Enzimas Fundamentos, Notas de estudo de Nutrição
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Enzimas Fundamentos, Notas de estudo de Nutrição

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enzimas e coenzimas
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Enzimas [Modo de Compatibilidade]

Enzimas

Professora: Fernanda Patti Nakamoto

Bioquímica I

ENZIMAS

 Reações químicas

 Catalisadores

 Velocidade das reações

 Condições fundamentais para a vida

Autoreplicação;

Catálise eficiente e seletiva de reações químicas

ENZIMAS

 Final do século XVIII: estudo sobre a digestão da carne por secreções do estômago

 1800: Conversão do amido em açúcares simples pela saliva e por extratos vegetais (amilase)

1850 – Louis Pasteur: fermentação do açúcar em álcool por levedura catalisada por “fermentos”, inseparáveis da estrutura das células vivas (vitalismo)

 1897 – Eduard Buchner: as moléculas da fermentação podiam ser removidas das células

ENZIMAS

 Frederick W Kühne: denominação de enzimas

 1926 – James Sumner: isolamento e cristalização da urease da soja (transforma uréia em amônia e CO2); cristais constituídos de proteína

 1930 – John Northrop, Moses Kunitz: cristalização da pepsina e tripsina; conclusão de que enzimas eram proteínas

ENZIMAS

ENZIMAS SÃO PROTEÍNAS

Atividade catalítica depende:

- da integridade da sua conformação protéica nativa: não deve haver desnaturação ou dissociação de subunidades

Pesos moleculares de 12.000 até + de 1 milhão

ENZIMAS

• Podem ser formadas por apenas resíduos de aminoácidos

• Outras requerem um componente adicional para atividade catalítica:

Cofator (inorgânico) = Coenzima (molécula íons metálicos como Fe2+, Mg2+, Mn2+ ou

Zn2+

orgânica complexa ou metalorgânica, geralmente

derivadas de vitaminas)

A coenzima ou o íon metálico ligado à parte protéica = Grupo Prostético

ENZIMAS

Holoenzima: enzima completa e cataliticamente ativa + coenzima ou cofator

Apoenzima ou Apoproteína: parte protéica da enzima

ENZIMAS

COENZIMAS Algumas coenzimas servem como carregadores transientes de átomos

específicos ou grupos funcionais

IMPORTÂNCIA DO ESTUDO DAS COENZIMAS

ENZIMAS

Sufixo “ASE”

Urease: hidrólise da uréia

DNA polimerase: polimerização de nucleotídeos para formar o DNA

Álcool desidrogenase: oxidação de álcoois em aldeídos

Glicose-6-fosfatase: retira o fosfato da glicose

Outras nomenclaturas

Pepsina, Tripsina

Mesma enzima com 2 ou + nomes ou vice-versa

ENZIMAS

Sistema internacional para nomenclatura e classificação

Lactato desidrogenase

Hexoquinase

Amilase, Lipase, Pepsina

Aldolases e Descarboxilases

Triose isomerase

Glutamina Sintase

ENZIMAS

Oxidorredutases

Reações de oxidorredução: transferência (perda ou ganho de elétrons)

Sred + S’oxid ↔ Soxid + S’red

ou

AH2 + B ↔ BH2 + A

Subclasses mais comuns:

• Desidrogenases

• Redutases

• Oxidases

• Peroxidases

• Oxigenases

• Hidroxilases

ENZIMAS

Transferases

Troca ou transferência de grupos funcionais entre doadores e receptores

(grupos transferidos: enxofre, fosfatos, etc.)

RA + R’ ↔ R + R’A

Subclasses mais comuns:

• Transaminases

• Fosfocinases

• Fosfomutases

• Transmetilases

glicoquinase

ENZIMAS

Hidrolases

Quebra de uma molécula com introdução de água

(atuam sobre ligações éster, amida, glicosídica, etc.)

Galactose

Subclasses mais comuns:

• Lipases

• Fosfatases

• Tiolases

• Ribonucleases

• Desaminases

• Esterases

Lactose Glicose

ENZIMAS

Liases

Adição de grupos a um substrato ou remoção – quebra ou formação de ligações C=C, C=O, etc.

Subclasses mais comuns:

• Descarboxilases

• Sintases

• Aldolases

• (Des)Hidratases

ENZIMAS

Isomerases

Catalisam modificações geométricas ou estruturais intramoleculares

(dependem do tipo de isomeria)

Subclasses mais comuns:

• Racemases

• Epimerases

• Mutases (não todas)

• Isomerases

ENZIMAS

Ligases

Catalisam condensação de 2 moléculas sendo a energia quase sempre fornecida pela hidrólise do ATP

Subclasses mais comuns:

• Carboxilases • Aminoacil-tRNA-sintetase

• Acil-CoA sintetase • Sintetases

6: Classe Ligases 4: Subclasse Carboxilases 1: Grupo aceptor 1: Molécula aceptora

IMPORTÂNCIA DO ESTUDO DAS ENZIMAS

• Doenças Genéticas: deficiência ou ausência de 1 ou + enzimas

• Medida da atividade de algumas enzimas permite o diagnóstico de algumas doenças:

TEORIA CHAVE-FECHADURA

A teoria mais aceita é a de que a enzima e o substrato formam um composto intermediário que, posteriormente, sofre um desdobramento, regenerando a

enzima.

Elas são catalisadores altamente específicos, ou seja, para cada substrato

ENZIMAS - CATÁLISE

devem existir poucas (ou apenas uma) enzimas.

ENZIMAS - CATÁLISE

• Sob condições biológicas relevantes as reações não catalisadas tendem a ser lentas;

• Muitas reações bioquímicas envolvem eventos químicos desfavoráveis ou improváveis no ambiente celular;

• Digestão de alimentos, envio de sinais através dos nervos, contração muscular não ocorrem com velocidade útil.

• A enzima fornece um ambiente específico onde uma dada reação é favorável.

• A reação catalisada ocorre no SÍTIO ATIVO da enzima

(limites de uma cavidade da enzima)

ENZIMAS - CATÁLISE

• A molécula que se liga ao sítio ativo e

sofre ação da enzima é o SUBSTRATO

• Complexo ENZIMA-SUBSTRATO

• O catalisador aumenta a velocidade da reação sem afetar seu equilíbrio: diminuem a energia de ativação

ENZIMAS - CATÁLISE

Passo limitante da velocidade

ENZIMAS - CATÁLISE

Importância da Energia de Ativação (EA)

• Barreiras energéticas para as reações químicas cruciais para a própria vida.

• A estabilidade de uma molécula aumenta com o aumento da altura de sua barreira de ativação

• Sem ela as macromoléculas poderiam se converter espontaneamente em formas moleculares mais simples, sendo que as estruturas complexas e altamente ordenadas poderiam não existir.

Enzimas: evolução para diminuir seletivamente as energias de ativação de reações necessárias à sobrevivência das células.

ENZIMAS - CATÁLISE

ENZIMAS - CATÁLISE

EFEITO DE CONDIÇÕES EXTERNAS  pH, temperatura e concentração salina afetam a atividade enzimática

 Há maior importância em ensaios enzimáticos in vitro que medem atividade enzimática em amostras de plasma ou tecido

CINÉTICA ENZIMÁTICA

Determinação da velocidade da reação

• A concentração do substrato [S] é sempre muito maior que a concentração da enzima nas reações

• Teoria de Michaelis-Menten

CINÉTICA ENZIMÁTICA

CINÉTICA ENZIMÁTICA

• As enzimas podem se encontrar na forma livre (E) ou ligada ao substrato (ES)

• Em baixas concentrações de substrato a maior parte está na forma livre

• Pode-se atingir a velocidade máxima da reação quando pra]camente todas as moléculas es]verem ligadas (ES) → enzima saturada

Etapa Rápida Etapa Lenta

Velocidade proporcional à [ES]

CINÉTICA ENZIMÁTICA

CINÉTICA ENZIMÁTICA Velocidade inicial da reação

Concentração de substrato [S]

Constante de Michaelis-Menten: concentração de substrato em que a velocidade da reação atinge metade da velocidade máxima

CINÉTICA ENZIMÁTICA Variando a concentração da enzima:

E + S ↔ ES

[ES] K = [2ES]

Dobrando a concentração de enzima:

ES ↔ E + P

KeqA = [E].[S]

eqB

[2E].[S]

VA = K.[ES]

VB = K.[2ES]

VB = 2.K.[ES]

VB = 2 VA

CINÉTICA ENZIMÁTICA

CINÉTICA ENZIMÁTICA

A concentração da enzima é diretamente proporcional à velocidade inicial da reação

Facilita a determinação da concentração (atividade) de uma enzima - dosagem

DOSAGEM PLASMÁTICA DE ENZIMAS

DOSAGEM PLASMÁTICA DE ENZIMAS

DOSAGEM PLASMÁTICA DE ENZIMAS

CINÉTICA ENZIMÁTICA

Expressão quantitativa da velocidade

Velocidade inicial de formação do produto

CINÉTICA ENZIMÁTICA

Quando Vo é metade da Vmáx

Dividindo por Vmáx

CINÉTICA ENZIMÁTICA

Exemplo:

Enzima hexoquinase possui 2 substratos: glicose e frutose

Km para gli = 0,15 mM Km pra fru = 1,5 mM

Quem possui mais afinidade pelo substrato?

Quanto menor o Km, maior a afinidade da enzima pelo substrato (precisa de menor quantidade para atingir a

metade da velocidade máxima)

GLICOSE

Hexoquinase (baixo Km)

A

t

i

v

i

d

a

d

e

e

n

z

i

m

á

t

i

c

a

r

e

l

a

t

i

v

a

CINÉTICA ENZIMÁTICA

Concentração do substrato

A

t

i

v

i

d

a

d

e

e

n

z

i

m

á

t

i

c

a

r

e

l

a

t

i

v

a

Hexoquinase (alto Km)

CINÉTICA ENZIMÁTICA

A maioria das enzimas segue a Equação de Michaelis- Menten, porém têm mecanismos de ação muito

diferentes entre si.

Transformação em equações algébricas mais úteis no tratamento gráfico de dados experimentais

GRÁFICO DOS DUPLOS RECÍPROCOS

CINÉTICA ENZIMÁTICA GRÁFICO DOS DUPLOS RECÍPROCOS

Equação de Lineweaver-Burk

• Sobre a cinética enzimática, explique: a) Qual é a relação entre concentração do substrato e a velocidade

das reações?

b) Quando temos uma concentração fixa de enzima, ao adicionarmos concentrações crescentes de substrato, encontramos um traçado com duas regiões características, A e B. Explique-as.

c) Qual é a relação entre

Exercício

V0

[S]

A

B

concentração da enzima e a velocidade das reações?

d) Sobre a constate de Michaelis - Menten (KM), explique o que ela significa. Exemplifique graficamente, utilizando 1 enzima e 3 diferentes substratos, com afinidades distintas pela enzima.

REGULAÇÃO DA ATIVIDADE ENZIMÁTICA

Importância:

- Ajustes na velocidade das vias metabólicas de acordo

com a necessidade

- Capacidade de responder a alterações do meio

Tipos:

• Controle na disponibilidade (lento)

• Controle da atividade Alostérica

Modificações covalentes

CONTROLE DA DISPONIBILIDADE

• Regulação da síntese ou degradação das enzimas

• Depende da concentração de substratos, presença de

hormônios específicos

• Sinalização intracelular: transcrição gênica

• Processo lento: horas, dias

REGULAÇÃO ALOSTÉRICA

Proteína alostérica: - Apresentam “outras” formas ou conformações induzidas pela ligação de moduladores

• Os moduladores / efetuadores alostéricos podem ser tanto inibidores quanto estimuladores:

Moduladores alostéricos positivos: ativadores

(aumento da velocidade da reação catalisada)

Moduladores alostéricos negativos: inibidores

(diminuição da velocidade da reação catalisada)

REGULAÇÃO ALOSTÉRICA

Sítio alostérico

REGULAÇÃO ALOSTÉRICA

• Enzimas alostéricas são normalmente maiores e mais

complexas do que as não-alostéricas (Michaelianas).

• Apresentam 2 ou mais cadeias polipeptídicas ou subunidades

COOPERATIVIDADE

REGULAÇÃO ALOSTÉRICA

Estimulação por Cooperatividade

Sem efetor

(+) Efetor

V

e

l

o

c

i

d

a

d

e

d

a

r

e

a

ç

ã

o

positivo (-) Efetor negativo

V

e

l

o

c

i

d

a

d

e

d

a

r

e

a

ç

ã

o

REGULAÇÃO ALOSTÉRICA

Inibição por retroalimentação

(feedback negatvo)

REGULAÇÃO POR MODIFICAÇÃO COVALENTE

• Ocorrência de uma reação química para formação da ligação

covalente

• Catalisada por enzimas (que também podem ser reguladas)

• Reversível

• Metilação, adenilação, acetilção, etc.

REGULAÇÃO POR MODIFICAÇÃO COVALENTE

Proteína quinase

Desfosforilada

EnzimaEnzima

Fosforilada

Fosfoproteína fosfatase

INIBIÇÃO ENZIMÁTICA

• Duas classes:

Inibição Inibição reversível irreversível

Competitiva Não-competitiva

INIBIÇÃO COMPETITIVA

Ligação no centro ativo da enzima

INIBIÇÃO COMPETITIVA

Sem inibidor

Com inibidor competitivo

Com inibidor

Sem inibidor

INIBIÇÃO COMPETITIVA

Com inibidor competitivo

Sem inibidor

INIBIÇÃO COMPETITIVA • Alta especificidade

• Largo emprego terapêutico

• Inibição de reações que ocorrem no organismo parasita (bactéria ou vírus)

Ex. Sulfamida: inibe a síntese bacteriana da coenzima

tetraidrofolato +

AZT (3’-azido-2’-desoxitimidina): inibe a DNA polimerase (transcriptase reversa) necessária para a

replicação do vírus HIV

INIBIÇÃO COMPETITIVA • Quimioterapia de diversos tipos de câncer

• A célula neoplásica é o agressor do organismo: metabolismo diferente sob vários aspectos, incluindo velocidade de multiplicação muito maior.

Ex. Drogas que afetam reações normais e imprescindíveis às células em geral atuarão mais intensamente sobre

as células cancerosas (alvo: replicação do DNA) ↓

Também atingem tecidos normais que se dividem rapidamente (medula óssea, mucosa intestinal, folículos

capilares, etc.)

INIBIÇÃO NÃO-COMPETITIVA

Ligação em regiões diferentes do sítio ativo da enzima

(em geral, cadeia lateral de aminoácidos), inviabilizando

a catálise momentaneamente

INIBIÇÃO NÃO-COMPETITIVA Tudo se passa como se houvesse uma concentração

menor de enzimas

Sem inibidor

Com inibidor não competitivo

Mesmo valor de Km

Sem inibidor

INIBIÇÃO NÃO-COMPETITIVA

Com inibidor não competitivo

• A ligação normalmente ocorre numa –OH ou –SH dos aminoácidos constituintes das enzimas.

• Baixa especificidade

• Metais pesados: Hg2+, Pb2+, Ag+ reagem com –SH das

INIBIÇÃO NÃO-COMPETITIVA

proteínas – são tóxicos

• Mineração de ouro: Hg2+ usado para extração

• Despejo de resíduos nos rios

• Alimentos contaminados (origem animal ou vegetal)

INIBIÇÃO ENZIMÁTICA

Inibição Irreversível

Inibidores combinam-se com um grupo funcional na

molécula da enzima ou o destroem ou ainda formam uma

associação covalente bem estável.

(Quimotripsina)

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