Bioquimica de Alimentos I

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Bioquímica de Alimentos I
Definições:
Bioquímica
Enzimas e Isoenzimas
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Bioquímica: Como o nome diz: Bio = Vida e Química = Química Química da Vida. Para a vida ser viável há necessidade que as transformações químicas em seres vivos ocorram a temperaturas baixas e em ambiente de pH amenos. A natureza então desenvolveu catalisadores orgânicos que auxiliam às transformações químicas nessas temperaturas baixas e ambiente ameno, chamados Enzimas.
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ENZIMAS são catalisadores de reações de sistemas biológicos. Sua força catalítica é muitas vezes maior que a de catalisadores sintéticos. Enzimas são altamente específicos para seus substratos, acelerando reações químicas específicas; funcionam em solução aquosa, em condições relativamente brandas de temperatura e pH. A maioria das enzimas, exceto algumas moléculas biológicas envolvidas na catálise de RNA, são proteínas, do tipo globulina. Para que tenham funcionalidade catalítica, suas estruturas primária (sequência dos resíduos de aminoácidos), secundária (alfa-hélice e/ou folhas pregeadas), terciária (enovelamento) e, naquelas com mais de uma unidade proteica, quaternária, devem estar intactas. A alteração, ou desnaturação de uma das estruturas leva a inativação, inclusive a separação de unidades proteicas unidas em estrutura quaternária.
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ISOENZIMAS catalisam as mesmas reações, mas diferem entre si na estrutura primária, sequência dos resíduos de AA, peso molecular ou outra característica, que não interfira na catálise.
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Componentes de Enzimas
Coenzimas são moléculas orgânicas ou metalorgânicas complexas.
Cofatores são componentes químicos que algumas enzimas necessitam para seu funcionamento. Eles podem ser constituídos de íons inorgânicos como Fe2+, Mg2+, Mn2+, Zn2+, …, 
Grupo Prostético é uma Coenzima covalentemente ligada à proteína
Holoenzima é a designação da enzima completa
Apoenzima ou Apoproteína é a parte proteica da enzima
Sítio ativo é o local da enzima que liga o substrato (sitio de ligação) e que catalisa a reação (sitio catalítico)
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Tabela 1: Algumas enzimas e seus cofatores inorgânicos.
Fe2+ ou Fe3+:
Citocromoxidase, Catalase, Peroxidase 
Cu2+:
Citocromo oxidase
Zn2+:
Anidrase carbônica, Álcool desidrogenase 
Mg2+:
Hexokinase, Glucose-6-fosfatase, Piruvato kinase 
Mn2+:
ArginaseRibonucleotídeo redutase 
K+:
Piruvato kinase 
Ni2+:
Urease
Mo: 
Dinitrogenase
Se:
Glutation peroxidase
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Nomenclatura das Enzimas
Nomenclatura e classificação: 
O Comitê de Nomenclatura da União Internacional de Bioquímica sistematizou a nomenclatura de enzimas, classificando mais de 2000 enzimas, publicado em Enzyme nomenclature (1979), Nomenclature Committee of the International Union of Biochemistry, Academic Press: New York. 
Nessa classificação cada enzima recebeu quatro números separados por um ponto: 
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O primeiro número indica a classe principal a qual a enzima pertence:
1. Oxidoredutases: transferem elétrons (íons H+ ou átomos H).
2. Transferases: transferem grupos funcionais.
3. Hidrolases: reações de hidrólise; transferem grupos para água.
4. Liases: adicionam grupos a duplas-ligações ou formam duplas-ligações pela retirada de grupos funcionais.
5. Isomerase: transferem grupos dentro de moléculas para obter isômeros.
6. Ligases: formam ligações C-C, C-S, C-O e C-N, através de condensação com clivagem concomitante de ATP.
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O segundo número, a subclasse, identifica a enzima em termos mais específicos.
O terceiro número defina a atividade catalítica precisamente.
O quarto número constitui um número seriado de registro da enzima dentro de sua subclasse.
Exemplo: EC 1.2.3.4 – é uma oxidoredutase com um aldeído como doador e O2 como receptor e é a 4ª enzima enumerada na sua série particular.
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O FUNCIONAMENTO DAS ENZIMAS
Reações químicas dependem do encontro de grupos funcionais de duas moléculas, fazendo-as colidirem, para que a reação ocorra. 
Em reações bioquímicas, esse alinhamento necessário das moléculas é providenciado pelas enzimas. 
Os substratos, componentes químicos a serem transformados em produtos, são encaixados em cavidades nas enzimas. 
Historicamente esse encaixe foi comparado com o encaixe de uma chave na fechadura. Hoje, o conceito do encaixe do substrato na enzima foi alterado para o encaixe de um estado intermediário do substrato, durante o acoplamento. 
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Todavia um complexo Enzima-Substrato é formado, antes de a ação catalítica acontecer. Uma reação enzimática simples poderia ser escrita como segue:
E + S  ES  EP  E + P
 
Onde: E = Enzima, S = Substrato e P = Produto.
Para que essa reação aconteça, energia livre (G°´) deve ser liberada no processo: Figura 1.
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 Figura 1: Energia liberada e energia de ativação
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A energia de ativação funciona como barreira nas transformações químicas, dentro das condições ambientais, dentro das células (Figura 2).
Em reações catalisadas, a ativação pode acontecer em mais de uma etapa, gerando vários picos. O mais alto representa a energia necessária para ativar o sistema (Figura 2).
O equilíbrio de uma reação depende de G°, a energia livre, enquanto a velocidade da reação depende da energia de ativação, G‡.
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Figura 2: Energia de ativação
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Equilíbrio de Reação
Um equilíbrio de reação como 	S  P pode ser descrito por uma constante de equilíbrio: Keq. Em condições padrão de comparação de processos bioquímicos essa constante tem a seguinte conotação:
	[P]
Keq = ----------
	[S]
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Das leis da termodinâmica a relação entre Keq e G° pode ser expresso como:
G° = -RT ln Keq
onde: R = constante de gases (8,315 J / mol K) e T = temperatura absoluta (298 K).
Um valor negativo grande de G° reflete um equilíbrio de reação favorável, mas não quer dizer que a reação ocorra a taxas altas.
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A velocidade V da reação depende da constante de velocidade k e da concentração do substrato;
V = k [S]
Exemplos: 
k = 0,03 s-1:	3% do substrato serão convertidos em 1 segundo.
k = 2.000 s-1:	a reação será terminada em uma fração de segundo.
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Reações que envolvem dois Substratos
Em reações que envolvem dois substratos, a constante k será de uma reação de segunda ordem e
V = k [S1][S2]
KT
 k = -------- e-G‡/RT
h
Onde: K = constante de Boltzmann e h = constante de Planck.
A relação entre k e G‡ é inversa e exponencial, o que implica que quanto menor a energia de ativação, maior será a velocidade de reação, e vice versa.
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Catálise Enzimática e Velocidade de Reação
A catálise enzimática pode aumentar a velocidade de reação entre 107 e 1014 vezes: Exemplos:
Anidrase carbônica		107
Fosfoglucomutase		1012
Succinil-CoA transferase	1013
Urease					1014
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Ação Enzimática
Parte da ação enzimática tem explicação na reação do substrato com grupos funcionais da enzima, como resíduos de AA específicos, íons metálicos e coenzimas. Grupos funcionais catalíticos da enzima podem reagir com o substrato momentaneamente e ativá-lo para a reação. 
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Em muitos casos a energia de ativação é diminuída por essas reações e com isso aceleram a transformação. Outra parte da energia de ativação provém da formação de ligações fracas, não covalentes, entre enzima e substrato: pontes de hidrogênio, interações hidrofóbicas, iônicas e Van der Waals, no complexo ES. 
A formação de cada uma das interações fracas é acompanhada de liberação de uma pequena fração de energia, Energia de Ligação. 
Essa energia não só estabiliza o complexo ES, mas também é a fonte maior de energia livre usada pelas enzimas para abaixar a energia de ativação das reações
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Força Catalítica
1 - A força catalítica da enzima deriva em última análise da energia liberada quanto da formação das interações fracas entre enzima e substrato. Essa energia de ligação proporciona também a especificidade da enzima com seu substrato.
2 – As interações fracas são otimizadas nos estados de transição.
Os sítios ativos das enzimas são complementares, não para o substrato em si, mas para seus estados de transição durante a catálise.
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A formação das ligações fracas inicialmente não é completa: Apenas parte da superfície do substrato está em contato com a enzima. Só quando os estados de transição forem alcançados, uma maior quantidade de interações ocorre. Durante a realização das interações fracas ocorrem:
1 – Dessolvatação do substrato;
2 – Diminuição da entropia entre as moléculas 	em contato;
3 – Ajuste induzido entre substrato e enzima.
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Uma vez ligado o substrato à enzima, grupos funcionais catalíticos da enzima podem agir por mecanismos como:
1 – Catálise acido – base.
2 – Catálise covalente.
Na catálise ácido – base a transferência de prótons pode envolver H+ (H3O+) ou OH-, e é chamada de catálise ácido – base específica. Quando a água da solução não é capaz de estabilizara reação, resíduos de AA específicos podem atuar como receptores ou doadores de prótons.
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Na catálise covalente o substrato é ligado covalentemente à enzima e uma ligação covalente entre grupos funcionais do substrato é quebrada.
	H2O
A—B 		A + B
	H2O
A—B + X:  A—X + B  A + X: + B
Neste último caso a velocidade de reação de ambos os passos deve ser maior que a da reação não catalisada, para ocorrer.
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Participação de Metais
Metais: Podem entrar em ligações fracas com o substrato; podem também realizar reações de óxido-redução, alterando seu estado de oxidação. Praticamente um terço de todas as enzimas necessitam de metais como co-fatores ou como grupos prostéticos.
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Resíduos de AA que podem funcionar como doadores ou receptores de prótons:
Resíduo de AA		Forma ácida		Forma básica
			 Doador de próton	 Receptor de próton
Glu, Asp 			R—COOH		R—COO-
				 H			 ..
Lys, Arg			R—NH			R—NH2
				 H
Cys				R—SH			R—S-
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Resíduos de AA que podem funcionar como doadores ou receptores de prótons:
Resíduo de AA		Forma ácida		Forma básica
			 Doador de próton	 Receptor de próton
				R—C===CH		R—C===CH
His				HN	 N+H	HN	 N
				 C		 C
				 H		 H
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Resíduos de AA que podem funcionar como doadores ou receptores de prótons:
Resíduo de AA		Forma ácida		Forma básica
			 Doador de próton	 Receptor de próton
 Tyr			 R		OH	 R	 O-
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