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Conceitos Gerais sobre enzimas

16/04/2005
 

 

 


 

Enzimas são proteínas com atividade catalítica. Praticamente todas as reações que caracterizam o metabolismo celular são catalisadas por enzimas.
Como catalisadores celulares extremamente poderosos, as enzimas aceleram a velocidade de uma reação, sem no entanto participar dela como reagente ou produto.
As enzimas atuam ainda como reguladoras deste conjunto complexo de reações.
As enzimas são, portanto, consideradas as unidades funcionais do metabolismo celular

Nomenclatura das enzimas:
 

Existem 3 métodos para nomenclatura enzimática:
Nome Recomendado:  Mais curto e utilizado no dia a dia de quem trabalha com enzimas; Utiliza o sufixo "ase" para caracterizar a enzima. Exs: Urease, Hexoquinase, Peptidase, etc.
Nome Sistemático: Mais complexo, nos dá informações precisas sobre a função metabólica da enzima. Ex: ATP-Glicose-Fosfo-Transferase
Nome Usual : Consagrados pelo uso; Exs: Tripsina, Pepsina, Ptialina.

Classificação das Enzimas:
 

As enzimas podem ser classificadas de acordo com vários critérios. O mais importante foi estabelecido pela União Internacional de Bioquímica (IUB), e estabelece 6 classes:

1. Oxidorredutases: São enzimas que catalisam reações de transferência de elétrons, ou seja: reações de oxi-redução. São as Desidrogenases e as Oxidases

2. Transferases : Enzimas que catalisam reações de transferência de grupamentos funcionais como grupos amina, fosfato, acil, carboxil, etc. Como exemplo temos as Quinases e as Transaminases

3. Hidrolases : Catalisam reações de hidrólise de ligação covalente. Ex: As peptidades

4. Liases è Catalisam a quebra de ligações covalentes e a remoção de moléculas de água, amônia e gás carbônico. As Dehidratases e as Descarboxilases são bons exemplos

5. Isomerases è Catalisam reações de interconversão entre isômeros ópticos ou geométricos. As Epimerases são exemplos.

6. Ligases è Catalisam reações de formação e novas moléculas a partir da ligação entre duas já existentes, sempre às custas de energia (ATP). São as Sintetases.

Propriedades das Enzimas:
 

As enzimas :

São catalisadores biológicos extremamente eficientes è Aceleram em média 109 a 1012 vezes a velocidade da reação, transformando de 100 a 1000 moléculas de substrato em produto por minuto de reação.
Atuam em concentrações muito baixas
Atuam em condições suaves de temperatura e pH
Possuem todas as características das proteínas
Podem ter sua atividade regulada
Estão quase sempre dentro da célula, e compartimentalizadas.

Cofatores Enzimáticos:
 

Cofatores são pequenas moléculas orgânicas ou inorgânicas que podem ser necessárias para a função de uma enzima;
Estes cofatores não estão ligados permanentemente à molécula da enzima mas, na ausência deles, a enzima é inativa;
A fração protéica de uma enzima, na ausência do seu cofator, é chamada de APOENZIMA;
Enzima + Cofator, chamamos de HOLOENZIMA;
Coenzimas è São compostos orgânicos, quase sempre derivados de vitaminas, que atuam em conjunto com as enzimas. Podem atuar segundo 3 modelos:
Ligando-se à enzima com afinidade semelhante à do substrato
Ligando-se covalentemente em local próximo ou no próprio sítio catalítico da apoenzima
Atuando de maneira intermediária aos dois extremos acima citados.

Especificidade Substrato \ Enzima: o Sítio Ativo:
 

As enzimas são muito específicas para os seus substratos;
Esta especificidade pode ser relativa a apenas um substrato ou a vários substratos ao mesmo tempo;
Seta especificidade se deve à existência, na superfície da enzima de um local denominado SÍTIO DE LIGAÇÃO DO SUBSTRATO
O sítio de ligação do substrato de uma enzima é dado por um arranjo tridimensional especial dos aminoácidos de uma determinada região da molécula, geralmente complementar à molécula do substrato, e ideal espacial e eletricamente para a ligação do mesmo.
O sítio de ligação do substrato é capaz de reconhecer inclusive isômeros óticos "D" e "L" de um mesmo composto.
Este sítio pode conter um segundo sítio, chamado SÍTIO CATALÍTICO ou SÍTIO ATIVO, ou estar próximo dele; é neste sítio ativo que ocorre a reação enzimática.
Alguns modelos procuram explicar a especificidade substrato/enzima:
Modelo Chave/Fechadura è Prevê um encaixe perfeito do substrato no sítio de ligação, que seria rígido como uma fechadura.
Modelo do Ajuste Induzido è Prevê um sítio de ligação não totalmente pré-formado, nas sim moldável à molécula do substrato; a enzima se ajustaria à molécula do substrato na sua presença.
Evidências experimentais sugerem um terceiro modelo que combina o ajuste induzido a uma "torção" da molécula do substrato, que o "ativaria" e o prepararia para a sua transformação em produto.

Mecanismo Geral de Catálise:
 

As enzimas aceleram a velocidade de uma reação por diminuir a ENERGIA LIVRE DE ATIVAÇÃO da mesma, sem alterar a termodinâmica da reação, ou seja: A energia dos reagentes e produtos da reação enzimática e de sua equivalente não enzimática são idênticas.
Para se superar a energia de ativação de uma reação, passa-se pela formação de um estado intermediário chamado "Estado de Transição", sempre um composto instável e de alta energia, representado por "Ts", ligado com altíssima afinidade ao sítio catalítico.
Nas reações enzimáticas, este composto de transição "Ts" não pode ser isolado ou mesmo considerado um intermediário, uma vez que não é liberado para o meio de reação; sua formação ocorre NO SÍTIO CATALÍTICO da enzima!!
Como a afinidade do "Ts" ao sítio catalítico é muito maior que a afinidade do substrato com o mesmo, a pequena quantidade de moléculas em "Ts" será rapidamente convertida em produto. Assim, todo o fator que leva a um aumento do número de moléculas em "Ts" aumenta a velocidade da reação.
São 04 os mecanismos principais através dos quais as enzimas aceleram uma reação, aumentando a formação de moléculas de substrato em "Ts":
        1. Catálise Ácido-Base è Ocorre com a participação de AA com cadeias laterais ionizáveis, capazes de doar ou liberar prótons durante a catálise. A histidina, a cisteína, a tirosina e os AA ácidos são importantes aminoácidos nestes processos.
        2. Torção de Substrato è Já citada anteriormente, depende da torção do substrato induzida pela ligação do mesmo com o sítio de ligação da enzima, alcançando o estado de transição e estimulando sua conversão em produto.
        3. Catálise Covalente è Resulta do ataque nucleofílico ou eletrofílico de um radical do sítio catalítico sobre o substrato, ligando-o covalentemente à enzima e induzindo a sua transformação em produto. Envolve com freqüência a participação de coenzimas.
        4. Efeito de Diminuição da Entropia è As enzimas ajudam no posicionamento e na definição da estequiometria correta da reação, facilitando os mecanismos anteriores.

Cinética Enzimática:
 

É a parte da enzimologia que estuda a velocidade das reações enzimáticas, e os atores que influenciam nesta velocidade.
A cinética de uma enzima é estudada avaliando-se a quantidade de produto formado ou a quantidade de substrato consumido por unidade de tempo de reação.
Uma reação enzimática pode ser expressa pela seguinte equação:

E + S  <==> [ES]  ==> E + P

O complexo enzima/substrato (ES) tem uma energia de ativação ligeiramente menor que a do substrato isolado, e a sua formação leva ao aparecimento do estado de transição "Ts".
A formação de "P" a partir de ES é a etapa limitante da velocidade da reação.
A velocidade de uma reação enzimática depende das concentrações de ENZIMA e de SUBSTRATO.

Equação de Michaelis-Menten:
 

Michaelis e Menten foram 2 pesquisadoras que propuseram o modelo acima citado como modelo de reação enzimática para apenas um substrato;
A partir deste modelo, estas pesquisadoras criaram uma equação, que nos permite demonstrar como a velocidade de uma reação varia com a variação da concentração do substrato
Esta equação pode ser expressa graficamente, e representa o efeito da concentração de substrato sobre a velocidade de reação enzimática
O Km de um substrato para uma enzima específica é característico, e nos fornece um parâmetro de especificidade deste substrato em relação à enzima.
Quanto menor o Km, maior a especificidade, e vice-versa - Ver gráfico!!

Fatores Externos que Influenciam na Velocidade de uma Reação Enzimática:
 

São eles:
      1. Temperatura è Quanto maior a temperatura, maior a velocidade da reação, até se atingir a TEMPERATURA ÓTIMA; a partir dela, a atividade volta a diminuir, por desnaturação da molécula.

      2.  
      3. pH è Ídem à temperatura; existe um pH ÓTIMO, onde a distribuição de cargas elétricas da molécula da enzima e, em especial do sítio catalítico, é ideal para a catálise.

Inibição Enzimática:
 

Os inibidores enzimáticos são compostos que podem diminuir a atividade de uma enzima.
A inibição enzimática pode ser reversível ou irreversível;
Existem 2 tipos de inibição enzimática reversível:
    1. Inibição Enzimática Reversível Competitiva:
Quando o inibidor se liga reversivelmente ao mesmo sítio de ligação do substrato;
O efeito é revertido aumentando-se a concentração de substrato
Este tipo de inibição depende das concentrações de substrato e de inibidor.
    1. Inibição Enzimática Reversível Não-Competitiva:
Quando o inibidor liga-se reversivelmente à enzima em um sítio próprio de ligação, podendo estar ligado à mesma ao mesmo tempo que o substrato;
Este tipo de inibição depende apenas da concentração do inibidor.
Na inibição enzimática irreversível, há modificação covalente e definitiva no sítio de ligação ou no sítio catalítico da enzima.

Regulação 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.
Além dos mecanismos já citados de modulação de atividade enzimática - por variação da concentração do substrato, ou por inibição enzimática, por exemplo - existem 2 modelos de regulação enzimática mais conhecidos:
    1. Modulação Alostérica 
    Ocorre nas enzimas que possuem um SÍTIO DE MODULAÇÃO, ou ALOSTÉRICO, onde se liga de forma não-covalente um modulador alostérico que pode ser positivo (ativa a enzima) ou negativo (inibe a enzima).
    A ligação do modulador induz a modificações conformacionais na estrutura espacial da enzima, modificando a afinidade desta para com os seus substratos;
    Um modelo muito comum de regulação alostérica é a inibição por "FEED-BACK", onde o próprio produto da reação atua como modulador da enzima que a catalisa.
    1. Modulação Covalente:
Ocorre quando há modificação covalente da molécula da enzima, com conversão entre formas ativa/inativa.
O processo ocorre principalmente por adição/remoção de grupamentos fosfato de resíduos específicos de serina.

Enzimas na Clínica:
 

As enzimas podem ser utilizadas nas Análises Clínicas de 2 formas principais:
      1. Como reagentes altamente específicos e sensíveis em reações colorimétricas quantitativas
      2. Como indicadoras de lesão celular e tecidual è O extravasamento de enzimas do meio intra para o meio extracelular leva a um aumento da atividade destas no sangue; Esta atividade pode ser medida e fornece importante informação diagnóstica e de evolução de um quadro clínico.
      3. A distribuição órgão-específica de algumas destas enzimas permite a localização da lesão com bastante precisão.
      4. Exemplos de doenças que podem ser diagnosticadas e acompanhadas enzimaticamente são:

      5.  
        O Infarto Agudo do Miocárdio
        As Hepatites
        A Pancreatite
        As Colestases
        Doenças Ósseas, etc.
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