Enzimas: Funções e Mecanismos de Catalise

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· Enzimas:
· Funções: catalisam reações químicas, quebram nutrientes para converter em energia. Enzimas catalisam a conversão de um ou mais substratos em um ou mais produtos.
· Importância médica: participam da quebra de nutrientes para fornecer energia e blocos quimicos de construção; para a construção de proteínas, DNA, membranas, células e tecidos utilizando esses blocos químicos; e para o aproveitamento da energia para a motilidade celular, função neural e contração muscular.
· Enzimas não são consumidas nem alteradas permanentemente. As enzimas são altamente seletivas. Enzimas se ligam a um tipo de substrato especifico ou ao isômero do composto.
· Exceto por um pequeno grupo de moléculas de RNA catalíticas, todas as enzimas são proteínas.
· A atividade catalítica depende da integridade das suas conformações nativas. Se uma enzima for desnaturada ou dissociada nas suas subunidades, geralmente a atividade catalítica é perdida.
· Ribozimas: RNAs ribossomais e algumas moléculas de RNA contendo atividade de endonuclease ou de nucleotídeo ligase.
· Classificação: são classificadas pelo tipo de reação. Sufixo “ase”.
· Oxidorredutase: enzimas que catalisam oxidações e reduções.
· Transferase: enzimas que catalisam a transferência de moléculas como os grupamentos glicosil, metil ou fosforil.
· Hidrolases: enzimas que catalisam a clivagem hidrolítica de ligações C-C, C-O, C-N e outras ligações covalentes.
· Liases: enzimas que catalisam a clivagem de ligações C-C, C-O, C-N e outras ligações por meio da eliminação de átomo, gerando duplas ligações.
· Isomerases: enzimas que catalisam alterações geométricas ou estruturais dentro de uma molécula.
· Ligases: enzimas que catalisam a união (lig) de duas moléculas nas reações acopladas a hidrólise do ATP.
· Grupamentos prostético, cofatores e coenzimas: muitas enzimas contem pequenas moléculas ou íons metálicos que participam diretamente da ligação ao substrato ou da catálise. Eles aumentam o repertorio de capacidades catalíticas além das conferidas pelo número limitado de grupamentos funcionais presentes nas cadeias laterais aminoacil dos peptídeos.
· Grupamentos prostéticos: firmemente integrados a estrutura das enzimas por meio de forças covalente e não covalentes.
· Cofatores: podem se associar diretamente a enzima ou na forma de um complexo cofator-substrato. Ao mesmo tempo que os cofatores desempenham funções semelhantes as dos grupamentos prostéticos, eles ligam-se de forma transitória e dissociável. Consequentemente, ao contrário dos grupamentos protéticos associados, os cofatores devem estar presentes no meio que circunda a enzima para que a catalise ocorra.
· Coenzimas: atuam como transportadores recicláveis que conduzem muitos substratos de um ponto a outro dentro da célula. A função desses transportadores e dupla. Primeiro, eles estabilizam espécies como átomos de hidrogênio (FADH) ou íons hidreto (NADH) que são muito reativos para persistir durante qualquer tempo significativo na presença de água ou moléculas orgânicas que permeiam células. Segundo, eles servem como um adaptador ou uma alavanca que facilita o reconhecimento e a ligação de pequenos grupos químicos, como acetato (coenzima A) ou glicose (UDP), por suas enzimas-alvo
1. Holoenzimas: Uma enzima completa, cataliticamente ativa junto com a sua coenzima e/ou íons metálicos.
2. Apoenzima ou apoproteína: A parte proteica de uma dessas enzimas é denominada. 
· Como funcionam as enzimas: A propriedade característica das reações catalisadas por enzimas é que a reação ocorre confinada em um bolsão da enzima denominado sítio ativo. A molécula que liga no sítio ativo e sobre a qual a enzima age é denominada substrato. O contorno da superfície do sítio ativo é delimitado por resíduos de aminoácidos com grupos nas cadeias laterais que ligam o substrato e que catalisam a sua transformação química.
· Mecanismos de catalise:
· Catalise por proximidade: Para que as moléculas reajam, elas devem estar em uma distância que possibilite a formação da ligação. Quanto maior as suas concentrações, maior e a frequência com que elas irão “se encontrar” e maior será a velocidade de suas reações. Quando uma enzima liga moléculas de substrato ao seu sitio ativo, ela cria uma região de alta concentração de substrato no local, de forma que as moléculas de substrato são orientadas na posição ideal para interagirem quimicamente. Isso resulta em melhorias da taxa de pelo menos mil vezes sobre a mesma reação não catalisada enzimaticamente.
· Catálise ácido-base: Distinguem-se dois tipos de catalise ácidobasica. A catalise especifica acida ou básica refere-se a reações para as quais os únicos participantes ácidos ou básicos são prótons ou ions hidróxidos. A taxa de reação, então, e sensível a variação na concentração de prótons ou íons hidróxidos, mas e independente da concentração de outros ácidos (doadores de prótons) ou bases (aceptores de prótons) presentes na solução ou no sitio ativo.
· Catálise covalente: processo da catalise covalente envolve a formação de uma ligação covalente entre a enzima e um ou mais substratos. A enzima modificada, então, torna-se um reagente. A catalise covalente introduz uma nova reação, cuja energia de ativação e menor – e, portanto, a reação e mais rápida – que a trajetória da reação em solução homogênea. O estado da enzima quimicamente modificada e, no entanto, transitório. Ao termino da reação a enzima retorna ao seu estado original não modificado. Dessa maneira, a sua função de catalise permanece. A catalise covalente e particularmente comum entre as enzimas que catalisam as reações de transferência de grupamento. Os resíduos na enzima que participam na catalise covalente geralmente são a cisteina ou a serina e, ocasionalmente, a histidina
· Catálise por tensão: As enzimas que catalisam reações líticas, transformações químicas que envolvem quebra de uma lig. cov., geralmente ligam seus substratos em uma conformação um tanto desfavorável para a ligação-alvo de clivagem. Essa conformação imita a do estado intermediário de transição, uma espécie transitória que representa o estado de transição, ou o ponto intermediário na transformação de substratos em produtos. A tensão resultante estira ou distorce a lig.-alvo, enfraquecendo-a e tornando-a mais vulnerável a clivagem.
· Modelo de ajuste induzido: quando os substratos se aproximam e se ligam a uma enzima, eles induzem uma alteração conformacional análoga a colocar uma mão (substrato) em uma luva (enzima). A enzima, por sua vez, induz alterações reciprocas em seus substratos, mantendo a energia de ligação para facilitar a transformação dos substratos em produtos.
· Proteínas homólogas: A maioria das famílias de enzimas parece ter surgido por meio de eventos de duplicação genica que criaram uma segunda cópia do gene que codifica uma determinada enzima. Os dois genes, e consequentemente suas proteínas codificadas, podem então evoluir de maneira independente, formando homólogos divergentes que reconhecem substratos diferentes. O ancestral comum de enzimas pode ser deduzido a partir da presença de aminoácidos específicos na mesma posição em cada membro da família. Esses resíduos são chamados de resíduos conservados.
· Isoenzimas: Com frequência, os organismos superiores elaboram diversas versões fisicamente distintas de uma determinada enzima, e cada uma delas catalisa a mesma reação. Originam-se por meio da duplicação do gene. Podem ter diferenças sutis em propriedades, como sensibilidade a determinados fatores reguladores ou afinidade ao substrato (p. ex.,a hexocinase e a glicocinase) que as adapta a tecidos ou circunstancias especificas, em vez de especificidades a substratos distintos. As isoenzimas que catalisam reações identicas também podem aumentar a sobrevivência, fornecendo uma “cópia de segurança” de uma enzima essencial.
· Atividade catalítica: Atividade catalítica: As quantidades relativamente pequenas das enzimas presentes nas células complicam a determinação de sua presença e concentração. No entanto, a amplificação conferidapor sua capacidade de transformar rapidamente milhares de moléculas de um substrato especifico em produtos confere a cada enzima.
· Enzimas como biomarcadores: enzimas são constituintes funcionais do sangue. Os exemplos incluem a pseudocolinesterase, a lipase lipoproteica e os componentes da cascata que iniciam a coagulação sanguínea e a dissolução do coagulo. Outras enzimas são liberadas no plasma após lesão ou morte celular. Como essas ultimas enzimas não realizam funções fisiológicas no plasma, elas podem servir como biomarcadores, moléculas cujo aparecimento ou níveis pode auxiliar no diagnóstico e no prognostico de doenças ou de dano em algum tecido especifico. Após a lesão, a concentração plasmática de uma enzima liberada pode subir de maneira precoce ou tardia, podendo diminuir de modo rápido ou lento. A análise quantitativa da atividade das enzimas liberadas ou de outras ptn,
geralmente no plasma ou no soro, mas também na urina ou em várias células, fornece informações relacionadas ao diagnostico, ao prognostico e a resposta ao tratamento. Os ensaios da atividade enzimática muitas vezes empregam ensaios cinéticos padronizados das velocidades ini-ciais de reação. 
· Uso clínico adicional: As en-zimas também podem ser empregadas em laboratório clinico como instrumentos para determinar a concen-tração de metabolitos críti-cos. As enzimas são empre-gadas com crescente fre-quência como instrumentos para o tratamento da lesão e da doença.
· Cinética enzimática: A cinética enzimática, que representa a medida quantitativa da velocidade das reações catalisadas por enzimas e o estudo sistemático dos fatores que afetam essas velocidades, constitui uma ferramenta central para analise, diagnóstico e tratamento do desequilíbrio enzimático que fundamenta inúmeras doenças humanas.
· Sitio ativo: Formado pelos aminoácidos não dispostos em sequência na estrutura primária, mas que promovem a catálise da transformação do substrato em um produto.
· Importância: diminui a energia de ativação da reação
· Análise quantitativa da atividade de uma enzima: Consumo de substrato. Formação de um produto. Transformação de uma coenzima.
· Atividade da enzima: Vários fatores afetam a atividade de uma enzima – pH, temperatura e substrato. Mas, o parâmetro mais importante para comparar a atividade e o tipo de reação das enzimas é a concentração do substrato.
1. Afetada pelo pH: O pH pode influenciar a atividade de uma enzima através de maneiras distintas. Primeiramente, o pH pode levar à desnaturação proteica. O pH também pode interferir na atividade de uma enzima alterando o padrão de cargas de um determinado sítio ativo ou catalítico, ou alterando a conformação geral da ptn.
2. Afetada pela temperatura: O aumento de temperatura aumenta a taxa de reação enzimática devido ao aumento de energia cinética das moléculas participantes da reação. A temperatura pode interferir nas interações que mantém as estruturas secundárias e terciárias (pontes de hidrogênio e interações hidrofóbicas), podendo levar à desnaturação proteica.
3. Concentração do substrato: as reações enzimáticas são tratadas como se tivessem apenas um substrato e um único produto. Para as enzimas com múltiplos substratos, os princípios discutidos aplicam-se com igual validade. Para uma enzima comum, a medida que a concentração do substrato e aumentada, a vi aumenta até que alcance um valor máximo, Vmax . Quando o aumento adicional na concentração do substrato falha em aumentar vi, diz-se que a enzima esta “saturada” com o substrato.
· Equação de Michaelis-Menten: A equação de Michaelis-Menten, em termos matemáticos, a relação entre a velocidade de reação inicial vi e a concentração do substrato [S]. O K m é um importante parâmetro da reação enzimática e da função biológica. OK m fornece uma medida da [S] para que ocorra uma catálise significativa. Enzimas diferem muito no Km → Depende do substrato e das condições experimentais: Temperatura, sais, pH, etc.. .Km e a V máx variam de enzima para enzima e podem variar também com o substrato em uma mesma enzima. O Km reflete a afinidade de uma enzima por seu substrato. Km alto → Glicoquinase K m baixo → Hexoquinase.
1. Km (constante de Michaelis): É a concentração do substrato onde se obtém a metade da velocidade máxima da reação. Variações de Km: A maioria das pessoas tem 2 formas de aldeído desidrogenase, uma mitocondrial com baixo K m e uma citoplasmática com alto Km . Em alguns japoneses e chineses, muito menos álcool é necessário para gerar vasodilatação, rubor facial e aceleração dos batimentos cardíacos. Na enzima mitocondrial, o 487º aa (de 500 aa) está trocado (de glutamato → lisina), isso aumenta o Km de 30 µM para 7000 µM; O excesso de acetaldeído não metabolizado no citosol vai para o sangue.
2. Vmáx: É o número de moléculas do substrato que uma enzima pode converter em produto por unidade de tempo, quando a enzima está totalmente saturada com o substrato.
· Inibições enzimáticas: A atividade de todas as enzimas pode ser inibida por determinadas moléculas. Os inibidores são moléculas que interferem com a catálise diminuindo ou interrompendo a reação enzimática.
· Classificação dos inibidores enzimáticos:
1. Reversíveis - Inibição competitiva: inibidor compete com o substrato pelo sitio ativo da enzima; Inibidor tem estrutura molecular semelhante à do substrato; V max é constante na presença do inibidor devido à grande quantidade de substrato.
2. Reversíveis - Inibição não competitiva: Independente da concentração do substrato o V max irá diminuir.
3. Irreversíveis: Inibidor se liga de maneira estável ou covalente com um grupo funcional importante para a atividade enzimática; Utilizados experimentalmente para definir os aminoácidos essenciais do centro ativo das enzimas; Inativar determinadas enzimas em situações biológicas importantes.
· Regulação enzimática: A regulação das atividades enzimáticas é essencial para coordenar os numerosos processos metabólicos do organismo; As velocidades da maioria das reações enzimáticas respondem às mudanças nas concentrações de substrato; Existem formas de regulação a curto prazo e a longo prazo.
· Fluxo de metabólitos tende a ser unidirecional: Embora todas as reações químicas sejam reversíveis em alguma extensão, nas células vivas, os produtos de reação servem como substratos para – e são removidos por – outras reações catalisadas por enzimas.
· Compartimentalização: Em eucariotos, as vias anabólicas e catabólicas que sintetizam e degradam biomoléculas comuns são, com frequência, fisicamente separadas uma da outra. Certas vias metabólicas residem apenas dentro de tipos celulares especializados ou em compartimentos subcelulares distintos de uma célula. Ex.: Degradação de proteínas e polissacarídeos: lisossomos, síntese de ácidos graxos: citosol, oxidação de ácidos graxos: mitocôndria.
1. Controle a enzima limitante do processo: A enzima ideal para a intervenção reguladora é aquela cuja quantidade ou eficiência catalítica dita que a reação catalisada por ela é lenta em relação a todas as outras da via. Ex.: acetil-CoA-carboxilase.
2. Indução e repressão da síntese de enzimas: As proteínas existem em um estado de “equilíbrio dinâmico” onde são continuamente sintetizadas e degradadas – turnover proteico; As concentrações de algumas enzimas podem ser influenciadas por uma ampla gama de fatores fisiológicos, hormonais ou nutricionais; Este mecanismo de regulação é mais lento.
· Regulação enzimática: A capacidade catalítica da reação limitante da velocidade em uma via metabólica e o produto da concentração das moléculas de enzima e sua eficiência catalítica intrínseca. Portanto, a capacidade catalítica pode ser controlada com a variação da quantidade de enzimas presentes, com a alteração de sua eficiência catalítica intrínseca ou com a combinação de ambas.
· Controle da síntese enzimática: A síntese de determinadas enzimas depende da presença de indutores, geralmente substratos ou compostos quimicamente relacionados, que estimulam a transcrição do geneque os codificam.
· Regulação por modificação covalente: a indução da síntese proteica e um processo complexo de múltiplas etapas que, em geral, requer horas para produzir alterações significativas no nível enzimático total. Em contrapartida, as alterações na eficiência catalítica intrínseca efetuadas pela ligação de ligantes dissociáveis (regulação alostérica) ou por modificação covalente levam a regulação da atividade enzimática dentro de segundos. Consequentemente, as alterações nos níveis de proteína, em geral, ocorrem em situações que requerem adaptações a longo prazo, ao passo que as alterações na eficiência catalítica são mais adequadas para as alterações rápidas e transitórias no fluxo de metabólitos.
· Pró-enzimas ou zimogênios: Proteínas precursoras inativas. Facilita mobilização rápida e atividade frente à demanda fisiológica. Processo irreversível; Ex.: quimotripsinogênio e pepsinogênio.
· Enzimas alostéricas: Não obedecem a Cinética de Michaelis-Menten. Quanto maior a [S] maior será a atividade da E até esta alcançar o V max . A curva da V x [S] é sigmoide. Sistema cooperativo → responde a presença de um modulador.
· Regulação da atividade enzimática: Expressão diferencial de Isoenzimas: enzimas que catalisam a mesma reação mas com diferentes atividades expressas em diferentes tecidos/órgãos ou período. São similares em Estrutura 1ª, 2ª, 3ª e 4ª. Possuem o mesmo mecanismo de catálise. Distintos parâmetros cinéticos (Km ) e nos mecanismos de regulação.
· Expressão diferencial de Isoenzimas: Enzimas que catalisam a mesma reação mas com diferentes atividades expressas em diferentes tecidos/órgãos ou período; Permitem um ajuste fino do metabolismo por satisfazer as necessidades de um tecido/órgão ou estágio de desenvolvimento.