aula enzimas final

Metabolismo, enzimas e cinética enzimática

Componente curricular: Bioquímica

Metabolismo (do grego significa "mudança", troca)

Conjunto de transformações que as substâncias químicas sofrem no

interior dos organismos vivos;

"Metabolismo celular" - reações químicas que ocorrem nas células;

Reações responsáveis pelos processos de síntese e degradação de

nutrientes na célula, constituindo a base da vida (crescimento e

reprodução).

Vias metabólicas – organização das reações químicas, as quais

interagem para transformar diferentes reagentes em diferentes

produtos;

Dividido em anabolismo e catabolismo.

Catabolismo

Reações catabólicas, ou reações de decomposição/degradação, são

reações químicas que produzem (liberam) grandes quantidades de

energia livre (sob a forma de ATP) a partir da decomposição ou

degradação de moléculas mais complexas (matéria orgânica);

Reações que providenciam energia e componentes necessários às

reações anabólicas.

Reações que incluem a degradação e oxidação de moléculas

encontradas em alimentos, bem como a captação de energia luminosa

para a transformação em energia química.

Anabolismo

Reações anabólicas, ou reações de síntese, são reações químicas que

produzem nova matéria orgânica nos seres vivos. Sintetizam-se novos

compostos (moléculas mais complexas) a partir de moléculas simples

(com consumo de ATP);

Conjunto de reações metabólicas de síntese que produzem novos

compostos mais complexos a partir de moléculas mais simples, com

consumo de energia (adenosina trifosfato - ATP);

Ex. Hipertrofia muscular.

Passos:

Síntese de precursores: aminoácidos, monossacarídeos, ácidos graxos e

nucleotídeos;

Ativação dessem compostos com gasto de ATP;

Formação de moléculas complexas: proteínas, polissacarídeos, lipídios

e ácidos nucléicos.

Anabolismo

Organismos autotróficos: síntese de moléculas complexas

(polissacarídeos e proteínas) a partir de moléculas simples (CO2 e

H2O);

Organismos heterotróficos: fontes alimentares que providenciam

moléculas simples (monossacarídeos e aminoácidos) para a produção

de moléculas complexas (polissacarídeos e proteínas).

Anabolismo

Enzimas

Catalizam diferentes reações das vias metabólicas. Facilitam ou

permitem reações ao acoplá-las em situações mais favoráveis do que

na ausência dessas enzimas, nas quais tais reações possivelmente não

ocorreriam.

Regulam as vias metabólicas em resposta a mudanças no ambiente ou

sinalização celular.

Catabolismo > Anabolismo = perda de peso – jejum ou doença

Catabolismo < Anabolismo = ganho de peso

Catabolismo = Anabolismo = homeostase ou equilíbrio dinâmico

Definição:

Catalisadores biológicos;

Longas cadeias de pequenas moléculas chamadas aminoácidos.

Função:

Viabilizar a atividade das células, quebrando moléculas ou juntando-as para formar novos compostos.

Enzimas

A atividade catalítica de enzimas tem sido utilizada pelo homem há milhares de anos

Fermentação do suco de uva para obtenção do vinho;

Fabricação de queijo;

Fabricação de pão.

No entanto, estas eram apenas aplicações práticas, uma vez que o conhecimento do modo de ação dos catalisadores biológicos só recentemente foi elucidado.

Enzimas

Apresentam alto grau de especificidade;

São produtos naturais biológicos;

Reações seguras;

São altamente eficientes, acelerando a velocidade das reações (108 a

1011 + rápida);

São econômicas, reduzindo a energia de ativação;

Não são tóxicas;

Condições favoráveis de pH, temperatura, polaridade do solvente e

força iônica.

Características enzimáticas

Propriedade gerais

ENZIMAS

Proteínas

RNA

Propriedade gerais

RNA

1989 - Canadense Sidney Altman e o norte-americano Thomas Cech:

RNA

Prêmio Nobel de Química

Atividade Catalítica

Como seria possível o início da vida, uma vez que as moléculas de DNA só podem ser reproduzidas e decifradas com a ajuda de proteínas?

• “A vida começou com uma molécula de RNA”

Esquema geral da síntese protéica

Se uma enzima é quebrada em seus aa constituintes, a sua atividade

catalítica é sempre destruída.

Assim, a estrutura protéica primária, secundária, terciária e quaternária das

enzimas são essenciais para sua atividade catalítica.

Esquema geral da síntese protéica

Século XIX - poucas enzimas identificadas

Adição do sufixo “ASE” ao nome do substrato:

* gorduras (lipo - grego) – LIPASE

* amido (amylon - grego) – AMILASE

Nomes arbitrários:

* Tripsina e pepsina – proteases

Nomenclatura e classificação das enzimas

Século XX - quantidade de enzimas descritas

Nomenclatura existente se tornou ineficaz

1955 - IUB - União Internacional de Bioquímica adotou um novo sistema de nomenclatura e classificação

mais complexo

sem ambiguidades

baseado no mecanismo de reação

Ex: Oxirredutases, Transferases, Hidrolases.

Nomenclatura e classificação das enzimas

Enzimas intracelulares

atuam no interior da célula

sintetizam o material celular

realizam reações catabólicas que suprem as necessidades

energéticas da célula.

Enzimas extracelulares

atuam fora da célula

executando as alterações necessárias à penetração dos nutrientes para o interior das

células.

Outras formas de classificação

Endoenzimas

Exoenzimas

Agem dentro das moléculas

Ex: endoamilases, que

hidrolisam ligações

glicosídicas ao acaso ao

longo das cadeias de amilose Agem nas extermidades das

moléculas

Ex: exoamilases, que hidrolisam,

sucessivamente, ligações

glicosídicas a partir da

extremidade não redutora das

mesmas.

Outras formas de classificação

Enzimas habituais ou

constitutivas

Enzimas indutivas

As células sempre as sintetizam

As células só as sintetizam quando estão na presença do substrato da

enzima

Isoenzimas

Enzimas que têm a mesma função, ou seja, catalisam uma mesma reação,

porém apresentam estruturas diferentes

Outras formas de classificação

Velocidade de reação mais rápida:

106 a 1012x > que as não catalisadas;

e são varias ordens de magnitude > do que as reações

catalisadas quimicamente.

Diferenças entre enzimas e catalisadores químicos

Maior especificidade da reação:

Grau de especificidade imensamente > em relação a

identidade dos seus substratos (S) e dos seus produtos (P);

Reações enzimáticas raramente produzem subprodutos;

Estereoespecificidade: Agem em grupos funcionais

específicos catalisando reações de forma estereoepecífica.

Diferenças entre enzimas e catalisadores químicos

Diferenças entre enzimas e catalisadores químicos

Condições reacionais mais brandas:

Ph

Temperatura

Comparação entre enzimas e catalisadores químicos

Comparação entre enzimas e catalisadores químicos

Comparação entre enzimas e catalisadores químicos

Comparação entre enzimas e catalisadores químicos

Mecanismo de ação

E + S E + P

Não são consumidas na reação;

Embora a enzima participe da sequência da reação, ela não sofre

nenhuma transformação.

H2O2 H2O O2 +

Catalase

Mecanismo de ação

1 molécula de Catalase

decompõe

5 000 000 de moléculas de H2O2

pH = 6,8 em 1 min

Atuam em pequenas concentrações

Modelo chave-fechadura

Emil Fischer (1894): alto grau de especificidade das enzimas originou

Chave-Fechadura , que considera que a enzima possui sitio ativo

complementar ao substrato.

Modelo do ajuste induzido

Koshland (1958): Ajuste Induzido - enzima e substrato sofrem conformação para o ajuste. O substrato é distorcido para conformação exata do estado de transição.

Teoria da colisão

• As reações químicas acontecem quando ligações são quebradas ou

formadas.

• Para isto átomos, íons e moléculas devem colidir.

• Todos os átomos, íons e moléculas estão em constante movimento e

portanto colidindo constantemente.

• A energia transferida pelas partículas na colisão pode desorganizar

suas estruturas eletrônicas o suficiente para que as ligações químicas

sejam quebradas ou novas ligações se formem.

Conceitos

Energia de ativação (EA):

Quantidade de energia requerida para romper a configuração

eletrônica estável de qualquer molécula específica para que os elétrons

possam ser reorganizados.

Conceitos

Diferença entre a energia livre

de S e P G

Caminho da Reação

Energia de ativação com enzima

Energia de ativação sem enzima

S P

Conceitos

G:

Diferença de energia entre produtos e reagentes;

Não depende da energia de ativação.

Enzima atua diminuindo a energia de ativação;

Não altera o equilíbrio, nem o G da reação.

Conceitos

Taxa de reação:

Frequência de colisões contendo energia suficiente para que a reação aconteça.

taxa de reação:

• de T = o calor a frequência das colisões e o n° de moléculas que atingem a EA.

• Reagentes estão + concentrados = Distância entre as moléculas menor.

Conceitos

Enzimas atuam de diversas formas:

Baixando a EA: através da criação de um ambiente no qual o estado de transição é estabilizado (ex. distorcendo a forma da molécula do S).

Providenciando uma via alternativa: (ex. reagindo com o S formando um complexo ES, de existência impossível sem a presença da E).

Reduzindo a variação da entropia (estado de desorganização da molécula) da reação: orienta o S de forma correta para facilitar a reação. Na ausência de E, as moléculas colidem em todas as direções possíveis de forma aleatória.

Mecanismos de ação

pH;

Temperatura;

Concentração das enzimas;

Concentração dos substratos.

Fatores que influenciam a atividade enzimática

pH

Variações no estado de ionização dos componentes do sistema à

medida que o pH varia.

A ionização de aa pode provocar modificações na conformação da

enzima;

O substrato pode ser afetado;

Alterações no pH podem provocar desnaturação e consequente

inativação da enzima.

Pepsina: enzima produzida no estômago que atua sobre proteínas,

degradando-as em moléculas menores. pH ótimo = 1,5 (meio ácido);

Tripsina: enzima produzida no pâncreas e lançada no duodeno,

degradando proteínas que não foram digeridas no estômago. pH

ótimo = 7,7 (meio básico).

pH

Com temperatura dois efeitos ocorrem:

A taxa de reação aumenta, como se observa na maioria das reações

químicas;

A estabilidade da proteína decresce devido à desativação térmica;

A partir de certa temperatura ótima (específica de cada enzima),

ocorre desnaturação protéica, o que deixa a enzima inativa.

Temperatura

A velocidade máxima da reação é alcançada em função da quantidade de

enzima disponível (existindo substrato em excesso);

Efeito da [ ] da enzima sobre a velocidade inicial (V0) com substrato em

excesso:

Concentração da enzima

Inicialmente a velocidade da reação é diretamente proporcional à [S].

Concentração do substrato

A quantidade de reagente é o suficiente grande para saturar todos os

sítios catalíticos enzimas.

Concentração do substrato

Grande parte do arsenal farmacêutico (por ex. tratamento da AIDS

feito com drogas que inibem a atividade de certas enzimas virais.

Inibição enzimática

Inibidores

Substâncias que reduzem a atividade de uma enzima de forma a

influenciar a ligação do substrato.

Inibição enzimática - classificação

Irreversível

Reversível

Competitiva

Não Competitiva

O inibidor liga-se tão fortemente (ligação covalente) à enzima que a

dissociação é muito lenta.

Podem destruir grupos funcionais que são essenciais para a atividade

enzimática.

A enzima não retoma a sua atividade normal.

Alguns inibidores irreversíveis são venenos;

Ex.: Inseticidas organofosforados que inibem a acetilcolinesterase

(enzima importante na transmissão dos impulsos nervosos). Essa

enzima hidrolisa a acetilcolina do cérebro, de acordo com o esquema a

seguir:

Inibição Irreversível

Inibição Irreversível

Inibição da enzima ciclo-oxigenase pelo acetilsalicilato

Ácido araquidônico

Ciclo-oxigenases

Prostaglandinas

Processos fisiológicos, sensação de dor, processo inflamatório

Uma substância que compete diretamente com o substrato pelo sitio de ligação de uma enzima.

Inibidor normalmente é semelhante ao substrato, de modo que se liga especificamente ao sitio ativo, mas difere do substrato por não poder reagir com ele.

O inibidor liga-se á enzima formando o complexo EI cataliticamente inativo.

Inibição Reversível - Competitiva

O inibidor não competitivo pode ser uma molécula que não se

assemelha com o substrato, mas apresenta uma grande afinidade com

a enzima.

Esta ligação pode distorcer a enzima tornando o processo catalítico

ineficiente.

Inibição Reversível – Não competitiva

Um organismo deve poder regular as atividades catalíticas de suas

enzimas para que ele possa coordenar seus processos metabólicos,

responder às mudanças no meio, crescer e diferenciar-se, tudo de

maneira ordenada.

Há duas maneiras pelas quais isso pode ocorrer:

Controle da disponibilidade da enzima.

Controle da atividade da enzima.

Regulação da atividade enzimática

Controle da disponibilidade da enzima

A quantidade de uma enzima em uma célula depende

velocidade de síntese

velocidade de degradação.

Regulação da atividade enzimática

Cada uma dessas velocidades é diretamente controlada pela

célula e esta sujeita a mudanças drásticas em períodos que

vão de minutos (em bactérias) até horas (em organismos

superiores).

Controle da atividade da enzima

A atividade pode ser regulada por meio de alterações estruturais que influenciem a afinidade da ligação do substrato à enzima.

A afinidade de ligação do S a uma E pode variar também com a ligação de pequenas moléculas, chamadas efetores alostéricos, que podem tanto aumentar como diminuir a atividade.

Um modelo muito comum de regulação alostérica é a inibição por "feed-back”.

Regulação da atividade enzimática

Algumas enzimas podem ter suas atividades reguladas, atuando assim

como moduladoras do metabolismo celular. Esta modulação é

essencial na coordenação dos inúmeros processos metabólicos pela

célula.

Regulação da atividade enzimática

Mecanismos de controle

Indução: A presença do substrato A induz a síntese da enzima a

B C D E A

Enzima a1 Enzima d

Produto

final

Substrato

inicial

Enzima b Enzima c

Algumas enzimas podem ter suas atividades reguladas, atuando assim

como moduladoras do metabolismo celular. Esta modulação é

essencial na coordenação dos inúmeros processos metabólicos pela

célula.

Regulação da atividade enzimática

Mecanismos de controle

Retroinibição: O produto final E, inibe a ação das enzimas a

B C D E A

Enzima a1 Enzima d

Produto

final

Substrato

inicial

Enzima b Enzima c

Regulação da atividade enzimática

Algumas enzimas podem ter suas atividades reguladas, atuando assim

como moduladoras do metabolismo celular. Esta modulação é

essencial na coordenação dos inúmeros processos metabólicos pela

célula.

Mecanismos de controle

Repressão catabólica: Caso haja um caminho mais conveniente,

a síntese de todas as enzimas é reprimida

B C D E A

Enzima a1 Enzima d

Produto

final

Substrato

inicial

Enzima b Enzima c

Regulação da atividade enzimática

Algumas enzimas podem ter suas atividades reguladas, atuando assim

como moduladoras do metabolismo celular. Esta modulação é

essencial na coordenação dos inúmeros processos metabólicos pela

célula.

Mecanismos de controle

Cada isoenzima pode ser regulada independentemente

Controle fino do metabolismo

B C D E A

Enzima a1

Enzima a2

Enzima a3

Enzima d

Produto

final

Substrato

inicial

Enzima b Enzima c

Aplicações

Alimentos

Rações animais

Papel e celulose

Couro

Têxtil

Indústria de azeite de oliva:

- Aplicação de polygalacturonase e pectinesterase na melhoria de

aspectos organolépticos e estabilidade a longo prazo.

Panificação:

- Melhoria de cor, sabor e estrutural através de preparado enzimático

que contém alfa-amilase fúngicas. Atua sobre a farinha de trigo,

acelerando o processo de fermentação devido a uma maior formação

de açúcares para o fermento.

Alimentos

Utilização de enzimas nas rações para leitões durante o período de

lactação:

- Emprego de Xilanase, Beta-glucanase e Alpha-amylase com o

objetivo de digestão de amido e, em decorrência disso, ganho de peso

e abate precoce.

Rações animais

Remoção de depósitos em máquinas de papel:

- Substituição de álcalis e ácidos fortes por enzimas com o objetivo de

assegurar a integridade física dos funcionários e cumprir leis

ambientais.

Indústria de papel e celulose

Indústria de couro

Uma das primeiras partes do processo de transformação de uma pele

em couro é a eliminação dos pêlos que ainda venham agarrados.

O processo usado até agora envolvia sulfureto de sódio, um químico

com um cheiro tão intenso que é impossível passar por uma fábrica de

curtumes sem percebê-la.

Em alternativa, foi sugerido à indústria que passe a usar enzimas – o

mau cheiro desaparece e a carga poluente dos efluentes é eliminada.

Indústria têxtil

Usa-se a amilase bacteriana (Bacillus subtilis e Bacillus lichenformis) estável

ao calor para eliminar a goma dos produtos têxteis, substituindo os

ácidos e álcalis na hidrólise do amido.

Outras aplicações

Indústria de Cosméticos

Produtos de Limpeza

Inativação Enzimática (fármacos)

Ampla aplicabilidade da atividade enzimática;

Vantagens frente aos catalisadores químicos;

Importância de fatores externos;

Necessidade de maiores estudos para viabilizar o uso de diversas

enzimas.

Considerações finais

1. As proteínas são compostos:

a) formados por carboidratos e lipídios unidos por pontes de hidrogênio.

b) de tamanho muito pequeno (micromoléculas) e que ocorrem em baixa

concentração dentro da célula.

c) que não fazem parte da constituição química dos cromossomos.

d) formados por aminoácidos unidos por ligações peptídicas.

e) responsáveis pela transmissão da informação genética.

Exercícios

2. Podemos considerar as enzimas como:

a) carboidratos que têm a função de regular o nível de glicose (açúcar) no

sangue dos animais superiores.

b) proteínas com a função de catalisar reações químicas nos seres vivos.

c) proteínas com função estrutural que entram na composição da parede

celular dos vegetais.

d) lipídios que têm a função de fornecer energia para as reações celulares.

e) mucopolissacarídeos que têm a função estrutural nos exoesqueletos

dos artrópodes.

Exercícios

3. A respeito das enzimas, podem-se fazer todas as afirmações a seguir,

exceto:

a) são compostos protéicos.

b) agem sobre substâncias especificas denominadas substratos.

c) são insensíveis às mudanças de temperatura.

d) são produzidas por células.

e) são catalisadores biológicos.

Exercícios

4. Considerando a definição de enzimas, observe as afirmativas e

assinale a alternativa correta. I. São catalisadores orgânicos, de

natureza protéica, sensíveis às variações de temperatura. II. São

substâncias químicas, de natureza lipídica, sendo consumidas durante

o processo químico. III. Apresentam uma região chamada área ativa

ou sítio ativo, o qual se encaixa na molécula do substrato, modelo

"chave - fechadura".

a) Apenas a afirmativa I é correta.

b) Apenas as afirmativas I e III são corretas.

c) Apenas as afirmativas II e III são corretas.

d) Todas as afirmativas são corretas.

e) Nenhuma afirmativa é correta.

Exercícios

5. As enzimas, biocatalisadores que atuam acelerando as reações

químicas, reconhecem seus substratos através da:

a) temperatura do meio.

b) forma tridimensional das moléculas.

c) energia de ativação.

d) concentração de minerais.

e) reversibilidade da reação.

Exercícios

6. Em relação às enzimas, podemos afirmar:

a) Quando a temperatura e a concentração da enzima são constantes, e

aumenta-se gradativamente a concentração do substrato, observa-se um

aumento da velocidade da reação até o máximo, independente do pH;

b) Um aumento da concentração do substrato causa uma diminuição da

velocidade da reação, pois o substrato passa a inibir a ação da enzima;

c) O aumento da temperatura provoca um aumento na velocidade de reação

enzimática até uma temperatura crítica, quando ocorre uma queda na

atividade da enzima em consequência de sua desnaturação;

d) A atividade de uma enzima é inibida irreversivelmente por um mecanismo

chamado de inibição competitiva, na qual o inibidor tem a forma

semelhante ao substrato.

Exercícios

7. As reações de síntese e degradação de biomoléculas, que compõem o

metabolismo celular, são catalisadas por um grupo de moléculas

denominadas enzimas. Esses importantes catalisadores biológicos

podem possuir algumas das seguintes características:

I. Enzimas são a maior e mais especializada classe de lipídios;

II. Enzimas possuem grande especificidade para seus substratos;

III. Enzimas aceleram as reações químicas, sem serem modificadas

durante o processo;

IV. Substratos são substâncias sobre as quais as enzimas agem,

convertendo-os em um ou mais produtos.

Quais estão corretas?

Exercícios

8. Para inibir a ação de uma enzima, pode-se fornecer à célula uma

substância que ocupe o sítio ativo dessa enzima. Para isso, essa

substância deve:

a) Estar na mesma concentração da enzima.

b) Ter a mesma estrutura espacial do substrato da enzima.

c) Recobrir toda a molécula da enzima.

d) Ter a mesma função biológica do substrato da enzima.

e) Promover a desnaturação dessa enzima.

Exercícios