enzimas. glicose + o2co2 + h2o energia seres vivos usam energia provida do ambiente precisa ser...
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ENZIMAS
Glicose + O2 CO2 + H2O
Energia
Seres vivos usam energia provida do ambiente
Precisa ser catalisada para ocorrer de forma rápida
Os organismos vivos são capazes de extrair energia livre do ambiente e utilizá-la para manter suas funções
As 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 célulaAs reações químicas são catalisadas
ENZIMAS
Quase todas as reações químicas que acontecem dentro das células só ocorrem em velocidade adequada porque são catalisadas.
Enzimas são catalisadores que aumentam a velocidade da reação de 5 à 17 ordens de grandeza.
Triose isomerase fosfato
Dihidroxiacetona fosfato
Gliceraldeido 3-fosfatoV= 4,3 x 10-6/s
V = 4300/s
Estrutura das enzimas
Quase todas as enzimas são proteínas, como tal sua função depende da sua estrutura. A estrutura da enzima dependerá da seqüência primária; secundária; terciária e quartenária.
A enzima é constituída por partes importantes:
Apoenzima – parte protéica de uma enzima
Sítio ativo – região que forma a maquinaria para a reação química de catálise, é constituída por grupo de aminoácidos.
Muitas enzimas necessitam de cofatores para sua atividade
Os cofatores podem ser divididos em dois grupos:
• Metais•Moléculas orgânicas (coenzimas)
HOLOENZIMA
Íons metálicos
Moléculas orgânicas
Coenzimas
Porção protéicaAPOENZIMA CofatorCofator
Quando o cofator está ligado fortemente a parte proteica da enzima ele é chamado de grupo prostético.
Anidrase carbônica
Classificação das enzimasAs 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-
cetoglutaratoL-
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 carboxilas
e
Como as enzimas funcionam?
A e B precisam colidir em uma orientação favorável
O complexo A+B precisam atingir um certo nível de energia necessário para que a reação ocorra: ENERGIA DE ATIVAÇÂO
A + B C + D
Enegia de ativação
As enzimas aceleram as reações pela facilitação da formação do estado de transição
As enzimas se ligam ao substrato de forma com que estes Se disponham na orientação correta
Estabiliza o estado de transição
Reduz 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.
As enzimas só alteram a velocidade, não o equilíbrio da reação
S P
A primeira etapa da catálise enzimática é a formação do complexo enzima-substrato
O substrato se liga ao centro ativo da enzima. O centro 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
Modelos para explicar a formação do complexo Enzima-Substrato
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.
Formação do complexo ES
Mecanismos principais através dos quais as enzimas aceleram uma reação
Catálise Ácido-Base
Catálise Covalente
Catalise por ion 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.
Quimiotripsina
Catálise por íons metálicos – metais firmemente ligados ao sítio catalítico interage entre a enzima e o substrato estabilizando o estado de transição.
Cinética enzimática
A velocidade da reação pode ser medida por:•Quantidade de produto formado por unidade de tempo
•Quantidade de substrato consumido por unidade de tempo
Estudo das velocidades das reações enzimáticas bem como os fatores que as influenciam
V = - S/ t = P/ t
Cinética enzimática
Um dos principais fatores que alteram a velocidade de uma reação é a concentração de substrato.
Para: S PΚ
V = [S]Κ
Cinética enzimática
A concentração de substrato afeta a velocidade da reação
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
V0 varia com a concentração de substrato
V0 sobe linearmente a medida que se aumenta a concentração de substrato, e então começa a se nivelar e se aproximar e um ponto máximo onde a velocidade não aumenta mesmo em concentrações maiores de substrato.
Velocidade a reação é proporcional a S
Substrato satura todasAs enzimas
A relação entre concentração de substrato e velocidade inicial da reação pode ser expressa algebricamente pela equação de Michalis e Menten.
Velocidadeinicial
Concentração substrato
Constante de
Michaelis
Efeito da concentração do substrato na velocidade inicial
E + S ES E + PK1
K -1
K2
V0 – Velocidade Inicial
Estado estacionário – [ES] constante
Então Formação de [ES] = Degradação de [ES]
E + S ES E + PK1
K -1
K2
Vo = K2 [ES] [Et]=[E] + [ES]
V de Formação de ES = K1 [E] [S] V de degradação de ES = K –1[ES] + K2 [ES]
Já que Formação de [ES] = Degradação de [ES]
K1 ([Et]-[ES]) [S] = K –1[ES] + K2 [ES] K1[S][Et] - K1[S][ES] = (K –1+ K2) [ES]
[ES] = [Et] [S] [S] + (K –1+ K2) / k1)
Km
Se, [ES] = [Et] [S] Se, V0 = k2 [ES]
Km + [S]
Então: V0 = k2 [Et] [S]
Km +[S]
Em V máxima [Et] = [ES]
Então V max = k2 [Et]
Sendo assim Vo = Vmax [S]
Km +[S]
Quando V0 = Vm 2
Km= [S]
Vm = 2
Vm . [S]
Km +[S]2 . [S]Km +[S] =
2 . [S] - [S] Km =
Uma propriedade importante:
Propriedades importantes de Km:
• É numericamente igual a [S] É numericamente igual a [S] na qual a velocidade da reação na qual a velocidade da reação é metade da Vmax.é metade da Vmax.• Característico de cada Característico de cada enzima.enzima.• Reflete a afinidade da enzima Reflete a afinidade da enzima pelo seu substrato.pelo seu substrato.Km = [S]
1[S]
1 v
-1Km
11VmaxVmax
Gráfico Linewevear-Burk
Linearizando a equação de Michaelis e Menten
Y = ax +b
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]
pH– A ionização de aa pode provocar modificações na conformação
da enzima.
Pepsina pH ótimo 1,5Tripsina pH ótimo 7,7
Fatores que influenciam na atividade enzimática
• pH do meio esta alcalino;• concentração reduzida de
íons H+ no meio;• os aa liberam H+, ficando
eletricamente negativo.
• pH do meio esta ácido;• excesso de íons H+ no
meio;• os aa recebem H+,
ficando eletricamente positivo.
pHA ionização de aa pode provocar modificações na conformação da enzima.
• Temperatura– A velocidade de reação aumenta com o aumento de
temperarura, como se observa na maioria das reações químicas;
– Após atingir uma temperatura crítica,a estabilidade da proteína decresce devido a desnaturação térmica.
Fatores que influenciam na atividade enzimática
Temperatura ótima da reação
Fatores que influenciam na atividade enzimática
• Concentração da Enzima– 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
Reações enzimáticas com mais de um substrato
Inibição enzimática
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.
Inibidores
Reversíveis
Irreversíveis Inib. Competitiva (freqüente)
Inib. Não-competitiva
Inib. Acompetitiva (quando o inibidor liga-se ao complexo ES , mas não a enzima livre)
Inibidor irreversível: liga - se a enzima levando a sua inativação definitiva
1
Exemplo: Inibição de Cisteino peptidases por iodoacetamida
Inibidor Competitivo: Inibidor compete com o substrato pelo mesmo sítio de ligação à enzima
•Km aumenta, mas Vmáx não é alterada.
•É necessário de [S] maior para deslocar o inibidor.
Inibidor Não-Competitivo: Inibidor se liga numa região deferente do sítio de ligação do substrato.
•Vmáx diminui, mas o Km não é alterado.
•[S] maior não diminui a inibição.
Inibidor acompetitivo: O inibidor se liga somente no complexo ES em sítio próprio.
•Inibidor não possui semelhança estrutural com o substrato.•Km e Vmáx da enzima diminuem.
Analgésicos
•Inibidor irreversível Ligação covalente
Ácido acetil salicílico
•Inibidor competitivo e reversível
Interações sem ligação covalente
Ácido mefenâmico
Sítio Ativo da Ciclooxigenase
Inibidores Competitivos de proteases do vírus HIVGag e Pol são clivados pela protease do vírus HIV em 9 pontos específicos para produzir proteínas funcionais. O precursor Gag vai originar proteínas estruturais e o precursor Pol vai originar enzimas como transcriptase reversa, integrase e proteases.
Amprenavir
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
Regulação alostérica
enzimas alostéricas
•São 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)
Um modulador alostérico pode ser tanto um inibidor quanto um ativador.
Fosfofrutokinase 1 (PFK-1)
A B C D E
-
Feedback negativo
Coordena o fluxo de enzimas por uma via metabólica.
Regulação por modificação covalente
Ex: Fosforilação, acetilação, ubiquitinação, etc
Fosforilação – Regula inúmeros processos metabólicos ativando enzimas chaves das vias metabólicas.
Glicogênio fosforilase
Ativação proteolítica
Aplicações das enzimasSetor industrial –
Saúde – são usadas para detectar algum tipo de doença, ou dano tecidual, ou como marcador de exames.
Infarto do miocárdio
Saúde: Algumas doenças são causadas pela falta de enzimas (ex. fenilcetonúria; intolerância a lactose).
Fenilcetonúria
acumula
FenilcetonasTÓXICAS
Atraso no desenvolvimentoMicrocefaléiaConvulsões
Saúde: Algumas doenças são causadas pela falta de enzimas (ex. fenilcetonúria; intolerância a lactose).
Intolerância a lactose
Não é degradada
Fermentadas porBactérias intestinais Gases
Diarréia