Enzimas e Pigmentos Biliares - Bioquímica Humana e Metabolismo

Bioquímica e Metabolismo Humano Responsável pelo Conteúdo Profª Mª Rossana Soares de Almeida Revisão Textual Esp Pérola Damasceno Enzimas e Pigmentos Biliares uma Visão da Bioquímica Enzimas e Pigmentos Biliares uma Visão da Bioquímica Estudar e entender sobre as estruturas das enzimas suas funções relações e correlacionar aos inibidores enzimáticos OBJETIVO DE APRENDIZADO Enzimas Orientações de estudo Para que o conteúdo desta Disciplina seja bem aproveitado e haja maior aplicabilidade na sua formação acadêmica e atuação profissional siga algumas recomendações básicas Determine um horário fixo para estudar Procure manter contato com seus colegas e tutores para trocar ideias Isso amplia a aprendizagem Aproveite as indicações de Material Complementar Conserve seu material e local de estudos sempre organizados Mantenha o foco Evite se distrair com as redes sociais Seja original Nunca plagie trabalhos Não se esqueça de se alimentar e de se manter hidratado Assim Organize seus estudos de maneira que passem a fazer parte da sua rotina Por exemplo você poderá determinar um dia e horário fixos como seu momento do estudo Procure se alimentar e se hidratar quando for estudar lembrese de que uma alimentação saudável pode proporcionar melhor aproveitamento do estudo No material de cada Unidade há leituras indicadas e entre elas artigos científicos livros vídeos e sites para aprofundar os conhecimentos adquiridos ao longo da Unidade Além disso você também encontrará sugestões de conteúdo extra no item Material Complementar que ampliarão sua interpretação e auxiliarão no pleno entendimento dos temas abordados Após o contato com o conteúdo proposto participe dos debates mediados em fóruns de discussão pois irão auxiliar a verificar o quanto você absorveu de conhecimento além de propiciar o contato com seus colegas e tutores o que se apresenta como rico espaço de troca de ideias e de aprendizagem UNIDADE Enzimas e Pigmentos Biliares uma Visão da Bioquímica Contextualização Caroa alunoa Compreender a estrutura das enzimas facilitará o entendimento da ação e suas diversas funções As definições e propriedades bem como o estudo da estrutura e dos fatores que interferem na atividade enzimática podem descrever os caminhos e reações as quais essas enzimas poderão interferir além do que conhecer enzima e substrato seus cofatores e inibidores permitirão o entendimento da ação dessas estruturas 8 9 Enzimas Introdução As pesquisas e definições sobre a catálise biológica começam a ser relatadas no final dos anos 1700 em observações feitas em experimentos que demonstravam a ação de secreções advindas do estômago no processo digestório de proteínas como a carne Os estudos seguiram em observações de conversão do amido em açúcares menores e mais simples e foi então que em 1850 Louis Pasteur definiu a ação do fermento em reações de fermentação e conversão de açúcar em álcool Em 1897 Eduard Buchner descreveu a partir de experimentos com levedura que a fermentação poderia acontecer por moléculas que continuavam em ação mesmo após serem remo vidas das células As estruturas descobertas e descritas por Buchner foram designadas enzimas por Frederick W Kühne As enzimas são proteínas Todas as enzimas são proteínas e o sucesso de sua ação como catalisadoras depende essencialmente da intatilidade da sua estrutura e conformação enzimas com estruturas modificadas provavelmente terão suas ações catalíticas afetadas Algumas enzimas para exercerem suas funções carecem da união da estrutura proteica a um cofator considerado um grupamento químico adicional que pode ser um íon inorgânico ou uma molécula de classificação orgânica denominada coenzima Figura 1 Figura 1 Íons inorgânicos e cofatores enzimáticos Fonte NELSON et al 2019 A coenzima se conecta à proteína enzimática com a função de carrear grupos funcio nais particulares Figura 2 São estruturas derivadas das vitaminas e algumas enzimas necessitam tanto da coenzima quanto do íon metálico para ser ativada O íon metálico e a coenzima conectados covalentemente à enzima são chamados de grupo prostético a parte proteica da enzima é chamada de apoenzima e a enzima 9 UNIDADE Enzimas e Pigmentos Biliares uma Visão da Bioquímica completa exercendo sua função de catálise onde o grupo prostético já está associado à apoenzima é classificado como holoenzima Figura 2 Coenzimas como carreadores transitórios Fonte NELSON et al 2019 Ação enzimática As enzimas têm uma função primordial e de alta importância biológica a catáli se Sem essa característica adicionada a diversas reações essas tenderiam a ser muito lentas o que poderia prejudicar diversos processos principalmente quando se fala em reações metabólicas Catalisar é sem dúvida nenhuma favorecer um processo sem afetálo diretamente Reações que têm características enzimáticas decorreriam normal mente sem a ação da enzima só que precisariam de um tempo maior para acontecer As moléculas biológicas possuem estruturas muito estáveis em condições intracelulares o que não proporciona um ambiente ideal para que as reações ocorram portanto as enzimas vão promover situações que favoreçam a desestabilização das estruturas para que as reações se tornem favoráveis A catálise se resume basicamente em uma maior eficiência da reação na conversão de um ou mais compostos chamados de substratos e em um ou mais compostos dife rentes chamados de produtos sem alteração na estrutura da enzima As estruturas caracterizadas como enzimas têm em sua estrutura uma região bas tante específica que geralmente se classifica como sítio ativo O sítio interage com o substrato a partir das cadeias laterais dos aminoácidos que o formam e a conexão do substrato com o sítio ativo da enzima forma um complexo chamado enzimasubstrato ES proposto por CharlesAdolphe Wurts em 1880 Figura 3 Essa conexão acontece a partir da mudança conformacional do sítio ativo da enzima através do encaixe induzido que permite a catálise 10 11 Figura 3 Sítio ativo se conectando ao substrato Fonte HARVEY FERRIER 2012 O complexo ES após a catálise se transforma no complexo enzimaproduto EP que posteriormente se separa em enzima e produto Uma reação enzimática pode ser descrita da seguinte forma considerando conexões entre enzima e substrato e enzima e produto E S ES EP E P Vale lembrar que a catálise enzimática interfere na velocidade da reação e não no equilíbrio da mesma As energias de ativação descritas como G das transformações de S P e P S em reações que sejam reversíveis precisam ser desestabilizadas para que as transformações necessárias aconteçam e novos rearranjos moleculares ocorram em quaisquer direções Ou seja as moléculas precisam sair da estabilidade estado fun damental e atingir um nível energético maior Tanto nas situações S P como P S as energias são menores pois são momentos de estabilidade molecular Como esses mo mentos sucedem sempre um estado energético de desestabilização caracterizado como estado de transição no gráfico as situações S P e P S estão descritas na Figura 4 como a progressão e o decréscimo da parábola com energias menores e o estado de transição está situado no topo da parábola com a energia maior 11 UNIDADE Enzimas e Pigmentos Biliares uma Visão da Bioquímica Figura 4 Diagrama que descreve as variações de energia em reações reversíveis Fonte NELSON et al 2019 O estado de transição não é um momento intermediário entre ES e EP ele se carac teriza como um momento molecular onde o rompimento e a formação de ligações têm a mesma probabilidade em reações reversíveis de acontecerem formando tanto substrato quanto produto A energia de ativação G descreve de que forma a enzima atua na modificação da velocidade da reação reações com G maiores acontecem mais lentamente e reações com G menores acontecem mais rapidamente As velocidades das reações podem ser modificadas pela variação de fatores externos pressão e temperatura O aumento da pressão eou temperatura promovem o incremento de energia às moléculas do estado fundamental fazendo com que as mesmas deixem esse estado de estabilidade A Figura 5 descreve as variações de energia em reações catalisadas e não catalisadas Figura 5 Diagrama das variações de energia em reações catalisadas e não catalisadas Fonte NELSON et al 2019 12 13 Você Sabia A energia de ativação de uma reação pode ser diminuída com a adição de catalisadores aumentando assim as suas velocidades As reações podem ter várias etapas e essas etapas são formadas a partir da produção e consumo de espécies químicas chamadas de transitórias que são os intermediários da reação Os complexos ES e EP podem ser considerados intermediários da reação mesmo sendo estruturas moleculares estáveis aliás com o decorrer de uma reação os produtos intermediários podem ser estruturas menos e mais estáveis Ainda se tratando das etapas de uma reação em reações com várias etapas a velocidade final é determi nada pela etapa de maior energia denominada etapa limitante da velocidade As reações catalisadas por enzimas são extremamente eficientes ocorrendo de 103 a 108 vezes mais rapidamente do que as reações que não utilizam enzimas A quantidade de moléculas de substrato convertidas em produto por segundo é chamado de turnover ou estado de renovação A química do sítio ativo O sítio ativo é um instrumento molecular essencial e peculiar que tem o objetivo de facilitar os mecanismos químicos de conversão do substrato em produto O sítio ativo atua como uma estrutura que tem a função de molde molecular Sua conexão com o substrato o converterá ao estado de transição em um momento onde as ligações são diferentes do substrato e do produto No estado de transição os choques moleculares são favorecidos proporcionando uma melhor formação do produ to e acelerando a reação Os sítios ativos oferecem ao substrato grupos catalíticos que podem favorecer à formação do estado de transição onde os resíduos de aminoácidos do sítio podem doar ou aceitar prótons ou formar um complexo covalente provisório enzimasubstrato A formação do produto a partir da conversão do substrato pode ser comparada à retirada do suéter de um bebê com a cooperação da mãe Figura 6 O início do proces so possui elevada energia de ativação pois a estratégia é retirar a roupa sem rasgála agitando o bebê aleatoriamente até que ele fique em uma posição adequada para que o suéter seja retirado A mãe pode ser comparada à enzima da reação ela entra em contato com o bebê formando o complexo ES então ela orienta o bebê para que fique em uma posição braços estendidos acima da cabeça que favoreça a retirada do suéter esse momento é equiparado à formação do estado de transição Esse posicionamento do bebê facilita a remoção do suéter resultando no bebê sem agasalho representando a formação do produto 13 UNIDADE Enzimas e Pigmentos Biliares uma Visão da Bioquímica Figura 6 Comparação das etapas de uma reação a mãe tentando retirar o suéter do filho Fonte HARVEY FERRIER 2012 Fatores externos e a velocidade da reação As enzimas evidenciam diferentes respostas de catálise às alterações de concentração de substrato e variações de temperatura e pH Concentração do substrato A velocidade de uma reação é dada pelo número de moléculas de substrato trans formadas em produto por unidade de tempo A velocidade de uma reação catalisada por uma enzima aumenta com o crescimento da concentração do substrato até que a reação atinja uma velocidade máxima Mas altas concentrações de substrato simbolizam a saturação de todos os sítios de ligação disponíveis nas enzimas 14 15 Temperatura A velocidade da reação aumenta com o aumento da temperatura isso ocorre porque as moléculas terão energia suficiente para formação dos produtos até que um pico de velocidade possa ser atingido Entretanto uma elevação excedente de temperatura pode resultar na desnaturação da enzima e na redução da velocidade da reação Você Sabia As enzimas humanas trabalham bem em temperaturas consideradas ótimas que podem variar de 35 a 40C Temperaturas acima de 40C causam a desnaturação enzimática Figura 7 Bactérias de água quente chamadas de termófilas suportam variações de temperatura de até 70C Figura 7 Inativação térmica de uma enzima a partir do aumento da temperatura Fonte HARVEY FERRIER 2012 pH Cada enzima trabalha em uma faixa de pH considerado limitante que pode favorecer ou desfavorecer a ação enzimática Figura 8 As concentrações de H afetam a velo cidade da reação e valores extremos de variações de pH podem desnaturar a enzima desfavorecendo à formação do produto 15 UNIDADE Enzimas e Pigmentos Biliares uma Visão da Bioquímica Figura 8 Efeito de diferentes valores de pH em diferentes enzimas Fonte HARVEY FERRIER 2012 Classificação e especificidade das enzimas As enzimas que catalisam reações de conversão de substratos em produto normal mente aumentam essas velocidades em um fator de 106 Essa eficiência não é a única característica de uma enzima essa classe de estruturas tem uma outra característica também muito importante a seletividade As enzimas geralmente são muito especí ficas para um substrato ou para um pequeno grupo de substratos que se assemelham Após se conectarem ao substrato em pelo menos três pontos de acoplamento são ca pazes de gerar produtos quirais a partir de substratos não quirais Figura 9 A excelente especificidade das enzimas no que se refere à seletividade das mesmas com relação ao substrato fornece às células a importante habilidade de carrear diferentes reações quí micas independentes simultaneamente Figura 9 Conversão de um substrato não quiral em um produto quiral o piruvato produz exclusivamente o Llactato e não misturas rec6emicas de Dlactato e Llactato Fonte RODWEL 2017 16 17 A International Union of Biochemistry IUB aperfeiçoou um método para ser utilizado na nomenclatura enzimática onde cada enzima possui um nome em específico um número de código que vai identificar a reação que será catalisada e os substratos par ticipantes da reação As enzimas foram então distribuídas nas seis classes que seguem Oxidorredutases enzimas participantes de reações de oxidação e redução Transferases enzimas que participam da transferência de grupos específicos como glicosil metil e fosforil Hidrolases enzimas que catalisam reações de hidrólise quebra pela água como a quebra de ligações entre CC CO CN e outras ligações covalentes Liases enzimas que catalisam a clivagem de ligações covalentes CC CO CN e a retirada de átomos de reações gerando duplas ligações Isomerases enzimas que catalisam alterações geométricas dentro de uma molécula Ligases enzimas que participam de reações de união de duas ou mais moléculas 17 UNIDADE Enzimas e Pigmentos Biliares uma Visão da Bioquímica Material Complementar Indicações para saber mais sobre os assuntos abordados nesta Unidade Livros Métodos de Laboratório em Bioquímica BRACT A ISHIIIWAMOTO E L Métodos de Laboratório em Bioquímica Manole 2003 Manual de Bioquímica com Correlações Clínicas DEVLIN T M Manual de Bioquímica com Correlações Clínicas Tradução da 6 ed Americana São Paulo Edgard Blücher Ltda 2007 Bioquímica STRYER L Bioquímica 5 ed Rio de Janeiro Guanabara Koogan 2004 Leitura Contribution Of Phosphate Intrinsic Binding Energy To The Enzymatic Rate Aceleration For Triosephosphate Isomerase httpsbitly2XPBnxB Enzyme Reaction Mechanisms httpsbitly3ueFiA6 A Novel Role For Coenzyme A During Hydride Transfer In 3Hydroxy3MethylglutarylCoenzyme A Reductase httpsbitly2Y5PQGf Etapas de transcrição httpsbitly2ZCdt9R Enzymes Kinetics and Diagnostic Use httpsbitly3CaVTaP 18 19 Referências CAMPBELL M K Bioquímica Tradução Henrique Bunselmeyer Ferreira et al 3 ed Porto Alegre Artmed 2007 CHAMPE P C Bioquímica Ilustrada 3 ed Porto Alegre Artmed 2007 GODDARD J P REYMOND J L Enzyme assays for highthroughput screening Curr Opin Biotech 2004 HARPER Bioquímica Ilustrada 26 ed Editora Ateneu 2006 HARVEY R A FERRIER DR Bioquímica Ilustrada 5 ed Artmed 2012 NELSON D L COX M M Lehninger Princípios de Bioquímica 4 ed São Paulo Sarvier 2019 RODWELL V W et al Bioquímica ilustrada de Harper 30 ed Porto Alegre AMGH 2017 SMITH C MARKS A D LIEBERMAN M Bioquímica médica básica de Marks uma abordagem clínica 2 ed Porto Alegre Artmed 2007 VOET D VOET J G PRATT C W Bioquímica 3 ed Porto Alegre Artmed 20 06 19 Cruzeiro do Sul Educacional