Enzimas: Catalisadores Biológicos

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Aula 4: Enzimas
Conceito de enzimas: As enzimas são 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 são proteínas, 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.
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. 
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. 
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 
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 
	Titpo 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. 
o 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: Se refere a velocidade da reação e como pode ser modificada em resposta às alterações do meio. Existem vários fatores que interferem na velocidade das reações. 
Fatores internos: 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, 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 caipara 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. 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  
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. 
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 classificado 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: 
 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.