Introdução às reações enzímicas.

As vias metabólicas existem porque existem enzimas que têm especificidade para
substratos que são simultaneamente produtos de outras reações enzímicas.
Introdução às
reações enzímicas.
Equilíbrio químico,
catálise e classificação
funcional.
fosfoglicomútase
GLUT2
ADP + Pi
[email protected]
Departamento de Bioquímica da Faculdade de Medicina do Porto
membrana do
hepatócito…
Fosforílase do
glicogénio
Glicose-6fosfátase
ATP
1
As enzimas catalisam reações mas
não têm qualquer papel no sentido em que estas ocorrem.
A razão entre a constante de equilíbrio (Keq) e o quociente de reação (QR)
permite prever o sentido global em que uma reação tende a evoluir.
aA + bB ↔ pP + qQ
CO2 + H2O
2
Numa via metabólica existem enzimas com baixa atividade catalítica e que,
consequentemente, catalisam reações em que Keq»QR.
Outras enzimas têm uma atividade catalítica elevada e, nestes casos, Keq≈QR.
1- Uma reação está em equilíbrio...
Keq = QR ⇔ Keq/QR =1
(= mesmo, in vitro, as concentrações de reagentes e produtos não se modificam ao longo do tempo)
2- A reação evolui em sentido direto ... A + B → P + Q
se
Keq > QR
⇔
Keq/QR >1
3- e evolui em sentido inverso... P + Q → A + B
se Keq <
QR
⇔ Keq/QR <1
Ao contrário do que acontece no tubo de ensaio, nas células as reações
podem evoluir sem que as concentrações dos reagentes e produtos se
modifiquem: o QR de uma determinada reação celular pode manter-se 3
“estacionário”.
4
Na reação catalisada pela fosforílase do glicogénio estima-se que a Keq
≈0,3.
As concentrações estacionárias da glicose-1-P ( 0,00004 mM) e do fosfato inorgânico
(Pi ≈ 0,4 mM) nas células permitem estimar o QR ≈ 0,0001
Keq»QR (qualquer QR fisiológico) e a reação é fisiologicamente irreversível.
Glicogénio (n) + Pi
Keq ≈ QR e a reação é fisiologicamente reversível.
Glicogénio (n-1) + Glicose-1-P
[Glicogénio]equi × [Glicose-1-P]equi
Keq =
Na reação catalisada pela fosfoglicomútase estima-se que a Keq ≈17;
as concentrações estacionárias da glicose-1-P (≈ 20-40 nM)
e da glicose-6-P (≈ 400-800 nM) permitem estimar o QR ≈ 10 a 40
[Glicogénio]equi × [Pi]equi
≈ 0,3
[Glicose-6-P]equi
Keq =
≈ 17
[Glicose-1-P]equi
Em determinadas condições metabólicas
[Glicose-1-P]real
QR =
0,00004 mM
≈
0,4 mM
[Pi]real
≈ 0,0001
5
Numa via metabólica na ausência de “ramificações e entroncamentos”
a velocidade efetiva de conversão (velocidade macroscópica = vel_diretavel_inversa), ou seja, a velocidade de fluxo da via metabólica (J) é igual quer
nas reações de “equilíbrio” quer nas de “desequilíbrio”.
J=10
10,01
Pi
– 0,01 = 10
1010
Glicose-1-P
Glicose-6-P
1000
(17< [G6P](real)/[G1P] (real))
....e a reação evolui no sentido Glicose-6-P → Glicose-1-P
O valor da razão Keq/QR é uma
medida do “grau de desequilíbrio” da
reação;
que pode exprimir-se de outra
maneira; quanto maior é o valor da
razão Keq/QR
mais negativo é o valor da “energia
de Gibbs”.
A energia de Gibbs = 0 se Keq = QR;
ln 1 = 0.
A energia de Gibbs é positiva se QR > Keq;
ln número < 1 é um número negativo mas
na equação de Gibbs
vel. efetiva =
vel_direta – vel_inversa
= 10,01
Noutras condições metabólicas Keq < QR
ΔG
Keq/
QR
kJ/
mol
≈
106
-36
103
-18
1
0
6
Se a
razão
Keq/
QR
...então
a
energia
>1
Negat.
ea
reação
A→P
de Gibbs
tende a
prosseguir no
sentido
direto
A equação de Gibbs relaciona a “energia de
Gibbs” (ΔG) com a razão Keq/QR
Glicose-1-P
0,01
Keq > QR
(17 > [G6P](real)/[G1P] (real))
....e a reação evolui no sentido Glicose-1-P → Glicose-6-P
=1
Nula
Aparentemente
parada
10-3
18
10-6
36
<1
Posit.
tende a
prosseguir no
sentido
inverso
vel. efetiva =
vel_direta – vel_inversa
= 1010
- 1000 = 10
7
8
ΔG (kJ/mol) ≈ - log decimal (Keq/QR)
×6
Outra forma de exprimir Keq de uma reação é referir o ΔGº.
ΔGº = - RT ln Keq = energia de Gibbs padrão ( ΔG quando QR =1)
O valor de ΔGº é apenas um equivalente da Keq e, em geral,
não nos diz nada acerca do sentido em que a reação tende a evoluir
nem da reversibilidade ou irreversibilidade do processo.
As reações tendem a evoluir no sentido em que o valor do QR se aproxima do
valor de Keq.
Pensando na reação A→B com Keq = 1
Se QR=1…
B B B A A A
Se QR=1/5…
B A A A A A
… ΔG=0 ⇔ reação em equilíbrio
Na reação A → B (que pode ocorrer)
Keq>QR ⇔ ΔG é negativo:
a reação A → B é exergónica (ou
espontânea).
ΔGº = -RT ln 0,3 = + 3 kJ mol-1
A reação de fosforólise do
glicogénio diz-se
exergónica porque
o ΔG é negativo
9
As reações nunca evoluem no sentido em que são endergónicas mas os
processos anabólicos são endergónicos...
H2 O
ΔG = + 35 kJ
glutamato
glutamina
NH4+
ATP
ΔG = -50 kJ
ADP + Pi
H2 O
glutamina
NH4+
glutamato
Na reação B → A (não pode ocorrer)
porque QR>Keq ⇔ ΔG é positivo:
a reação B → A seria chamada de endergónica (ou
não espontânea).
Keq > QR ⇔ reação exergónica = reação que pode ceder energia para que 10
um processo endergónico (reativo ou de transporte) possa ocorrer.
As reações endergónicas não existem mas podem ocorrer se acopladas a
reações exergónicas.
Muitas reações podem ser entendidas como o somatório de duas reações em que uma
semirreação é endergónica e a outra semirreação é exergónica; se o somatório dos ΔG
das duas semirreações for negativo a reação soma é exergónica e tem tendência
termodinâmica para ocorrer.
glicose-6-P + ADP ΔG = -32 kJ; Keq/QR= 4x105
glicose + ATP
glicose + Pi
glicose-6-P + H2O ΔG = + 18 kJ; Keq/QR= 7x10-4
ATP + H2O
ADP + Pi
ΔG=-50 kJ; Keq/QR= 0,7x 109
ATP
glicose-6-P
ΔG soma =
-15 kJ
exergónico
B A A A A A
cínase da glicose
sintétase da glutamina
ATP
endergónico
(ΔG= +35 kJ)
A A A A A A
As reações evoluem sempre no sentido em que são exergónicas
(podendo ser exotérmicas ou endotérmicas);
as reações endergónicas são uma abstração e não existem.
ΔG = -RT ln (0,3/0,0001) = - 20 kJ mol-1
ΔG = -RT ln (Keq/QR)
Se pensar na reação inversa (B → A), QR=5…
ADP + Pi
(ΔG=-50kJ)
As enzimas são as máquinas que acoplando processos endergónicos com exergónicos
possibilitam a ocorrência dos processos endergónicos.
11
A sintétase da glutamina é um exemplo.
glicose
endergónico
(ΔG= +18 kJ)
ADP
exergónico
(ΔG=-50kJ)
A cínase da glicose é uma “máquina química” que acopla um processo endergónico
(a
12
formação de glicose-6-P) com outro exergónico (a hidrólise do ATP).
Quando a reação ocorre em meio aquoso e um dos reagentes (ou produtos) é
a água, a sua concentração não entra no cálculo da Keq (nem do QR).
AB + H2O → A + B
[A]equil × [B] equil
Keq* =
Keq* × [H2O]= Keq =
[AB]equil × [H2O]
H2O → H+ + OH-
[A]equil × [B] equil
[AB]equil
Kw= [H+] × [OH-]= 10-14 M2
Quando o pH do meio é fixo (meio tamponado) as constantes de acidez (Ka)
podem ser transformadas de modo a refletirem a razão entre a forma básica
(dissociada) e a forma ácida (não dissociada) da mesma substância. Para uma
concentração determinada de protões= [H+]; Ka’ = Ka / [H+] = [A-] / [AH].
AH → A- + H+
[A-]equil × [H+] equil
Ka =
Ka’ =
[AH]equil
[A-]equil
Ka
=
[H+]fixo
[AH]equil
13
À Keq corresponde ΔGº e à razão Keq/QR corresponde ΔG.
À Keq’ corresponde ΔG’º e à razão Keq’/QR’ corresponde ΔG’ e são
estes últimos valores que são, habitualmente, apresentados nos livros
de Bioquímica.
Quando, em Bioquímica, se diz que na reação de hidrólise do ATP em
ADP + Pi o ΔG’º é -30 kJ/mol quer-se dizer que a reação está em
equilíbrio (ΔG’º = -30 kJ/mol ⇔ Keq’ = 1,8 x 105 M) quando
2[MgADP-] + [ADP3-] + [HADP2-] [H2PO4 ] + [HPO4 ] + [MgHPO4]
×
[ADP]
[Pi]
= 1,8 x 105 M
[ATP]
Keq
A+B →
CH
Ka
→
Keq =
C- + H+
[CH]
[A] × [B]
[C-]
[CH]
[C-]
Keq × Ka’=[A]×[B] × [CH]= [A]×[B]
Keq + Keq × Ka’ =
Keq’ =
[CH] + [C-]
[A] × [B]
Ka’ =
[C-]
[CH]
Keq’ é a constante de
equilíbrio aparente
para a formação da
mistura (CH + C-) a
partir dos reagentes A
e B.
A ideia das Keq’ (como a soma de duas Keq) reflete-se na forma como se
escrevem as equações das reações em bioquímica:
Pode escrever-se a equação da glicólise anaeróbia:
glicose → 2 lactatoglicose → 2 lactato- + 2 H+;
Mas muito mais frequentemente:
glicose → 2 lactato
sendo o lactato (sem especificar a carga)
a mistura de ácido láctico e lactato14-
Nos sistemas biológicos existem membranas que separam compartimentos,
mas muitas substâncias podem atravessar essas membranas.
Algumas moléculas pequenas e sem carga
(como o O2 e o CO2) podem atravessar
membranas por processos em que não
intervêm proteínas da membrana; o processo
de transporte diz-se não mediado.
Mas no transporte transmembranar da
maioria das substâncias intervêm
proteínas da membrana: o processo de
transporte diz-se mediado.
O transporte não mediado é sempre
estritamente exergónico (= passivo); o
transporte mediado pode ser passivo
ou ativo.
Existe transporte passivo ( = difusão) de
uma determinada substância quando ela se
move a favor do seu gradiente químico
(ou electroquímico): o processo é
estritamente exergónico.
[MgATP2-] + [ATP4-] + [HATP3-]
…em que as concentrações de ADP, Pi e ATP são somatórios das
concentrações das formas ionizadas e não ionizadas e ligadas ou
desligadas do Mg2+.
Em bioquímica, porque as reações ocorrem sempre em meios tamponados, é
frequente ignorarem-se as reações ácido-base: os valores das Keq (e QR)
usados são transformados e podem designar-se de Keq’ (e QR’).
15
Existe transporte ativo de uma determinada substância quando ela se move contra o seu16
gradiente químico (ou electroquímico): o processo contém um componente endergónico.
Na maioria das células a glicose (e outras substâncias não iónicas) atravessa
as membranas a favor do seu gradiente de concentrações (difusão ou
transporte passivo).
No plasma sanguíneo e no líquido extracelular a [glicose] ≈ 5 mM
mas no citosol da maioria das células, em resultado da ação da hexocínase, é cerca de 0,1 mM.
Em equilíbrio haveria igual concentração nos 2 lados da membrana
 e a glicose tende a mover-se de fora para dentro.
ΔG = - RT ln
Keq
= -RT ln
1
= -RT ln
[glicose]dentro
QR
O transporte transmembranar de substâncias iónicas é passivo (difusão)
quando ocorre a favor do gradiente eletroquímico (gradiente elétrico e de
concentrações) e ocorre através de canais iónicos ou de transportadores.
O gradiente elétrico é uma consequência do facto de as membranas terem cargas
diferentes entre as duas faces exterior e interior; o gradiente químico deve-se à
No caso do transporte de
diferença de concentrações.
substâncias com carga elétrica
(iões) para além do gradiente
químico temos de ter em conta a
eventual existência de uma
diferença de potencial entre os
dois lados da membrana.
[glicose]fora
[glicose]dentro
[glicose]fora
Na membrana da maioria das células a
glicose move-se a favor de gradiente
[glicose]fora ≈ 5 mM
O lado interno da membrana
citoplasmática
tem
carga
negativa relativamente ao lado
externo que tem carga positiva.
⇔ processo estritamente exergónico
Se a [glicose]fora = 5 mM
e a [glicose]dentro= 0,1 mM
ΔG (para o processo de
transporte fora → dentro) ≈
[glicose]dentro ≈ 0,1 mM
- 10 kJ / (mole de 17glicose
transportada)
O valor do ΔG correspondente ao gradiente elétrico de um ião com carga Z
que é transportado do lado da exterior da membrana para o interior é dado
pela expressão:
Carga do ião
Diferença de potencial (Volt);
por convenção o sinal é o do interior da membrana; Ψ = psi
ΔG = Z F Ψ
Faraday=
96500 Coulomb mol-1
[Na+]fora
Quais os valores de ΔG (elétrico e químico e o ΔG
soma) correspondentes ao transporte de 1 mol de
ião Na+ de fora para dentro?
ΔG(gradiente elétrico) = 1 × 96500 × (- 0,086)
= - 8,3 kJ mol-1
ΔG(gradiente químico) = - RT ln (145/10)
Ψ = - 0,086 V
= - 6,6 kJ mol-1
A energia envolvida no transporte de iões Na+ de fora para dentro da célula é o somatório:
energia correspondente ao gradiente químico (ΔG negativo)
+
energia correspondente à diferença de potencial (ΔG negativo)
Quando o transporte é passivo ⇔ a favor do gradiente electroquímico ⇔ ΔG<0
o processo de transporte da substância em análise é exergónico.
18
Quando o transporte de uma substância ocorre contra o seu gradiente
electroquímico e o processo exergónico acoplado é uma reação química
falamos em transporte ativo primário.
É o caso
1- da ATPase do sódio/potássio
(bomba de sódio/potássio) e dos…
2- dos complexos I, III e IV da cadeia
respiratória. Aqui a componente
exergónica é uma reação redox...e o
endergónico o bombeamento de protões
contra gradiente electroquímico.
= 145 mM
[Na+]fora= 10 mM
ΔG(soma) = (- 8,3 - 6,6) = - 14,9 kJ mol-1
-1
19
ΔG(gradiente electroquímico) = - 14,9 kJ mol
Transporte de 3 Na+ contra gradiente electroquímico
(ΔG ≈ + 44,7 kJ/mol de ATP)
Transporte de 2 K+ (admitindo equilíbrio eletroquímico)
(ΔG ≈
0 kJ/mol de ATP)
Hidrólise de 1 ATP
(ΔG ≈ - 50 kJ/mol de ATP)
⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯
(ΔG ≈ - 5,3 kJ/mol de ATP) 20
Processo global catalisado pela bomba de Na+/K+
...é exergónico.
Quando o transporte de uma substância ocorre contra o seu gradiente
electroquímico e o processo exergónico é o transporte de um ião a favor do
seu gradiente electroquímico (por sua vez criado por um transporte ativo
primário) falamos em transporte ativo secundário.
Aquando da síntese de ATP pela síntase de ATP mitocondrial (complexo V)
ocorre um processo que é o inverso do que corresponde aos processos de
transporte ativo primário: uma reação enzímica endergónica (ΔG >0) está
acoplada com um transporte exergónico (ΔG <0)
O transporte de glicose
ΔG(gradiente elétrico) = 1× 96500 C mol-1 × (- 0,15 V)
= - 14,5 kJ mol-1
+ +
ΔG(gradiente químico) = - RT ln (10-7,0/10-7,6)
+ +
+
= - 3,6 kJ mol-1
+
- - - +
ΔG(gradiente eletroquímico) relativo ao
- + transporte de 3 moles protões =
[H+] = 10-7,6 M
3 (-14,5 kJ - 3,6 kJ) = - 54,1 kJ
ADP + Pi
V
3 H+
3 H+
ATP + H2O
Ψ = - 0,15 V
ΔG relativo à síntese de 1 mol
+
- - - de ATP = 50 kJ
+
+ +
ΔG relativo ao processo global
+ + + +
+
= - 54,1 kJ + 50 kJ = -4,122kJ
[H+]=10-7 M
no polo apical
dos enterócitos
é um transporte ativo secundário
em que o processo exergónico
é a passagem de iões sódio para dentro das
células a favor do gradiente electroquímico
e o endergónico o transporte de glicose contra
gradiente.
Diz-se que os transportadores de Na+ e glicose existentes no polo apical
dos enterócitos (SGLT1; sodium dependent glucose transporter 1)
é um “simporte” porque só pode funcionar
21
transportando 2 iões Na+ e 1 molécula de glicose
no mesmo sentido.
As palavras “difusão”, “transporte passivo” e “transporte ativo” referemse à termodinâmica do processo de transporte.
As palavras “simples”, “facilitado/a”, “mediado”, “transportador”,
“cotransporte” “uniporte”, “antiporte” e “simporte” referem-se ao
catalisador (ou à sua ausência).
1- Palavras que descrevem a energia envolvida no processo de transporte e estão,
portanto, relacionadas com aspetos relacionadas com termodinâmica do processo:
a) transporte passivo = difusão = transporte a ”favor do gradiente electroquímico”
b) transporte ativo = transporte “contra o gradiente químico ou electroquímico”.
2- Palavras relacionadas com o tipo de
catalisador envolvido no processo de
transporte:
a) simples = não mediado (sem
catalisador).
b) facilitado = mediado por
transportador.
b1) uniporte, simporte e antiporte.
b2) quando há cotransporte está
envolvido um simporte ou um antiporte.
A linha de separação entre transportadores e
enzimas é tão ténue que, em muitos casos, é
impossível dizer se estamos a falar de uma enzima
ou de um transportador.
1- Nos complexos da cadeia respiratória da
mitocôndria as reações de oxi-redução são exergónicas e
o componente endergónico é o transporte de protões
contra gradiente electroquímico.
1’- Um caso semelhante ocorre no caso da bomba de
sódio e potássio.
(hidrólise de ATP exergónica; movimento de iões
endergónico)
2- No caso da síntase do ATP na
mitocôndria nas condições in vivo o
componente exergónico é o movimento de
protões a favor do gradiente electroquímico
e o endergónico é a reação de síntese do
ATP
(ADP+Pi → ATP + H2O ).
23
24
Nota: os transportadores/enzimas são apenas catalisadores...
Conhecer o ΔG (⇔ razão Keq/QR) de um sistema reativo
indica-nos o sentido em que a reação pode evoluir ... mas não nos diz nada
acerca da velocidade em que ela ocorre.
A maioria das reações que ocorrem nos seres vivos só existem porque
existem enzimas que as catalisam. A maioria das enzimas são de natureza
proteica e, relativamente aos outros catalisadores,
têm uma grande especificidade em relação aos substratos e produtos da reação.
1- Algumas reações são muito lentas:
A Keq da reação de oxidação da glicose
(glicose + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O)
1- A palavra “enzima” (do Grego: en, na + zima, levedura) foi inventada em 1878 por Fredrich
Kühne.
é cerca de 10500 M-1  ΔG’º = - 2840 kJ/mol
2- A sua natureza proteica só foi definitivamente aceite na década de 1930.
 a reação tem tendência a evoluir até ao consumo total do
reagente limitante (em geral a glicose)
3- Relativamente aos catalisadores não enzímicos as enzimas são, em geral:
a) mais potentes,
...mas, à temperatura ambiente e na ausência de enzimas, posso ter
b) atuam em condições “ pouco agressivas “ (pH ≈ 7, temp. < 100°C, etc.),
glicose em contacto com O2 durante milhares de anos que não
acontece nada.
c) têm uma enorme especificidade relativamente aos substratos e produtos, e
d) a sua atividade pode ser, frequentemente, regulada por substâncias diferentes dos substratos
e dos produtos (as enzimas podem ser sensores do meio ambiente em que estão inseridas...).
2- Outras reações são muito rápidas
As reações de dissociação de protões ou ligação de protões
(ácido-base)
aproximam-se rapidamente do equilíbrio e não necessitam
de catalisadores.
25
A Comissão de Enzimas da União Internacional de Bioquímica definiu critérios para
a classificação e denominação das enzimas;
os critérios são de tipo funcional: duas enzimas com estruturas diferentes que
catalisam a mesma reação (isozimas ou isoenzimas) têm o mesmo nome.
4- Sendo as enzimas moléculas proteicas o seu tamanho é, frequentemente, muito grande
relativamente ao tamanho das moléculas dos substratos.
O “sítio ativo” (ou “sítio catalítico”) é um local específico modelado de tal forma que
permite a interação específica com o substrato (ou substratos) e é onde ocorre a reação
26
química.
As isomérases (EC 5.x.y.z) catalisam a
interconversão de dois isómeros: A↔B
1- A cada enzima foi atribuído um “número EC” (de Enzyme Commission)
que contém 4 números separados por pontos (EC W.X.Y.Z).
Os números W, X e Y referem-se, respetivamente, à classe, subclasse e sub-sub-classe e o número
Z é específico de cada enzima.
2- No dia 19-10-2011 estavam classificadas 4652 enzimas que podem ser consultadas em
http://www.expasy.ch/enzyme/
3- Em geral uma mesma enzima tem vários nomes e a nomenclatura não é isenta de ambiguidade;
a atribuição de um número E às enzimas é uma tentativa de resolver essa ambiguidade.
Foram definidas 6 classes:
Classe 1: oxi-redútases Classe 2: transférases
Classe 4: líases
Classe 5: isomérases
Classe 3: hidrólases
Classe 6: lígases ou sintétases
4- A classificação é de tipo funcional: diferentes proteínas com a mesma atividade catalítica
(como as isoenzimas) têm o mesmo nome e número E.
27
Em rigor, as isomérases são as únicas enzimas em que se pode falar do substrato da
enzima no singular.
Exemplos:
fosfoglicomútase
mútase do fosfoglicerato
isomérase das hexoses-fosfato
epimérase das pentoses-fosfato
epimérase da UDP-galactose
(Glicose-1-P ↔ Glicose-6-P)
(3-fosfoglicerato ↔ 2-fosfoglicerato)
(Glicose-6-P ↔ Frutose-6-P)
(Ribulose-5-P ↔ Xilulose-5-P)
(UDP-Galactose ↔ UDP-Glicose)
Em geral,
nas reações catalisadas pelas isomérases
as Keq têm valores não muito diferentes de 1 ( ΔGº não muito diferente de 0)28
e são fisiologicamente reversíveis.
Nas reações catalisadas pelas hidrólases
(EC 3.x.y.z) um dos reagentes é a água e o
substrato rompe-se nas suas partes constituintes:
AB + H2O → A + B
As fosfátases são hidrólases em que um dos produtos é o fosfato inorgânico
(Pi).
As reações catalisadas pelas fosfátases chamam-se desfosforilações.
As hidrólases catalisam
a rotura de ligações sendo a água um dos substratos.
Alguns exemplos de fosfátases:
Exemplos de ligações que podem sofrer rotura hidrolítica:
Glicose-6-fosfátase
1- éster (produtos = álcool + ácido)
ou tioéster (produtos = tiol + ácido)
(glicose-6-P + H2O → glicose + Pi)
2- lactona (produtos = álcool + ácido; notar que neste caso,
porque a lactona é “um éster interno”: A + H2O → B)
ATPase (ATP + H2O → ADP + Pi)
3- anidrido (produtos = ácido + ácido)
4- amida (produtos = ácido + amina ou amónio)
5- osídicas (produtos = semi-acetal + álcool ou semi-acetal
+ semi-acetal ou semi-acetal + ácido ou o semi-acetal + amina)
Em geral, quando à frente do nome de um composto se coloca o sufixo “ase” a enzima
é uma hidrólase (maltase, amílase, fosfolípase, lípase, ATPase, glutamínase ...). 29
Quase sempre catalisam reações fisiologicamente irreversíveis.
Nas reações catalisadas pelas transférases (EC 2.x.y.z)
um substrato dador cede um grupo químico ou um resíduo
a um outro substrato (o substrato aceitador) que o aceita:
XT + Y → X + YT
H2 O
pirofosfátase inorgânica
(PPi + H2O → 2 Pi)
2
30
H2 O
As cínases são fosfotransférases que catalisam reações do tipo:
ATP + Y → ADP + Y-P.
As reações catalisadas pelas cínases chamam-se fosforilações.
Nas reações catalisadas por cínases o resíduo transferido é um fosfato e, em geral,
o dador de fosfato é o ATP (ou o GTP) que cede o fosfato γ (o terceiro) a um aceitador.
Numa reação enzímica do tipo: ATP + Y ↔ ADP + Y-P
a enzima denominar-se-ia cínase do Y sendo Y o substrato que aceita o fosfato γ do ATP.
Exemplos de cínases:
Uma transférase catalisa uma reação em que um resíduo T é transferido de XT para Y
(ou, tendo em conta a reação inversa, de YT para X).
São exemplos de transférases:
1- cínases
(ATP + Aceitador → ADP + Aceitador-P)
2- fosforílases
(Dador-T + Pi → Dador + T-P)
3- pirofosforílases
(Aceitador-T + PPi ← Aceitador + T-PP)
4- transférases de uridilato
31
(dador-UMP + aceitador → dador + aceitador-UMP)
cínase da glicose
cínase da frutose-6-P
cínase do piruvato
A denominação das cínases
não tem em linha de conta o sentido em que a reação ocorre nos seres vivos:
(1) a cínase do piruvato catalisa in vivo a fosforilação do ADP pelo fosfoenolpiruvato.
(2) a cínase do adenilato (=AMP) catalisa a fosforilação do AMP pelo ATP (mas32
também a reação inversa; é fisiologicamente reversível): ATP + AMP ↔ 2 ADP
Numa reação enzímica do tipo: ATP + Y ↔ ADP + Y-P
a enzima denominar-se-ia cínase do Y
e a regra mantém-se mesmo quando o aceitador é outra enzima.
As ações das cínases e
das fosfátases não são
reações inversas.
Exemplo: a cínase da desidrogénase do piruvato catalisa a fosforilação da
desidrogénase do piruvato pelo ATP
Cínase da glicose
v = 100
ATP
ADP
Glicose-
A cínase da glicose e a fosfátase Glicose
J= 90
6-P
da glicose-6-fosfato têm papeis
metabólicos opostos, mas as
v = 10
H2O
Pi
reações que catalisam não são a
inversa uma da outra.
Fosfátase da glicose-6-P = Glicose-6-Pase
A reação inversa da fosforilação da glicose por ação da cínase da glicose seria a
fosforilação do ADP (a ATP) pela glicose-6-P…
Quando uma cínase e a fosfátase
que se lhe opõe estão
simultaneamente ativas a reação
soma é a hidrólise de ATP
Em geral,
quando existe uma cínase
que catalisa a fosforilação de um substrato A
existe também uma fosfátase (hidrólase)
que catalisa a desfosforilação do substrato A fosforilado
A + ATP → ADP + A-P
A-P + H2O → A + Pi
33
34
… e ambas as reações são (quase sempre) fisiologicamente irreversíveis
Quando isto acontece falamos em “ciclos de substrato”.
Alguns fármacos e hormonas exercem os
seus efeitos ligando-se a recetores celulares
que têm atividade catalítica intrínseca e que
são, portanto, enzimas.
As fosforílases são transférases em que o substrato aceitador
é o fosfato inorgânico (Pi): XT + Pi ↔ X + T-P.
As reações catalisadas pelas fosforílases denominam-se fosforólises.
Alguns recetores celulares são enzimas.
a enzima denominar-se-ia fosforílase do XT (T é o resíduo transferido)
...e XT sofre uma fosforólise: XT rompe-se (lise) por ação do fosfato inorgânico (Pi).
O recetor da insulina é uma
cínase que,
quando a insulina está
ligada,
catalisa a fosforilação de
proteínas citoplasmáticas
chamadas “substratos do
recetor da insulina”.
Exemplo de fosforílase:
A fosforílase do glicogénio
catalisa
a fosforólise do glicogénio
Algumas cínases (com a PKA; cínase de proteínas dependente do AMP cíclico)
são relativamente inespecíficas catalisando a fosforilação de muitas enzimas e
essa fosforilação pode ativar ou inibir essas enzimas.
ATP + síntase do
glicogénio
(ativa)
Numa reação do tipo XT + Pi ↔ X + T-P
PKA (ligada
ao AMPc)
ADP + síntase do
glicogénio fosforilada
35
(inativa)
Glicose-glicose-glicose...+ Pi →
glicose-glicose...+ Glicose-1-P
36
As pirofosforílases são transférases em que o substrato aceitador do resíduo
transferido é o pirofosfato inorgânico (PPi): XT + PPi ↔ X + T-P-P.
As reações catalisadas pelas pirofosforílases denominam-se pirofosforólises.
Numa reação do tipo XT + PPi ↔ X + T-P-P
As transférases de uridilato (uridil-transférases) são enzimas em que o
resíduo transferido é o UMP (e não se forma nem se consome PPi inorgânico):
X-UMP + Y ↔ X + Y-UMP.
a enzima denominar-se-ia pirofosforílase do XT
...e XT sofre pirofosforólise: rompe-se (lise) por ação do pirofosfato inorgânico (PPi).
Galactose-1-P
Uridiltransférase da
galactose-1-P
Exemplo de pirofosforílase:
Glicose-PP-uridina
UDP-Glicose
Pirofosforílase do UDPGlicose
Galactose-P
Glicose-P
Para compreender porque se denomina pirofosforílase do uridina-difosfato de glicose
(UDP-glicose) à enzima que catalisa a reação Glicose-1-P + UTP → UDP-glicose +
PPi, temos de pensar na reação inversa àquela que, de facto, ocorre nas células dos
seres
37
vivos. A reação inversa é a pirofosforólise do UDP-glicose.
As lígases (ou sintétases) (EC 6.x.y.z) catalisam reações que podem ser lidas
como sendo o somatório de duas reações: uma de hidrólise do ATP e outra de
combinação de duas substâncias.
Glicose-1-P
Galactose-PP-uridina
UDP-Galactose
O UMP (uridina-monofosfosto) também se designa de uridilato.
38
Nalgumas lígases o nucleosídeo trifosfato envolvido na reação
não é ATP mas o GTP.
ATP + A + B ↔ ADP + Pi + AB ou
ATP + A + B ↔ AMP + PPi + AB
Nas reações catalisadas pelas lígases a
energia libertada no processo de
hidrólise do
ATP permite a
combinação de dois reagentes A e B.
Ou, considerando o sentido inverso,
que a energia libertada na cisão de AB
permite a síntese de ATP.
Sintétase do AB
No ciclo de Krebs a reação catalisada pela sintétase de succinil-CoA (uma das isoenzimas)
evolui no sentido da rotura do succinil-CoA e síntese de GTP:
GDP + Pi + succinil-CoA → succinato + CoA + GTP
Podemos considerar, conceptualmente,
que a sintétase de succinil-CoA faz a acoplagem de duas reações:
Quando a rotura do ATP ocorre
entre os resíduos fosfato β e γ forma-se ADP e Pi
…mas quando ocorre entre os resíduos fosfato α e β
39
forma-se AMP e PPi.
ΔG1<0
Succinil-CoA + H2O → Succinato + CoA (reação exergónica)
GDP + Pi → GTP + H2O
(reação endergónica)
ΔG2>0
⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯
40
GDP + Pi + Succinil-CoA ↔ GTP + Succinato + CoA
ΔG(1,2)=ΔG1+ΔG2
Nas reações catalisadas pelas
líases (EC 4.x.y.z) um dos
reagentes que contém uma
dupla ligação combina-se com
um segundo reagente de tal
maneira que o produto já não
contém a dupla ligação:
A=B + C ↔ ABC
As oxi-redútases (EC
1.x.y.z) catalisam
reações de oxi-redução
Ou, pensando na reação inversa:
são líases as enzimas que catalisam reações
em que um composto se rompe dando
origem a dois produtos sendo que um destes
produtos contém uma dupla ligação que não
existia no composto que lhe deu origem:
ABC ↔A=B + C
Exemplos de nomes associados a oxi-redútases:
Desidrogénases
dinucleotídeos são substratos
Redútases
Oxídases
Frequentemente o composto C é a
água mas aqui, ao contrário do
caso das hidrólases, a reação de C
com A=B não resulta na lise de A=B.
Catálase
1) As desidrogénases são oxi-redútases que catalisam reações do tipo:
AH2 +
A+
desidrogénase de AH2
Piruvato
lactato
NAD+
Piruvato
NAD+
NADH
Ubiquinona
NADH
NADPH
FADH2
FMNH2
2) As redútases também são oxi-redútases. A maioria das redútases
catalisa reações do mesmo tipo das desidrogénases
mas o redutor é o NADPH...
NAD+
NADH
A+
redútase do A
NADPH
FADH2
FMNH2
AH2 +
NADP+
FAD
FMN
NADPH + dissulfureto de glutatião (GSSG) → NADP+ + 2 glutatião (2GSH)
Acetil-CoA
Desidrogénase do piruvato
NADH
Ubiquinol
42
Exemplo: redútase do glutatião;
CO2
NAD+
catalisam reações de dismutação
Dismútases
Desidrogénase do lactato
NADH
Coenzima A
o H2O2 é reduzido a água...
Peroxídases
41
NAD+
NADP+
FAD
FMN
O2 é o oxidante direto
Oxigénases
NADP+
NADPH
2 e-
H+
Desidrogénase do NADH
(não se chama desidrogénase
43
do ubiquinol)
44
H+
3) As oxídases também são oxi-redútases. Catalisam reações em que o
O2 é um dos reagentes que se reduz
a H2O, a peróxido de hidrogénio (H2O2) ou a superóxido (O2• -).
2 cyt. c
(Fe2+)
+ ½ O2
2 cyt. c
oxídase do citocromo c
NADPH + 2 O2
oxídase da NADPH
(Fe3+)
+ H2O
5) As peroxídases também são oxi-redútases. Catalisam reações em que o
H2O2 é o agente oxidante direto de um composto orgânico.
Exemplo: a peroxídase do glutatião é a mais conhecida
2 Glutatião (2 GSH) + H2O2 → dissulfureto de glutatião (GSSG) + 2 H2O
NADP+ + 2 O2• -
4) As mono-oxigénases (também chamadas oxigénases de função mista)
também são oxi-redútases. Catalisam reações em que o O2 é o oxidante direto,
sendo que um dos átomos de oxigénio se vai incorporar num composto
orgânico que é oxidado e o outro vai formar água.
São frequentemente chamadas hidroxílases; neste caso seria hidroxílase do VH
(no exemplo está a reação catalisada pela hidroxílase da fenilalanina)
VH
VOH
O2
H2 O
WH2
W
fenilalanina
O2
tetrahidrobiopterina
2 e-
2H+
tirosina
2 H2O
H2O2
H2 O
45
dihidrobiopterina
A palavra síntase (não confundir com sintétase) está popularmente
associado a algumas enzimas e as síntases podem pertencer a
diferentes classes.
Algumas vezes o nome que foi
originalmente atribuído a uma enzima
(síntase do composto X), embora fora da
nomenclatura sistemática, manteve-se o
mais popular ao longo dos anos.
46
À rotura hidrolítica das ligações fosfoanidrido do ATP (entre os fosfatos α-β e βγ) estão associados valores de ΔGº “muito” negativos;
por isso se diz na gíria dos bioquímicos que
estas ligações são “ricas em energia”.
1- Dizemos que a glicose e o etanol
“são substâncias energéticas” porque no seu processo de oxidação libertam enormes quantidades
de energia:
1- A síntase do glicogénio
é de facto uma transférase.
Glicose + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O
ΔGº = - 2840 kJ/mol
Etanol + 2 O2 → 2 CO2 + 2 H2O
ΔGº = - 168 kJ/mol
(nota: estes ΔGº não se referem aos seres vivos; ΔGº refere-se sempre a condições padrão)
2- Quando dizemos que o ATP é “uma substância energética” não estamos a falar da reação de
oxidação do ATP mas da sua fosfohidrólise.
2 - A síntase do ATP
é de facto uma hidrólase (e, simultaneamente um
transportador de protões).
ADP + Pi → ATP + H2O
A componente exergónica do processo é o transporte de protões
através de um componente da enzima que está mergulhado na
membrana interna da mitocôndria. Os protões deslocam-se a
favor do seu gradiente electroquímico.
ATP + H2O → ADP + Pi
ΔGº = - 31 kJ/mol
ATP + H2O → AMP + PPi
ΔGº = - 46 kJ/mol
ΔGº= -31 kJ
ΔGº= -46 kJ
47
48
As ligações em que o ΔGº que corresponde à sua rotura hidrolítica (em
condições padrão) tem um valor semelhante ou é ainda mais negativo que o
que corresponde à rotura das ligações fosfoanidrido do ATP (- 31 kJ mol-1 ou 46 kJ mol-1) dizem-se “ricas em energia” e costumam representar-se por
ΔGº= - 43 kJ
As ligações “ricas em energia” podem ser de tipo:
a) fosfoanidrido como no ATP
b) fosfamida
como na fosfocreatina
c) enolfosfato
Embora o ΔGº seja apenas uma medida da Keq (e não determine por si só o
sentido em que a reação vai evoluir) o conceito de “ligação rica em energia”
revelou-se útil…
(1) porque, normalmente, quando uma enzima catalisa o acoplamento de duas
semirreações em que uma é a rotura de uma “ligação rica em energia” e a outra a
formação de uma ligação que “não é rica em energia” (como as fosfoéster) a reação é
fisiologicamente irreversível…
Exemplos:
como no fosfoenolpiruvato.
ΔGº= -62 kJ
+ glicose → ADP + glicose-6-P
+ frutose-6-P → ADP + frutose-1,6-bisfosfato (cínase da frutose-6-P)
(2) e porque, normalmente, quando nas duas semirreações acopladas, numa se rompe e
na outra se forma uma “ligação rica em energia” a reação é fisiologicamente reversível
+ ADP
ΔGº= -36 kJ
+ Pi ↔ succinato + CoA +
Sintétase de succinil-CoA
Exemplos:
d) tioéster como no succinil-CoA.
+ ADP ↔ creatina +
Cínase da creatina
Quando dizemos que o ATP, a fosfocreatina, o fosfoenolpiruvato ou o succinil-CoA
49
“são substâncias energéticas” estamos simplesmente a dizer que a sua fosfohidrólise
tem um valor de ΔGº muito negativo.
A cínase do 3-fosfoglicerato catalisa uma reação de fosfotransferência que é
fisiologicamente reversível (no sentido da síntese de ATP na glicólise e de
consumo de ATP na gliconeogénese)...
+ ADP ↔ 3-fosfoglicerato +
50
Cínase do 3-fosfoglicerato
As reações enzímicas que
in vivo geram PPi têm um
ΔG (real) muito negativo
porque o produto PPi é
rapidamente hidrolisado
pela ação catalítica de
pirofosfátases que mantém
a sua concentração muito
baixa.
No 1,3-bisfosfoglicerato há
uma ligação fosfoanidrido
(“rica em energia”) que não
existe no 3-fosfoglicerato...
Como resultado da ação catalítica
das pirofosfátases celulares
 a concentração de PPi na célula
é muito baixa;
não existe um dos substratos para
que a reação inversa possa ocorrer
…mas nem sempre o acoplamento de semirreações em que há síntese e
rotura de “ligações ricas em energia” corresponde a reações fisiologicamente
reversíveis: por exemplo, a reação catalisada pela cínase do piruvato é
fisiologicamente irreversível.
+ ADP
→ piruvato +
(cínase da glicose)
51
As reações em que um dos produtos é o PPi
são reações exergónicas em todas as condições metabólicas
 reações fisiologicamente irreversíveis.
52
nutrientes
ADP
4 H+
Glicose
I love
electrons
O2
I
O2
2 Piruvato
NAD+
enzimas e
enzimas/transportadores
envolvidas no
catabolismo
H2O
ΔG < 0
2 acetil-CoA
NADH
2 CO2
NAD+
CO2
NAD+
cyt c IV
O
H2 O
10 H+
NAD+
NADH
NADH
NAD+
NADH
2
We hate
electrons
nutrientes
53
Nutrientes ou
intermediários
do
metabolismo
ATP
III
V
Simp.
Pi
2 CO2
H2O
ATP
1 NADH
Q
NADH
2 CO2
ΔG > 0
4 H+ )
2 ADP
2
Pi
(2 H+ +
2 ADP
2,5 ADP
+ 2,5 Pi
2,5
A oxidação completa de 1 mole de glicose é a componente exergónica num processo
global em que a componente endergónica é a síntese de 30 (envolvimento da 54
lançadeira do glicerol-3-P) a 32 moles (envolvimento do malato) de ATP.
Bibliografia consultada:
H2O
Newsholme, E. A. & Leech, T. (2009) Functional Biochemistry in Health and disease,
Wiley-Blackwell, Oxford.
ΔG > 0
ΔG < 0
Nelson DL & Cox MM. (2005) Lehninger Principles of Biochemistry. 4th ed. Worth
Publishers. New York.
enzimas e
enzimas/
transportadores
Chang R. (1994) Química 5ª ed. McGrow-Hill de Portugal, Lda
Pi
ADP
proteínas,
glicoproteínas,
lipídeos e glicídeos
complexos, ácidos
nucleicos...
55
56