hidroxilisina ocorrem principalmente no colágeno. Como não existe nenhum tRNA para ambos os aminoácidos-hidroxilados, nem a hidroxiprolina nem a hidroxilisina da dieta são incorporadas durante a síntese de proteína. A peptidil-hidroxiprolina e a hidroxilisina originam-se da prolina e da lisina, porém somente após a incorporação desses aminoácidos em peptídeos. A hidroxilação dos resíduos de peptidil--prolil e peptidil-lisil, catalisada pela prolil-hidroxilase e lisil-hidroxilase da pele, do músculo esquelético e das feridas em processo de granulação exige, além do substrato, O2 molecular, ascorbato, Fe2+ e alfa-cetoglutarato (Figura 27-11). Para cada mol de prolina ou lisina-hidroxiladas, um mol de alfa-cetoglutarato é descarboxilado em succinato. As hidroxilases são oxigenases de função mista. Um átomo de O2 é incorporado na colina ou na lisina, e o outro, no succinato (Figura 27-11). A deficiência de vitamina C, cuja presença é necessária para essas duas hidroxilases, resulta em escorbuto, caracterizado por sangramento das gengivas, edema das articulações e cicatrização deficiente de feridas, devido ao comprometimento da estabilidade do colágeno.
VALINA LEUCINA E ISOLEUCINA: Embora a leucina, a valina e a isoleucina sejam aminoácidos nutricionalmente essenciais, as aminotransferases teciduais efetuam a interconversão reversível de todos os três aminoácidos e seus alfa-cetoácidos correspondentes. Por isso, esses alfa-cetoácidos podem substituir seus aminoácidos na dieta.
COMPREENDER A DIGESTÃO DE PROTEÍNAS E ABSORÇÃO DOS AMINOÁCIDOS
A RENOVAÇÃO DAS PROTEÍNAS ACOTECEM EM TODAS AS FORMAS DE VIDA: Diariamente, nos seres humanos, ocorre renovação de 1 a 2% das proteínas corporais totais, principalmente proteínas do músculo. Aproximadamente 75% dos aminoácidos liberados pela degradação das proteínas são reutilizados. Entretanto, o excesso de aminoácidos livres não é armazenado. Aqueles que não são imediatamente incorporados em novas proteínas sofrem rápida degradação. o nitrogênio amino é convertido em ureia e excretado na urina.
AS PROTEASES E AS PEPTIDASES DEGRADAM AS PROTEINAS EM AMINOÁCIDOS: A relativa suscetibilidade de uma proteína à degradação é expressa como meia-vida (t1/2), isto é, o tempo necessário para diminuir a sua concentração em metade do valor inicial. As meias-vidas das proteínas hepáticas variam de menos de 30 min a mais de 150 h. enzimas de manutenção típicas podem apresentar tempo de meia vida por volta de 100h enquanto as reguladoras essenciais levam a partir de 0,5h. As sequências PEST, que consistem em regiões ricas em prolina (P), glutamato (E), serina (S) e treonina (T), marcam algumas proteínas para sofrer rápida degradação. As proteases intracelulares hidrolisam as ligações peptídicas internas. Os peptídeos resultantes são então degradados em aminoácidos por endopeptidases, que clivam ligações peptídicas internas, e por aminopeptidases e carboxipeptidases, que removem sequencialmente os aminoácidos a partir das extremidades aminoterminal e carboxiterminal, respectivamente.
DEGRADAÇÃO INDEPENDENTE DE ATP: Ocorre degradação das glicoproteínas do sangue após a perda de uma fração de ácido siálico das extremidades não redutoras de suas cadeias oligossacarídicas. A seguir, as assialoglicoproteínas são internalizadas por receptores de assialoglicoproteínas na célula hepática e degradadas por proteases lisossômicas.As proteínas extracelulares associadas à membrana e as intracelulares de longa vida são degradadas nos lisossomos por processos independentes do ATP.
DEGRADAÇÃO DEPENDENTE DE ATP E UBIQUITINA: A degradação das proteínas reguladoras com meias-vidas curtas e das proteínas anormais ou com dobramento incorreto ocorre no citosol e exige a presença de ATP e ubiquitina. A ubiquitina assim denominada por estar presente em todas as células eucarióticas, é um pequeno polipeptídeo (8,5 kDa, 76 resíduos) que marca muitas proteínas intracelulares para sua degradação. A estrutura primária da ubiquitina é altamente conservada. Apenas três dos 76 resíduos diferem entre a ubiquitina de levedura e a ubiquitina humana. As moléculas de ubiquitina estão unidas por ligações peptídicas não-alfa, formadas entre a extremidade carboxiterminal da ubiquitina e os grupos є-amino de resíduos de lisil na proteína-alvo (Figura 28-1). O resíduo presente na extremidade aminoterminal afeta o modo pelo qual uma proteína é ubiquitinada. O aminoterminal Met ou Ser retarda a ubiquitinação, enquanto a Asp ou a Arg a acelera. A ligação de uma única molécula de ubiquitina a proteínas transmembranas altera a sua localização subcelular e as tornam alvos de degradação. As proteínas solúveis sofrem poliubiquitinação, que consiste na ligação de quatro ou mais moléculas adicionais de ubiquitina em uma reação catalisada pela ligase. A degradação subsequente das proteínas marcadas com ubiquitina ocorre no proteassomo, uma macromolécula com múltiplas subunidades diferentes, que também é ubíqua nas células eucarióticas.
FALTA ABSORÇÃO.
COMPREENDER SOBRE ENZIMAS: ESTRUTURA ATUAÇÃO (CINÉTICA) TIPOS DE INIBIÇÃO FATORES QUE INFLUENCIAM NA SUA FUNCIONALIDADE
PROPRIEDADES DAS ENZIMAS
As enzimas são catalisadores proteicos que aumentam a velocidade de uma reação química e não são consumidos durante a reação que catalisam. Possuem:
SÍTIO ATIVO
região específica, em forma de fenda ou bolso, chamada de sítio ativo. Este sítio contém cadeias laterais de aminoácidos que participam da ligação com o substrato e da catálise (Figura 5.2). O substrato liga-se à enzima, formando um complexo enzima-substrato (ES). Acredita-se que a ligação cause uma alteração conformacional na enzima (encaixe induzido) que permite a catálise. O complexo ES é convertido no complexo enzima-produto (EP), que posteriormente se dissocia em enzima e produto.
EFICIÊNCIA CATALÍTICA
As reações catalisadas por enzimas são, em sua maioria, altamente eficientes, ocorrendo de 103 até 108 vezes mais rapidamente que as reações não catalisadas.
ESPECIFICIDADE
As enzimas são altamente específicas, interagindo com um ou alguns poucos substratos e catalisando apenas um tipo de reação química.
HALOENZIMAS
O termo holoenzima se refere à enzima ativa com seu componente não proteico, enquanto a enzima sem seu componente não proteico é chamada de apoenzima e é inativa. Se esse componente não proteico for um íon metálico como Zn2+ ou Fe2+, ele é chamado de cofator. Se esse componente for uma molécula orgânica pequena, é chamado de coenzima.
REGULAÇÃO
enzimas podem ser ativadas ou inibidas, a fim de que a velocidade de formação do produto responda às necessidades da célula.
LOCALIZAÇÃO DENTRO DA CÉLULA
Muitas enzimas estão localizadas em organelas específicas dentro da célula. Essa comparti mentalização serve para isolar o substrato ou o produto da reação de outras reações competitivas. Isso garante um meio favorável para a reação e organiza as milhares de enzimas presentes na célula em vias definidas.
COMO FUNCIONAM AS ENZIMAS
O mecanismo da ação enzimática pode ser visualizado a partir de duas perspectivas diferentes. A primeira aborda a catálise em termos das alterações de energia que ocorrem durante a reação, ou seja, as enzimas fornecem uma rota de reação alternativa, energeticamente favorável, diferente da reação não catalisada. A segunda perspectiva descreve como o sítio ativo facilita quimicamente a catálise.
ALTERAÇÕES DE ENERGIA QUE OCORREM DURANTE A REAÇÃO.
Praticamente todas as reações químicas têm uma barreira de energia separando os reatantes dos produtos. Essa barreira, denominada energia livre de ativação, é a diferença entre a energia dos reagentes e aquela de um intermediário de alta energia, que ocorre durante a formação do produto.
Energia livre de ativação
Velocidade da reação
Para as moléculas reagirem, devem conter energia suficiente para superar a barreira de energia do estado de transição. Na ausência de uma enzima, somente uma pequena proporção da população de moléculas possui energia suficiente para atingir o estado de transição entre reatante e produto. A velocidade da reação é determinada pelo número dessas moléculas "energizadas". Em geral, quanto menor a energia livre de ativação, mais moléculas têm energia suficiente para superar o estado de transição e, assim, mais rápida é a velocidade da reação.
Rota alternativa de reação
Uma enzima permite que uma reação ocorra rapidamente nas condições normais na célula, oferecendo uma rota de reação alternativa, com uma menor energia livre de ativação A enzima não altera a energia livre dos reatantes ou dos produtos e, assim sendo, não altera o equilíbrio da reação. Entretanto, ela acelera a velocidade na qual o equilíbrio é atingido.
QUÍMICA DO SÍTIO ATIVO
O sítio ativo não é um receptáculo passivo para a ligação do substrato, mas sim uma máquina molecular complexa, empregando uma diversidade de mecanismos químicos para facilitar a conversão do substrato em
produto. Diversos fatores são responsáveis pela eficiência catalítica das enzimas.
FATORES QUE AFETAM A ATIVIDADE ENZIMÁTICA
Temperatura: Elevar a temperatura aumenta a energia cinética das moléculas. Aumentar a energia cinética das moléculas também aumenta sua movimentação e, portanto, a frequência com que colidem. Essa combinação de colisões mais frequentes e mais altamente energéticas aumenta a velocidade da reação. Entretanto, aumentar demais a temperatura pode ter resultados negativos em uma reação enzimática. A alta temperatura pode romper ligações não-covalentes que mantém a estrutura da enzima e, assim, desnaturá-la. Com a enzima desnaturada, a ação enzimática é perdida.
pH: A maioria das reações enzimáticas envolve catálise ácido/base e, assim, sua atividade é afetada por variações no pH. Como a estrutura geral da proteína é importante na atividade catalítica, se uma carga no pH alterar a conformação geral da proteína, a atividade enzimática também será alterada.
Concentração do substrato: Um fator-chave que afeta a velocidade das reações catalisadas por enzimas é a concentração do substrato. Se a concentração inicial do substrato for baixa e, ao meio, for adicionado mais substrato, a velocidade da reação aumentará muito em um primeiro momento. Porém, se a esse meio for adicionado, novamente, mais substrato, o aumento da velocidade tende a ser menor, e cada vez menor a cada adição de substrato. Isso porque, como toda reação, ao se colocar um reagente, a reação enzimática tende a se deslocar para o sentido do consumo do reagente adicionado, porém a enzima possui um sítio ativo que estará ocupado pelo substrato, não podendo aumentar mais a velocidade. Diz-se, então, que alcançou-se o ponto de saturação daquela enzima. A reação só tornará a aumentar sua velocidade quando as moléculas das enzimas ficarem livres ou se forem adicionados à solução mais enzimas.
ENZIMAS DE MICHAELIS-MENTEN
As enzimas que seguem o comportamento descrito por Leonor Michaelis e Maud Menten são chamadas Enzimas de Michaelis-Menten. A constante de Michaelis Km corresponde à concentração de substrato na qual a velocidade de ação da enzima é igual à metade da Vmáx da enzima.
INIBIÇÃO DA ATIVIDADE ENZIMÁTICA
Qualquer substância que possa diminuir a velocidade das reações catalisadas por enzimas é chamada de inibidor. Em geral, inibidores irreversíveis ligam-se às enzimas por meio de ligações covalentes. Inibidores reversíveis ligam-se às enzimas pormeio de ligações não covalentes, de modo que a diluição do complexo enzima-inibidor resulta na dissociação do inibidor reversivelmente ligado e na recuperação da atividade enzimática. Os dois tipos mais comuns de inibição reversível são a inibição competitiva e a inibição não competitiva.
INIBIÇÃO COMPETITIVA
Esse tipo de inibição ocorre quando o inibidor liga-se reversivelmente ao mesmo sítio que o substrato normalmente ocuparia e, dessa forma, compete com o substrato por esse sítio. Pode ser contornada pelo aumento da concentração de substrato.
INIBIÇÃO NÃO COMPETITIVA
A inibição não competitiva acontece quando o inibidor e o substrato ligam-se a sítios diferentes na enzima. O inibidor não competitivo pode ligar-se tanto à enzima livre quanto ao complexo ES, de modo a impedir que a reação ocorra. Não pode ser contornada pelo aumento de substrato
REGULAÇÃO DA ATIVIDADE ENZIMÁTICA
As velocidades da maioria das reações enzimáticas respondem às mudanças na concentração dos substratos, pois o nível intracelular de muitos substratos se encontra na faixa do Km. Dessa forma, um aumento na concentração do substrato provoca aumento da velocidade de reação, que induz o retorno da concentração do substrato ao valor normal. Além disso, algumas enzimas com funções reguladoras especializadas respondem a efetores alostéricos ou a modificações covalentes, ou ainda, apresentam sua velocidade de síntese (ou degradação) alterada quando as condições fisiológicas mudam.
REFERENCIAS:
Bioquímica ilustrada de Harper, Capítulos 27, 28, 7, 9. 29ª edição.