Enzimas: Propriedades, Estrutura e Regulação

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Bioquímica Básica
João Vitor Novaes | 74A
Medicina FCM-MG
1º período 2020.2
ENZIMAS
Objetivos da aula:
- Conhecer um breve histórico das enzimas
- Compreender as propriedades gerais das enzimas e sua nomenclatura
- Elucidar a estrutura enzimática e suas características
- Relacionar os conceitos de energia de ativação e velocidade da reação
- Interpretar os mecanismos que alteram a cinética enzimática
- Descrever os mecanismos de regulação enzimática
 Histórico das enzimas 
- Catálise biológica:
Digestão da carne: estômago (1700)
Digestão do amido: saliva (1800)
- Década de 1850: 
Louis Pasteur: a fermentação do açúcar em álcool pela levedura era catalisada por “fermentos”.
Teoria do Vitalismo.
- Eduard Buchner (1897):
Extratos de levedo podiam fermentar o açúcar até álcool.
“Fermentos” funcionavam mesmo quando removidas das células vivas.
- Frederick Kuhne: nomeou tais moléculas de enzimas.
- James Sumner (1926):
Isolou e cristalizou a uréase.
Cristais eram de proteínas.
Postulou que “todas as enzimas são proteínas”.
- John Northrop e Moses Kunitz (década de 30):
Cristalizaram a pepsina e a tripsina bovinas
- Década de 50 (século XX): 
75 enzimas foram isoladas e cristalizadas
Ficou evidenciado caráter proteico 
Atualmente, mais de 2000 enzimas são conhecidas.
 PROPRIEDADES GERAIS DAS ENZIMAS :
Ação catalisadora presente em quase todas as reações metabólicas do organismo.
Propriedades: 
1. Poder catalítico extraordinário ( velocidade da reação – até 1.000 vezes mais rápido).
2. Alto grau de especificidade.
3. Funcionam em temperatura e pH específicos.
4. Não participam da reação nem como reagente nem como produto.
5. Presente em concentrações extremamente baixas.
- Natureza das enzimas: proteínas ou ribozimas (RNA).
A maior parte das nossas enzimas tem natureza proteica. Porém, quando as ribozimas foram descobertas,
caiu por terra o postulado de que toda enzima é uma proteína. Mas tudo que será falado na aula estará
relacionado com as enzimas de caráter proteico. 
- Essas enzimas são proteínas globulares.
 Possuem todas as características das proteínas.
 Estrutura terciária ou quaternária.
 Podem ter sua atividade regulada.
 Estão quase sempre compartimentalizadas.
 NOMENCLATURA DAS ENZIMAS :
Século XIX: poucas enzimas identificadas
- Adição do sufixo “ase” ao nome do substrato
 * Gorduras (grego – lipo): lipase
 * Amido (grego – amylon): amilase
Com o aumento do número de enzimas: nomes arbitrários
- Tripsina e pepsina (proteases) – nomes triviais
- Século XX
1955: Comissão de Enzimas (EC) da União Internacional de Bioquímica (IUB) – nomear e classificar.
- Cada enzima: código com 4 dígitos que caracteriza o tipo de reação catalisada.
1º dígito: classe
2º dígito: subclasse
3º dígito: sub-subclasse
4º dígito: substrato
Aplicação da nomenclatura:
Ainda a respeito da estrutura da enzima, falamos que pode ser uma ribozima (RNA) ou proteica, sendo
que trataremos aqui das que possuem estrutura proteica.
Quando uma enzima proteica está ativa, chamamos de holoenzima (fração proteica junto com um cofator).
Só a proteína é chamada de apoenzima ou aproproteína, justamente pelo fato de que ela precisa do
cofator para estar ativa (sem ele, é inativa).
O que pode ser esse cofator? Íon inorgânico ou molécula orgânica.
Quando o cofator é uma molécula orgânica, chamamos de coenzima.
COFATORES:
- São pequenas moléculas inorgânicas.
- Não estão ligados permanentemente à enzima.
- Na ausência dele, a enzima é inativa.
Na tabela acima, o cofator da hexocinase é o magnésio (ou seja, só consegue realizar sua função na
presença de Mg2+).
COENZIMAS:
- São compostos orgânicos quase sempre derivados de vitaminas.
- Atuam em conjunto com as enzimas.
- Classificam-se em:
 Transportadoras de hidrogênio 
 Transportadoras de grupos químicos
- Transportadoras de hidrogênio: - Transportadoras de grupos químicos:
- ESPECIFICIDADE DAS ENZIMAS:
- As enzimas são muito específicas para os seus substratos.
- Esta especificidade pode ser relativa a apenas um substrato ou a vários substratos ao mesmo tempo.
 Exemplo: hexocinase  específica para o ATP e para a glicose, por exemplo.
- Especificidade se deve à existência, na superfície da enzima, de um local denominado sítio de ligação do
substrato (enzima - sítio ativo).
- Sítio de ligação é um arranjo tridimensional, complementar ao substrato.
- Sítio Ativo ou Catalítico:
• No interior do sítio de ligação, teremos aminoácidos auxiliares ou de contato.
• Local das reações.
• Alguns modelos procuram explicar a especificidade substrato/enzima.
Modelos de Ligação: 
• Modelo Chave/Fechadura: prevê
um encaixe perfeito do substrato no
sítio de ligação, que seria rígido como
uma fechadura.
 
• Modelo do Ajuste Induzido: prevê
um sítio de ligação não totalmente
pré-formado, mas, sim, moldável à
molécula do substrato. A enzima se
ajustaria à molécula do substrato na
sua presença. 
• Evidências experimentais sugerem
um terceiro modelo que combina o
ajuste induzido a uma "torção" da
molécula do substrato, que o
"ativaria" e o prepararia para a sua
transformação em produto. Ou seja,
da mesma forma que o substrato se
molda, o sítio ativo se molda também.
Substrato = barrinha de metal.
- Para quebrar a barrinha de metal, precisa-se chegar ao estado de transição (estado do meio), para
depois transformar essa barrinha em produto. Pensar em um macarrão (espaguete): para quebrar o
espaguete, precisamos realizar a torção para quebrar (ausência de enzima).
- No do meio, temos o modelo chave-fechadura. A enzima vai ser complementar ao substrato (encaixe
perfeito). Não chegaria ao estado de transição – por isso, esse modelo não é mais aceito.
- No último (enzima é complementar ao estado de transição), quando o substrato interage com a enzima,
ele vai ser moldável, adquirindo um estado de transição mais facilmente. 
Sítio de ligação da enzima = ímã 
Substrato = barra de metal 
 Atração (quando isso acontece, a quebra é favorecida)
No gráfico. quando isso acontece, há uma  da energia de ativação (em azul), favorecendo a reação.
- MECANISMOS DE AÇÃO DAS ENZIMAS:
Fatores que afetam a velocidade da reação:
- Concentração do substrato
- Temperatura
- Energia de ativação
- pH
- Inibidores
ENERGIA DE ATIVAÇÃO
Para transformar um substrato
em produto, é preciso que o
substrato atinja o estado de
transição. Para que ele atinja
esse estado, temos a energia de
ativação (energia necessária
para que o substrato atinja o
estado de transição). A ação dos
catalisadores é alterar a Eat da
reação.
Energia de ativação é bem menor na
presença do que na ausência da enzima.
Enzima  redução da Eat
Como as enzimas diminuem a Eat?
Interagindo com o substrato.
- Reações químicas entre substrato e enzima
(complexo ES), provenientes de ligações
covalentes e não covalentes.
A esse conjunto de interações, damos o
nome de energia de ligação, que otimiza o
estado de transição do substrato e contribui
para a especificidade enzimática.
CONCENTRAÇÃO DO SUBSTRATO
 [substrato] substrato]  velocidade da reação 
Existe o ponto de saturação (ao atingi-lo, se colocarmos
mais substrato, não haverá aumento da velocidade).
Km = concentração do substrato para que se atinja metade
da velocidade máxima.
pH
- O efeito do pH sobre a enzima deve-se às variações no estado de
ionização dos componentes do sistema à medida que o pH varia. 
- Enzimas: grupos ionizáveis em diferentes estados de ionização. 
pH ótimo =  velocidade
Pepsina – pH ótimo = 1.5
Atua no estômago (muito
ácido – maior velocidade)
TEMPERATURA
-  temperatura  velocidade
-  da atividade da enzima caso continue aumentando a temperatura por causa da desnaturação proteica.
INIBIDORES ENZIMÁTICOS
Qualquer substância que reduza a velocidade de uma reação enzimática.
Competitivos: 
- Competem com o substrato pelo sítio ativo da enzima.
- I competitivo é um análogonão matabolizável.
Incompetitivos:
- I se liga a um sítio diferente do sítio ativo do substrato
(tem um sítio ativo que lhe é próprio).
- Liga-se apenas ao complexo ES (só quando a enzima
está com substrato ligado também).
Inibição mista:
- Inibidor misto se liga reversivelmente, aleatória e independentemente em um sítio que lhe é próprio.
INIBIDOR IRREVERSÍVEL
- I se combina com um grupo funcional, na molécula da E, que é essencial para sua atividade. 
- Podem promover a destruição do grupo funcional.
- Forma-se uma ligação covalente entre o I e a E.
- REGULAÇÃO ENZIMÁTICA:
Outra forma de regulação enzimática é pela ação de modulares.
Esses moduladores podem ser + ou -.
A nossa enzima está sendo exemplificada com dois sítios: regulatório (vermelho) e catalítico (azul).
O regulatório se liga ao modulador e o catalítico ao substrato.
Se meu modulador for positivo, quando ele se liga ao sitio regulatório, ele vai fazer com que o meu sitio
catalítico aumente a sua afinidade pelo substrato. 
Se ele for negativo, quando ele ligar ele vai fazer com que o sitio catalítico reduza a sua afinidade pelo
substrato.
Temos um exemplo de proteínas alostéricas no qual a ligação de um inibidor faz com que a enzima perca
a sua afinidade pelo substrato.
Mas também podemos ter ativadores alostéricos, que, quando ligarem, aumentam a afinidade da enzima
pelo substrato.
Temos também modificações (por exemplo, modificações covalentes) que a enzima pode sofrer, com uma
fosforilação (como exemplificado no esquema). Ou seja, ao ser fosforilada, ela fica em sua forma inativa.
Mas essa fosforilação, dependendo da enzima, também pode deixar a enzima em sua forma ativa.
Quando falamos de uma enzima quinase, ela está fosforilando.
Fosforilou, pode deixar a enzima ativa ou inativa.
A fosfatase tira o fosfato, podendo deixar a enzima ativa ou inativa.
Outro exemplo é o da clivagem proteolítica.
A gente produz algumas enzimas na forma de zimogênio (ou seja, na sua forma inativa).
Quando clivamos um pedaço dessa proteína, ela se torna ativa.
Uma vez que você ativa uma enzima por clivagem proteolítica, ela vai ficar ativa para sempre – ou seja,
até ser degradada.