Baixe Enzimas - funcionamento e cinética e outras Resumos em PDF para Bioquímica, somente na Docsity!
enzimas
as enzimas são proteínas que promovem a catálise, com a exceção das ribozimas, algumas poucas moléculas de RNA catalíticas. a atividade catalítica depende de sua conformação estrutural. são classificadas e nomeadas segunda as reações que catalisam - adição do sufixo "-ase" ao nome dos respectivos substratos ou a uma palavra que descreve sua atividade. são classificadas em 6 grupos principais, que possui seus subgrupos: oxidorredutases, transferases, hidrolases, liases, isomerases e ligases. as enzimas são essenciais para o equilíbrio do metabolismo, uma vez que muitas das reações necessárias não ocorrem na velocidade necessária sem a catálise. cofator: componente químico, podendo ser um ou mais íons inorgânicos, necessário para desempenhar algumas atividades que a enzima não seria capaz sozinha. coenzima: molécula orgânica ou metalorgânica complexa que agem como carreadores transitórios de grupos funcionais específicos. a maioria é derivada de vitaminas. grupo prostético: coenzima ou cofator que se ligue muito firmemente, ou mesmo covalentemente, a uma enzima.
funcionamento das enzimas
as reações catalisadas por enzimas ocorrem confinadas em um bolsão da enzima, o sítio ativo. o contorno da superfície do sítio ativo é delimitado por resíduos de aminoácidos com grupos nas cadeias laterais que ligam o substrato, catalisando sua transformação química. a união do substrato ao sítio ativo forma o complexo enzima-substrato. as enzimas alteram a velocidade da reação, não seu equilíbrio.
💡 reação enzimática: E + S^ ⇌^ ES^ ⇌^ EP^ ⇌^ E + P
para identificar a variação de energia livre das reações, definiu-se condições padrões: 298 K de temperatura, pressão parcial de cada gás a 1 atm e concentração de cada reagente de 1 M. estado fundamental: ponto de partida tanto da reação direta quanto da reversa, contribuição que uma molécula dá para a energia livre do sistema sob dadas condições. é necessário a superação de uma barreira energética entre S e P para alinhas os grupos reagentes, formar as cargas instáveis transitórias, rearranjos de ligações e outros rearranjos necessários para que a reação ocorra em qualquer direção. a barreira de energia é essencial para a estabilidade das moléculas. estado de transição: topo da curva de energia, ponto a partir do qual o decaimento para o estado S ou o estado P tem a mesma probabilidade de ocorrer - momento fugaz no qual ocorre quebra e formação de ligação. energia de ativação (∆G‡): diferença entre os níveis de energia livre dos estados fundamental e de transição. quanto maior a energia de ativação, mais lenta a reação. ao elevar o nível de energia das moléculas, por meio de elevação de temperatura ou pressão, pode aumentar-se a velocidade da reação.
💡 os catalisadores, inclusive as enzimas, diminuem a energia de ativação, aumenta
assim a velocidade da reação. a enzima não é gasta no processo e o ponto de equilíbrio não é afetado.
intermédios da reação: espécie molecular das etapas da reação que tenha uma vida química finita, como ES e EP. etapa limitante da velocidade: ponto de maior energia no diagrama da interconversão entre S e P - quando uma reação tem várias etapas, a velocidade final é determinada pela etapa com a maior energia de ativação. o equilíbrio da reação está ligado à variação de energia livre padrão da reação ∆G'°, e a velocidade da reação está ligada à energia de ativação ∆G‡. mesmo que a reação seja muito exergônica, ela pode ser lenta. o equilíbrio pode ser descrito pela constante de equilíbrio (K eq) → K' eq = [P]/[S] → ∆G'° = -RTlnK' eq
reações catalisadas por enzimas são muito mais rápidas que os processos não catalisados, já que interações por meio de ligações fracas entre enzima e substrato fornecem uma substancial força propulsora para a catálise enzimática. as enzimas são muito grandes pois devem fornecer grupos funcionais para a formação de muitas ligações fracas para impelir a catálise - é necessário uma superestrutura para manter os grupos interativos posicionados adequadamente e também evitar o colapso da cavidade (sítio ativo). isso explica também sua especificidade, já que só é ótima com o subtrato que completar todas as interações fracas durante o processo de transição. a superação da barreira de energia:
- redução de entropia: a ligação enzima-substrato diminui drasticamente as possibilidades de arranjo das moléculas, estabilizando o substrato na posição desejável para ocorrer a reação.
- dessolvatação: interações enzima-substrato substituem a maioria das ligações de hidrogênio entre o substrato e as moléculas de água que são um impedimento para a reação.
- compensação termodinâmica: energia de ligação das interações fracas ajuda a compensar termodinamicamente uma variação de energia livre desfavorável associada com a distorção, redistribuição primária de elétrons, que o substrato deve sofrer para que a reação ocorra.
- ajuste induzido: enzima também sofre uma mudança de conformação quando o substrato se liga a ela, induzindo várias interações fracas com o substrato. o ajuste serve para levar grupos funcionais específicos para uma posição apropriada para catalisar a reação.
💡 uma vez que o substrato esteja ligado à enzima, grupos funcionais catalíticos
posicionados de modo apropriado ajudam no rompimento e formação de ligações por vários mecanismos. esses mecanismos geralmente envolvem uma interação transitória covalente com o substrato.
mecanismos de catálise:
catálise geral acidobásica: refere-se a transferência de prótons mediada por alguma outra molécula que não água. as cadeias laterais de vários aminoácidos podem ter papel como doadoras ou aceptoras de prótons. catálise acidobásica específica: usa apenas H+ ou íons OH- presentes na água. catálise covalente: formação de uma ligação covalente transitória entre enzima e substrato. a formação e quebra de um intermediário covalente pode criar um novo caminho com menor energia de ativação, catalisando assim a reação.
catálise por íons metálicos: interações iônicas entre metais ligados a enzimas e substratos podem ajudar a orientar o substrato para a reação ou estabilizar estados de transição carregados.
cinética enzimática
a velocidade inicial aumenta à medida que a concentração do substrato aumenta Leonor Michaelis e Maud Menten, em 1913, postularam que a enzima primeiramente se combina de modo reversível com o substrato, formando o complexo ES em uma etapa reversível e relativamente rápida, que então é rompido em uma etapa mais lenta, fornecendo a enzima livre e o produto P.
a segunda reação limita a velocidade da reação total por ser mais lenta, logo a velocidade total dever ser proporcional à concentração das espécies que reagem na segunda etapa, ou seja, ES. assim, a velocidade é proporcional a [S] por que o equilíbrio da equação é deslocado na direção da formação de mais ES à medida que [S] aumenta - quanto mais substrato, mais complexo ES é formado.
E + S ⇌ ES ⇌ E + P
a velocidade inicial máxima de uma reação catalisada ocorre quando quase toda a enzima estiver presente como complexo ES e [E] for muitíssimo baixa - a enzima está saturada com o substrato. após o rompimento do complexo ES, formando o produto, a enzima fica livre para catalisar a reação de mais de uma molécula do substrato. estado estacionário: [ES] permanece constante ao longo do tempo, uma vez que a enzima está saturada de substrato e a geração de P passa a ter a mesma velocidade na qual [S] é consumido. a determinação de V o geralmente reflete o estado estacionário.
💡 relação entre a concentração do substrato e a velocidade da reação:
mesma enzima.
muitas enzimas catalisam reações com dois ou mais substratos. em geral, são reações nas quais um grupo é transferido de um substrato para outro ou um substrato é oxidado enquanto o outro é reduzido
as enzimas têm uma faixa de pH ótima na qual a atividade catalítica é máxima. a mudança de pH pode protonar as cadeias laterais e alterar a conformação da enzima, prejudicando sua eficácia.
inibição enzimática
inibidores de enzimas são moléculas que interferem com a catálise, diminuindo ou interrompendo as reações enzimáticas - muito usadas como medicamento.
inibição reversível
inibição competitiva: um inibidor competitivo compete com o substrato pelo sítio ativo da enzima - enquanto o inibidor estiver ocupando o sítio ativo, ele impede que o substrato se ligue à enzima. muitos inibidores competitivos tem estruturas similares às do substrato. formam um complexo EI, mas que não leva à catálise. a ligação do inibidor não inativa a enzima, podendo voltar a reagir com o substrato com a dissociação do inibidor. a competição pode ser deslocada a favor do substrato aumentando [S]. na presença de um inibidor competitivo, a equação de
Michaelis-Menten torna-se:
inibição incompetitiva: o inibidor incompetitivo liga-se em um sítio distinto do sítio ativo do substrato e, ao contrário do inibidor competitivo, liga-se apenas ao complexo ES.
a equação de Michaelis-Menten altera-se para:
inibição mista: há inibição de um sítio distinto do ativo. o inibidor pode se ligar tanto à enzima quanto a ES.
inibição irreversível
os inibidores irreversíveis ligam-se covalentemente com a enzima, destroem um grupo funcional essencial a sua atividade ou formam uma associação não covalente estável.
enzimas alostéricas geralmente são maiores que as não alostéricas. as propriedades cinéticas das enzimas alostéricas não seguem o comportamento de Michaelis-Menten - sua curva V o x [S] geralmente é sigmoidal. isso ocorre por conta das interações cooperativas entre as subunidades proteicas.
regulação por modificações covalentes reversíveis
atividade é modulada por modificações covalentes em um ou mais dos resíduos de aminoácidos da molécula da enzima. a modificação de um resíduo aminoácido de uma enzima faz, efetivamente, um novo resíduo aminoácido com propriedade diferentes ser introduzido na enzima. a introdução de uma carga pode levar a mudança na conformação. a introdução de um grupo hidrofóbico pode desencadear uma associação com uma membrana. a fosforilação é o tipo mais comum de modificação regulatória - nas reações que eles catalisam, o grupo γ-fosforila derivado de um nucleosídeo trifosfato (geralmente ATP) é transferido para um determinado resíduo de Ser, Thr ou Tyr (às vezes His) da proteína-alvo. isso introduz um grupo carregado volumoso em uma região da proteína que é apenas moderadamente polar. os átomos de oxigênio podem formar ligações de hidrogênio com um ou mais grupos da proteína. as duas cargas negativas de uma cadeia lateral fosforilada também podem repelir resíduos carregados negativamente (Asp ou Glu) presentes nas redondezas. além disso, a fosforilação pode ter efeitos drásticos sobre a conformação da enzima dependendo do lugar que ocorre.
regulação por proteólise de precursores
um precursor inativo, denominado zimogênio, é hidrolisado, formando a enzima ativa. muitas das enzimas proteolíticas (proteases) do estômago e do pâncreas são reguladas dessa maneira. clivagens específicas provocam mudanças conformacionais que expõem o sítio ativo da enzima. é um tipo de ativação irreversível.
regulação por feedback
também conhecido por retroalimentação. ocorre nas vias metabólicas quando uma enzima regula a atividade da outra por resposta à quantidade de substrato disponível.
