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Disciplina Bioquímica (PPGBAA) 6º estudo dirigido: Enzimas 1) Discuta sobre a importância da estrutura tridimensionaldas enzimas. A importância que as enzimas assumem é que as mesmas são catalisadores altamente eficazes, geralmente aumentando as velocidades de reação por um fator de 105 a 1017, onde sua função primordial é diminuir a energia de ativação, ∆G‡, da reação, aumentando assim a velocidade das reações, de modo que o equilíbrio da reação não é afetado pela enzima. Assim a estrutura tridimensional das enzimas é fundamental para que as mesmas desenvolvam suas funções citada acima. Portanto 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. Se uma enzima for degradada até os aminoácidos que compõem, a atividade catalítica é sempre destruída. Então, as estruturas proteicas primárias, secundárias, terciárias e quaternárias das enzimas são essenciais para a atividade catalítica. Sendo importante salientar que a estrutura tridimensional de uma enzima é determinada por sua sequência de aminoácidos e sua função depende de sua estrutura. De modo que o arranjo espacial dos átomos em uma enzima é chamado de conformação, onde as conformações possíveis de uma proteína incluem qualquer estado estrutural que ela possa assumir sem a quebra de suas ligações covalentes, não esquecendo que sua conformação é estabilizada por interações fracas com os componentes das enzimas e interações hidrofóbicas que a mesma apresenta com a água, logo, no centro tem aminoácidos hidrofóbicos e no entorno os aminoácidos hidrofílicos. 2) Discuta sobre a capacidade das enzimas em catalisar reações químicas eficientemente e seletivamente para produzir energia e esqueletos carbônicos. As enzimas são catalisadores altamente eficazes e aumentam as velocidades de reação por um fator de 105 a 1017. A capacidade das enzimas em catalisar reações químicas eficientemente está relacionada ao fato de proporcionar a diminuição da energia de ativação ∆G++ da reação, aumentando a velocidade das reações, sem que haja alterações no equilíbrio dessa reação pela enzima. As reações catalisadas por enzimas se caracterizam pela formação de um complexo entre o substrato e a enzima (complexo ES), que ocorre no sítio ativo da enzima. Já a capacidade de catalisar reações químicas seletivamente ocorre por uma parte significativa da energia utilizada para aumentar a velocidade das reações serem provenientes de interações fracas (ligações de hidrogênio, interações hidrofóbicas e iônicas) entre o substrato e a enzima, que confere à enzima uma especificidade pelo seu substrato. Essa especificidade das enzimas faz com que elas possam discriminar facilmente substratos que possuam estruturas muito semelhantes ou até mesmo estereoisômeros de um mesmo composto. Sem a ocorrência da catalise, a maioria das reações nos sistemas biológicos seriam muito lentas para fornecer produtos (energia e esqueletos carbônicos) na proporção adequada para um organismo metabolizante. 3) Discuta sobre as moléculas de RNA que apresentam atividade catalítica. Moléculas de RNA que apresentam atividades catalíticas como, por exemplo, as enzimas RNA polimerases. Essas enzimas apresentam atividade catalítica no processo de transcrição do DNA, catalisando a ligação entre a extremidade 3’ OH de um nucleotídeo com a extremidade 5’ fosfato do nucleotídeo seguinte, realizando a catálise no sentido de 5’- 3’, onde utilizam uma das fitas de DNA como molde. Durante o processo de transcrição, um sistema enzimático converte a informação permanentemente à informação genética presente no seguimento de fita dupla de DNA em uma fita de RNA com uma sequência de bases complementar a uma das fitas do DNA. Ou seja, o mRNA é formão a partir da cadeia molde de DNA e este tem como função “informar” ao tRNA a ordem correta dos aminoácidos a serem sintetizados posteriormente em proteínas através da tradução desse RNA. Os fatores de transição (auxiliares da RNA-polimerase) são responsáveis por romper as ligações de hidrogênio entre as bases nitrogenadas dos dois filamentos de DNA. A RNA-polimerase executa várias funções sem a necessidade de outras enzimas, ao contrário da DNA-polimerase, que codifica o genoma inteiro. 4) Diferencie enzimas simples, enzimas complexas e holoenzimas? Dê dois exemplos de cada. A diferença que ocorre entre enzimas simples, enzimas complexas e holoenzimas se apresenta através da necessidade ou não de grupos químicos, tais como íons inorgânicos, moléculas orgânicas ou metalorgânica complexa (íons metálicos) para a realização de suas atividades catalíticas. As enzimas simples são aquelas que apresentam somente resíduos de aminoácidos onde não necessitam da adição de outros grupos químicos. Já as enzimas complexas necessitam de um componente químico adicional, o cofator, que pode ser um ou mais íons orgânicos como Fe+, Mg2+ ou Zn3+ ou uma molécula orgânica ou metalorgânica complexa, denominada coenzima. Como exemplo pode-se citar a enzima citocromo-oxidase que possui o Cu2+ como cofator e a enzima piruvato-cinase que possui o K+ como cofator. A holoenzima é a enzima complexa que se encontra ligada firmemente, ou mesmo covalentemente, a coenzima e/ou íons metálicos. Como exemplo, temos a timidilate-sintase que é a enzima ligada ao tetraidrofolato e a enzima piruvato-desidrogenase que tem a adição da coenzima pirofosfato de tiamina. 5) O que éum cofator? Qual é a sua função? Dê exemplos de quatro cofatores. O cofator é um componente químico adicional, isso pela necessidade de algumas enzimas requererem um outro grupo químico além de seus resíduos de aminoácidos para realizar sua atividades. Esses cofatores são complexos metalorgânicos (coenzimas) compostos de um ou mais íons inorgânicos, como o Fe2+, Mg2+, Mn2+ ou Zn2+. 6) O que é uma coenzima? Qual é a sua função? Dê exemplos de quatro coenzimas. As coenzimas são enzimas que necessitam de um componente químico adicional denominado cofator, que pode ser um ou mais ións inorgânicos como Fe2+, Mg2+, Mn2+, ou Zn2+ ou uma molécula orgânica ou metalorgânica complexa. As coenzimas tem funcionalidade como carreadores transitórios de grupos funcionais específicos. A maioria delas é derivada das vitaminas, nutrientes orgânicos cuja presença na dieta é necessária, mas em pequenas quantidades. Há enzimas que necessitam tanto de uma coenzima ou de um ión metálico para desenvolverem sua atividade. Deste modo, uma coenzima ou um ión metálico que se ligue muito firmemente, ou mesmo covalentemente, a enzima passar a ser denominada de grupo prostático. Como exemplos de coenzimas temos as Biocinas, a Coenzima A, Tetraidrofalato e Tiamina- pirofosfato. 7) Quais são as seis classes de enzimas? Descreva cada classe. As enzimas são classificadas de acordo com a reação que catalisam. Esta classificação divide as enzimas em seis classes, cada uma com subclasses, com base nos tipos de reação que catalisam, abaixo segue a descrição de cada uma delas com o número da classe, nome da classe e tipo de reação catalisada respectivamente: Classe nº1 – Oxidorredutases: transferência de elétrons (hidretos ou átomos de H); Classe nº2 – Transferases: reações de transferências de grupos; Classe nº3 – Hidrolases: Reações de hidrólise (transferência de grupos funcionais para a água); Classe nº4 – Liases: Adição de grupos a ligações duplas, ou formação de ligações duplas por remoção de grupos; Classe nº5 – Isomerases: Transferência de grupos dentro de uma mesma molécula produzindo formas isoméricas; Classe nº6 – Ligases: Formação de ligaçõe C-C. C-S, C-O e C-N por reações de condensação acopladas à hidrólise de ATP ou cofatores similares.8) Discuta a importância do centro ativo edo sítio ativo de uma enzima? Centro ativo é a região da enzima composta por cerca de 130 aminoácidos essenciais para atividade enzimática, onde se localiza o sítio ativo. O sítio ativo é o local exato do centro ativo, com poucos aminoácidos, onde o substrato se liga e ocorre a reação química. A importância do centro ativo e do sítio ativo de uma enzima é justamente exercer a função de catálise enzimática das reações que são essenciais para os sistemas vivos. As enzimas proporcionam um ambiente específico adequado para que uma dada reação possa ocorrer mais rapidamente. Frequentemente, o sítio ativo engloba o substrato, sequestrando-o completamente da solução. Ele também é o ponto de partida para o tratamento matemático que define o comportamento cinético das reações catalisadas por enzimas e para a descrição teórica dos mecanismos das enzimas. 9) Baseado na Figura 1 (abaixo), apresente e discuta quais são as informações que podem ser obtidas a partir dessa figura. Figura 1. A imagem acima apresenta a variação de energia livre do sistema (G) em função do progresso da reação química de transformação de um substrato (S) em produto (P) ou um produto em substrato. O ponto de partida tanto da reação direta quanto da reação inversa é denominado de estado fundamental, ou seja, é a contribuição que uma molécula média (S ou P) dá para a energia livre do sistema, sob dadas condições do sistema. Pode-se observar na figura que a energia livre do estado fundamental de P é menor do que a de S, e então ΔG’º para a reação é negativa e o equilíbrio favorece P. Esta curva de energia mostra que no inicio do progresso de reação até estado de transição existe uma barreira energética entre S e P: a energia necessária para alinhar os grupos reagentes, para a formação de cargas instáveis transitórias, rearranjos de ligações e ainda outras transformações necessárias para que a reação ocorra. Para que a reação ocorra, as moléculas devem suplantar esta barreira e atingir um nível de energia mais alto. O topo da curva de energia é um ponto a partir do qual o decaimento para o estado S ou para o estado P tem a mesma probabilidade. Isto é chamado de estado de transição. O estado de transição não é uma forma química com alguma estabilidade significativa e não deve ser confundido com os intermediários da reação (como ES ou EP). O estado de transição é um momento molecular transitório na qual eventos como a quebra de ligação, a formação de ligação ou o desenvolvimento de cargas ocorrem com mesma probabilidade de seguirem tanto para formar novamente substrato como para formar o produto. A diferença observada entre os níveis energéticos do estado basal e o estado de transição é a energia de ativação. A velocidade da reação reflete esta energia de ativação: uma energia de ativação maior corresponde a uma reação mais lenta. Na figura estão indicadas as reações SP e PS, onde se pode notar que a reação do PS exige maior energia de ativação, sendo esta de menor ocorrência em relação a reação de SP que exige menor energia de ativação. A figura também indica a variação total da energia livre padrão na direção SP. 10) Baseado na Figura 2 (abaixo), discuta o papel das enzimas em uma reação química catalisada por um catalisador biológico. Figura 2. A figura 2 demonstra o diagrama de coordenadas de reação comparando uma reação catalisada com uma não-catalisada, mostrando as mudanças da energia livre no sistema em função do progresso da reação química, Na reação S P, os intermediários ES e EP ocupam o nível mínimo na curva da progressão da energia de uma reação catalisada por enzima. Os termos ΔG não catalisada e ΔG catalisada correspondem, respectivamente, à energia de ativação da reação não catalisada e à energia de ativação total da reação catalisada. Pode-se observar que a energia de ativação é menor quando a reação é catalisada por uma enzima. Os catalisadores (enzimas) aumentam a velocidade das reações por diminuírem as energias de ativação. O papel da enzima é acelerar a interconversão entre S e P. A enzima não é gasta no processo é o ponto de equilíbrio não é afetado. Pode-se observar na figura que a energia livre do estado fundamental de P é menor do que a de S, e então ΔG’º para a reação é negativa e o equilíbrio favorece P. O topo da curva de energia é um ponto a partir do qual o decaimento para o estado S ou para o estado P tem a mesma probabilidade. Isto é chamado de estado de transição e é menor para a reação catalisada. O estado de transição não é uma forma química com alguma estabilidade significativa e não deve ser confundido com os intermediários da reação (como ES ou EP). O estado de transição é um momento molecular transitório na qual eventos como a quebra de ligação, a formação de ligação ou o desenvolvimento de cargas ocorrem com mesma probabilidade de seguirem tanto para formar novamente substrato como para formar o produto. A diferença observada entre os níveis energéticos do estado basal e o estado de transição é a energia de ativação. Esta é menor para a reação catalisada por enzimas, sendo este o motivo pela qual a velocidade da reação é mais rápida. 11) Discuta a importância da energia de ativação na manutenção de estruturas altamente organizadas? A energia de ativação consiste na quantidade de energia necessária para converter todas as moléculas de 1 mol de uma substância reagente do estado mais estável para o estado de transição. Portanto a energia de ativação funciona como uma barreira energética que não permite que o mais alto grau hierárquico estrutural da célula, apresente danos de ser convertido em unidades monoméricas, pois as células gastam muita energia para conseguir alcançar o quarto nível de organização, isto é, as célula e suas organelas, que ocorre através das moléculas monoméricas que interagem entre si, através das ligações covalentes, para formar as macromoléculas que posteriormente através das ligações de hidrogênio entre grupos polares, interações iônicas entre grupos carregados, interações hidrofóbicas entre grupos apolares em solução aquosa, e, interações de van de Waals, formam os complexos supramoleculares que consequentemente a partir da estabilização das suas agregações geram estruturas singulares alcançando o último nível hierárquico que é a célula e suas estruturas. Deste modo, a energia de ativação é de supra importância para manter a estrutura da célula altamente organizada, e assim, as mesmas, possam realizar todos os seus processos metabólicos. 12) Baseado na Figura 3 (abaixo), discuta o efeito da concentração do substrato na velocidade inicial de uma reação catalisada por enzima. Figura 3. O gráfico apresentado (figura 3) mostra o efeito da variação da concentração de substrato [S] sobre a velocidade inicial (V0) quando a concentração da enzima é mantida constante. Na velocidade inicial, observam-se concentrações relativamente baixas de substratos e a V0 aumenta quase linearmente com o aumento de [S]. Já em altas concentrações de substrato, V0 aumenta em pequenas quantidades em resposta ao aumento de [S]. Finalmente, é atingido um ponto além do qual um aumento em V0 é insignificantemente pequeno com o aumento [S]. Esta região de V0 tipo platô está próxima á velocidade máxima, Vmax. Em baixas [S], a maior parte da enzima está na forma não combinada (E). Assim, a velocidade é proporcional a [S] porque o equilíbrio (E + S ES) é impelido na direção da formação de mais ES à medida que [S] aumenta. A velocidade inicial máxima de uma reação catalisada (Vmáx) ocorre quandoquase toda a enzima estiver presente como complexo ES e [E] é desprezível. Nessas condições, a enzima está “saturada” com o substrato, então um incrimento de [S] não provoca efeito na velocidade. Esta condição ocorre quando [S] for alta o suficiente para que essencialmente toda a enzima livre se converta na forma ES. Após o rompimento do complexo ES dando produto (P), a enzima fica livre para catalisar a reação de mais uma molécula do substrato. A saturação é uma característica que diferencia a catalise enzimática, sendo responsável pelo platô observado na figura 3. Por vezes, o padrão mostrado na figura 3 é denominado cinética de saturação. 13) Michaelis-Menten deduziram uma equação que permite calcular a velocidade inicial da reação (V0) para qualquer concentração do substrato. Comente sobre a importância dessa equação. Michaelis e Menten deduziram esta equação da velocidade inicial V0 = (Vmáx [S]) / (Km + [S]) partindo da sua hipótese básica de que a etapa limitante da velocidade em uma reação enzimática é a quebra de complexo ES em produto e enzima livre. Ela define a relação quantitativa entre a velocidade inicial, V0, a velocidade máxima, Vmáx e a concentração inicial de substrato [S], todas relacionadas pela constante de Michaelis e Menten, Km. Pode-se observar que Km tem unidades de concentração. Esta equação se ajusta às observações experimentas. Isto pode ser confirmado considerando as situações limitantes nas quais [S] é muito alta ou muito baixa. Uma relação numérica importante emerge da equação no caso especial quando V0 é exatamente metade da Vmáx. Esta é uma definição prática e muito útil de Km, onde Km equivale à concentração do substrato na qual V0 é metade de Vmáx. A equação de Michaelis-Menten pode ser transformada algebricamente em uma versão que é útil para a determinação prática de Km, Vmáx e na análise da ação de inibidores. 14) Discuta sobre a importância dos parâmetros: Km, Kcat e eficiência catalítica (Kcat/Km)? A constante de Michaelis-Mentem (Km) é um parâmetro cinético de determinação da afinidade da enzima pelo seu substrato. Quanto menor o Km, maior será a afinidade da enzima pelo substrato, pois se uma enzima tiver um valor baixo de Km, ela atingirá a máxima eficiência catalítica em baixas concentrações de substrato. A constante catalítica(Kcat) também é um parâmetro cinético que determina a especificidade da enzima pelo seu substrato. Quanto maior o Kcat, maior será a especificidade enzima- substrato. O Kcat equivaleao número de moléculas de substrato convertidas em produto por unidade de tempo atravésde uma única molécula de enzima quando a mesma estiver saturada com o substrato. Estes parâmetros são úteis para estudar e comparar enzimas distintas. Cada enzima tem valores de Kcat e Km que refletem o ambiente celular, a concentração de substrato normalmente encontrada in vivo pela enzima e a química da reação que é catalisada. Esses parâmetros também possibilitam avaliar a eficiência cinética das enzimas. A melhor maneira de comparar essa eficiências, ou o número de vezes que diferentes substratos são catalisados por uma mesma enzima, é comparar a relação Kcat/Km para as duas relações. Este parâmetro, algumas vezes denominado constante de especificidade, é a constante de velocidade para a conversão de E + S (estrato + substrato) em E + P (estrato + produto). Assim quanto maior for a Kcat, consequentemente, maior será a eficiência da enzima na catalisação em uma reação química. 15) Cite os fatores que afetam a atividade enzimática. Os fatores que afetam a atividade enzimática são: Agentes desnaturastes, Concentração de enzimas, Concentração salina, Concentração de substratos, inibidores enzimáticos, pH e Temperatura. 16) Quais são as quatro classes de inibidores enzimáticos? Comente sobre a importância dos inibidores enzimáticos. Os quatro inibidores enzimáticos são estes inibidor competitivo, inibidor incompatível, inibidor misto, e inibidor irreversível. Os inibidores de enzimas são moléculas que interferem com a catalise, diminuído ou então interrompendo as reações enzimáticas, de modo, que elas catalisam quase todos os processos celulares, e estes inibidores estão entre os medicamentos mais importantes, como é caso da aspirina que inibe a enzima que catalisa a primeira etapa da síntese das postaglandinas, que está em envolvido em processos que envolve a dor. A importância de entendimento dos inibidores enzimáticos fornece uma rica informação sobre os mecanismos enzimáticos, e ainda ajudam a desvendar vias metabólicas. Os quatro inibidores citados a cima, tem a seguinte importância: Inibição competitiva Um tipo de inibição enzimática revertida pelo aumento da concentração do substrato, onde um inibidor competitivo geralmente compete com o substrato normal ou com o ligante por um sítio de ligação na proteína. Inibição incompetitiva O padrão de inibição reversível que resulta da ligação de uma molécula do inibidor ao complexo enzima-substrato, mas não à enzima livre. Inibição mista O padrão de inibição reversível que resulta quando uma molécula do inibidor se liga tanto à enzima livre como ao complexo enzima-substrato (não necessariamente com a mesma afinidade). Inibição irreversível Quando ocorre a ligação covalente ou destruição de um grupo funcional da enzima, que é essencial para a atividade enzimática. 17) Qual é a importância das enzimas regulatórias? Dê dois exemplos. Enzimas regulatórias são um grupo de enzimas que trabalha juntas ou em ordem sequencial que promovem os processos metabólicos. Nesses sistemas, o produto da reação de uma enzima se torna o substrato para a próxima enzima. A importância das enzimas regulatórias se refere ao aumento ou diminuição da atividade catalítica em resposta a certos sinais. Ajustes na velocidade das reações catalisadas por enzimas regulatórias e, portanto, na velocidade da sequência metabólica inteira permitem que as células atendam as necessidades de energia e das biomoléculas de que precisam para crescerem e se manterem. Na maior parte dos sistemas multienzimáticos, a primeira enzima da sequência é uma enzima regulatória. Esse é o ponto excelente para regular uma via, pois mesmo a catalise das primeiras reações de uma sequência que leve a um produto desnecessário desvia energia e metabolitos que são necessários para processos mais importantes. Outras enzimas da sequência podem ter papeis mais sutis na modulação do fluxo através da via. As atividades das enzimas regulatórias podem ser moduladas por ligações químicas não covalentes (enzimas alostéricas), que geralmente são metabólitos pequenos ou cofatores, como exemplo, a enzima aspartato-transcarbamoilase; e por ligações químicas covalentes reversíveis (outras enzimas), apresentando um efeito modulador positivo (estimulador) ou negativo (inibidor), apresentando resposta rápida, como exemplo de ligações químicas covalentes reversíveis, temos o grupo fosfato (que sofre esse tipo de modificação). A fosforilação de resíduos de aminoácidos específicos é uma maneira muito comum de regular a atividade de enzimas. 18) Qual é a importância das enzimas alostéricas? Dê dois exemplos. A importância das enzimas alostéricas está no fatos delas serem proteínas que possuem conformações induzidas pela ligação de um ou mais moduladores que interconvertem formas mais e menos ativas da enzima. A atividade dessas enzimas é ajustada pela ligação reversível de um modelador específico para um sítio regulador, podendo ativar ou inibir a reação de conversão de substrato em produtos da reação. O comportamento dessas enzimas demonstra as interações cooperativas entre as subunidades enzimáticas. Como exemplo, tem-se o asparto transcarbamoilase (ATCase) e a treonina-desidratase(E1). 19) Dados os parâmetros cinéticos da enzima A: Kcat= 600 s -1 Concentração total da enzima [Et]= 20 nM Concentração do substrato [S]= 40 µM Velocidade inicial (V0) da reação= 9,6 µM.s -1 Calcule o Km para o substrato. O que representa esse valor? Solução: A equação V0=(Kcat[Et][S])/(Km + [S]) de Michaelis-Menten tem Vmáx substituído por Kcat, logo é a mais apropriada para resolver este problema. Substituindo valores nesta equação pode obter o valor de Km. 9,6µMs-1 = (600s-1x0,020µMx40µM)/(Km + 40µM) 9,6µMs-1= 480µM2s-1/Km+40µM 9,6µMs-1 (Km + 40µM) = 480 µM2s-1 Km + 40 µM = 480 µM2s-1/9,6µMs-1 Km + 40µM = 50 µM Km = 50 µM - 40µM Km = 10 µM Referências Bibliográficas LEHNINGER, A. L.. Princípios de Bioquímica. 4. ed. São Paulo: Savier, 1202 p. 2006. CAMPBELL, M. K.. Bioquímica. 3. ed. Porto alegre: Artmed, 752 p. 2000. VOET, D.; VOET, J.; PRATT, W. C. Fundamentos de Bioquímica. Porto Alegre: Artes Médicas Sul. 2000. Anotações da aula de Enzimas.
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