enzimas. relembrando... estrutura de um átomo Átomos apresentam capacidade de ganhar ou perder...
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ENZIMAS
Relembrando...
Estrutura de um átomo
Átomos apresentam capacidade de ganhar ou perder elétrons, formando novos sistemas eletricamente carregados, determinados ÍONS
ÍONS: espécie química que apresenta o número de prótons diferente do número de elétrons
Íons positivos: cátionsÍons negativos: ânions
Ligação iônica Ligação Iônica A BTendência ceder elétrons receber elétrons
Classificação metais H, semi e ametais
Interação cátions ânions
e-
Na Cl
1s2 2s2 2p6 3s1 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5
p= 11n=12e= 11
p= 17n=18e= 17
Ligação Covalente A BTendência receber elétrons receber elétrons
Classificação H, semi e ametais H, semi e ametais
Interação Par de elétrons compartilhados
Ligação covalente
X X
A manutenção da vida depende de um conjunto de reações químicas que devem atender duas exigências fundamentais:
•precisam ser altamente específicas de modo a gerar produtos definidos;•devem ocorrer a velocidades adequadas à fisiologia da célula
C12H22O12 + 12O2 11H2O + 12CO2
Energia
Precisam ser catalisadas para ocorrer de forma rápida
?Energia
Características importantes
•Alto grau de especificidade por seu substrato;
•Aceleram reações químicas;
•Funcionam em soluções aquosas;
•A maioria funcionam em pH e temperatura fisiológicas
ENZIMASCatalisadores - aceleram a velocidade de uma reação química sem serem consumidos no processo. Como suas concentrações permanecem constantes eles são eficientes em pequenas quantidades.
+ +Enzima Substrato Produto Enzima
• Enzimas são catalisadores que aumentam a velocidade da reação de 5 à 17 ordens de grandeza.
Estrutura das enzimas
•Quase todas as enzimas são proteínas, como tal sua função depende da sua estrutura.
•A estrutura da enzima dependerá da sequência primária; secundária; terciária e quartenária.
Algumas enzimas requerem um co-fator
•Metais
• Moléculas orgânicas (coenzimas)
Coenzimas: Transportadores transitórios de grupos funcionais
• Quando o cofator está ligado fortemente a parte proteica da enzima ele é chamado de grupo prostético
• holoenzima: enzima cataliticamente ativa completa, juntamente com sua coenzima e/ou íon metálico ligado;
• Apoenzima ou apoproteína – parte protéica de uma enzima sem quaisquer co-fatores ou grupos prostéticos;
• Sítio ativo – região que forma a maquinaria para a reação química de catálise, é constituída por grupo de aminoácidos.
HOLOENZIMA
Íons metálico
sMoléculas orgânicas
Coenzimas
Porção protéicaAPOENZIMA
CofatorCofator
Durante a catálise coenzima e substrato estão alojados no sítio ativo da enzima onde ocorre a remoção de um grupo determinado do substratoe sua transferência para a enzima.
Quando o substrato sofre novas alterações nas reações metabólicas subsequente, a coenzima através de outra reação é reciclada.
Essa reciclagem permanente das coenzimas implica que a suas concentrações intracelular possam ser bastante reduzidas bem menor que a concentração em substrato.
Muitas coenzimas apresentam na sua estrutura um componente que não pode ser sintetizado pelo organismo. O precursor deve então ser obtido através da dieta = vitaminas
Classificação das enzimas
As enzimas são classificadas de acordo com o tipo de reação que catalisam.
• Oxido-redutases – enzimas que catalisam reações de óxido-redução, transferência de elétrons.
lactato piruvato
lactato desidrogenas
e
• Transferases – catalisam a transferência de um grupamento de uma molécula a outra.
alaninaα-
cetoglutarato L-glutamato
piruvato
alanina aminotransfera
se
• Hidrolases – catalisam a reação de hidrólise de uma única ou várias ligações covalentes por introdução de uma molécula de água.
peptidase
• Liases – catalisam reações adicionando ou removendo grupamentos.
piruvato
acetaldeído
piruvato carboxilase
H2O
• Isomerases – catalisam reações transferindo grupos dentro da mesma molécula formando isômeros.
Fosfoglicose isomerase
• Ligases – catalisam reações que ligam 2 moléculas
+
Acetil-CoA
acetil CoA carboxilase
Importância clínica das enzimas
• Deficiências – desordens, doenças
TirosinemiaEnzimas responsáveis pela degradação da tirosina. Acúmulo tirosina ou metabólitos tóxicos : fígado, rins e sistema nervoso central. Sintomas: Retardo mental associado à microcefalia, hiperatividade, distúrbios motores e no desenvolvimento da fala, lesões oculares e lesões cutâneas.
Fenilcetonúria (PKU) Maior prevalência mundial. Enzima: fenilalanina hidroxilase (conversão de fenilalanina em tirosina). Acúmulo tecidual de fenilalanina e seus metabólitos.Sintoma: retardo mental, eczemas, dermatites, despigmentação da pele, odor característico na urina e suor.Detectada a partir do teste do pezinho.
GalactosemiaEnzima: galactose-1-fosfato uridil-transferase, (que converte a galactose em glicose), Sintomas: anorexia, vômitos, catarata, hemorragia, letargia e atraso de desenvolvimento.
Intolerância a lactose
Não é degradada
Fermentadas por bactérias intestinais Gases, diarréia
FrutosemiaEnzima Aldolase B, (metabolismo frutose) Sintomas: convulsões, coma, hipoglicemia e enjôos frequentes após o consumo de frutose.
PorfiriasDeficiências enzimáticas na biossíntese do heme
• Diagnósticos – marcadores teciduais
Infarto do miocárdio
A e B precisam colidir em uma orientação favorável
O complexo A+B precisa atingir um certo nível de energia necessário para que a reação ocorra: ENERGIA DE ATIVAÇÂO
A + B C + D
Como as enzimas funcionam?
• As enzimas aceleram as reações pela facilitação da formação do estado de transição
• Ligam – se ao substrato de forma com que estes se disponham na orientação correta
• Estabilizam o estado de transição
E + S ES E + PComplexos de transição
A + B C + D
E + S ES E + P
• Reduzem a energia de ativação necessária para atingir o estado de transição
• As enzimas aceleram as reações pela facilitação da formação do estado de transição
• Como a energia de ativação é menor, um maior número de moléculas têm a energia necessária para atingir o estado de transição.
• Alteram a velocidade, não o equilíbrio da reação
• A primeira etapa da catálise enzimática é a formação do complexo enzima-substrato
O substrato se liga ao sítio ativo da enzima.
O sítio ativo é uma fenda tridimensional que possui aminoácidos que participam diretamente na geração e quebra de ligações.
Os substratos se ligam à enzima por vários tipos de interações fracas
• Especificidade com substrato: depende da estrutura em 3 dimensões - microambiente específico.
• Modelo chave e fechadura – o sítio catalítico é rígido e complementar à forma e ao tamanho do substrato.
• Modelo encaixe induzido – o sítio catalítico não está totalmente pré-formado, a enzima se ajustaria ao substrato.
A energia de ligação liberada para a formação das interações supre parte da energia necessária para chegar ao estágio de transição
E + S ES E + P
Mecanismos principais através dos quais as enzimas aceleram uma reação
• Catálise Ácido-Base
• Catálise Covalente
• Catalise por íon metálico
• Catálise Ácido-Base – que ocorre com a participação de aminoácidos com cadeias laterais ionizáveis, capazes de doar ou liberar prótons durante a catálise para estabilizar os intermediários (H+, OH-).
• Catálise Covalente – Neste tipo de catálise é formado uma ligação covalente transitória entre a enzima e o substrato.
• Catálise por íons metálicos – metais firmemente ligados ao sítio catalítico interage entre a enzima e o substrato estabilizando o estado de transição.
Cinética enzimática
Estudo da velocidade de uma reação e como ela altera frente as mudanças dos parâmetros
A velocidade da reação pode ser medida por:
•Quantidade de produto formado por unidade de tempo
•Quantidade de substrato consumido por unidade de tempo
Atividade enzimática pode ser medida pela velocidade da reação catalisada
tempo
[pro
duto
]
[S]
Velo
cida
de d
a re
ação
Um dos principais fatores que alteram a velocidade de uma reação é a concentração de substrato.
Em baixas [S], a velocidade aumenta quase que linearmente. Com o aumento de [S], a velocidade aumenta cada vez menos.
Para: S PΚ
V = [S]Κ
Como medir a influência do substrato na velocidade da reação?
Pela medida de V0 ou velocidade inicial
Para uma determinada [S] inicial, haverá um intervalo de tempo em que a velocidade da reação será relativamente constante, chamada de Vinicial, V0
ou simplesmente V da reação
Velocidade a reação é proporcional a S
Substrato satura todasAs enzimas
Representação de uma reação enzimática em 2 etapas
Primeira reação: mais curta. Estabilidade dinâmica entre [E+S] e
[ES] é rapidamente alcançada
Segunda reação: mais lenta. É a etapa limitante. Velocidade da
reação deve ser proporcional a [ES]
E + S ES E + Pk1
k-1
k2
A velocidade máxima ( Vmax) da reação é atingida quando todas as enzimas estiverem no complexo [ES].
Neste momento a enzima está saturada e a velocidade não aumenta.
A [S] em que atinge metade da Vmax é Km
A relação entre [S] e V0 da reação pode ser expressa algebricamente pela equação de Michalis e Menten.
Velocidadeinicial
Concentração substrato
Constante de Michaelis
Considerações
Vmax – Toda enzima em forma de ES
Quando ocorre, alcança estado estacionário: [ES] é constante
[E] = [Et]-[ES] V0 = k2 [ES]
E + S ES E + Pk1
k-1
k2
Estado estacionário : [ES] constante
Então no estado estacionário: Formação de [ES] = Degradação de [ES]
Velocidade de Formação de ES = K1 [E] [S]
Velocidade de degradação de ES = K –1[ES] + K2 [ES]
E + S ES E + Pk1
k-1
k2
K1 ([Et]-[ES]) [S] = K –1[ES] + K2 [ES]
K1[S][Et] - K1[S][ES] = (K –1+ K2) [ES]
Já que Formação de [ES] = Degradação de [ES]
[ES] = [Et] [S]
[S] + (K –1+ K2) / k1)
Km
[ES] = [Et] [S]
Km + [S]
Equação de Michaelis-Menten
[ES] = [Et] [S]
Km + [S] Se V0 = k2 [ES]
Em Vmax : [Et] = [ES]
Então Vmax = k2 [Et]
Então: V0 = k2 [Et] [S]
Km + [S]
Sendo assim Vo = Vmax [S]
Km +[S]
E + S ES E + Pk1
k-1
k2
2
Km= [S]2 . [S] - [S] Km =
Uma propriedade importante:
Quando V = Vm Vm = 2
Vm . [S]
Km +[S]2 [S]Km + [S] =
Propriedades importantes de Km É numericamente igual a [S] na qual a velocidade da reação é metade da Vmax.
Característico de cada enzima.
Reflete a afinidade da enzima pelo seu substrato.
Km = [S]
1
[S]
1
v
-1
Km
11
VmaxVmax
Gráfico Linewevear-Burk: Linearizando a equação de Michaelis e Menten
Consequências importantes de Km
Km Afinidade da enzima pelo substrato
Km Afinidade da enzima pelo substrato
Vmáx
v
V/2
1/V
Km Km -1/Km -1/Km1/s[S]
Fatores que afetam a velocidade enzimática
pH Temperatura Concentração de substratos Concentração de cofatores Presença de Inibidores e/ou ativadores Modificações químicas: fosforilações, adenilações, etc Concentração de enzima
Pepsina pH ótimo 1,5
Tripsina pH ótimo 7,7
pH
• pH do meio esta ácido;• excesso de íons H+ no meio;• os aa recebem H+, ficando
eletricamente positivo.
A ionização de aa pode provocar modificações na conformação da enzima.
• pH do meio esta alcalino;• concentração reduzida de íons
H+ no meio;• os aa liberam H+, ficando
eletricamente negativo.
Temperatura Temperatura ótima da reação
A velocidade de reação aumenta junto com a temperatura, como se observa na maioria das reações químicas;
Após atingir uma temperatura crítica, a estabilidade da proteína decresce devido a desnaturação térmica.
Concentração de Enzima e substrato
A velocidade máxima da reação é uma função da quantidade de enzima disponível (se há substrato em excesso).
Reações enzimáticas com mais de um substrato
Sequencial (formação do complexo ternário)
Pingue-pongue ou duplo deslocamento
Inibição enzimática
InibidoresReversíveis
IrreversíveisInib. Competitiva (freqüente)
Inib. Não-competitiva
Inib. acompetitiva (quando o inibidor liga-se ao complexo ES , mas não a enzima livre)
Inibidores de enzimas são moléculas que interferem com a catálise diminuindo ou interrompendo as reações enzimáticas. Quanto ao tipo de inibição:
inibição inespecífica: diminuição da atividade de todas as enzimas por temperatura, pH ou agentes desnaturantes (ex. uréia).
inibição específica: agente inibidor diminui a atividade de uma enzima específica ou de um grupo restrito de enzimas. A inibição pode ser irreversível ou reversível.
Inibidor irreversível
Intoxicação por carbamatos ou organofosforados
Liga - se a enzima levando a sua inativação definitiva
Chumbinho
Acetil colina (Ach)
Acetil colinesterase
Colina
Acetato
Carbmatos
Inibidores reversíveis1) Inibidor Competitivo
Inibidor análogo não metabolizável do substrato compete com o mesmo pelo sítio catalítico da enzima livre.
É necessário [S] maior para deslocar o inibidor.
Semelhança estrutural entre S e I
1- sem inibidor 2- com inibidor [ I ] 3- com inibidor 2 [ I ]
Inibidor Competitivo
Km é modificado, mas Vmáx não é alterada.
2) Inibidor Não-Competitivo
Inibidor se liga numa região deferente do sítio catalítico da enzima.
[S] maior não diminui a inibição.
Não há semelhança estrutural entre S e I
1- sem inibidor2- com inibidor [ I ]3- com inibidor 2[ I ]
Vmáx diminui, mas o Km não é alterado.
Inibidor Não-Competitivo
3) Inibidor acompetitivo
O inibidor se liga somente no complexo ES em sítio próprio.
Inibidor não possui semelhança estrutural com o substrato.
Não há semelhança estrutural entre S e I
Km e Vmáx da enzima diminuem.1- sem inibidor2- com inibidor [ I ]3- com inibidor 2 [ I ]
Inibidor Acompetitivo
Regulação de perfusão renalAgregação plaquetáriaProtetora de mucosa gástrica
Inflamação
Inibidores das COX – Antiinflamatórios Não Esteroidais (AINES)
Inibidor irreversível da COX Ligação covalente
Ácido acetil salicílico
Inibidor competitivo e reversível da COXInteração iônica
Dipirona sódica
Inibidor competitivo e reversível da COX-2
Meloxicam
Inibidor competitivo e reversível (alta afinidade) da COX-2
Celecoxib
Regulação da atividade enzimática
Alostérica: Funcionam através da ligação não-covalente e reversível de um metabólito regulador (modulador)
Covalente: Regulação da atividade enzimática por modificação covalente reversível
Proteolítica: O precursor inativo (zimogênio) é clivado para formar a enzima ativa
Um organismo regula a atividade de algumas enzimas para coordenar seus processos metabólicos
Enzimas alostéricasSão maiores e mais complexas, possuem duas ou mais cadeias
polipeptídicas.
Não obedecem a cinética de Michaelis-Menten.
Tipos de enzimas alostéricas: homotrópica (modulador é idêntico
ao substrato); heterotrópica (modulador é diferente do substrato)
A ligação entre o modulador e o enzima é não-covalente e o local
de modulação é especifico para cada modulador, no caso dos
enzimas heterotrópicos
Modulador alostérico
Positivo(ativam a enzima)
Negativo(inibem a enzima)
Heterotropismo(o modulador é diferente do
substrato)
Homotropismo(o modulador é igual ao
substrato)
Enzimas homotrópicas: pequenas variações na concentração do modulador podem provocar grande variações na atividade do enzima.
Enzimas heterotrópicas: Apresentam uma grande variabilidade no comportamento.
Induz
Modificações conformacionais na estrutura
espacial do enzima
Modifica a afinidade do enzima para com os seus
substratos
A B C D E-
Feedback negativo
Coordena o fluxo de enzimas por uma via
metabólica.
Um modelo muito comum de regulação alostérica é a inibição por
retroalimentação, onde o próprio produto da reacção actua como modulador da
enzima que a catalisa.
Regulação por modificação covalente
A regulação enzimática pode passar ainda pela existência de um precursor, sem capacidade catalítica, que, no caso
das proteases, são chamados zimogênios.
Zimogênio Clivagem proteolítica
Enzima ativa
Ativação proteolítica