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17: Cinética do Inibidor (cont.), Cinética Sigmoidal, Ativação Enzimática - Biologia

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Leitura e problemas: LNC p. 210-213

I. Outros efeitos na atividade enzimática.

Uma temperatura

o aumento na temperatura acelera a reação, mas a alta temperatura reduzirá a estabilidade da enzima. A maioria das enzimas tem uma temperatura ótima.

B. pH

pode mudar o estado de grupos catalíticos ou substratos acelerando ou desacelerando a reação. Normalmente um pH ótimo que é característico de cada enzima.

C. Modificação covalente reversível

fosforilação mais comum. Ocorre em resíduos específicos Ser, Thr ou Tyr. Pode ativar ou desativar dependendo da enzima específica. Adição de fosfato catalisada por proteína quinase específica (usando ATP como doador), remoção por proteína fosfatase específica que libera fosfato livre.

D. Ativação proteolítica

enzima sintetizada como uma pré-enzima chamada "zimogênio" que é clivada por uma protease para produzir a enzima ativa.

  1. A tripsina e a quimiotripsina são produzidas dessa forma e os precursores zimogênicos destes são chamados de "tripsinogênio" e "quimotripsinogênio".
  2. A formação de coágulos sanguíneos é ativada por uma série de eventos de ativação proteolítica que finalmente resultam na conversão do fibrinogênio em fibrina e na formação de grandes polímeros de fibrina como os principais componentes dos coágulos sanguíneos.


G & GIV Fig. 15.4 Cada proteína na via, exceto a última proteína, fibrinogênio / fibrina, é uma protease que cliva e ativa a próxima proteína na via de ativação progressiva.

II Reações multi-substrato - o mecanismo pode ser complexo, mas ainda passível de análise cinética.

III. Resolvendo problemas cinéticos enzimáticos - alguns exemplos

Alguns levam informações para casa:

InibidorVincula-se aConstante mudou
CompetitivoEKm superior
Não competitivoES, EVmax diminuir
Não-competitivoESVmax inferior, Km diminuir

Se constante for mais alto -> múltiplo por "o fator inibidor" = 1 + ([eu] / Keu)
Se constante for Inferior -> dividir por "o fator inibidor" = 1 + ([eu] / Keu)

Fórmulas:

Contribuidores

  • Charles S. Gasser (Departamento de Biologia Molecular e Celular; UC Davis)


Interpretando a cinética da enzima e do receptor: mantendo-o simples, mas não muito simples ☆

A parábola hiperbólica é comumente usada para resumir a cinética de reações enzimáticas e a cinética de ligação ao receptor. Dependendo das condições experimentais, certas suposições são válidas, mas outras podem ser violadas, de modo que os parâmetros usados ​​para ajustar essa função hiperbólica, a assíntota máxima e a constante de equilíbrio, requerem diferentes interpretações. O primeiro tópico desta revisão compara as transformações induzidas por enzimas e a ligação ao receptor em termos de suposições apropriadas. O segundo tópico considera a complicação de adicionar um inibidor competitivo como um substrato de enzima ou um ligante de receptor e as sutilezas de inferir a constante de dissociação de equilíbrio a partir da concentração de inibidor (por exemplo, droga não marcada) que leva ao ponto médio, IC50, de uma curva de inibição. A ligação ao receptor pode ser medida diretamente por um ensaio de concentração ou como uma variável de resposta farmacodinâmica.


Perguntas frequentes sobre enzimas | Microbiologia

Resp: Algumas enzimas requerem grupos químicos diferentes de seus resíduos de aminoácidos para sua atividade. Um cofator pode ser um ou mais íons inorgânicos como Fe 2+, Mg 2+, Mn 2+ ou Zn 2+ ou uma molécula orgânica complexa ou metálica chamada de coenzima. Algumas enzimas requerem tanto um coen & shyzyme e um ou mais íons metálicos para atividade.

Q.2. O que é um grupo protético em uma enzima?

Resp: Uma coenzima ou íon metálico que está covalentemente ligado a uma proteína enzimática é chamada de grupo pros e shitético. Uma enzima completa cataliticamente ativa junto com sua coenzima e / ou íons metálicos é conhecida como holoenzima.

Q.3. O que se entende por enzima Apo ou proteína Apo?

Resp: A parte da proteína em uma holoenzima é chamada enzima Apo ou proteína Apo.

Q.4. Defina a especificidade das enzimas.

Resp: É a capacidade de uma enzima ou receptor de discriminar entre substratos ou ligantes concorrentes. O ligando é uma molécula pequena que se liga especificamente a uma molécula maior, e. um hormônio é um ligante para seu receptor específico de proteína.

Q.5. O que você quer dizer com poder catalítico de biocatalisadores ou enzimas?

Resp: O aumento da taxa produzida por enzimas ou biocatalisadores está frequentemente na faixa de 7 a 14 ordens de magnitude.

Q.6. De onde vem a energia para fornecer uma redução dramática das energias de ativação para reações específicas?

Resp: Os grupos específicos de uma enzima, como cadeias laterais de aminoácidos específicos, íons metálicos e coenzimas, reduzem a energia de ativação e, assim, aceleram a reação, proporcionando um caminho de reação de menor energia. Na formação de cada interação fraca, o substrato enzimático ou complexo ES é acompanhado por uma pequena liberação de energia livre que dá um certo grau de estabilidade à interação. A energia derivada da interação enzima & # 8211 substrato é conhecida como energia de ligação.

A energia de ligação é a principal fonte de energia livre usada pelas enzimas para diminuir as energias de ativação das reações. A energia de ligação, desta forma, fornece especificidade, bem como catálise. Além disso, as interações fracas são otimizadas no estado de transição da reação. Os sítios ativos da enzima são complementares não aos substratos per se, mas aos estados de transição das reações que catalisam. O modelo de fechadura e chave (Fig.40.1) é uma das explicações mais comuns para a interação de substrato e enzima.

Q.7. O que é um sítio ativo em uma enzima?

Resp: A região da superfície de uma enzima que se liga à molécula do substrato e a transforma e a transforma cataliticamente é chamada de sítio ativo ou sítio catalítico. O complexo de ácido graxo sintase é conhecido por ter 7 locais ativos diferentes. O sistema de ácido graxo sintase em Escherichia coli consiste em sete polipeptídeos separados que estão fortemente associados em um único complexo organizado. As proteínas atuam juntas para catalisar a formação de ácidos graxos de acetil & # 8211 CoA e malonil & # 8211 CoA.

Os intermediários em todo este processo permanecem ligados covalentemente a um dos dois grupos tiol do complexo. Um dos pontos de ligação é o grupo & # 8211 SH de um resíduo Cys em uma das sete proteínas (P & # 8211 cetoacil & # 8211 ACP sintase), enquanto o outro é & # 8211 grupos SH da proteína transportadora de acila com a qual os acil intermediários e tímidos da síntese de ácidos graxos formam um tioéster.

Q.8. Forneça os requisitos dos locais ativos nas enzimas.

Resp: O sítio ativo de uma enzima geralmente consiste em uma bolsa na superfície da enzima alinhada com as cadeias laterais de aminoácidos necessárias para ligar o substrato e catalisar sua transformação química. Por exemplo, na carboxipeptidase que leva à remoção de resíduos de aminoácidos do terminal carboxil & # 8211 de seus substratos peptídicos, compreende uma única cadeia de 307 aminoácidos. Os dois grupos catalíticos essenciais no sítio ativo são fornecidos por Arg 145 e Glu 270.

Q.9. Como funcionam as enzimas?

Resp: A maioria das moléculas biológicas é bastante estável no ambiente aquoso de pH neutro, temperatura amena, encontrado no interior das células. As reações necessárias para digerir os alimentos, enviar sinais nervosos ou contrair músculos simplesmente não ocorrem em uma taxa útil na ausência de catálise.

A reação catalisada pela enzima & # 8211 ocorre dentro dos limites de uma bolsa da enzima conhecida como sítio ativo. A molécula que está ligada ao sítio ativo e sofre a ação da enzima é conhecida como substrato. O complexo do substrato da enzima é central para a ação das enzimas e é o ponto de partida para os tratamentos matemáticos que definem o comportamento cinético das reações catalisadas pela enzima & # 8211 e para as descrições teóricas dos mecanismos enzimáticos. Uma reação enzimática simples pode ser dada como abaixo:

Aqui E, S e P representam enzima, substrato e o produto.

Q.10. Quando as enzimas normalmente exibem atividade catalítica máxima?

Resp: As enzimas normalmente mostram atividade catalítica máxima em um pH característico conhecido como pH opti e shymum.

Fig 40.2. Atividade enzimática ideal da lisozima em pH 5,2

Q.11. Como o diabetes não controlado de um indivíduo pode ser fatal.

Resp: O pH do plasma sanguíneo humano normalmente é de 7,40. Os mecanismos de regulação do pH falham quando a produção excessiva de ácidos metabólicos causa acidose. O pH do sangue, portanto, pode cair para 6,8 ou menos, levando a danos celulares irreparáveis ​​e morte. Em outras doenças, o pH pode subir a níveis letais. Portanto, o controle biológico do pH das células e dos fluidos corporais é uma questão de importância central em todos os aspectos do metabolismo e das atividades celulares.

Q.12. As mudanças de pH podem ser usadas para medir os níveis de acetilcolina?

Resp: Sim, a concentração de acetilcolina um neurotransmissor pode ser determinada a partir das mudanças de pH que acompanham sua hidrólise. Quando incubada com uma quantidade catalítica da enzima acetilcolinestrase, a acetilcolina é quantitativamente convertida em colina e ácido acético que se dissocia para produzir acetato e íon hidrogênio.

Resp: Estas são multiformes de enzimas que catalisam a mesma reação, mas diferem umas das outras em sua sequência de aminoácidos, afinidade de substrato, Vmax e / ou propriedades regulatórias. Eles também são conhecidos como isoenzimas.

Q. 14. O que é o ciclo Cori? Discuta também as isoenzimas (isoenzimas) associadas a ele.

Resp: O fígado fornece glicose ao músculo esquelético em contração, que deriva ATP da conversão glico & timítica de glicose em lactato. A glicose é então sintetizada a partir do lactato pelo fígado. Essas conversões compõem o ciclo Cori, conforme mostrado na figura abaixo.

Essas conversões ocorrem apesar das diferenças nas propriedades catalíticas das enzimas lactato desidrogenase no músculo esquelético e no fígado. O lactato desidrogeniza é um tetrâmero de subunidades de 35 & # 8211 kDa. Existem dois tipos de cadeias polipeptídicas denominadas M e H que podem formar 5 tipos de tetrâmeros, que são: M4, M3H, M2H2, M1H3 e H4.

Essas espécies de enzimas são conhecidas como isoenzimas ou isoenzimas. Eles4 A isoenzima possui uma afinidade muito maior para o piruvato do que a isoenzima H. As outras isozimas têm afinidades intermediárias. A principal isozima no músculo esquelético e no fígado é M4 enquanto o principal no músculo cardíaco é H4. Claro, essas isoenzimas foram estudadas profundamente, mas as razões para a existência de suas formas múltiplas ainda permanecem desconhecidas.

Q. 15. Quais são as duas marcas das reações catalisadas por enzimas?

Resp: São atividades enormes e especificidades discriminatórias. Imagens cristalográficas de cadeias de enzimas polipépticas e tímidas mostram que elas são enroladas em formas ou conformações intrincadas que aparentemente conferem especificidade e atividade.

Q. 16. O que é cinética enzimática?

Resp: Muita informação pode ser obtida a respeito do mecanismo da reação catalisada por enzima & # 8211 por estudos cinéticos, o que significa estudos de taxas de reação sob várias condições, por ex. a reação reversível. Onde S é o substrato, P o produto e E a enzima. Sob condições constantes e adequadas de temperatura e pH. A velocidade da reação depende da concentração do substrato [S], da concentração do produto [P] e da concentração da enzima [E]. A velocidade da reação na ausência da enzima é desprezível. A velocidade das reações globais pode ser obtida determinando as mudanças em [S] ou [P] com o tempo.

No estudo da cinética da reação direta apenas, normalmente se determina a velocidade em um curto intervalo de tempo no início da reação, onde P ainda é desprezivelmente pequeno. Isso tem a vantagem adicional de minimizar o efeito da inativação da enzima durante o experimento.

Q.17. O que são as equações de Michaelis e # 8211 Menten?

Resp: Uma teoria explicando as mudanças que ocorrem nas reações enzimáticas foi proposta por Leonor Michaelis e Maud Menten em 1913. Eles postularam que o substrato combinado reversivelmente com a enzima para formar um complexo de substrato enzimático [ES] que por sua vez é decomposto para produzir o produto e o enzima livre. Este último pode então reagir com mais substrato e o ciclo é repetido.

Portanto, a equação de Michaelis & # 8211 Menten pode ser definida como a equação que descreve a dependência hiperbólica da velocidade de reação inicial, Vo, na concentração de substrato, [S], limitado aos primeiros momentos no curso da reação. Os bioquímicos Michaelis e Menten se preocuparam com a taxa de estado estacionário e este tipo de análise é chamada de cinética de estado estacionário.

Q.18. Defina Michaelis & # 8211 Menten constante (KJ.

Resp: É a concentração de substrato na qual uma reação catalisada por enzima & # 8211 prossegue na metade de sua velocidade máxima.

Q.19. Qual característica das enzimas as faz seguir a cinética de Michaelis e # 8211 Menten? Quais enzimas são exceções a ele?

Resp: Todas as enzimas que exibem uma dependência hiperbólica de Vo em [S] dizem que seguem Michaelis

& # 8211 Cinética Menten. As enzimas regulatórias e as enzimas alostéricas são exceções para Michaelis

& # 8211 Cinética de Menten em muitas reações catalisadas por enzimas:

Q.20. O que é Michaelis-Menten Kinetics?

Resp: Um padrão cinético no qual a taxa inicial de uma reação catalisada por enzima exibe uma dependência hiperbólica da concentração de substrato.

Q.21. O que é a cinética de estado estacionário e # 8211?

Resp: Quando a enzima é misturada primeiro com um grande excesso de substrato, há um período inicial denominado estado pré-estacionário, durante o qual a concentração do complexo do substrato da enzima aumenta ou se acumula. O estado pré-estável geralmente é muito curto para ser facilmente observado.

A reação logo atinge um estado estacionário no qual o ES e a concentração de quaisquer outros intermediários são quase constantes por algum tempo. O V medido0 muitas vezes reflete o estado estacionário, embora VQ é limitado aos primeiros momentos no curso da reação.

Q.22. Cite o melhor parâmetro cinético usado na comparação da eficiência catalítica.

Resp: O fator K gato / K m

Q.23. Qual é a utilidade dos parâmetros cinéticos Kgato e Km.

Resp: Eles geralmente são úteis para a comparação e estudo de diferentes enzimas para saber se seus mecanismos de reação são simples ou complexos. Cada enzima possui os valores ótimos de Kgato e Km que refletem o ambiente celular.

Q.24. Como pode V mak e Km ser determinado ou estimado?

Resp: Eles podem ser medidos ou determinados por métodos gráficos.

Q.25. Quais são as reações em várias etapas? Discutir.

Resp: Essas reações envolvem mais de uma etapa e são realizadas por complexos multi-enzimas. Os intermediários são canalizados entre enzimas glicolíticas, que são um exemplo típico. As enzimas da glicólise geralmente são descritas como componentes solúveis do citosol, mas há evidências crescentes e tímidas de que dentro da célula existem complexos de enzimas múltiplas.

Existe evidência cinética para a canalização de 1,3 bifosfoglicerato de gliceraldeído & # 8211 3-fosfato desidrogenase para fosfoglicerato quinase sem entrar na solução é corroborada por evidências físicas e tímicas de que as referidas duas enzimas formam complexos estáveis ​​que são compostos monocovalentes e tímidos.

Outros exemplos são o complexo de piruvato desidrogenase que requer 5 coenzimas succinil-CoA sintetase também chamada de reação de tioquinase succínica sintase de ácido graxo de bactérias e plantas. IMP, biossíntese de nucleotídeos de pirimidina UTP (uridina & # 8211 5 & # 8211 trifosfato) e CTP (citidina & # 8211 5 & # 8242 & # 8211 trifosfato via orotidilato e outras reações de redução de oxidação biológica.

Q.26. O que você quer dizer com taxa & # 8211 etapa limitante?

Resp: Uma reação consiste em uma série de etapas, das quais uma ou mais etapas são as mais lentas (ou seja, têm a menor taxa de reação). Essas etapas têm a maior energia de ativação. Essas etapas são chamadas de etapas de limitação de taxa. Considerando um caso simples, a etapa de limitação de taxa é o ponto de maior energia na curva ou diagramas que são frequentemente feitos para conversão inter de S e P, enquanto a reação de S e P (ou S P) é catalisado por uma enzima.

Os complexos ES e EP são intermediários. Esses intermediários ocupam vales enquanto diagramas de coordenadas de reação são desenhados. No ciclo do ácido cítrico, há 3 etapas fortemente exergônicas no ciclo que são catalisadas pelas enzimas citrato sintase, isocitrato desidrogenase e uma cetoglutarato desidrogenase, cada uma dessas enzimas pode se tornar uma etapa limitante da taxa & # 8211 sob certas circunstâncias. A disponibilidade e timidez de substratos para a citrato sintase (acetil & # 8211 CoA e oxaloacetato) varia com as circunstâncias meta & tímidas às vezes limita a taxa de formação de citrato.

Para concluir a etapa de limitação de taxa pode ser:

(1) Geralmente a etapa em uma reação enzimática com a maior energia de ativação ou o estado de transição de maior energia livre.

(2) É a etapa mais lenta em uma via metabólica.

Q.27. O que são inibidores de suicídio?

Resp: Os inibidores suicidas são uma classe especial de inibidores irreversíveis que são comparativamente não reativos até que se liguem ao sítio ativo da enzima. Um inibidor de suicídio é projetado para realizar algumas etapas químicas da enzima normal. Mas ao invés de formar um produto normal, o inibidor é convertido em um composto muito reativo que se combina irreversivelmente com a enzima. Portanto, estes também têm sido referidos como inativadores baseados em mecanismo, uma vez que utilizam o mecanismo de reação enzimática normal para inativar a enzima. Esse tipo de inibidor encontra aplicação na terapêutica por meio da descoberta de novos agentes farmacêuticos, um processo conhecido como desenho racional de medicamentos.

Q.28. Escreva uma breve nota sobre alosterismo?

Resp: Muitas enzimas têm locais denominados locais alostéricos, que são bastante diferentes dos locais de ligação do substrato. As lendas que se ligam no sítio alostérico são chamadas de efetores alostéricos ou moduladores. A ligação de um efetor alostérico causa uma mudança conformacional da enzima, de modo que a afinidade pelo substrato ou ligante também muda. Esses efetores podem se ligar de forma reversível e não covalente a todos os sítios alostéricos e afetam a taxa de reação.

Os efetores alostéricos positivos (+) aumentam a afinidade da enzima pelo substrato ou outro ligante. O inverso é verdadeiro para efetor alostérico negativo (-). Esse é um tipo de regulação conhecido como alosterismo e a enzima regulada dessa forma é chamada de enzima alostérica. O local alostérico ao qual o efetor positivo se liga é referido como um local ativador, o efetor negativo se liga a um local inibitório.

O alosterismo é um mecanismo eficaz pelo qual as atividades enzimáticas podem ser controladas para garantir que os processos biológicos permaneçam coordenados o tempo todo para atender às necessidades metabólicas imediatas de uma célula.

Q.29. O que é uma enzima alostérica? Definir.

Resp: É uma enzima reguladora com atividade catalítica modulada pela ligação não covalente de um metabólito específico em um local diferente do local ativo. O termo alostérico foi cunhado do grego: permite = outro, e estéreo = sólido ou forma. Portanto, as enzimas alostéricas são aquelas enzimas que possuem & # 8220 outras formas & # 8221 ou conformação induzida pela ligação de moduladores. A atividade das enzimas reguladoras é modulada por meio de várias moléculas de sinal que são geralmente pequenos metabólitos ou cofatores.

Q.30. Como as enzimas alostéricas são reguladas?

As enzimas alostéricas são reguladas pela ligação não covalente de moduladores. O modulador ou moduladores são metabólitos que, quando ligados ao sítio alostérico de uma enzima, alteram suas características cinéticas.

Q.31. Forneça os princípios da regulação alostérica.

Resp: As enzimas alostéricas não seguem a cinética de Michaelis e # 8211 Menten. As enzimas alostéricas não obedecem a Michaelis e # 8211 Menten exibem gráficos sigmoidais da concentração de substrato de velocidade de reação [S] em vez dos gráficos hiperbólicos previstos pela equação de Michaels. Aqui, uma semelhança importante reside no fato de que a curva de ligação do oxigênio é a mioglobina, enquanto a da hemoglobina é sigmoidal. Assim, este exemplo é análogo a enzimas, dois modelos foram propostos em relação às interações alostéricas.

1. O modelo combinado para interações alostéricas.

2. Modelo sequencial para interações alostéricas.

Q.32. Quais são os dois modelos que explicam o comportamento cinético das enzimas alostéricas? Explique.

Resp: São os seguintes:

1. Modelo combinado ou modelo de simetria:

Este modelo foi proposto por Jacques Monod, Jeffries Wyman e Jean & # 8211 Pierre Changeux em 1965. De acordo com este modelo, as enzimas alostéricas podem existir em duas conformações, ativa e inativa. Todas as subunidades estão na forma ativa ou todas estão na forma interativa.

A suposição desse modelo é baseada no pensamento de que ambas as subunidades devem estar no mesmo estado conformacional para que a simetria do dímero seja conservada. Cada molécula de substrato que se liga aumenta a probabilidade de uma transição da forma inativa para a forma ativa.

Foi proposto por Koshland em 1966. Existem duas conformações, mas as subunidades podem sofrer a mudança conformacional individualmente. De acordo com este modelo, existem mais estados intermediários potenciais em comparação com o modelo de simetria. No entanto, uma mudança conformacional em uma subunidade faz uma mudança semelhante em uma subunidade adjacente, permitindo a ligação de uma segunda molécula mais provável.


Estrutura da enzima e ligação ao substrato

Enzimas baseadas em aminoácidos são proteínas globulares que variam em tamanho de menos de 100 a mais de 2.000 resíduos de aminoácidos. Esses aminoácidos podem ser dispostos como uma ou mais cadeias polipeptídicas que são dobradas e dobradas para formar uma estrutura tridimensional específica, incorporando uma pequena área conhecida como sítio ativo (Figura 1), onde o substrato realmente se liga. O sítio ativo pode muito bem envolver apenas um pequeno número (menos de 10) dos aminoácidos constituintes.

É a forma e as propriedades de carga do sítio ativo que permitem que ele se ligue a um único tipo de molécula de substrato, de modo que a enzima seja capaz de demonstrar considerável especificidade em sua atividade catalítica.

A hipótese de que a especificidade da enzima resulta da natureza complementar do substrato e seu sítio ativo foi proposta pela primeira vez pelo químico alemão Emil Fischer em 1894 e tornou-se conhecida como Fischer & # x02018lock and key hipótese & # x02019, em que apenas uma chave do correto o tamanho e a forma (o substrato) se encaixam no buraco da fechadura (o local ativo) da fechadura (a enzima). É espantoso que essa teoria tenha sido proposta em uma época em que nem mesmo estava estabelecido que as enzimas eram proteínas. À medida que se aprendia mais sobre a estrutura da enzima por meio de técnicas como a cristalografia de raios-X, ficou claro que as enzimas não são estruturas rígidas, mas, na verdade, têm um formato bastante flexível. À luz dessa descoberta, em 1958 Daniel Koshland estendeu as idéias de Fischer e apresentou o & # x02018 modelo de ajuste induzido & # x02019 de substrato e ligação de enzima, no qual a molécula de enzima muda ligeiramente de forma para acomodar a ligação do substrato. A analogia comumente usada é o & # x02018 modelo com a mão na luva & # x02019, em que a mão e a luva são amplamente complementares em forma, mas a luva é moldada ao redor da mão conforme é inserida para fornecer uma combinação perfeita.

Uma vez que é apenas o sítio ativo que se liga ao substrato, é lógico perguntar qual é o papel do resto da molécula de proteína. A resposta simples é que ele atua para estabilizar o sítio ativo e fornecer um ambiente apropriado para a interação do sítio com a molécula do substrato. Portanto, o sítio ativo não pode ser separado do resto da proteína sem perda de atividade catalítica, embora estudos de evolução dirigida (ou forçada) baseados em laboratório tenham mostrado que às vezes é possível gerar enzimas menores que retêm a atividade.

Deve-se notar que embora um grande número de enzimas consistam apenas em proteínas, muitas também contêm um componente não proteico, conhecido como cofator, que é necessário para a atividade catalítica da enzima. Um cofator pode ser outra molécula orgânica, caso em que é chamado de coenzima, ou pode ser uma molécula inorgânica, normalmente um íon metálico, como ferro, manganês, cobalto, cobre ou zinco. Uma coenzima que se liga forte e permanentemente à proteína é geralmente chamada de grupo protético da enzima.

Quando uma enzima requer um cofator para sua atividade, o componente de proteína inativa é geralmente referido como uma apoenzima, e a apoenzima mais o cofator (isto é, a enzima ativa) é chamada de holoenzima (Figura 2).

A necessidade de minerais e vitaminas na dieta humana é parcialmente atribuída aos seus papéis no metabolismo como co-fatores e coenzimas.

Enzimas e equilíbrio de reação

Como funcionam as enzimas? A resposta ampla a essa pergunta é que eles não alteram o equilíbrio (ou seja, a termodinâmica) de uma reação. Isso ocorre porque as enzimas não alteram fundamentalmente a estrutura e a energia dos produtos e reagentes, mas simplesmente permitem que o equilíbrio da reação seja alcançado mais rapidamente. Comecemos, portanto, esclarecendo o conceito de equilíbrio químico.

Em muitos casos, o equilíbrio de uma reação está muito & # x02018 à direita & # x02019 & # x02014 ou seja, virtualmente todo o substrato (S) é convertido em produto (P). Por esse motivo, as reações costumam ser escritas da seguinte forma:

Esta é uma simplificação, pois em todos os casos é mais correto escrever esta reação da seguinte forma:

Isso indica a presença de um equilíbrio. Para compreender esse conceito, talvez seja mais útil examinar uma reação em que o ponto de equilíbrio é bastante central.

Nesta reação, se começarmos com uma solução de 1 mol l & # x022121 glicose e adicionarmos a enzima, então, após a conclusão, teremos uma mistura de aproximadamente 0,5 mol l & # x022121 glicose e 0,5 mol l & # x022121 frutose. Este é o ponto de equilíbrio desta reação particular, e embora possa levar apenas alguns segundos para chegar a este ponto final com a enzima presente, de fato chegaríamos ao mesmo ponto se colocássemos a glicose na solução e esperássemos muitos meses por a reação ocorrer na ausência da enzima. Curiosamente, também poderíamos ter iniciado essa reação com uma solução de frutose 1 mol l & # x022121, e ela teria procedido na direção oposta até que o mesmo ponto de equilíbrio fosse alcançado.

O ponto de equilíbrio para esta reação é expresso pela constante de equilíbrio Keq do seguinte modo:

Assim, para uma reação com equilíbrio central, Keq = 1, para um equilíbrio & # x02018 à direita & # x02019 Keq é & # x0003e1, e para um equilíbrio & # x02018 à esquerda & # x02019 Keq é & # x0003c1.

Portanto, se uma reação tem um Keq valor de 10 6, o equilíbrio está muito à direita e pode ser simplificado denotando-o como uma única seta. Muitas vezes podemos descrever este tipo de reação como & # x02018 indo para a conclusão & # x02019. Por outro lado, se uma reação tem um Keq valor de 10 & # x022126, o equilíbrio está muito à esquerda e, para todos os efeitos práticos, não se consideraria realmente que continuasse.

Deve-se notar que embora a concentração de reagentes não tenha efeito sobre o ponto de equilíbrio, fatores ambientais como pH e temperatura podem e afetam a posição de equilíbrio.

Também deve ser observado que qualquer reação bioquímica que ocorra na Vivo em um sistema vivo não ocorre isoladamente, mas como parte de uma via metabólica, o que torna mais difícil conceituar a relação entre reagentes e reações. Na Vivo as reações não podem prosseguir para a sua posição de equilíbrio. Se o fizessem, a reação basicamente pararia (ou seja, as reações direta e reversa se equilibrariam) e não haveria fluxo líquido através do caminho. No entanto, em muitas vias bioquímicas complexas, algumas das etapas de reação individuais estão perto do equilíbrio, enquanto outras estão longe do equilíbrio, o último (catalisado por enzimas reguladoras) tendo a maior capacidade de controlar o fluxo geral de materiais através da via.

As enzimas formam complexos com seus substratos

Freqüentemente, descrevemos uma reação catalisada por enzima como procedendo através de três estágios, como segue:

O complexo ES representa uma posição onde o substrato (S) está ligado à enzima (E) de forma que a reação (seja ela qual for) se torna mais favorável. Assim que a reação ocorre, a molécula do produto (P) se dissocia da enzima, que fica então livre para se ligar a outra molécula de substrato. Em algum ponto durante esse processo, o substrato é convertido em uma forma intermediária (geralmente chamada de estado de transição) e, em seguida, no produto.

O mecanismo exato pelo qual a enzima atua para aumentar a taxa da reação difere de um sistema para outro. No entanto, o princípio geral é que, pela ligação do substrato à enzima, a reação envolvendo o substrato é tornada mais favorável pela redução da energia de ativação da reação.

Em termos energéticos, as reações podem ser exergônicas (liberando energia) ou endergônicas (consumindo energia). No entanto, mesmo em uma reação exergônica, uma pequena quantidade de energia, denominada energia de ativação, é necessária para dar à reação um início de & # x02018 kick. & # X02019 Uma boa analogia é a de um fósforo, cuja cabeça contém uma mistura de produtos químicos ricos em energia (sesquisulfeto de fósforo e clorato de potássio). Quando um fósforo queima, ele libera quantidades substanciais de luz e energia térmica (reagindo exergonicamente com O2 no ar). No entanto, e talvez felizmente, um fósforo não acenderá espontaneamente, mas sim uma pequena entrada de energia na forma de calor gerado por atrito (ou seja, riscando o fósforo) é necessária para iniciar a reação. É claro que, uma vez que o fósforo foi riscado, a quantidade de energia liberada é considerável e excede em muito a pequena entrada de energia durante o processo de riscagem.

Conforme mostrado na Figura 3, considera-se que as enzimas reduzem a energia de ativação de um sistema, tornando mais fácil energeticamente a formação do estado de transição. Na presença de um catalisador de enzima, a formação do estado de transição é energeticamente mais favorável (ou seja, requer menos energia para o & # x02018 início do kick & # x02019), acelerando assim a taxa na qual a reação irá prosseguir, mas não alterando fundamentalmente o níveis de energia do reagente ou do produto.


A integração e controle do metabolismo

Acetil-CoA carboxilase

Esta é uma enzima alostérica que catalisa a etapa de regulação primária na síntese de ácidos graxos (página 256). Pode existir nas formas monomérica e polimérica, sendo a última mais ativa. O citrato ativa a enzima provavelmente por favorecer a configuração polimérica. Assim, o citrato serve não apenas para transferir grupos acetil da mitocôndria para o citoplasma (página 255), mas também para ativar a enzima inicial no caminho da biossíntese de ácidos graxos que usa os grupos acetil. A acetil-CoA carboxilase também é regulada por meio de modificação covalente (página 344).


Resumo

A taxa de formação do produto é uma medida importante da velocidade das reações enzimáticas. Estudos clássicos de reações enzimáticas foram conduzidos em soluções diluídas e sob condições que justificaram a suposição de abundância de substrato. No entanto, essa suposição é bem conhecida por se quebrar no contexto da bioquímica celular. Em vez disso, a concentração de substrato disponível pode se tornar limitante da taxa. Aqui, usamos a equação mestre química para obter expressões para a taxa de formação de produto instantânea e média no tempo, sem invocar a suposição de abundância de substrato convencional. As expressões são derivadas para uma ampla gama de mecanismos de reação enzimática, incluindo aqueles que envolvem uma ou mais moléculas de enzima, requerem múltiplos substratos e exibem cooperatividade e inibição de substrato. Novos resultados incluem: (i) a relação entre a taxa média de formação do produto (calculada ao longo do tempo que leva para a reação terminar) e a concentração de substrato, para uma reação de Michaelis-Menten (MM) com uma molécula de enzima, é de aproximadamente dado por uma forma MM corrigida logaritmicamente (ii) o ruído intrínseco diminui a nitidez dos interruptores cooperativos, mas aumenta a resposta de filtragem da inibição do substrato (iii) a relação entre a taxa média inicial de formação do produto e a concentração inicial do substrato para uma reação MM sem A reação reversível e com qualquer número de moléculas de enzima e substrato é uma soma das equações de Michaelis-Menten.


Resumo

A taxa de formação do produto é uma medida importante da velocidade das reações enzimáticas. Estudos clássicos de reações enzimáticas foram conduzidos em soluções diluídas e sob condições que justificaram a suposição de abundância de substrato. No entanto, essa suposição é bem conhecida por se quebrar no contexto da bioquímica celular. Em vez disso, a concentração de substrato disponível pode se tornar limitante da taxa. Aqui, usamos a equação mestre química para obter expressões para a taxa de formação de produto instantânea e média no tempo, sem invocar a suposição de abundância de substrato convencional. As expressões são derivadas para uma ampla gama de mecanismos de reação enzimática, incluindo aqueles que envolvem uma ou mais moléculas de enzima, requerem múltiplos substratos e exibem cooperatividade e inibição de substrato. Os novos resultados incluem: (i) a relação entre a taxa média de formação do produto (calculada ao longo do tempo que leva para a reação terminar) e a concentração de substrato, para uma reação de Michaelis-Menten (MM) com uma molécula de enzima, é de aproximadamente dado por uma forma MM corrigida logaritmicamente (ii) o ruído intrínseco diminui a nitidez dos interruptores cooperativos, mas aumenta a resposta de filtragem da inibição do substrato (iii) a relação entre a taxa média inicial de formação do produto e a concentração inicial do substrato para uma reação MM sem A reação reversível e com qualquer número de moléculas de enzima e substrato é uma soma das equações de Michaelis-Menten.


17: Cinética do Inibidor (cont.), Cinética Sigmoidal, Ativação Enzimática - Biologia

a Institute for Complex Molecular Systems, Eindhoven University of Technology, P.O. Box 513, 5600 MB Eindhoven, Holanda
O email: [email protected], [email protected]

b Laboratório de Química Macromolecular e Orgânica, Universidade de Tecnologia de Eindhoven, P.O. Box 513, 5600 MB Eindhoven, Holanda

c Schuit Institute for Catalysis, Eindhoven University of Technology, P.O. Box 513, 5600 MB Eindhoven, Holanda

d Biologia Computacional, Universidade de Tecnologia de Eindhoven, P.O. Box 513, 5600 MB Eindhoven, Holanda

Resumo

A adaptabilidade das redes de reação biológica surge em grande parte por meio da regulação não covalente da atividade dos catalisadores. Esse tipo de controle de catalisador ainda é incipiente nas redes de produtos químicos sintéticos e, portanto, dificulta sua capacidade de exibir um comportamento semelhante à vida. Aqui, relatamos um sistema bioinspirado no qual interações não covalentes entre dois catalisadores de transferência de fase complementares são usados ​​para regular a cinética da reação. Enquanto um catalisador fornece cinética bimolecular, o segundo exibe feedback autoindutivo, resultando em cinética sigmoidal. When both catalysts are combined, the interactions between them allow rational control over the shape of the kinetic curves. Computational models are used to gain insight into the structure, interplay, and activity of each catalytic species, and the scope of the system is examined by optimizing the linearity of the kinetic curves. Combined, our findings highlight the effectiveness of regulating reaction kinetics using non-covalent catalyst interactions, but also emphasize the risk for unforeseen catalytic contributions in complex systems and the necessity to combine detailed experiments with kinetic modelling.


Resumo

The rate of product formation is an important measure of the speed of enzyme reactions. Classical studies of enzyme reactions have been conducted in dilute solutions and under conditions that justified the substrate abundance assumption. However, such assumption is well-known to break down in the context of cellular biochemistry. Instead, the concentration of available substrate can become rate limiting. Here we use the chemical master equation to obtain expressions for the instantaneous and time averaged rate of product formation without invoking the conventional substrate abundance assumption. The expressions are derived for a broad range of enzyme reaction mechanisms, including those that involve one or many enzyme molecules, require multiple substrates, and exhibit cooperativity and substrate inhibition. Novel results include: (i) the relationship between the average rate of product formation (calculated over the time it takes for the reaction to finish) and the substrate concentration, for a Michaelis–Menten (MM) reaction with one enzyme molecule, is approximately given by a logarithmically corrected MM form (ii) intrinsic noise decreases the sharpness of cooperative switches but enhances the filtering response of substrate inhibition (iii) the relationship between the initial average rate of product formation and the initial substrate concentration for a MM reaction with no reversible reaction and with any number of enzyme and substrate molecules is a sum of Michaelis–Menten equations.


Referências

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