Enzimas: Catalisadores Biológicos

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Enzimas
Definição:
Enzimas -são catalisadores biológicos de alta especificidade. Catalisar uma reação
química é alterar a sua velocidade. A presença de enzimas nas reações celulares
aumenta a velocidade da reação por serem altamente específicas.
Propriedades gerais das enzimas: 
 
1- Velocidade das reações mais rápida - as reações catalisadas por enzimas são
de 106 a 1012 vezes mais rápidas que as correspondentes não catalisadas. 
 
2- Condições de reações mais brandas – as reações catalisadas por enzimas
ocorrem em temperaturas inferiores a 100 °C e pH quase neutro.
3- Maior especificidade da reação
4- Capacidade de regulação – As atividades catalíticas de muitas enzimas pode
ser regulada na sua concentração celular e sua atividade, permitindo assim ajuste
em diferentes condições fisiológicas. Os mecanismos desses processos
regulatórios incluem o controle alostérico, a modificação covalente de enzimas e a
variação nas quantidades de enzimas sintetizadas.
Classificação e nomenclatura das enzimas:
 As enzimas são comumente denominadas adicionando o sufixo ase ao nome
do substrato da enzima ou a uma expressão que descreva a sua ação catalítica.
Esta denominação apresenta exceções como é o caso das enzimas digestivas:
tripsina, pepsina, etc...
 
 Especificidade de enzima- substrato:
 
 As forças não-covalentes por meio das quais os substratos e outras moléculas
se ligam às enzimas são similares em caráter às forças que regem a conformação
das próprias proteínas. Ambas envolvem interações de van der Waals, interações
eletrostáticas, pontes de hidrogênio e interações hidrofóbicas. Em geral o sítio de
ligação do substrato a enzimas consiste em um sulco na superfície da enzima,
complementar ao formato do substrato (complementaridade geométrica). Além
disso, os resíduos de aminoácidos que formam o sítio de ligação estão
organizados de modo a formar interações de atração específicas com o substrato
(complementaridade eletrônica). 
A ligação do substrato na enzima se dá em uma pequena e bem definida região da
enzima chamada de centro ativo (ou sítio ativo da enzima). O substrato deve ter a
forma espacial adequada para se se alojar no centro ativo da enzima. Com isto
esta ligação permite uma especificidade para a catálise. Há enzima que aceitam
como substrato qualquer açúcar de 6 carbono, enquanto outras só reconhecem
em desses substrato, a glicose.
 
Os fatores que interferem na atividade enzimática:
1- pH 
A maioria das enzimas apresenta um valor de pH para qual a atividade da enzima
é máxima. A velocidade diminui a medida que o pH se afasta do valor ótimo, que
é característico para cada enzima. Geralmente o pH é neutro. 
O pH ótimo depende do número e tipo de grupos ionizáveis que uma enzima
apresenta e da seqüência em que estão organizados, ou seja,dependem de sua
estrutura primária.
2- Temperatura
A temperatura também interfere na atividade da enzima. Se aumentarmos muito
a temperatura a enzima pode perder sua forma nativa que permite desempenhar
sua função levando a um processo de desarranjo estrutural (perda da estrutura
terciária) chamado de Desnaturação. A desnaturação provoca drásticas alterações
conformacionais na molécula, acarretando na perda da catálise. 
Ex: acima de 50 a 55 °C a maioria das proteínas globulares são desnaturadas.
3- Concentração do Substrato.
 
 
INTERAÇÃO ENZIMA-SUBSTRATO
 
 Geralmente há uma grande diferença de tamanho entre as moléculas de
enzimas e as de seus substratos. As enzimas são macromoléculas protéicas -
mesmo as mais simples são formadas de mais de uma centena de aminoácidos - e
seus pesos moleculares variam de 10.000 a alguns milhões, enquanto o peso
molecular dos substratos é muitas ordens de grandeza inferior. 
Embora o total da molécula enzimática seja necessário para o papel catalítico, a
ligação com o substrato dá-se apenas em uma região pequena e bem definida da
enzima. Esta região à qual o substrato se liga é chamada centro ativo (ou sítio
ativo) da enzima. O centro ativo é formado por resíduos de aminoácidos, trazidos
à proximidade uns dos outros pelos dobramentos da cadeia polipeptídica que
definem a estrutura terciária da proteína. O centro ativo, assim organizado,
constitui uma cavidade com forma definida, que permite à enzima "reconhecer"
seu substrato. De fato, uma molécula, para ser aceita como substrato, deve ter a
forma espacial adequada para alojar-se no centro ativo e grupos químicos capazes
de estabelecer ligações precisas com os radicais do centro ativo.
 
Co-fatores:
Muitas enzimas necessitam de associação com co-fatores não protéicos
(moléculas ou íons) para exercer seu papel catalítico.
Os cofatores comumente encontrados incluem íons metálicos (Cu2+, Fe3+ ou
Zn2+ etc) ou moléculas orgânicas, não protéicas, de complexidade variada, que
recebem o nome de coenzimas, tal com o NAD+.
As coenzimas são co-fatores que se associam temporariamente com uma dada
molécula enzimática, de maneira que elas funcionam como co-substrato
 Outros co-fatores são conhecidos como grupos prostéticos, que estão
permanentemente ligados a sua proteína geralmente através de ligações
covalentes. Ex: heme o citrocromo c é fortemente ligado a proteína por uma
extensa rede de interações hidrofóbicas e pontes de hidrogênio junto a ligações
covalentes entre o heme e regiões específicas das proteínas.
 O conjunto da enzima com o seu co-fator apropriado e cataliticamente ativo
é o chamado de holoenzima. A proteína enzimaticamente inativa resultante da
remoção do co-fator da holoenzima é chamada de apoenzima; portanto a
apoenzima é a porção protéica da holoenzima.
Apoenzima (inativa) + co-fator → holoenzima (ativa)
As enzimas aceleram a velocidade da reação por diminuir sua energia de ativação.
A velocidade das reações é explicada pela teoria das colisões. Esta teria
estabelece que, para a molécula reagir, as moléculas presentes em uma solução
devem colidir com orientação apropriada e que a colisão deve levá-las a adquirir
uma quantidade mínima de energia que lhes permita atingir os estados reativos,
chamados de estado de transição. Para levar todas as moléculas de um mol até o
estado de transição necessita uma quantidade de energia, chamada de energia de
ativação.
A energia de ativação é, portanto a barreira que separa os reagentes dos
produtos. A velocidade de uma reação será diretamente proporcional ao número
de moléculas com energia de ativação igual ou maior do que a energia do estado
de transição.
Pode-se aumentar a velocidade de uma reação de 3 maneira:
1- aumentando a concentração de moléculas em solução
2- elevando a temperatura
3- diminuição da energia de ativação – pode ser usados catalisadores.
Os catalisadores são substâncias que aceleram a velocidade de uma reação, sem
alterar a proporção entre reagente e produtos encontrada no final da reação e
sem serem efetivamente consumidos durante o processo.
 A presença de um catalisador pode alterar essa velocidade e pode alte rar
também a quantidade de energia que deve ser emprestada ao sistema para início
das reações (energia de ativação).
 
Cinética da reação enzimática.
 
O estudo da cinética das reações baseia-se na velocidade das reações, que é
diretamente proporcional a concentração do reagente. Como a medida que se
processa a reação a concentração do reagente diminui e portanto a velocidade
também, passando a ser proporcional a nova concentração, estabeleceu-se a
velocidade inicial (v0) proporcional a concentração inicial de A.
A reação enzimática processa-se em duas etapas:
1- A enzima (E) e substrato (S) formam um complexo transitório (ES)
O produto é liberado (P) e a enzima volta na forma
 
 E + S → ES → P + E
 
Os pressupostos acima foram estabelecidos por Michaellis e Menten, que com
tratamento matemático desvendaram a cinética de um grupo de enzimas
chamadas de enzimas michaelianas.
 As enzimas estão muito mais diluídas em solução do que o substrato e os
númerosde moléculas de enzimas é muito inferior ao do substrato
 Com maiores concentrações de substrato, a velocidade de formação do
Produto é cada vez maior, porque estará formando cada vez mais complexo ES.
 Se a quantidade de substrato for muito grande, a quantidade, a
concentração de E será praticamente nula, encontrando-se toda a enzima
disponível sob a forma de ES.
Maior concentração possível do complexo ES é na situação onde há formação de
100% e a reação será processada na maior velocidade possível. Esta concentração
é dita saturante e, a partir dela novas concentrações de substrato não terá efeito
sobre a velocidade da reação, que atingiu seu valor máximo – Velocidade máxima
(Vmax). Assim a velocidade da reação é sempre proporcional à concentração de
ES.
 A velocidade inicial é obtida medindo-se a quantidade de produto formado
em tempos suficientemente curtos para que no máximo 5% do substrato tenha
sido transformado em produto.
 
Constante de Michaelis (Km)
 Km é a concentração do substrato na qual a velocidade da reação
corresponde a metade da velocidade máxima.Portanto uma enzima que tiver o
menor valor de Km, ela atingirá a máxima eficiência catalítica em baixas
concentrações do substrato.
 Ex: a hexoquinase pode aceitar a glicose ou a frutose como substrato. Mas
o Km para a glicose é 0,15 mM e para a frutose é 1,5 mM. Isto significa que
para a frutose ser substrato para a hexoquinase é necessário uma concentração
de 10 vezes maior (1,5 mM) do que a glicose (0,15mM), portanto a hexoquinase
tem uma maior afinidade pela glicose do que pela frutose
Equação de Michaelis – Menten
 
 
 Vo = Vmáx [S]
 Km + [S]
 
 
Inibidores da atividade enzimática.
A atividade enzimática pode ser diminuída por um grande número de substância,
genericamente chamadas de inibidores. A atividade da enzima depende da
concentração do inibidor em um determinado instante, portanto como os
inibidores são produzidos pelas próprias células, a variação da sua concentração
é um recurso usado para controlar as velocidades das reações enzimáticas.
Inibidores Irreversíveis – são aqueles que reagem geralmente através de
ligações covalentes com as moléculas das enzimas, destruindo-as parcialmente.
Um exemplo de inibidores irreversíveis é a penicilina seu inibidor liga-se
especificamente a enzimas da via de síntese da parede bacteriana, inibindo-as,
desprovidas de parede as células ficam sujeita a lise bacteriana.
 
Inibidores reversíveis – são aqueles em que a inibição está relacionada com um
equilíbrio entre enzima- inibidor. Podem ser competitivo e não competitivo.
Inibição competitiva ( Ic )- ocorre quando o inibidor e o substrato tem
estruturas semelhantes entre si e competem pelo centro ativo da enzima. Neste
caso a velocidade máxima permanecerá inalterada e o valor de Km (afinidade da
enzima pelo substrato) será aumentada. 
 O complexo EI não gera produto e, portanto, a atividade enzimática estará
diminuída de acordo com a fração de enzima que estiver ligada ao inibidor, mas
se a molécula estiver ligada ao substrato formará o complexo ES e haverá
produto, ou seja, nesta situação encontramos frações de enzimas ligadas ao
substratos e outras enzimas ligadas ao inibidor.
 A velocidade máxima da reação será a mesma da reação efetuada sem a
presença do inibidor, porem irá necessitar de uma maior concentração do
substrato do que as reações sem a presença do inibidor, isto mostra que
aparentemente há uma alteração no Km.
Inibição não competitiva (INC) - o inibidor combina-se reversivelmente com a
molécula da enzima em um outro ponto da estrutura, que não seja o seu centro
ativo. Estes inibidores não são semelhantes estruturalmente à molécula do
substrato. Neste caso a velocidade será alterada e o valor de Km (afinidade da
enzima pelo substrato) permanecerá inalterado.
O ponto de ligação do inibidor não competitivo é a cadeia lateral do aminoácido.
Ex: o grupo OH da serina e o SH da cisteína.
 Com a ligação do inibidor na enzima, ela se comporta como se houve menor
quantidade de enzima (neste caso enzima ativa) o que faz com que a velocidade
da reação diminua em comparação a ausência do inibidor para qualquer
concentração de substrato. O valor de Km parece coincidir com o valor do novo
km proporcionado pela diminuição da velocidade.
Inibição alostérica não obedecem à cinética de Mochaellis-Menten
As enzimas alostéricas apresentam normalmente 2 centros ativos: um para o
substrato a ser transformado e outro para um inibidor que regula sua atividade,
daí o seu nome. Geralmente as enzimas alostéricas possuem estrutura
quaternária, e não seguem a cinética de Michaelis-Menten, mostrando-se uma
curva sigmóide.
Nas enzimas alostéricas, a ligação do substrato a um centro ativo pode afetar as
propriedades dos outros centros ativos na mesma molécula de enzima. A
atividade destas enzimas pode ser regulada por inibidores, que se ligam a locais
que não são os centros catalíticos.
 Ex: A ligação do oxigênio à hemoglobina é afetada por H+ e CO2.
Enzimatologia Clinica:
As enzimas plasmáticas podem ser classificadas em dois grupos principais.
Enzimas que são secretadas no plasma por certos tipos celulares, um exemplo é o
zimogênio (enzima envolvida na coagulação sanguínea), essas enzimas estão em
pequeno número.
Um grande número de enzimas é liberado das células durante a renovação
celular. Essas enzimas têm função somente dentro das células. Os níveis dessas
enzimas são baixos no plasma sanguíneo. Quando há uma elevação dos níveis
enzimáticos no plasma pode indicar uma lesão tecidual.
Muitas doenças que causam lesão tecidual resultam no aumento da liberação das
enzimas no plasma sanguíneo, portanto essas enzimas plasmáticas são usadas
como ferramenta para o diagnóstico de doenças.
Enzima TGP (ALT):
Um exemplo é a Transaminase glutâmico pirúvica (TGP), também conhecida como
Alania aminotransferasen (ALT), que o aparecimento dos níveis elevados no
plasma sinaliza uma possível lesão do tecidos hepático, um exemplo é a hepatites.
Enzima TGO (AST):
Um exemplo é a Transaminase glutâmico oxalética (TGO), também conhecida
como Aspartato aminotransferasen (ALT), éliberada pelo músculo cardíaco após
lesão decorrentes do infarto do miocárdio.
Isoenzimas ou isozimas:
As isoenzimas ou isozimas são enzimas que diferem na sequência de aminoácidos,
mas que catalisam a mesma reação química. Estas enzimas podem ter
propriedades cinéticas diferentes (exemplo Km), ou propriedades de regulação
diferentes.
As enzimas lactato desidrogenase (LDH) e creatina quinase (CK) há várias
isoenzimas diferentes.
Creatina-quinase (CK).
Há várias isoenzimas, mas a presença de uma em particular , a CK2, no plasma é
indicativo de infarto do miocárdio. Esta enzima é liberada nas primeiras horas que
seguem o infarto, atingidooseu picoaté 24 horas depois do infarto.
Lactato desidrogenase (LDH).
A lactato desidrogenase (LDH) tem 5 isoenzimas, mas a isoenzima LDH5 é
predominante no músculo esquelético e fígado e a LDH1 no músculo cardíaco.
No infarto, a LDH1 apresenta-se elevada no plasma cerca de 36 a 40 horas após o
infarto.
 
 
 
Exercício 1:
 A presença de enzima na reação celular aumenta a velocidade da reação, esta
reação deve ser termodinâmica possível. As reações metabólicas sem o auxílio
das enzimas seriam muito lentas e incompatíveis com o metabolismo. A respeito
das enzimas analise as afirmações a seguir:
 
I- Quase todas as reações metabólicas é dependente da presença de enzimas
II- As enzimas, são proteínas que possuem uma conformação espacial própria
III- As enzimas não são reguladas, portanto, sempre estão ativas
 
 Podemos afirmar que:
 
A)
 
Somente a alternativa I está correta
 
B)
 
 Somente a alternativa II está correta
 
C)
 
Somente a alternativa III está correta
 
D)
 
 As alternativas I e II estão corretas
 
E)
 
 As alternativas II e III estão corretasComentários:
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Exercício 2:
As enzimas são polímeros biológico, catalisadores de reações químicas. A
manutenção de um conjunto de reações são balanceados por enzimas. Além do
nosso organismo, são usadas em diversas indústrias. A ciência médica procura
estudar as enzimas para o diagnóstico de doenças e fármacos. Sobre as enzimas
todas estão corretas, exceto:
 
A)
 As enzimas são proteínas que podem ou não estar associadas a cofatores
 
B)
As enzimas catalisam as reações químicas que normalmente se processariam
muito lentamente.
 
C)
As enzimas independentemente da temperatura ou do pH do meio, uma vez unida
ao substrato, exercem a sua função
 
D)
É possível regular a atividade da enzima
 
E)
As enzimas são macromoléculas proteícas
 
Comentários:
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Exercício 3:
Um estudante estava estagiando em um laboratório de bioquímica quando foi solicitado que
ele preparasse uma reação enzimática. O aluno seguiu o protocolo, mas a reação não deu
certo. Analisando os resultados foi discutido a interferência de um fator na reação. As
enzimas são o grupo de proteínas mais variado e mais altamente especializado. Sando que
esta enzima é uma Dentre os fatores que poderiam ter afetado a atividade enzimática da
quais deles estão corretos
I- O tampão da reação enzimática poderia estar muito ácido, alterando o pH da reação
II- O aluno colocou pouco substrato na reação
III- O aluno deixou a enzima incubando a uma temperatura muito alta tornando-a
desnaturada
Podemos afirmar que:
 
 
A)
a- As alternativas I e II estão corretas
 
B)
b- As alternativas II e III estão corretas
 
C)
c- As alternativas II e IV estão corretas
 
D)
d- As alternativas I e III estão corretas
 
E)
e- Todas as alternativas estão corretas
 
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