Enzimas: Catalisadores Biológicos

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Resumo Enzimas – Bloco II – Bioquimica I – Farmácia 
Enzimas.
Definição: são catalisadores das reações dos sistemas biológicos, ou seja, aumentam a velocidade das reações que acontecem nos sistemas vivos.
Estrutura:
Quase todas são proteínas, com exceção de um pequeno grupo de moléculas de RNA com propriedades catalíticas, chamadas de RIBOZIMAS.
A estrutura é responsável pela atividade catalítica;
Podem estar associadas a cofatores (um ou mais íons inorgânicos) e/ou a coenzimas (moléculas orgânicas, por exemplo, vitaminas). Nestes casos, são chamadas de holoenzimas (apoenzima + cofator e/ou coenzima);Exemplos de cofatores:/coenzimas:
Cu 2+: cofator da enzima citocromo-C
K+: cofator da enzima piruvato-cinase
Coenzima A: aceptor de grupos acetil
Se a ligação de um cofator ou uma coenzima for muito forte, o chamamos de grupo prostético; 
Ex: Heme, grupo prostético presente na hemoglobina e possui a função de carregar átomos de O2
Podem sofrer modificações, como fosforilação, glicosilação ou outros processos.
Nomenclatura:
Nome do substrato catalisado ou processo realizado + sufixo ase
Ex: 1- Hexoquinase: capaz de adicionar um grupamento fosfato em uma molécula de glicose
2-Lipase: capaz de quebrar lipídios
3- Metiltransferase: capaz de transferir um grupamento metil p outras moléculas(aa, ptn, nuc)
4- Aldolase: capaz de quebrar um produto e transformá-lo num aldol.
Classificação internacional das enzimas:
→ Oxidorredutases: Catalisam reações de transferência de elétrons, ou seja, reações de oxidação-redução. O substrato oxidado é um hidrogênio ou doador de elétron. São as “desidrogenases” e as “Oxidases” 
→ Transferases: Catalisam a transferência de grupos (funcionais contento C, N e P) entre duas moléculas. O doador pode ser um cofator (coenzima) que carrega o grupo a ser transferido. 
→ Hidrolases: Catalisam a reação de hidrólise de várias ligações covalentes. (Quebra pela adição da água). 
→ Liases: (Quebra de ligações duplas) Catalisam a clivagem de ligações C-C, C-O, C-N, entre outras, através de hidrólise ou oxidação. Nos nomes comuns, encontramos as descarboxilases, aldolases, desidratases, ou mesmo liases. As desidratases são aquelas que eliminam água na reação. 
→ Isomerases: Transferência de grupos dentro da mesma molécula, formação de isômeros. 
→ Ligases: (Reações de síntese com consumo de ATP) Catalisam a formação de ligações de C-C, C-S, C-O e C-N, com a concomitante hidrólise de ATP ou outro composto trifosfatado. São conhecidas como Ligases, Carboxilases ou Sintetases, sendo que existem 6 sub-classes dessas enzimas. Ex: Piruvato carboxilase.
Funcionamento: 
Obs: Dentro das células: temperaturas amenas, pH neutro e ambiente estável; o encontro entre duas ou mais moléculas exatamente na orientação propícia à reação é muito difícil de acontecer → as reações biológicas não catalisadas tendem a ser lentas;
O que pode aumentar a velocidade de uma reação biológica? 
Temperatura maior; 
Pressão maior; 
Adição de catalisador.
A reação ocorre no sítio ativo da enzima que engloba o substrato. Na superfície do sítio ativo, existem aminoácidos com grupos nas cadeias laterais que ligam o substrato e que catalisam a sua transformação química.
*A fonte de energia utilizada pelas enzimas é a energia livre, proveniente de algumas ligações muito fracas ou rearranjo de ligações covalentes entre a enzima e o substrato
** Interação covalente entre o substrato e a enzima reduz a energia de ativação, acelerando a reação.
*** Os sítios ativos das enzimas não são complementares ao substrato, mas sim aos estados de transição pelos quais os substratos passam para serem convertidos em produtos durante a reação catalítica.
A reação enzimática pode ser representada como:
1 - Junção da enzima (complexação) com o substrato, o substrato se liga ao sítio ativo da enzima, formando o complexo enzima-substrato(ES). Esse processo é reversível.
2 - Quando a enzima está ligada a seu substrato, ela irá promover a catálise enzimática, transformando o substrato em produto. 
3 - Forma-se então, o complexo enzima-produto(EP), ou seja, eles ainda estão juntos(complexados) e será necessário separá-los.
4 - Ambos irão se dissociar para formar, no fim, a enzima e o produto. 
OBS: Numa reação enzimática a enzima é “regenerada” quando há o término da reação.
OBS1: os complexos ES e EP, possuem um tempo de meia vida muito baixo, logo eles são formados e já são desfeitos e são chamados de intermediários da reação, pois eles necessitam acontecer porém acontecem de maneira extremamente rápida.
Coordenada de reação:
Energia de 
ativação
Coordenada de reação: fases de transformação de uma molécula em outra
Estado Fundamental: estado normal do produto e do substrato, isso significa que não precisa mais fornecer energia nesses 2 estados.
Estado de transição: estado em que determina se o substrato vira produto ou se ele volta a sua condição inicial de substrato.
G SP: variação da quantidade de energia livre no estado de transição para transformar o substrato em produto.
G PS: variação da quantidade de energia livre no estado de transição para transformar o produto em substrato.
G’o: mostra a espontaneidade da reação*
A variação de energia para transformar o produto em substrato é maior, pois a energia livre do produto é menor do que a do substrato, ou seja, o produto é menos energético que o substrato.
*Se o substrato é mais energético que o produto, a variação de energia livre para formação de um produto, será negativa (G’o). Isso é uma reação espontânea.
Em uma catálise enzimática, a energia de ativação(G±) é muito menor do que um processo não catalisado. Tanto em uma condição catalisada como uma condição não catalisada, a variação de energia livre(G’o) continua a mesma, ou seja, a energia do produto e do substrato continuam a mesma.
*A energia de ativação é a energia necessária para que ocorra o encontro entre os substratos e as modificações químicas entre eles;
**A energia de ativação tem relação direta com a velocidade da reação e não com seu equilíbrio:
↑ energia de ativação → ↓ velocidade da reação
↓ energia de ativação → ↑ velocidade da reação
Equilíbrio x velocidade de uma reação 
As enzimas apenas são capazes de alterar a velocidade da reação (G±). Porém, o equilíbrio obedece a variação de energia livre padrão(G’o). Ou seja, a enzima não muda o equilíbrio.
Para o equilíbrio:
K’eq: [P]/[S]
*Quando se atinge o equilíbrio, ele não muda pela ação da enzima, ou seja, se aumentar a concentração de produtos, aumenta a de substrato e vice-versa.
Para a velocidade:
*A velocidade é inversamente proporcional a variação de energia livre do estado de transição (G±). Ou seja, quando essa energia for grande a velocidade é pequena e quando ela for pequena a velocidade é bem maior. Isso explica a catálise enzimática.
Interações covalentes entre a enzima e o substrato, no sítio ativo, ativando o substrato;
Interações não covalentes fracas entre enzima e substrato (pontes de H, interações iônicas e hidrofóbicas). A formação de cada interação fraca é acompanhada pela liberação de uma pequena quantidade de energia livre que estabiliza a interação entre enzima e substrato. Esta energia é chamada de energia de ligação (∆GB).
A energia de ligação (∆GB):
É responsável pela especificidade da enzima pelo substrato;
Promove a redução da entropia entre as moléculas dos substratos, mantendoas na orientação apropriada para reagir;
Provoca a dessolvatação do substrato;
É responsável pelo ajuste induzido das enzimas.
Cinética enzimática: É o estudo da determinação da velocidade da reação enzimática e como ela se modifica em resposta a mudanças nos parâmetros experimentais.
Fatores que afetam a velocidade da reação enzimática:
Temperatura: Dentro de um parâmetro, a reação enzimática aumenta com o aumento da temperatura. Porém, a partir de uma determinada temperatura, a velocidade diminui bruscamente pois a enzima desnatura, ou seja, ela perde sua estrutura tridimensionale sua atividade é inerente a sua estrutura, logo a atividade da enzima acaba.
pH: A variação do pH, relaciona-se com o ajuste dos sítios da enzima para facilitar a interação química do substrato com a enzima. Ou seja, quando o pH varia, altera a carga dos aminoácidos. Isso pois os grupos laterais dos aminoácidos podem se encontrar positivos/negativos ou neutros, a partir daí a conformação da enzima e sua atividade podem ser alteradas.
Concentração de enzima [E]: ao aumentarmos [E], com o excesso de substrato, há um aumento na velocidade da reação. Caso o substrato não esteja em excesso, a velocidade da reação atinge um valor máximo e permanece constante.
Tempo: Quanto mais tempo a enzima estiver em contato com o substrato, mais produtos serão produzidos, enquanto houver substratos. No início da reação, a [E] livre cai e há um aumento da [ES] que atinge um máximo. Quando não há mais [E] livre no meio, diz-se que a enzima está saturada.
Concentração de substrato[S]: Em uma concentração alta de substrato, todos os centros catalíticos estão preenchidos e então a velocidade da reação não pode aumentar e fica saturada. K
m
é a [S] na qual a metade dos sítios ativos das
enzimas estão ocupados. 
↓ o Km → ↑ a especificidade ↑ o Km → ↓ a especificidade
Inibição enzimática: É feita por inibidores: moléculas que interferem com a catálise, diminuindo ou interrompendo as reações enzimáticas. Pode ser reversível e irreversível.
Reversível: competitiva, incompetitiva e mista.
Competitiva: é a inibição na qual um inibidor é capaz de se ligar reversivelmente no mesmo sítio na qual o substrato se liga. O inibidor compete com o substrato pelo seu local no sítio ativo. O inibidor compete com o substrato pelo centro ativo da enzima. Caso ele consiga se ligar, forma-se o complexo enzima-inibidor(EI) que é semelhante ao enzima-substrato(ES), inibindo a ação da enzima. Ocorre uma alteração no Km(aumenta) da enzima, mas não na velocidade máxima(vmax).
*Pode se reverter adicionando mais substrato!
S 
[ 
] 
Sem inibidor 
Com inibidor
V
max 
V
max
/2 
Km
1
Km
2
Incompetitiva: é a inibição na qual um inibidor é capaz de se ligar reversivelmente em outro sítio da enzima que não o catalítico. Porém essa ligação somente ocorre quando o complexo ES está formado. O substrato se liga a enzima formando o complexo enzima substrato(ES) e tem o inibidor que se liga em outro sítio, formando o complexo enzima-substrato- inibidor(ESI). O inibidor só se liga, caso o substrato esteja ligado também. A partir daí, dessa condição o substrato não será catalisado. Há uma alteração na velocidade máxima e no Km (ambos diminuem).
Mista: o inibidor pode se ligar tanto a enzima livre quanto ao complexo enzima substrato. Ou seja, tem a característica de ambos os inibidores já citados. Os valores de Km e Vmax são modulados pela presença do inibidor.
Inibição Irreversível	
A inibição irreversível ocorre quando um inibidor se liga covalentemente ao sítio ativo ou à um sítio alostérico importante para o funcionamento da enzima. Dessa forma, a enzima não retornará a funcionar novamente, havendo a necessidade de síntese de nova enzima para promover seus efeitos.
*Os inibidores irreversíveis: ligam-se covalentemente a grupos funcionais; destroem grupos funcionais essenciais; formam associação não covalente estável.
Regulação enzimática
Algumas enzimas podem ter suas atividades reguladas, atuando, assim, como moduladoras do metabolismo celular.
Tipos de modulação:
Alostérica: Uma enzima alostérica é uma enzima na qual necessita de um modulador que se ligue em outro sítio que não o catalítico para aumentar ou diminuir sua atividade. Além disso essa modulação também pode ser por adição de grupamentos químicos em sítios específicos da enzima. O modulador alostérico se liga em um sítio alostérico, ou seja, um sítio não catalítico. Quando ele se liga a enzima, pode-se acontecer 2 eventos: caso o modulador seja positivo, ele pode aumentar a capacidade da enzima ou pode ser um modulador negativo que pode alterar a conformação da enzima pra diminuir a capacidade dela. Inibição alostérica
Podemos citar também a inibição por feedback (tipo de inibição alostérica) no qual o produto de uma viametabólica inibe a atividade de uma enzima envolvida na sua síntese.
Inibição por feedback.
Modificações covalentes reversíveis:
Proteólise de regiões específicas: processo de degradação de proteínas por hidrólise enzimática.