Catalizadores biológicos - Aceleram reações químicas específicas sem a formação de produtos colaterais

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2 O que são enzimas? Catalizadores biológicos - Aceleram reações químicas específicas sem a formação de produtos colaterais Reagentes = substratos Local onde a reação ocorre = sitio ou centro ativo S + E ES EP P + E

3 Características das enzimas 1 - Grande maioria das enzimas são proteínas (algumas moléculas de RNA tem atividade catalítica ribozimas) 2 - Funcionam em soluções aquosas diluídas, em condições muito suaves de temperatura e ph (mm, ph neutro, 25 a 37 o C) Pepsina estômago ph 2 Enzimas de organismos hipertermófilos (crescem em ambientes quentes) atuam a 95 o C

4 3 - Apresentam alto grau de especificidade por seus reagentes (substratos) 4 - Peso molecular: varia de à 1 milhão daltons (Da), são portanto muito grandes quando comparadas ao substrato. Molécula que se liga ao sítio ativo e que vai sofrer a ação da enzima = substrato Região da enzima onde ocorre a reação = sítio ativo

5 5 - A atividade catalítica das Enzimas depende da integridade de sua conformação protéica nativa local de atividade catalítica (sitio ativo) glicose catalase Tetrâmero 60KDa ~ 500aa hexoquinas e Da 920aa Sítio ativo e toda a molécula proporciona um ambiente adequado para ocorrer a reação química desejada sobre o substrato

6 Nomes comuns de enzimas Normalmente se adiciona o sufixo ase ao nome do substrato ou à atividade realizada: Amilase hidrolisa o amido Amido sintetase síntese do amido DNA-polimerase polimeriza DNA Transaminase ou aminotransferase Hidrolase

7 Classificação das enzimas 6 Classes de acordo com o tipo de reação/função classe grupo Reação catalisada EC 1 Oxidorredutase Transferência de elétrons (íons hidreto ou átomos de H) EC 2 Transferase Transferência de grupos EC 3 Hidrolase Hidrólise (transferência de grupos funcionais envolvendo água) EC 4 Liase Adição de grupos funcionais a dupla ligação ou formação de dupla ligação pela remoção de grupos EC 5 Isomerase Transferência de grupos dentro da mesma molécula formando isômeros EC 6 Ligase Formação de ligações C-C, C-S, C- O e C-N por meio de ligações de condensação e quebra de ATP Comitê de Nomenclatura da União Internacional de Bioquímica e Biologia Molecular

8 Como as enzimas agem? Enzimas fornecem um ambiente específico para tornar uma reação biológica termodinamicamente mais favorável.

9 As enzimas aumentam a velocidade das reações químicas A velocidade da reação está relacionada à energia de ativação O que é a energia de ativação?

10 Velocidade Equilíbrio Energia de ativação é dada pela diferença energética entre o estado fundamental e o de transição

11 As enzimas aumentam a velocidade das reações diminuindo a energia de ativação das reações

12 Como as enzimas diminuem a energia de ativação? Várias ligações e interações entre os resíduos de aa do centro ativo e o substrato proporcionam a ocorrência da reação química necessária aumentando a velocidade da reação química

13 Direcionam o substrato para a posição adequada dos grupos reativos Proporciona a associação e a aquisição de cargas elétricas importantes para a reação Substrato posicionado no sítio ativo da enzima: grupos catalíticos funcionais auxiliam a quebra e a formação de ligações por meio de uma variedade e mecanismos

14 Quais são os grupos catalíticos e como a catálise ocorre? Três tipos de mecanismos catalíticos: Catálise ácido-base geral (transferência de prótons de um substrato ou de um intermediário) Catálise covalente (formação de ligação covalente transitória entre o substrato e a enzima) Catálise por íons metálicos (íons metálicos ligados às enzimas auxiliam a reação)

15 Aminoácidos que recebem ou doam prótons nos centro ativos das enzimas Isso explica a dependência do ph na atividade das enzimas Esse tipo de catálise ocorre na maioria das enzimas

16 Catálise covalente Nesse tipo de catálise ocorre a formação de uma ligação covalente entre a enzima e o substrato (ex: hidrólise) A B H 2 O A + B Na presença de uma enzima com um grupo nucleofílico essa reação acontece em dois passos A B + X: H 2 O A X + B A + B + X: Aminoácidos mostrados anteriormente e alguns grupos funcionais de coenzimas agem como nucleófilos

17 Catálise por íons metálicos Nesse tipo de catálise o íon (zinco, magnésio ou cálcio) estão ligados a aminoácidos do centro ativo e participam da catálise como nas catálises ácidobase orientando o substrato ou estabilizando o complexo ES eletricamente.

18 Atividade enzimática é afetada pelo ph O ph pode influenciar a atividade de uma enzima através de maneiras distintas. Primeiramente, o ph pode levar à desnaturação proteica. O ph também pode interferir na atividade de uma enzima alterando o padrão de cargas de um determinado sítio ativo ou catalítico, ou alterando a conformação geral da proteína.

19 Atividade enzimática é afetada pela temperatura O aumento de temperatura aumenta a taxa de reação enzimática devido ao aumento de energia cinética das moléculas participantes da reação. A temperatura pode interferir nas interações que mantém as estruturas secundárias e terciárias (pontes de hidrogênio e interações hidrofóbicas), podendo levar à desnaturação protéica.

20 Curva que relaciona [S] e V 0 é uma hipérbole, concentrações mais baixas aumento linear da velocidade, concentrações mais altas velocidade atinge um valor máximo

21 Concentrações baixas de substrato ocorre aumento linear entre Velocidade(V 0 ) e o Substrato [S] [S] V 0 aumenta cada vez menos até atingir um patamar (V max ) Curva relacionando [S] e V 0 pode ser expressa algebricamente

22 Equação de Michaelis-Menten Constante de Michaelis

23 O que é K m? É a concentração do substrato onde se obtém metade da velocidade máxima da reação

24 Equação de Michaelis-Menten Transformações da equação de Michaelis-Menten Equação de Lineweaver-Burk ou duplo-recíproco Inversão dos dois lados da equação de Michaelis-Menten Separação dos componentes do lado direito.

25 Equação de Lineweaver-Burk ou duplo-recíproco inverter Separar componentes e resolver y = a x + b K 1 m

26 Com essa transformação matemática passa-se a trabalhar com uma reta e não com uma hipérbole, mais fácil. a = coeficiente angular y=0 b = coeficiente linear x = 0

27 A atividade de todas as enzimas pode ser inibida por determinadas moléculas Inibidores enzimáticos São moléculas que interferem com a catálise diminuindo ou interrompendo a reação enzimática

28 Como são classificados os inibidores de acordo com seu mecanismo de ação? Reversíveis Irreversíveis Inibição competitiva Inibição incompetitiva Inibição mista ou não competitiva Como eles atuam?

29 Reversíveis - Inibição competitiva Inibidor compete com o substrato pelo sitio ativa da enzima Inibidor tem estrutura molecular semelhante à do substrato [S] deslocar inibidor do sítio ativo e manter V max V max é constante na presença do inibidor devido à grande quantidade de substrato

30 Reversíveis - Inibição incompetitiva Inibidor se liga em um sítio diferente do centro ativo, impede a reação do complexo ES. Independente da concentração do substrato o Km e a Vmax estão alterados

31 Reversíveis - Inibição mista ou não competitiva Inibidor se liga tanto ao complexo ES como à enzima, em um sítio diferente do centro ativo Independente da concentração do substrato o Km e a Vmax estão alterados

32 Inibição irreversível Inibidor se liga de maneira estável ou covalente com um grupo funcional importante para a atividade enzimática Utilizados experimentalmente para definir os aminoácidos essenciais do centro ativo das enzimas Inativar determinadas enzimas em situações biológicas importantes

33 Este é o mecanismos de ação dos inseticidas organofosforados, como o malathion e o parathion. Absorção via pele, inalação e ingestão alimentos contaminados. Metabolismo hepático lento - intoxicação Reagem com o resíduo de serina no sitio ativo das serinoenzimas, formando um complexo irreversível. Uma das enzimas altamente sensível a esses compostos é a acetilcolinesterase, responsável pela metabolização do neurotransmissor acetilcolina em neurônios centrais e periféricos (envenenamento por organofosforados) Sintomas depressão respiratória, letargia, convulsões, coma

34 Regulam a velocidade das reações metabólicas São reguladas por determinados sinais Tipos: Enzimas alostéricas Enzimas reguladas por modificações covalentes reversíveis Enzimas reguladas por proteólise

35 Enzimas alostéricas Possui sítios reguladores para a ligação do modulador especifico Maiores e mais complexas que as não alostéricas (mais que uma cadeia polipeptídica) Sofrem modificações conformacionais em resposta à ligação do modulador (positivo ou negativo)

36 Enzimas reguladas por modificações covalentes reversíveis Diferentes grupos podem se ligar á molécula enzimática e regular sua atividade Grupos ligados covalentemente e removidos pela ação de outras enzimas Menos ativa Mais ativa

37 Enzimas reguladas por proteólise Enzimas proteolíticas mecanismo de proteção/regulação Enzima inativa Fatores externos (autólise ou ação de outra protease) Parte da cadeia é retirada e a enzima muda sua conformação expondo o sítio ativo