E Z N I Z MAS INT N RO R D O U D Ç U Ã Ç O

Transcrição

1 ENZIMAS INTRODUÇÃO A manutenção da vida celular depende da contínua ocorrência de um conjunto de reações, que devem atender 2 exigências fundamentais: 1 a As reações devem ocorrer em velocidades adequadas à fisiologia celular a insuficiência na produção ou na remoção de metabólitos pode levar a condições patológicas; 2 a precisam ser altamente específicas, de modo a gerar produtos definidos. 1

2 INTRODUÇÃO Quando se observa a composição química de uma célula humana (organelas) verificase a imensidão de possibilidades de reações químicas. Porém em função da baixa temperatura celular, as velocidades das reações são quase que desprezíveis, e as moléculas ali presentes ficam praticamente inertes. 2

3 INTRODUÇÃO Uma reação química pode acontecer em um ambiente encontrado nas organelas, porém terá uma velocidade de reação muito próximo de zero. Exemplo: Por exemplo, a reação catalisada pela orotidina 5'-fosfato descarboxilase (enzima da formação do DNA) aconteceria em 78 milhões de anos na ausência de enzima, diminuindo para apenas 25 milissegundos na presença desta. INTRODUÇÃO A presença de enzimas dirigindo todas as reações celulares permite atender às 2 exigências inicialmente apresentadas Como catalizadores, as enzimas aumentam de várias ordens de grandeza a velocidade das reações que catalizam. Ex: CO 2 + H 2 O HCO 3- + H + (Anidrase carbônica 10 7 ) 2 0 Por serem altamente específicas, selecionam, entre todas as reações potencialmente possíveis, aquelas que efetivamente irão ocorrer. 3

4 ENZIMAS As enzimas são substâncias orgânicas, geralmente proteínas, que catalisam reações biológicas pouco espontâneas e muito lentas. O poder catalítico de uma enzima relaciona a velocidade das reações com a energia despendida para que elas aconteçam. ENZIMAS Na presença de uma enzima catalisadora, a velocidade da reação é mais rápida e a energia utilizada é menor. Por esse motivo as enzimas praticamente regem todo o funcionamento celular interno, favorecendo o metabolismo anabólico (construção) e catabólico (degradação), bem como externo, através de sinalizadores catalíticos estimulantes ou inibitórios atuantes em outras células (hormônios, por exemplo). 4

5 ENZIMAS São catalisadores biológicos que aumentam a velocidade das reações que participam na transferêrencia de energia. Todas as reações são potencialmente reversíveis e os fatores que controlam a direção das reações são as concentrações de substratos e de produtos. Logo, as enzimas são fundamentais para o controle do metabolismo e da homeostase. Enzimas são proteínas que agem como catalizadores biológicos: enzima Composto B (produto) Reação catalisada pela enzima Composto A (substrato) Centro ativo ou sítio catalítico de uma enzima é a porção da molécula onde ocorre a atividade catalítica Observe que não há consumo ou modificação permanente da enzima 5

6 Por que as enzimas controlam o metabolismo? As concentrações de substrato e produto nos tecidos corporais são bastante pequenas. Consequentemente, se as reações ocorressem apenas pela associação aleatória entre as substâncias, o fluxo das reações químicas seria extremamente pequeno. Portanto seria muito difícil sobreviver com a capacidade de responder apenas lentamente aos estímulos externos. Por isso o controle da função enzimática é um meio de regular as reações químicas e as funções corporais e celulares. ENZIMAS CINÉTICA DAS REAÇÕES Em uma reação a energia livre dos produtos é menor do que a dos reagentes (substratos). Para um reagente (substrato) transformar-se em produto, deve passar por um estado intermediário, de maior energia livre. Desta forma, para reagir as moléculas devem ter uma quantidade de energia que lhes permita atingir o estado reativo, chamado de estado de transição. Trata-se de uma etapa que o substrato precisa atravessar para transformar-se em produto. 6

7 Teoria da catálise O gráfico mostra a variação de energia ao longo de uma reação. Energia Energia de ativação Estado de transição Progresso da reação Reação não catalisada Substrato (S) Reação catalisada Produto (P) Energia de ativação ou barreira energética: quantidade de energia que é preciso fornercer aos reagentes para a reação ocorrer Estado de transição ou complexo ativado: forma molecular intermediária entre o reagente e o produto, existe somente no alto da barreira energética. É altamente instável. Um Catalisador diminui a barreira energética criando percursos alternativos da reação para formação do estado de transição. ENZIMAS CINÉTICA DAS REAÇÕES Diagrama mostrando a variação de energia livre em função do caminho de uma reação espontânea hipotética. Na presença do catalisador, a reação ocorre por um caminho alternativo com energia de ativação (E a ) menor. 7

8 O que é o mecanismo chave e fechadura? Alguns mecanismos tem sido propostos para explicar como as enzimas podem diminuir a energia de ativação. O mais simples é conhecido como chave e fechadura. Esse processo interativo garante que a enzima correta se una com o seu substrato específico para realizar uma determinada função. Mecanismo Chave e fechadura 8

9 F U N C I O N A M E N T O E N Z I M Á T I C O Não se esqueça enzimas 1 0 que as 1 0 Diminuem a energia de ativação, levando a altas velocidades de reação; 2 0 São muito específicas, chave e fechadura ; 3 0 São sintetizadas pelas próprias células; 4 0 Sua concentração celular e sua atividade podem ser reguladas, permitindo o ajuste a diferentes condições fisiológicas. 9

10 NOMENCLATURA Século XIX - poucas enzimas identificadas. Adição do sufixo ASE ao nome do substrato: Exemplo: - gorduras (lipo - grego) LIPASE - amido (amylon - grego) AMILASE Nomes arbitrários: NOMENCLATURA - Tripsina e pepsina proteases 10

11 FATORES QUE AFETAM A ATUAÇÃO ENZIMÁTICA Fatores que afetam a atuação enzimática Coenzimas Temperatura ph Concentração enzimática Concentração de Substrato Inibição e Ativação 11

12 1- Coenzima Substância orgânica complexa que facilita a ação enzimática unindo o substrato com sua enzima específica (são ativadores enzimáticos). Na sequência elas se regeneram para ajudar em outras reações semelhantes. Ex: vitaminas do complexo B - riboflavina(b 2 ), nicotinamida(b 5 ), ácido fólico (B 9 ). Obs: Apesar das vitaminas na forma de coenzimas permitirem o prosseguimento das reações, elas não contêm energia química para realização do trabalho biológico. 2- Temperatura Um aumento na temperatura aumenta o fluxo tanto da reação catalizada quanto da reação não catalizada. O aumento da temperatura não diminui a energia de ativação, mas aumenta o número de moléculas que possuem energia cinética suficiente para ultrapassar a energia de ativação e proceder ao estado de transição. Obs: Um aumento excessivo da temperatura pode resultar em uma redução da velocidade da reação, como resultado a desnaturação da enzima. 12

13 TEMPERATURA 1 a Condição - alteração da distribuição de energia entre as moléculas de uma população que se encontram em uma temperatura T 1 (a) por aumento de temperatura (T 2 >T 1 ). 2 a Condição - Quando existe a presença de um catalisador (C) para a mesma temperatura de T 1. A área colorida representa a fração da população com energia igual ou maior do que a energia de transição (E a ). TEMPERATURA Obs: Um aumento excessivo da temperatura pode resultar em uma redução da velocidade da reação, como resultado a desnaturação da enzima. 13

14 Fatores que controlam a atividade enzimática: Variações de temperatura: temperatura ótima % atividade enzimática máxima Pouca energia para a reação acontecer Temperatura ótima Desnaturação térmica da proteína A enzima só está desnaturada em temperaturas acima da temperatura ótima. O que é o ph? O ph é uma medida da acidez e alcalinidade. A escala de ph vai de 0 a 14. Em 7 ph, que é bem na metade, há um equilíbrio entre acidez e alcalinidade. Esse tipo de solução é neutra. O ph significa a atividade dos íons de Hidrogênio. Quanto maior o potencial de uma substância de liberar íons hidrogenados, menor é o valor ph. Então, quanto maior for o grau de acidez, menor será a leitura do ph. 14

15 3- ph O ph de uma solução pode alterar as características das cargas de cadeia de aminoácidos (aa) de uma enzima e alterar a estrutura tridimensional do sítio ativo da enzima como um todo ou a distribuição das cargas de substratos. Com isso haverá diminuição da atividade enzimática. Ex: as Enzimas gástricas da digestão funcionam melhor em um ph próximo de 2,0, enquanto as enzimas intracelulares funcionam melhor em um ph próximo de 7,0. 15

16 Fatores que controlam a atividade enzimática: 1. Fatores que afetam a estabilidade proteica das enzimas Variações de ph: ph ótimo % atividade enzimática máxima ph ótimo=1,5 ph ótimo=6,8 ph ótimo=9,9 16

17 4- Concentração enzimática A concentração de enzimas no corpo humano pode mudar em resposta a estímulos agudos ou crônicos. Um aumento da concentração enzimática aumenta o ritmo das reações químicas para uma dada condição. Sob condições ideais, o ritmo da reação é proporcional à concentração enzimática. 17

18 CURIOSIDADES A concentração de enzimas intracelulares no plasma é centenas de vezes menor do que no interior das células, onde são sintetizadas. Em condições patológicas, quando as células são lesadas, suas concentrações plasmáticas tornamse anormalmente elevadas, revelando a instalação da moléstia. Ainda mais, o tipo de enzima cuja concentração plasmática aumenta pode indicar o tecido ou órgão que sofreu danos. 18

19 5- Concentração de substrato Segundo Michaelis e Menten (1913) o passo limitador do ritmo de uma reação catalizada enzimaticamente é a conversão do processo enzima-substrato para o produto. Portanto se há aumento na concentração de substrato existe aumento no número de enzimas conectadas ao substrato, assim como um aumento na formação de produto. Esquema ilustrativo do equilíbrio E+S ES, em 3 situações (I,II,III) de concentrações diferentes de substrato e mesma concentração de enzima, analisadas após um mesmo tempo inicial. As velocidades de reação (V 0 ) são indicadas em porcentagens da V máx. Na prática, a proporção [S] / [E] é muito maior do que a representada no esquema. 19

20 6- Inibição e Ativação A regulação da atividade enzimática pelas concentrações de substrato e produto aplica-se principalmente as enzimas que não são inibidas ou ativadas quando outras moléculas se conectam à ela. A existência de enzimas que são inibidas ou ativadas é importante para a regulação do metabolismo. 20

21 Um grande número de substâncias pode inibir a atividade enzimática. Algumas dessas substâncias são constituintes da célula e outras são estranhas, levando com a sua presença a alterações significativas do metabolismo. Quando o inibidor é produzido pela própria célula, a variação na sua concentração vai ser muito empregado pela própria célula como uma forma de controle da velocidade das reações. Esse mecanismo vai possibilitar a o organismo responder a diferentes condições fisiológicas. 21

22 Muitos medicamentos usados rotineiramente baseiam-se na inibição específica de enzimas. O bloqueio de uma única reação vai afetar toda a sequência de reações, já que a reação bloqueada não vai gerar o produto que vai ser necessário pra reações seguintes. Os inibidores podem ser reversíveis ou irreversíveis, de acordo com a estabilidade gerada pela sua ligação com a enzima. Os inibidores irreversíveis se ligam as enzimas levando a inativação definitiva da mesma. Estes inibidores são muito tóxicos para o organismo já que não são específicos, sendo capazes de inativar qualquer enzima. As propriedades tóxicas de muitos inibidores têm ainda largo emprego no combate a insetos, por exemplo. Muitos inseticidas têm inibidores enzimáticos em seu princípio ativo. É nesta toxidez que existe o perigo potencial dos detritos industriais, cujo conteúdo é rico em inibidores enzimáticos. Exemplo: compostos organofosforados (pesticidas) 22

23 A toxicidade desses produtos decorre sobretudo de insuficiência cárdio-respiratória respiratória compromentimento do sistema por nervoso autônomo. Sabe-se que alguns destes compostos induzem em animais de experimentação e em humanos, uma miopatia caracterizada por degeneração de células musculares, comprometendo sobretudo a musculatura respiratória. Existem inibidores irreversíveis altamente úteis para o ser humano. Exemplo: Penicilina Ela deve seu emprego terapêutico às suas propriedades de inibidor irreversível, pois liga-se especificamente as enzimas da via de síntese da parede bacteriana, inibindo-as; desprovidas de parede, as células ficam sujeitas à lise. Este é um grande exemplo de atuação sobre uma enzima que o parasita possui e o parasitado não. 23

24 Fatores que afetam a função enzimática Já os inibidores reversíveis podem ser divididos em dois grupos: os competitivos e os não-competitivos. Essa divisão é baseada na presença ou não de competição entre o inibidor e o substrato pelo centro ativo da enzima. Os inibidores competitivos competem com o substrato pelo centro ativo da enzima. Estas moléculas apresentam configuração semelhante ao substrato e por isso são capazes de se ligarem ao centro ativo da enzima. Eles produzem um complexo enzima-inibidor que é semelhante ao complexo enzima-substrato. 24

25 Os inibidores não-competitivos não tem semelhança estrutural com o substrato de reação que inibem. A sua inibição se dá pela sua ligação a radicais que não pertencem ao grupo ativo. Esta ligação vai alterar a estrutura da enzima e diminuir a sua velocidade de catálise. 25