bioquimica 4

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Disciplina: Bioquímica
Aula 4: Enzimas
Apresentação
Nesta aula, estudaremos um dos principais tipos de proteínas encontradas nos organismos, as enzimas. Uma das condições vitais aos organismos é serem capazes de extrair nutrientes do meio e convertê-los em energia por meio do metabolismo.
Para que as reações metabólicas ocorram, é necessário a ação das enzimas, que são proteínas capazes de catalisar (acelerar) reações químicas; essa catálise deve ser eficiente e seletiva. Desse modo, os organismos conseguem extrair energia em tempo suficiente para se manterem vivos, caso contrário as reações ocorreriam tão lentamente que não seriam compatíveis com a vida.
As enzimas são conhecidas como catalisadores biológicos, são altamente especializadas e específicas e bem mais eficientes que os catalisadores sintéticos ou inorgânicos. São capazes de atuar em soluções aquosas, condições adequadas de temperatura e pH.
É importante conhecer as reações metabólicas e as respectivas enzimas para estudo dos organismos, que, além de importância médica, já que várias doenças envolvem mau funcionamento ou ausência de enzimas específicas, pode ter aplicação prática em engenharia e tecnologia de alimentos, por exemplo. Estudaremos sua estrutura e função, além da cinética enzimática e dos fatores que interferem nela, bem como sua regulação.
Objetivos
· Examinar o conceito de enzimas e sua importância;
· Relacionar estrutura e função enzimática;
· Definir cinética enzimática e os fatores que influenciam na velocidade das reações.
Histórico
A maioria das enzimas conhecidas são proteínas, mas foi descoberto que algumas moléculas de RNA são cataliticamente ativas.
· 1700
Estudos da digestão da carne por secreções do estômago.
Fim do século XVII-início século XVIII
Início dos estudos sobre as enzimas, com pesquisas da digestão da carne por secreções do estômago e com a conversão do amido em açúcar pela saliva.
· 1850
Pasteur: a fermentação do açúcar em álcool por leveduras é catalisada por fermentos.
Pasteur descreveu a fermentação do açúcar em álcool por leveduras, e concluiu que as reações eram catalisadas por fermentos, que estariam presentes apenas nas células vivas.
· 1897
Buchner: a fermentação ocorre mesmo após as “moléculas serem removidas células”.
Büchner demonstrou que a fermentação ocorre mesmo após as moléculas serem removidas das células. Esses experimentos de Büchner marcaram o final da era vitalista de Pasteur e início da bioquímica como ciência. Mais adiante, essas moléculas receberam o nome de enzimas.
· 1926
Sumner: cristalizou a urease e postulou a ideia de que toda enzima é uma proteína.
Sumner cristalizou a primeira enzima, urease, e postulou que toda enzima é uma proteína, visão que só foi aceita na década de 1930, quando outros pesquisadores cristalizaram outras enzimas, que também eram proteínas.
· 1930
Haldane escreveu um tratado intitulado Enzimas, no qual fez a observação de que as ligações fracas entre as enzimas e seus substratos poderiam ser utilizadas para catalisar as reações.
Conceito de enzimas
As enzimas são conhecidas como catalisadores biológicos — elas possuem a capacidade de aumentar a velocidade de reação das substâncias reagentes na formação de seus respectivos produtos.
São altamente específicas — reconhecem apenas substratos (também chamados de reagentes) específicos e não são consumidas durante a reação. Isso significa que são liberadas inalteradas para o meio, de forma que podem participar de nova reação.
Como as enzimas que estudaremos são proteínas, é importante lembrar que a atividade catalítica vai depender de sua estrutura tridimensional, ou seja, de sua conformação nativa. Se ela for desnaturada ou suas subunidades dissociadas, ela não terá mais funcionamento. São as enzimas que catalisam os eventos metabólicos do nosso organismo, e permitem que essas reações aconteçam em tempo hábil.
Nomenclatura das enzimas
O nome recomendado para uma enzima possui um sufixo ase, e o prefixo designa qual o substrato em que ela se liga. Exemplos: amilase, urease, glicosidase.
O prefixo do nome da enzima também pode indicar a reação que ela catalisa. Exemplo: a lactato desidrogenase (LDH) entre o piruvato e o lactato.
Essa enzima tem um importante papel no metabolismo e grande importância no diagnóstico clínico de muitas doenças, como infarto agudo do miocárdio.
Toda enzima possui um número E.C., referente à Comissão de Enzimas. O da lactato desidrogenase é E.C.1.1.1.27. Explicaremos a numeração adiante.
Propriedades das enzimas
As enzimas são proteínas globulares. Existe uma região importante da enzima que é o local no qual o substrato, ou reagente, se liga à enzima. Essa região é chamada de sítio ativo ou centro ativo da enzima.
O centro ativo da enzima:
 É constituído por aminoácidos que estão próximos, por causa da estrutura terciária;
 Forma uma cavidade com aspecto definido e específico, que permite à enzima se ligar de forma não covalente, ou seja, por meio de interações fracas com seu substrato. Essas interações são feitas e desfeitas para que a enzima seja liberada de forma inalterada para o meio, após a reação.
 Enzima luciferase | Fonte: Shutterstock.
Observe na imagem ACIMA, a estrutura da enzima luciferase em azul e seu substrato em amarelo, encaixado no sítio catalítico da mesma.
Para que uma reação enzimática ocorra, é necessário que o substrato e a enzima estejam presentes no meio aquoso onde a reação irá se processar. A ordem dos eventos é a seguinte:
1 - O substrato se encaixa no centro ativo da enzima;
2 - Forma-se, primeiramente, o complexo enzima-substrato;
3 - A reação se processa;
4 - Há a formação do complexo enzima produto;
5 - O produto da reação e a enzima inalterada são liberados no meio.
A reação enzimática simples pode ser escrita:
E + S <======> ES <======> EP <======> E + P
Hoje sabemos que a enzima modifica ligeiramente sua estrutura à medida que o substrato se liga e esse fenômeno leva o nome de encaixe induzido, diferentemente do que se supunha anteriormente com o modelo chave-fechadura. O esquema da reação pode ser observado na figura abaixo:
Em alguns casos, a atividade da enzima, além da integridade e conformação nativa dada por seus resíduos de aminoácidos, necessita de outro componente químico adicional que chamamos de cofator.
Os cofatores são compostos não proteicos (grupos prostéticos) que permitem que algumas proteínas exerçam sua atividade completa.
Esses cofatores podem ser um ou mais íons inorgânicos como por exemplo Fe2+, Mg2+ ou Zn2+, ou uma molécula orgânica ou metalo-orgânica denominada coenzima. As coenzimas são normalmente derivadas de vitaminas ou nutrientes orgânicos que devem estar presentes na dieta em pequenas quantidades.
Chamamos a enzima inativa, ou seja, não ligada a seu cofator de apoenzima ou apoproteína, já a enzima na forma ativa ligada ao seu cofator recebe o nome de holoenzima.
Algumas coenzimas são carregadoras transitórias de átomos ou grupos funcionais específicos.
	
Coenzima
	
Alguns grupos químicos transferidos
	
Precursores dietéticos
(mamíferos)
	
Flavinha Adenina Dinucleotídeo (FAD)
	
Elétrons
	
Riboflavina (Vit. B2)
	
Nicotinamida Adenina Dinucleotídeo
(NAD)
	
Hidreto
	
Niacina (Vit.
B5)
	
Coenzima A
(CoA)
	
Grupos acila
	
Ác. pantotênico (Vit. B3)
	
Piridoxal
fosfato (PYF)
	
Grupos
amino
	
Piridoxina (Vit. B6)
	
Tiamina pirofosfato
(TPP)
	
Aldeídos
	
Tiamina (Vit.
B1)
	
Tetrahidrofolato
	
Um. Mono C
	
Ácido Fólico
	
Biocitina
	
CO2
	
Biotina
Fonte: Adaptado de Lehninger, 1970
Observe a estrutura tridimensional da álcool desidrogenase, enzima que catalisa a reação do etanol em aldeído acético, que requer a coenzima NAD, como cofator.   A enzima está em azul e roxo, a estrutura da coenzima NAD está em laranja e bem pequeno, ao lado do NAD, encontra-se a molécula de etanol (em preto vermelho e branco). Sem a presença do NAD a reação não se processa.
 Estrutura da enzima álcool desidrogenase | Fonte: Shutterstock
Como já falamos, toda enzima possui um número E.C., referente à Comissão internacionalde Enzimas.
A lactato desidrogenase, o exemplo anterior, tem o número E.C.1.1.1.27. Nesta numeração, o primeiro número significa o nome da classe de enzima, no caso uma oxidorredutase que faz transferência de elétrons.
As enzimas podem ser, ainda, classificadas internacionalmente de acordo com o tipo de reação catalisada.Veja na tabela a classificação internacional das enzimas.
	
Classificação internacional das enzimas
	
Número
	
Classe
	
Tipo de reação
	
1
	
Oxidorredutases
	
Transferência
de elétrons — íons hidretos ou átomos de H
	
2
	
Transferases
	
Reações
de transferência de grupos
	
3
	
Hidrolases
	
Reações
de hidrólise
	
4
	
Liases
	
Adição
de grupos às duplas ligações ou formação de duplas ligações por meio de
remoção de grupos
	
5
	
Isomerases
	
Transferência
de grupos dentro da mesma molécula para formar isômeros
	
6
	
Ligases
	
Formação
de ligações tipo C—C, C—S, C—O, C—N por meio de condensação acoplada à quebra
do ATP
Cinética enzimática
Para que uma reação química se processe, as moléculas envolvidas devem estar em contato mais íntimo possível, de forma que possam colidir entre si, adquirindo um mínimo de energia que lhes permita atingir um estado reativo, que é o estado de transição.
A diferença de energia entre o estado basal, ou fundamental, e o estado de transição é a energia de ativação, que também pode ser entendida como a quantidade de energia inicial do sistema para que ocorra a reação.
Quanto maior for a energia de ativação de uma reação, mais lentamente ela vai se processar. A velocidade de reação pode aumentar com o aumento da temperatura ou da pressão, que faz com que as moléculas possuam mais energia para suplantar a barreira energética. Ou podemos utilizar um catalisador.
Os catalisadores, é o caso das enzimas, diminuem a energia de ativação, às custas da energia de ligação liberada das ligações entre a enzima e o substrato e, por isso, aumentam a velocidade da reação. Como podemos observar na figura a seguir.
Atenção
O conceito de encaixe-chave e fechadura é um conceito errado porque os substratos não se encaixam perfeitamente nas enzimas, a enzima deve ser complementar ao estado de transição da reação.
No estado de transição há um aumento no número de interações fracas (ligações de hidrogênio, interações hidrofóbicas e iônicas) entre o substrato e a enzima, aumentando a energia livre, estabilizando o complexo enzima substrato no estado de transição, diminuindo a energia de ativação e aumentando a velocidade da reação.
Fatores que interferem na cinética enzimática
O estudo da cinética enzimática se refere a velocidade da reação e como lea pode ser modificada em resposta às alterações do meio. Existem vários fatores que interferem na velocidade das reações.
Fatores internos
Concentração do substrato e enzima
À medida que aumentamos a concentração de substrato no meio, a velocidade da reação aumenta até atingirmos a velocidade máxima, e quando é alcançada praticamente todas as enzimas estão no complexo ES.
Nesse patamar não adianta adicionar substrato, pois a velocidade não aumentará mais. Para ultrapassar esse estágio teríamos que ter mais enzimas presentes no meio reacional.
Desse modo, a concentração de enzimas também pode ser outro fator interno que interfere na cinética enzimática.
Fatores externos
Além dos fatores internos concentração de enzima e de substrato, temos também fatores externos que contribuem para aumento ou diminuição da velocidade de reação.
Temperatura
Uma elevação na temperatura reacional aumenta a velocidade de reação, conforme já discutido anteriormente, porém se essa reação envolve uma enzima, a elevação da temperatura vai favorecer a reação enzimática desde que não interfira na conformação nativa da proteína. Se aumentarmos muito a temperatura do meio, a enzima se desnatura, perdendo sua conformação e, portanto, sua função.
Observe o gráfico abaixo. Há um aumento da velocidade até a velocidade máxima, e acima de determinada temperatura, quando a enzima se desnatura, a velocidade cai para zero. Apenas as enzimas de bactérias termofílicas, que vivem em altas temperaturas, resistem a temperaturas acima de 55-60oC.
-Abaixo da temperatura ideal, a velocidade é baixa;
-Acima da temperatura ideal, com aquecimento, a enzima se desnatura e perde sua conformação espacial.
Alterações de pH
As enzimas possuem um pH ótimo de funcionamento; são compostas de aminoácidos com grupos ionizáveis, como os aminoácidos polares arginina, glutamato, aspartato, histidina.
O pH ideal da enzima vai depender da sua estrutura primária, ou seja, a sequência em que os aminoácidos estão organizados, quem são eles e seus grupos ionizáveis.
Diferentes enzimas humanas que estão presentes em distintos meios têm pH ideal diversos. Exemplo: Pepsina é uma enzima presente no estômago para digestão de proteínas, e seu pH ideal é 1,0-3,0. Mas, se a colocarmos no pH do intestino, em torno de 6,0, ela perderá sua atividade, como podemos ver na figura a seguir.
	
Enzima
	
pH ótimo
	
Lipase (estômago)
	
4.0 – 5.0
	
Lipase (pâncreas)
	
8.0
	
Pepsina
	
1.5 – 1.6
	
Tripsina
	
7.8 – 8.7
	
Urease
	
7.0
	
Maltase
	
6.1 – 6.8
	
Amilase (pâncreas)
	
6.7 – 7.0
	
Catalase
	
7.0
Inibidores enzimáticos
Um inibidor é uma substância que diminui a velocidade de uma reação ou a interrompe. Os inibidores possuem um papel regulador importante nas vias metabólicas. Além disso, eles estão mais presentes no nosso dia a dia do que imaginamos.
Existe uma grande quantidade de medicamentos que são inibidores enzimáticos, como é o caso do ácido acetilsalicílico, a Aspirina®, que é um analgésico, antitérmico e anti-inflamatório que inibe a enzima ciclo-oxigenase, que está envolvida na síntese das prostaglandinas. Os inibidores podem fazer dois tipos de ligação:
1
Ligações reversíveis
O inibidor interage com a enzima por ligações fracas.
2
Ligações irreversíveis
O inibidor interage com as enzimas por ligações covalentes.
O tipo de inibição pode ser classificada como competitiva e incompetitiva.
Regulação enzimática
As vias metabólicas no organismo envolvem várias reações enzimáticas em sequência. Nessas vias, o produto enzimático de uma reação é o substrato da enzima da reação seguinte. Normalmente, nessas vias existem uma ou mais enzimas que influenciam a velocidade de reação, e são as chamadas enzimas regulatórias. A velocidade catalítica dessas enzimas pode ser aumentada ou reduzida em resposta a determinados sinais.
A regulação da velocidade das reações no organismo permite regular diferentes funções.As enzimas alostéricas são reguladas por efetores que se ligam a um sítio diferente do sítio ativo da enzima. Agem por meio de ligação reversível e não covalente com os compostos regulatórios, que são chamados moduladores alostéricos ou efetores alostéricos. O efetor pode ser negativo ou positivo, inibindo ou estimulando dada reação. Ele modifica sua afinidade ou a capacidade catalítica da enzima.
Outras enzimas sofrem modificações covalentes, com a adição ou remoção de grupos fosfato, por exemplo, chamada fosforilação. A enzima pode se tornar mais ou menos ativa após este processo:
As enzimas regulatórias em sistemas multienzimáticos podem ser inibidas especificamente pelo produto final sempre que a quantidade de produto exceder as necessidades do organismo. Chamamos essa regulação de retroalimentação negativa.
Em nosso organismo existem enzimas que diferem na sequência de aminoácidos, mas que catalisam a mesma reação, chamadas isoenzimas. As diferentes isoformas dessas enzimas são encontradas em tecidos distintos. É o caso da lactato desidrogenase. Muitas dessas enzimas são utilizadas no diagnóstico clínico como marcadores de doenças.
Saiba mais
Outro tipo de regulação é a síntese de proteínas na forma inativa. Essas enzimas são ativas quando segmentos peptídicos são retirados por proteólise — esse tipo de regulação é irreversível. Um exemplo é o tripsinogênio que é hidrolisado, quebrado, em tripsina, a forma ativa da enzima.
Atividade
1. A pepsina é uma enzima digestiva produzida noestômago (pH 2,0). Sua função é digerir proteínas em peptídeos mais simples. Durante o processo digestivo, a pepsina é conduzida juntamente com o bolo alimentar (quimo) até o duodeno (pH=6,0). Marque Verdadeiro ou Falso:
Esta enzima mantém sua atividade catalítica de forma igual tanto no estômago quanto no intestino.
VerdadeiroFalso
Esta mudança de pH não interfere na estrutura terciária da enzima.
VerdadeiroFalso
A estrutura primária não sofre interferência do pH.
VerdadeiroFalso
A concentração do substrato interfere na velocidade da reação enzimática. Em baixa concentração do substrato a velocidade de reação é diretamente proporcional à concentração de substrato.
VerdadeiroFalso
A ligação do substrato ocorre no sítio catalítico da enzima e se faz por ligações fracas.
VerdadeiroFalso
Gabarito comentado
2. Quando aumentamos gradativamente a temperatura do meio em que se encontra uma enzima, sua atividade catalítica:
a) Aumenta, atinge um ponto máximo e depois diminui.
b) Diminui indefinidamente.
c) Diminui, atinge um ponto mínimo e depois aumenta.
d) Permanece constante.
e) Aumenta indefinidamente.
Gabarito comentado
3. Marque a alternativa correta.
Vários medicamentos atuam como inibidores enzimáticos. A lovastatina é um deles. Ela se liga de forma não covalente no sítio ativo da enzima 3-hidroxi 3- metilglutaril-coenzimaA (HMG-CoA) redutase, que é a responsável pela etapa inicial da síntese de colesterol. Por isso, é considerado um agente redutor do colesterol no organismo. Essas características evidenciam que a lovastatina é um inibidor enzimático do tipo:
a) misto.
b) competitivo reversível.
c) competitivo irreversível.
d) não competitivo.
e) alostérico.
Gabarito comentado
Créditos
Redator: Monica Veiga
Designer Instrucional: Rhuan Souza
Web Designer: Lerik Lopes
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