Cinética Enzimática

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Cinética Enzimática
Várias propriedades enzimáticas baseiam-se em medidas da velocidade da reação. Essa característica é diretamente proporcional à concentração do reagente. Conforme a reação ocorre, a concentração do reagente diminui e a velocidade também. 
Para calcular a velocidade da reação efetivamente proporcional à concentração inicial do reagente, é necessário medir a velocidade inicial (V0). Essa medida é obtida através de um tempo de reação muito pequeno, onde a conversão do reagente em produto seria muito reduzida, podendo assim ser considerada como uma constante (tempo inicial). Esse tempo inicial varia dependendo da reação química. 
A reação enzimática processa-se em duas etapas: na primeira enzima (E) liga-se reversivelmente ao substrato (S), formando o complexo enzima-substrato (ES). Na segunda etapa, são liberados o produto (P) e a enzima. Agora livre, uma enzima poderá se ligar a outra molécula de substrato e fazer a mesma coisa. 
Os pesquisadores Michales e Menten tentavam entender porque a velocidade das reações químicas que continham enzimas não eram lineares em relação à concentração do substrato, e sim aconteciam como uma função hiperbólica. Acreditava-se que essa relação velocidade e quantidade de substrato fosse representada pela equação: 
v=k [reagente] 
A hipótese de Michales e Menten: a concentração de substrato é muito maior do que a concentração da enzima nas reações bioquímicas, e assim as constantes referentes às diferentes etapas presentes nas reações catalisadas por enzimas seriam decrescentes. 
Esta hipótese é verdadeira para um grande número de enzimas, e assim essas são chamadas enzimas michaelianas. Entretanto, para outras enzimas essa premissa não se aplica. 
A concentração de enzima é muito menor do que a de substrato. Isso pode ser observado na prática. 
Como as reações catalisadas por enzimas são químicas, elas também tendem a um equilíbrio. Assim, durante o tempo que é medida a velocidade inicial, mantém-se a seguinte situação: 
formação contínua do produto enquanto as concentrações do complexo enzima-substrato (ES), da enzima e do substrato são mantidas. O fato do complexo enzima-substrato está sendo consumido na formação de produto, não provoca diminuição significativa da sua concentração, pois há sempre substrato excedente para combinar-se com a enzima que é liberada quando se forma o novo produto. A pequena e contínua diminuição da concentração do substrato não é significativa, frente ao seu grande excesso. Esta condição é observada nos tempos iniciais. 
 Variação das concentrações dos componentes da reação enzimática em função do tempo. As velocidades consideradas para as reações químicas são as velocidades iniciais v0 (incluindo a Vmáx), que são medidas após um mesmo tempo inicial. Em t3, a etapa é dita com saturante. 
 Nas situações I, II e III a diferença está na concentração do substrato. 
Nas reações envolvendo as enzimas michaelianas, podemos observar que uma determinada quantidade do substrato que vai está ligada à enzima, e a outra metade vai está na forma de enzima livre. Nesse momento, a velocidade da reação é exatamente à metade da velocidade máxima possível dessa reação química. A concentração específica do substrato que corresponde à metade da velocidade máxima da reação é que nós chamamos de constante de Michaelis - Menten, o Km. 
O valor de Km pode simbolizar afinidade de uma enzima pelo seu substrato. Por exemplo, quanto maior for o Km, maior será a quantidade de substrato para que a enzima atinja a metade da velocidade máxima da reação. Por outro lado, quanto 
menor for o Km, menor vai ser a concentração de substrato para atingir essa mesma situação. 
 Variação da velocidade da reação enzimática (v0) em função da concentração do substrato (S). 
As atividades enzimáticas são geralmente expressas em U/ml ou U/L. A unidade internacional U é a quantidade de enzima capaz de formar 1 micromol de produto por minuto. 
ATENÇÃO: Se variamos a concentração de enzimas, a velocidade também vai variar. A velocidade de uma reação enzimática também pode variar de acordo com a temperatura, pH e não somente pela concentração de substrato. 
Expressão final de equação proposta por Michaelis-Menten onde: V0 = Vmáx [S]/ Km + [S]. 
Inibidores Enzimáticos
Os inibidores enzimáticos podem acelerar ou diminuir a velocidade de várias reações químicas em nosso organismo. 
Existem inibidores enzimáticos dentro das nossas células que cumprem um papel importante de regulador, e são conhecidos como reguladores ou moduladores alostéricos. Esses inibidores são produzidos pela própria célula e a variação da sua concentração é fundamental no controle da velocidade das reações químicas. 
Os inibidores podem ser divididos em dois grandes grupos: irreversíveis e reversíveis. 
Os irreversíveis vão reagir com as enzimas inativando elas de forma definitiva. Exemplo: a inativação da enzima cicloxigenase (Cox-1) pela aspirina. 
Os reversíveis são subdivididos em dois grupos: competitivos e não competitivos. 
Os competitivos são capazes de se ligar no sítio ativo da enzima. Ou seja, no mesmo lugar que o substrato se ligaria. Nesse caso, à concentração do substrato e quantidade do inibidor, são fundamentais para se prever a velocidade da reação química. Se a concentração do substrato for muito grande em relação ao inibidor, a reação ocorre como se o inibidor não estivesse presente. E vice-versa. 
 Efeito de duas concentrações de inibidor competitivo. 
Os inibidores não competitivos são aqueles que não tem semelhança estrutural com o substrato da enzima que eles estão inibindo. Essa inibição é provocada pelas ligações do inibidor a grupamentos que não pertencem ao centro ativo. Como esses grupamentos geralmente estão presentes em várias biomoléculas diferentes, a ação desses inibidores não é específica, ou seja, um mesmo inibidor pode atuar sobre várias enzimas. 
 Efeito de duas concentrações de inibidor não competitivo. 
Os antimetabólitos, também conhecidos como análogos de substratos tem a fórmula química semelhante ao substrato, ou seja, tem o poder de se ligar a enzima, só que o produto gerado é diferente. Esses produtos muitas vezes não são aceitos pela enzima de uma outra etapa posterior ou simplesmente são mais instáveis e assim podem interferir diretamente na via metabólica. 
Assim como existem os inibidores das reações químicas, existem também moduladores positivos, ou seja, moléculas que são capazes de se ligar às enzimas e melhorar a sua associação ao substrato ou, de alguma outra forma, favorecer o aumento da velocidade da reação química, até mesmo ativá-la.
Exercícios
1) (ENADE 2014) Enzimas são macromoléculas caracterizadas pela sua capacidade de catalisar reações biológicas, aumentando a velocidade de uma reação em um fator de até vezes quando comparadas com a mesma reação não catalisada. Em sua grande maioria, são proteínas (com exceção de algumas moléculas de RNA), sendo formadas por diversas ligações peptídicas entre seus aminoácidos.
Com base nas informações apresentadas, faça o que se pede nos itens a seguir. 
a) Explique os efeitos observados com a elevação da temperatura na atividade catalítica enzimática, desde valores brandos até temperaturas consideravelmente elevadas. 
Os inibidores alostéricos são inibidores enzimáticos presentes nas nossas células que cumprem um papel importante de regulador e são conhecidos, exatamente, como reguladores ou moduladores alostéricos. 
b) Descreva os principais fatores que afetam a velocidade de uma reação química genérica. Justifique sua resposta. 
Esses inibidores são produzidos pela própria célula e a variação da sua concentração é fundamental no controle da velocidade das reações químicas.
2) Marque a opção correta. A equação de Michaelis-Menten:
a) é representado por um gráfico de Vmax versus [Substrato]. B) relaciona a taxa de degradação do complexo ES coma [Substrato]. 
C) é representada por um gráfico de Km versus [Substrato].
D) gera uma curva com uma assíntota quando é representada a velocidade de reação em função da [Substrato].
3) Marque a opção correta. As reações espontâneas:
a) acontecem rapidamente. 
b) possuem um ΔG > 0. 
c) podem acontecer sem necessidade de aporte de energia.
d) são ditas de endergônicas.
4) Explique os significados dos parâmetros da equação de Michaelis-Menten.
Como as reações catalisadas por enzimas são químicas elas também tendem a um equilíbrio. Assim durante o tempo que é medida a velocidade inicial, mantém-se a seguinte situação: Formação contínua do produto enquanto se observa concentrações mantidas do complexo enzima-substrato (ES), da enzima e do substrato. O fato do complexo enzima-substrato está sendo consumido na formação de produto não provoca diminuição significativa da sua concentração, pois há sempre substrato excedente para combinar-se com a enzima que é liberada quando se forma o novo produto. A pequena e contínua diminuição da concentração do substrato não é significativa, face ao seu grande excesso. Isso nos tempos iniciais. Dessa maneira podemos entender e relacionar velocidade inicial e a concentração do substrato. Uma determinada quantidade do substrato vai estar ligada à enzima e a outra metade estaria na forma de enzima livre. Nesse momento, a velocidade da reação seria exatamente metade da velocidade máxima possível dessa reação química. A concentração específica do substrato que corresponde a metade da velocidade máxima da reação é que nós chamamos de constante de Michaelis- Menten, o famoso Km. 
5) Marque a opção correta. Uma característica distintiva das enzimas alostéricas é que:
a) não respondem a inibidores. 
b) carecem de sítios ativos. 
c) respondem com mudanças conformacionais quando determinadas moléculas se unem em sítios diferentes do sítio ativo.
d) elas não possuem de sítio ativo.
6) Marque a opção correta. No caso das enzimas, pode-se dizer que:
a) a alteração do valor de Km de uma enzima não vai refletir mudanças na afinidade desta enzima pelo seu substrato. 
b) os inibidores competitivos não alteram a afinidade de uma enzima pelo seu substrato. 
c) não existem inibidores que possam alterar a velocidade máxima de reação de uma enzima.
d) nas enzimas alostéricas acontecem mudanças na conformação do seu sítio ativo o que aumenta sua eficiência catalítica.
7) Responda F para falso e V para verdadeiro:
(F) As enzimas alostéricas possuem sítios de ligação para as moléculas moduladoras, localizadas no sítio ativo. 
(V) As enzimas cinase e fosfatase catalisam, respectivamente, a adição e a remoção de grupos fosfato à resíduos específicos nas cadeias peptídicas de certas enzimas alterando sua atividade.
8) Identifique se são verdadeiras (V) ou falsas (F) as afirmativas com relação às enzimas.
(V) Enzimas alostéricas possuem, além do sítio catalítico, sítios de ligação para ativadores e/ou inibidores. 
(F) As enzimas aceleram reações por alterar o equilíbrio da reação na direção de formação do produto. 
(V) O Km corresponde à concentração de substrato na qual a velocidade de reação é a metade da velocidade máxima e, portanto, define a afinidade da enzima pelo substrato. 
(F) Inibidores competitivos alteram a velocidade máxima das reações. 
(V) A inibição não-competitiva não pode ser atenuada pelo aumento na concentração de substrato. 
Assinale a alternativa que apresenta a sequência CORRETA, de cima para baixo. 
a) ( ) V – V – F – V – V 
b) ( ) V – F – V – F – V 
c) ( ) V – V – V – F – F
d) ( ) F – V – V – F – V
e) ( ) F – F – F – V – V 
9) O que são antimetabóilitos?
Os antimetabólitos, também conhecidos como análogos de substratos tem a fórmula química semelhante ao substrato, ou seja, tem o poder de se ligar a enzima, mas produto gerado é diferente. Esses produtos muitas vezes não são aceitos pela enzima de uma etapa posterior ou simplesmente são mais instáveis e assim podem interferir diretamente na via metabólica. 
10) Cite um exemplo de inibidor irreversível.
Os inibidores irreversíveis vão reagir com as enzimas inativando elas de forma definitiva. Como por exemplo os compostos organofosforados. Esses compostos constituem o princípio ativo de vários inseticidas. Outro bom exemplo é a inativação da enzima cicloxigenase pela aspirina.