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ENZIMAS
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Precisa ser catalisada para ocorrer de forma rápida
Seres vivos usam energia provida do ambiente Os organismos vivos são capazes de extrair energia livre do ambiente e utilizá-la para manter suas funções Precisa ser catalisada para ocorrer de forma rápida Energia Glicose + O2 CO2 + H2O
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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 célula As reações químicas são catalisadas ENZIMAS Quase todas as reações químicas que acontecem dentro das células só ocorrem em velocidade adequada porque são catalisadas.
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Triose isomerase fosfato
Enzimas são catalisadores que aumentam a velocidade da reação de 5 à 17 ordens de grandeza. Triose isomerase fosfato V = 4300/s Gliceraldeido 3-fosfato Dihidroxiacetona fosfato V= 4,3 x 10-6/s
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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.
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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.
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Porção protéica APOENZIMA Cofator HOLOENZIMA
Muitas enzimas necessitam de cofatores para sua atividade Porção protéica APOENZIMA Cofator Íons metálicos HOLOENZIMA Moléculas orgânicas Os cofatores podem ser divididos em dois grupos: Metais Moléculas orgânicas (coenzimas) Coenzimas Quando o cofator está ligado fortemente a parte proteica da enzima ele é chamado de grupo prostético.
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Anidrase carbônica
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lactato desidrogenase alanina aminotransferase
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 desidrogenase lactato piruvato Transferases – catalisam a transferência de um grupamento de uma molécula a outra. alanina aminotransferase alanina piruvato α-cetoglutarato L-glutamato
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Liases – catalisam reações adicionando ou removendo grupamentos.
Hidrolases – catalisam a reação de hidrólise de uma única ou várias ligações covalentes por introdução de uma molécula de água. H2O peptidase Liases – catalisam reações adicionando ou removendo grupamentos. piruvato carboxilase piruvato acetaldeído
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Fosfoglicose isomerase
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
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Como as enzimas funcionam?
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A + B C + D 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 Para a reação ocorra entre duas moléculas que colidem, elas devem colidir em uma orientação correta, e possuírem um aporte de energia mínimo. Quando as moléculas se aproximam, suas eletrosferas se repelem mutuamente. Para superar esta repulsão é necessário energia (energia de ativação), a qual é tipicamente provida pelo calor do sistema; isto é, a energia de translação, vibração e rotação de cada molécula, embora algumas vezes pela luz (fotoquímico) ou campo elétrico (eletroquímico). Se existe bastante energia disponível, a repulsão é superada e as moléculas se aproximam o suficiente para que a atração entre elas provoque um rearranjo das ligações covalentes A temperaturas baixas para uma reação em particular, a maioria das moléculas (mas não todas) não terá energia suficiente para reagir. Contudo haverá quase sempre um certo número de moléculas com bastante energia a qualquer temperatura porque a temperatura é uma medida da energia média do sistema; sendo que moléculas individuais podem ter mais ou menos energia que a média. Aumentando a temperatura, a proporção de moléculas com mais energia do que a energia de ativação cresce proporcionalmente, e conseqüentemente a velocidade da reação cresce. Tipicamente a energia de ativação é considerada como sendo a energia em quilojoule necessária para que 1 mol de reagente reaja. Enegia de ativação
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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
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As enzimas aceleram as reações pela facilitação da formação do estado de transição
Reduz a energia de ativação necessária para atingir o 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.
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As enzimas só alteram a velocidade, não o equilíbrio da reação
P
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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
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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.
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Modelo encaixe induzido – o sítio catalítico não está totalmente pré-formado, a enzima se ajustaria ao substrato.
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Formação do complexo ES
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Mecanismos principais através dos quais as enzimas aceleram uma reação
Catálise Ácido-Base Catálise Covalente Catalise por ion metálico
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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-).
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Catálise Covalente – Neste tipo de catálise é formado uma ligação covalente transitória entre a enzima e o substrato. Quimiotripsina
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Catálise por íons metálicos – metais firmemente ligados ao sítio catalítico interage entre a enzima e o substrato estabilizando o estado de transição.
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Cinética enzimática Estudo das velocidades das reações enzimáticas bem como os fatores que as influenciam A velocidade da reação pode ser medida por: Quantidade de produto formado por unidade de tempo Quantidade de substrato consumido por unidade de tempo V = - S/ t = P/ t
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Cinética enzimática Para: S P V = [S]Κ
Um dos principais fatores que alteram a velocidade de uma reação é a concentração de substrato. Κ Para: S P V = [S]Κ
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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
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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. Substrato satura todas As enzimas Velocidade a reação é proporcional a S
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Efeito da concentração do substrato na velocidade inicial
A relação entre concentração de substrato e velocidade inicial da reação pode ser expressa algebricamente pela equação de Michalis e Menten. Concentração substrato Velocidade inicial Constante de Michaelis
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K2 K1 K -1 V0 – Velocidade Inicial
E + S ES E + P K -1 V0 – Velocidade Inicial Estado estacionário – [ES] constante Então Formação de [ES] = Degradação de [ES]
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Km K2 K1 K -1 [ES] = [Et] [S] [S] + (K –1+ K2) / k1)
E + S ES E + P K -1 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
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Então: V0 = k2 [Et] [S] Se, [ES] = [Et] [S] Se, V0 = k2 [ES] Km + [S]
Em V máxima [Et] = [ES] Então V max = k2 [Et] Sendo assim Vo = Vmax [S]
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Uma propriedade importante:
Vm = 2 Vm . [S] Km +[S] Quando V0 = Vm 2 . [S] Km +[S] = 2 2 . [S] - [S] Km = Km= [S] Propriedades importantes de Km: Km = [S] 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.
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Gráfico Linewevear-Burk
1 [S] v -1 Km Vmax Y = ax +b Linearizando a equação de Michaelis e Menten
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Consequências importantes de Km
Afinidade da enzima pelo substrato Km Afinidade da enzima pelo substrato v 1/V Vmáx V/2 Km Km [S] -1/Km -1/Km 1/s
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Fatores que influenciam na atividade enzimática
pH A ionização de aa pode provocar modificações na conformação da enzima. Pepsina pH ótimo 1,5 Tripsina pH ótimo 7,7
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pH do meio esta alcalino; concentração reduzida de íons H+ no meio;
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. pH do meio esta ácido; excesso de íons H+ no meio; os aa recebem H+, ficando eletricamente positivo.
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Fatores que influenciam na atividade enzimática
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. Temperatura ótima da reação
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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 ).
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Reações enzimáticas com mais de um substrato
Sequencial (formação do complexo ternário)
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Reações enzimáticas com mais de um substrato
Pingue-pongue ou duplo deslocamento
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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. Inib. Competitiva (freqüente) Inib. Não-competitiva Inib. Acompetitiva (quando o inibidor liga-se ao complexo ES , mas não a enzima livre) Irreversíveis Inibidores Reversíveis
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Inibidor irreversível: liga - se a enzima levando a sua inativação definitiva
Exemplo: Inibição de Cisteino peptidases por iodoacetamida 1
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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.
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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.
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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.
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Analgésicos
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Sítio Ativo da Ciclooxigenase
Inibidor irreversível Ligação covalente Ácido acetil salicílico Inibidor competitivo e reversível Interações sem ligação covalente Ácido mefenâmico
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Inibidores Competitivos de proteases do vírus HIV
Gag 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
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Regulação da atividade enzimática
Um organismo regula a atividade de algumas enzimas para coordenar seus processos metabólicos 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
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Regulação alostérica
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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)
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Um modulador alostérico pode ser tanto um inibidor quanto um ativador.
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Fosfofrutokinase 1 (PFK-1)
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Feedback negativo Coordena o fluxo de enzimas por uma via metabólica.
- A B C D E
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Regulação por modificação covalente
Ex: Fosforilação, acetilação, ubiquitinação, etc
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Glicogênio fosforilase
Fosforilação – Regula inúmeros processos metabólicos ativando enzimas chaves das vias metabólicas. Glicogênio fosforilase
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Ativação proteolítica
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Aplicações das enzimas
Setor industrial –
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Saúde – são usadas para detectar algum tipo de doença, ou dano tecidual, ou como marcador de exames.
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Infarto do miocárdio
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Atraso no desenvolvimento Microcefaléia Convulsões
Saúde: Algumas doenças são causadas pela falta de enzimas (ex. fenilcetonúria; intolerância a lactose). Fenilcetonúria acumula Fenilcetonas Atraso no desenvolvimento Microcefaléia Convulsões TÓXICAS
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Bactérias intestinais
Saúde: Algumas doenças são causadas pela falta de enzimas (ex. fenilcetonúria; intolerância a lactose). Intolerância a lactose Não é degradada Fermentadas por Bactérias intestinais Gases Diarréia
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