ESTUDO DIRIGIDO ENZIMAS

Prévia do material em texto

ESTUDO DIRIGIDO – ENZIMAS 
Curso: Bacharelado em Biomedicina – UFDPar/2020.1 
 
01- Substratos podem ser “transformados” por ação de catalisadores químicos-não biológicos ou por enzimas. Explique a diferença de atuação/mecanismo desses catalisadores nesse processo de ação sobre o substrato. 
 As enzimas são catalisadores biológicos que agem de forma específica e são utilizadas para transformar os nutrientes em substâncias que possam ser usadas pelas células. A atuação específica com o substrato, cria um composto intermediário que se decompõe facilmente gerando os produtos. Os catalisadores não biológicos são substâncias químicas, em geral inorgânicas, que aumentam a velocidade de reações químicas, faz com que reações espontâneas que acontecem de forma muito lenta, com a adição de platina em pó por exemplo, na reação do gás oxigênio com o gás carbônico ocorra imediatamente. Uma das principais vantagens das enzimas é a alto régio e enantiosseletividade que possuem, por causa do mecanismo chave-fechadura, as enzimas catalisam um único tipo de substrato ou uma determinada classe de moléculas semelhantes. Com a capacidade de seletividade, o produto é obtido de maneira mais pura, sem muitos subprodutos, o que diminui o custo de produção, já que muitas vezes não é necessário um processo de purificação de produtos. Além disso, as enzimas atuam em condições mais amenas de temperaturas e pressões, em relação aos catalisadores químicos, o que provoca uma atenuação no consumo energético total do processo. No entanto, as reações químicas realizam-se de forma mais rápidas em relação às reações enzimáticas, o que torna o processo químico ainda muito utilizado industrialmente.
02- Considerando a estrutura molecular de uma enzima, o que garante a especificidade dela sobre o seu substrato? Comente. 
 
 O que garante a especificidade das enzimas são o seu tamanho e a forma tridimensional que forma regiões de afinidade com o substrato. O contato com a molécula do substrato induz mudanças conformacionais nas enzimas, que diminui as interações com os resíduos do sítio ativo.
03- O que são cofatores e coenzimas? Discorra sobre a importância deles na ação de catálise enzimática. 
 
 Cofator é uma sustância inorgânica, já as coenzimas são moléculas orgânicas complexas. A importância do cofator e da coenzima na catálise enzimática é que a coenzima fica unida a uma enzima, dessa forma possuem a função catalítica, e o cofator também fica unido a uma proteína. Dessa forma, sem a coenzima a enzima não consegue desempenhar a função catalítica e sem o cofator a enzima fica inativa.
4- Explique, fazendo correlação entre elas e no âmbito molecular/enzimático, sobre o que vem a ser: A- Energia Livre; B- Variação de Energia Livre e C- Energia Livre de Ativação (“Energia Livre de Ativação de Gibbs”). 
As enzimas aumentam a velocidade da reação por diminuírem a energia de ativação. Porém, não são gastas no processo e o ponto de equilíbrio não é afetado. Essa diminuição da energia de ativação ocorre através de ligações covalente transitórias entre grupos funcionais catalíticos da enzima com o substrato, ativando-o para reação, ou um grupo sendo transitoriamente transferido do substrato para a enzima. 
Além disso, boa parte da energia necessária para diminuir a energia de ativação vem de interações fracas entre substrato e enzima. 
O complexo Enzima-Substrato é estabilizado pelas mesmas forças que estabilizam a estrutura das proteínas, a formação de interações fracas que liberam uma pequena quantidade de energia livre. Essa energia é denominada energia de ligação e é a principal fonte de energia livre usada pelas enzimas para a diminuição da energia de ativação das reações, isto é, ela compensa parcialmente a energia necessária para atingir o topo da curva de energia. 
A variação de energia livre real de uma reação específica depende das concentrações dos produtos, reagentes, calor, e pH, mas não é afetada pelo caminho da reação ou catálise enzimática. Sobre condições padrão de (temperatura, pressão e pH) a variação de energia livre pode ser medida, já que ele ocorre somente nessas condições específicas pela substituição das novas concentrações dos reagente e produtos no final da reação.
 
5- Experimentalmente, observa-se que, com o passar do tempo, a velocidade de formação do produto catalisado por enzima se estabiliza. Porque isso ocorre? 
O equilíbrio da reação está de maneira inflexível associado à variação da energia livre padrão da reação, e a velocidade da reação está ligada à energia de ativação. 
A energia necessária para diminuir a energia de ativação provém de interações fracas não covalentes entre substrato e enzima. E o que distingue as enzimas de outros catalisadores é a formação de um complexo ES específico. A interação entre substrato e enzima nesse complexo é mediada pelas mesmas forças que estabilizam a estrutura das proteínas, incluindo ligações de hidrogênio e interações hidrofóbicas e iônicas. Onde a formação de cada interação fraca no complexo ES é acompanhada pela liberação de uma pequena quantidade de energia livre que estabiliza a interação. Explicando o porquê da velocidade de formação do produto catalisado por enzima se estabiliza. 
6 - O estudo da velocidade das reações químicas pode ser considerado complexo. Entretanto, para a cinética enzimática, esse aspecto pode ser mais facilmente compreendido ao explorar a equação proposta por Michaelis & Menten. Comente acerca da equação, enfatizando e correlacionando os termos que a constitui.
A equação de Michaelis-Menten é um modelo que descreve a taxa de reações enzimáticas, relacionando taxa de reação V ( velocidade da reação), com a concentração de um substrato S, já que tal concentração S influencia na velocidade de reação(catálise) até um ponto máximo, chamado ponto de saturação, ocorrendo a absorção máxima possível da substância. Ou seja, a velocidade de reação é representada como uma função da concentração do substrato, e assim trazendo consigo uma eficiência na medida com que a enzima converte um substrato em produto (eficiência catálitica). Com tudo isso a curva de velocidade de reação em função do aumento da concentração de substrato para as enzimas do tipo Michaelis-Menten, é uma hipérbole retangular. 
7 – O que são enzimas alostéricas e porque as mesmas não obedecem a cinética da equação de Michaelis-Menten? Explique. 
 As enzimas alóstericas são os tipos de proteínas que colaboram juntas em vias sequenciais para realizar um processo metabólico, sendo que nessa atividade o PRODUTO da reação de uma enzima torna-se o nutriente(SUBSTRATO) da próxima enzima, e então são reguladas através de alterações não-covalentes, possuindo uma região de regulação(sítio regulatório), no qual se ligam compostos químicos chamados de moduladores alostéricos que podem atuar tanto como inibidores, ou como ativadores da reação enzimática, ou seja, podem promover a diminuição ou o aumento da atividade enzimática celular. Dessa forma verifica-se que as enzimas alostéricas são proteínas que apresentam duas conformações estruturais diferentes uma ativa e a outra inativa, a fim de que forneça um equilíbrio na velocidade de reações na formação do produto(catálise), permitindo que a célula alcance suas necessidades energéticas e de biomoléculas requeridas no crescimento e reparo celular. 
As enzimas alostéricas são um dos tipos de enzimas que não podem ser explicadas pelo modelo de 
Michaelis-Menten pois enzimas alostéricas têm, particularmente, variados sítios ativos e normalmente apresentam cooperatividade, significando que a ligação de um substrato a um sítio ativo aumenta a habilidade de outras regiões ativas ligarem-se e processarem nutrientes. 
E sendo enzimas que atuam em colaboração são mais sensitivas em seus estímulos a mudanças na concentração do substrato que outras enzimas e apresentam uma transição à medida que a concentração do mesmo se eleva. Isso corresponde a uma velocidade vs a concentração do substrato. Ou seja, quando a velocidade inicial écolocada em um gráfico contra a concentração do substrato, resulta em uma curva sigmóide em formato de S e não uma curva hiperbólica. 
8- Discorra sobre os tipos de mecanismos de inibição enzimática e exemplifique, um deles, usando um medicamento como inibidor. 
 Inibição enzimática 
Os inibidores irreversíveis se ligam ao sítio ativo das enzimas levando a inativação definitiva desta, de modo a formar um complexo fixo, ou seja, há constituição de uma acoplagem covalente entre o inibidor e a enzima, promovendo uma aniquilação dos grupos funcionais fundamentais da enzima. Essa inibição é gradual, elevando com o tempo até que chegue a uma máxima inibição. As substâncias que alteram quimicamente os resíduos de aminoácidos específicos atuando como inibidores irreversíveis. Sendo esses inibidores são muito prejudiciais para o organismo já que não são específicos, sendo capazes de inativar qualquer enzima. 
A cinética do inativador irreversível é comparável à de um inibidor não competitivo puro. Em tal tipo de inibição há inibidores nomeados de inibidores suicidas ou inibidores com base no mecanismo, sendo eles compostos normalmente pouco ativos, até que se liguem à enzima. Agindo por duas formas, ou é convertido em um composto muito reativo que se combina irreversivelmente com a enzima ou forma um produto que é um potente inibidor do processo seguinte da via metabólica. 
· Inibição Enzimática Reversível 
A inibição de enzimas reversível diminui a atividade enzimática através de interação reversível. Ou seja, o inibidor exerce com a enzima um complexo com uma ligação, não covalente. Como a ligação é voluvel, após a rompimento com o inibidor, a enzima pode retomar suas ações. Existem três tipos de inibição enzimática reversível: competitiva, não competitiva e incompetitiva. Esses podem ser difenciados experimentalmente pelo resultado do inibidor sobre a cinética de reação da enzima. 
· Os inibidores competitivos: liga-se ao sítio ativo (ligação Inibidor+Enzima); O Substrato reverte a inibição 
Atrasam o avanço da reação ao se acoplar à enzima, geralmente no centro ativo, impossibilitando que o verdadeiro substrato se ligue a proteina. De cada vez, somente o inibidor competitivo ou o substrato pode estar associado à enzima (e não ambos ao mesmo tempo). Portanto, a molécula inibitória e o nutriente competem pela enzima. A inibição competitiva atua reduzindo a quantidade de moléculas enzimáticas disponíveis para se ligar ao substrato. 
· Os Inibidores não competitivos: liga-se a um sítio que não o ativo, mas pode formar ligação diretamente com a Enzima ou com o complexo Enzima-Substrato; já que o Substrato não reverte inibição. 
Não impedem que o substrato se ligue à enzima. Na prática, o inibidor e o substrato não prejudicam de maneira nenhuma a capacidade de cada um se ligar à enzima. Entretanto, quando o inibidor está ativo, a enzima não consegue modificar a velocidade de sua reação(catálise) para produzir um produto. Dessa forma, a inibição não competitiva age diminuindo os números moléculares enzimáticos funcionais que podem concluir a reação. 
Exemplo de inibidor enzimático competitivo: 
As sulfonamidas são inibidoras competitivas da enzima bacteriana sintetase de dihidroperoato. A enzima catalisa uma reação necessária à síntese de ácido fólico, necessário para a síntese de precursores de DNA e RNA) nas bactérias. Consequentemente, o DNA bacteriano não é replicado e proteínas não são sintetizadas. Como as células humanas obtêm o seu ácido fólico da dieta, e não possuem a enzima, não são afetadas. As bactérias, no entanto, são incapazes de absorvê-lo, e precisam produzi-lo, logo elas são afetadas nas doses usadas e param de se reproduzir. Inibição enzimática iIncompetitiva: liga-se a um sítio que não o ativo (ligação Inibidor+Enzima- Substrato): o efeito somente é percebido quando se tem Substrato. 
· A inibição incompetitiva caracteriza-se pelo fato de o inibidor não se combinar com a enzima livre, nem afetar sua reação com o substrato autêntico; contudo ele se combina com o complexo ES para originar um complexo ternário inativo ESI, incapaz de sofrer a etapa subsequente da reação para produzir o produto. 
Essas inter-relações indicam que o grau de inibição pode aumentar à medida que se aumenta a concentração do substrato. E podem ser observadas em reações catalisadas por enzimas que possuem mais de um substrato. 
9- Resumidamente, descreva os cinco (05) tipos de estratégias de Catálise Enzimática até hoje conhecidas. 
(1) Efeitos de proximidade e orientação: Nessa estratégia acontece uma aproximação de grupos funcionais catalíticos das enzimas conduzido por uma orientação espacial para que a reação ocorra. Em seguida ,com o posicionamento do substrato, vamos ter uma mudança na conformação da enzima que vai gerar um complexo enzima-substrato orientado, que por meio da orientação passar para o estado de transição. 
(2) Catálise por tensionamento: Na estratégia de tensionamento as enzimas vão tensionar as estruturas para quebrar e forma ligações. Essas enzimas preferem se liga a estruturas no estado de transição da reação, pois a torção mecânica facilita o processo para que as enzimas atinjam o estado de transcrição. 
(3) Catálise por íons metálicos: Nas interações eletroestáticas utilizam-se uma força, e essa força está associada com a capacidade das moléculas solventes vizinhas em diminuir os efeitos de atração entre os grupos químicos. Quando ocorre a ligação do sitio ativo e do substrato a agua é retirada, e assim a constate dielétrica local podem ser baixas. Um fator que pode influenciar reatividade química do substrato é a distribuição de cargas nos sítios ativos das enzimas. Vale ressaltar que para que eu tenha uma ligação mais eficiente do substrato é preciso reduzir a energia livre do estado de transição. 
(3) Catálise acido-basica: A estratégia acido-basica funciona pelos grupos químicos que podem se tortar mais reativos com a adição ou remoção de prótons. E com a ajuda do sitio ativo das enzimas que possuem cadeias laterais que podem atuar como doadores ou receptores de prótons. 
(4) Catálise covalente: A velocidade da reação é acelerada quando ocorre a formação de uma ligação covalente transitória entre enzimas e o substrato 
(5) Catálise eletrostática
10 - Resumidamente, descreva as cinco (05) principais formas de estratégias de Regulação Enzimática.
 
(1) Inibição por feedback 
É um tipo de regulação alostérica, em que a atividade enzimática é controlada pela associação de moléculas menores em regiões de regulação (sítios regulatórios) sobre a enzima. Onde o produto de uma via metabólica vai impedir a ação de uma enzima envolvida na sua síntese. 
Em alguns processos multienzimáticos, a enzima regulatória é nomeadamente inibida pelo produto final do ciclo metabólico. Quando a rapidez da atividade da mesma enzima é reduzida, todas as enzimas subsequentes atuam em ritmo mais devagar, uma vez que seus substratos estão esgotados. A taxa de fabricação do produto final é equilibrada com as necessidades da célula, sendo este tipo de regulação chamada inibição feedback. 
(2) Regulação por metilação 
Um exemplo de enzima regulada por metilação é a proteína receptora de metilas da quimiotaxia de bactérias. Tal proteína faz parte de um cetor que permite as bactérias se locomoverem em direção de um atrativo ou se afastarem de um repelente químico, sendo o agente metilante a Sadenosilmetionina. 
(3) Regulação por fosforilação: A atuação das enzimas também pode ser regulada por alterações covalentes, tais como a aplicação de grupos fosfato a resíduos de serina, treonina ou tirosina. A fosforilação é um mecanismo muito presente na regulação do exercício enzimático, a adição de grupos fosfato estimula ou impede as atividades de várias enzimas, desempenhando uma função central no controle de outras funções celulares, inclusive no o crescimento e diferenciação celular. Produção de formas múltiplas celulares de enzimas (isoenzimas). 
Nesse tipo de regulação ocorre por formas múltiplas de enzimasrelacionadas nomeadas isoenzimas ou isozimas. As isozimas são enzimas iguais inseridas num mesmo organismo, que catalisam a mesma reação, mas se diferenciam parcialmente em suas estruturas e nos resultados de seus parâmetros cinéticos. 
(4) Regulação neuro-endócrina 
A regulação externa à célula, introduzindo e simultâneo a vários tecidos, é formada pela regulação neuro-endócrina. Os hormônios são importantes moduladores da ação enzimática, pois sua atividade na célula pode resultar na ativação de proteínas quinases ou de fosfoproteínas fosfatases, que atuam sobre as enzimas, de forma que ganhem ou percam um grupamento fosfato, precisamente relacionado à modulação da atividade enzimática, mecanismo também reconhcido por regulação covalente. 
Clivagem proteolítica. 
(5) Nesse mecanismo de controle, as enzimas se revesam entre dois estados, sendo o inativo (proenzimas ou zimogênios) e enzimas cataliticamente ativas. 
Os zimogênios são enzimas, cujo local de ação é extracelular, são sintetizadas na forma de precursores inativos. Para que um zimogênio se torne ativo é preciso que ocorra hidrólise de determinadas ligações peptídicas, com a consequente remoção de um segmento da cadeia e nova reestruturação espacial, onde aparecerá um sítio ativo funcional.