A maioria das enzimas são de natureza proteica e, relativamente

A maioria das enzimas são de natureza proteica e,
relativamente aos outros catalisadores,
têm uma grande especificidade em relação aos substratos e produtos da reacção.
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 reacção (isozimas ou isoenzimas) têm o mesmo nome.
1- A palavra “enzima” (do Grego: en, na + zima, levedura) foi inventada em 1878 por Fredrich Kühne.
1- A cada enzima foi atribuído um “número EC” (de Enzyme Comission)
que contém 4 números separados por pontos (EC W.X.Y.Z).
Os números W, X e Y referem-se, respectivamente, à classe, sub-classe e sub-sub-classe
e o número Z é específico de cada enzima.
2- A sua natureza proteica só foi definitivamente aceite na década de 1930.
3- Relativamente aos catalisadores não enzímicos as enzimas são, em geral:
a) mais potentes,
2- No dia 31-10-2006 estavam classificadas 3985 enzimas que podem ser consultadas em
b) actuam em condições “ pouco agressivas “ (pH ≈ 7, temp. < 100°C, etc.),
http://www.expasy.ch/enzyme/
c) têm uma enorme especificidade relativamente aos substratos e produtos, e
3- Em geral uma mesma enzima tem vários nomes e a nomenclatura não é isenta de ambiguidade;
a atribuição de um número EC às enzimas é uma tentativa de resolver essa ambiguidade.
d) a sua actividade pode ser, frequentemente, regulada por substâncias diferentes dos substratos e dos
produtos (as enzimas podem ser sensores do meio ambiente em que estão inseridas...).
Foram definidas 6 classes:
Classe 1: oxi-redútases, Classe 2: transférases, Classe 3: hidrólases
Classe 4: líases,
Classe 5: isomérases, Classe 6: lígases ou sintétases
4- Sendo as enzimas moléculas proteicas o seu tamanho é, geralmente, muito grande relativamente ao
tamanho das moléculas dos substratos.
4- A classificação é de tipo funcional: diferentes proteínas com a mesma actividade catalítica
O “sítio activo” (ou “sítio catalítico”) é um local específico modelado de tal forma que permite a interacção
específica com o substrato (ou substratos) e onde ocorre a reacção química.
(como as isoenzimas) têm o mesmo nome e número EC.
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As isomérases (EC 5.x.y.z) catalisam a
interconversão de dois isómeros: A↔B
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Nas reacções 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
Em geral,
quando à frente do nome de um composto se coloca o
sufixo “ase”
a enzima em questão é uma hidrólase.
Em rigor, as isomérases são as únicas enzimas em que se pode falar do substrato da enzima
no singular.
As hidrólases catalisam
a rotura de ligações sendo a água um dos substratos.
Exemplo:
isomérase das hexoses-fosfato
fosfoglico-mútase
fosfoglicerato-mútase
epimérase das pentose-fosfato
(Glicose-6-P ↔ Frutose-6-P)
(Glicose-1-P ↔ Glicose-6-P)
(3-fosfoglicerato ↔ 2-fosfoglicerato)
(Ribulose-5-P ↔ Xilulose-5-P)
Exemplos de ligações que podem sofrer rotura hidrolítica:
1- éster (produtos = álcool + ácido) ou tioéster (produtos = tiol + ácido)
2- lactona (produtos = álcool + ácido; notar que neste caso, porque a
lactona é “um éster interno”: A + H2O → B)
Em geral,
nas reacções catalisadas pelas isomérases
as Keq têm valores não muito diferentes de 1 (Ù ∆G’º não muito diferente de 0)
e são fisiologicamente reversíveis.
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3- anidrido (produtos = ácido + ácido)
4- amida (produtos = ácido + amina)
5- osídicas (produtos = semi-acetal + álcool ou semi-acetal + semi-acetal
ou semi-acetal + ácido ou o semi-acetal + amina)
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As reacções catalisadas pelas enzimas podem, frequentemente, ser conceptualmente
consideradas como o acoplamento de dois processos:
um exergónico (∆G<0) e outro endergónico (∆G>0) ... mas o somatório é exergónico
As fosfátases são hidrólases em que um dos produtos é o fosfato inorgânico (Pi).
As reacções catalisadas pelas fosfátases chamam-se desfosforilações.
Alguns exemplos de fosfátases:
ATPase
(ATP + H2O → ADP + Pi)
pirofosfátase inorgânica
(PPi + H2O → 2 Pi)
fosfátase alcalina,
uma enzima que se pensa estar envolvida
na desfosforilação de proteínas
(proteína-fosfato + H2O → proteína + Pi)
endergónico
(∆G>0)
exergónico
(∆G<0)
NOTA: Embora, teoricamente, as hidrólases catalisem as reacções directa e inversa,
nas reacções de hidrólise a Keq é tão elevada no sentido da hidrólise
que, em geral, não faz sentido falar da reacção inversa.
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As lígases (ou sintétases) (EC 6.x.y.z) catalisam reacções que podem ser lidas
como sendo o somatório de duas reacções: uma de hidrólise do ATP e outra de
combinação de duas substâncias.
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As reacções nunca evoluem no sentido em que são endergónicas mas os
processos anabólicos são endergónicos...
H2 O
∆G = + 35 KJ
ATP + A + B ↔ ADP + Pi + AB ou
ATP + A + B ↔ AMP + PPi + AB
glutamato
Nas reacções 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.
glutamina
NH4+
∆G = -50 KJ
ADP + Pi
ATP
H2 O
glutamina
sintétase da glutamina
ATP
∆G soma =
-15 KJ
Sintétase do AB
NH4+
glutamato
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
forma-se AMP e PPi.
endergónico
(∆G= +35 KJ)
exergónico
ADP + Pi
(∆G=-50KJ)
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As enzimas são as máquinas que acoplando processos endergónicos com exergónicos
possibilitam a ocorrência dos processos endergónicos.
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A sintétase da glutamina é um exemplo.
Nalgumas lígases o nucleosídeo trifosfato envolvido na reacção não é ATP mas o GTP.
No ciclo de Krebs a reacção 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 reacções:
Nas reacções 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
Uma transférase catalisa uma reacção em que um resíduo T é transferido de XT para Y
(ou, tendo em conta a reacção inversa, de YT para X).
São exemplos de transférases:
∆G1<0
Succinil-CoA + H2O → Succinato + CoA (reacção exergónica)
GDP + Pi → GTP + H2O
(reacção endergónica)
∆G2>0
⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯
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GDP + Pi + Succinil-CoA ↔ GTP + Succinato + CoA
∆G(1,2)=∆G1+∆G2
1- cínases
2- fosforílases
3- pirofosforílases
4- tiólases
(ATP + Aceitador → ADP + Aceitador-P)
(Dador-T + Pi → Dador + T-P)
(Dador-T + PPi → Dador + T-PP)
(Dador-T + CoASH → Dador + T-CoA)
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Numa reacção 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 cínases são fosfotransférases que catalisam reacções do tipo:
ATP + Y → ADP + Y-P.
As reacções catalisadas pelas cínases chamam-se fosforilações.
Nas reacções 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.
Os produtos são o ADP (ou o GDP) e o aceitador fosforilado (Aceitador-P).
Exemplo:
a cínase da desidrogénase do piruvato
catalisa a fosforilação da desidrogénase do piruvato pelo ATP
Numa reacção 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:
cínases de proteínas
Em geral,
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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
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A denominação das cínases
não tem em linha de conta o sentido em que a reacção ocorre nos seres vivos
Alguns fármacos e hormonas exercem os seus efeitos ligando-se a receptores celulares
que têm actividade catalítica intrínseca e que são, portanto, enzimas.
Alguns receptores celulares são enzimas.
mesmo quando
(por razões de índole termodinâmica)
apenas a reacção em que ocorre formação de ATP pode ser observada
ADP + Y-P → Y + ATP
a cínase continua a chamar-se cínase de Y.
O receptor da insulina é uma
cínase que,
quando a insulina está
ligada,
catalisa a fosforilação de
uma proteína citoplasmática
chamada “substrato do
receptor da insulina”.
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As pirofosforílases são enzimas em que o substrato aceitador do resíduo transferido é o
pirofosfato inorgânico (PPi): XT + PPi ↔ X + T-P-P.
As reacções catalisadas pelas fosforílases denominam-se pirofosforólises.
As fosforílases são transférases em que o substrato aceitador
é o fosfato inorgânico (Pi): XT + Pi ↔ X + T-P.
As reacções catalisadas pelas fosforílases denominam-se fosforólises.
Numa reacção do tipo XT + PPi ↔ X + T-P-P
Numa reacção do tipo XT + Pi ↔ X + T-P
a enzima denominar-se-ia pirofosforílase do XT
a enzima denominar-se-ia fosforílase do XT (T é o resíduo transferido)
...e XT sofre pirofosforólise: rompe-se (lise) por acção do pirofosfato inorgânico (PPi).
...e XT sofre uma fosforólise: XT rompe-se (lise) por acção do fosfato inorgânico (Pi).
Exemplo de fosforílase:
A fosforílase do glicogénio
catalisa a fosforólise do glicogénio
Exemplo de pirofosforílase:
Pirofosforílase do UDP-Glicose
Glicose-glicose-glicose...+ Pi →
glicose-glicose...+ Glicose-1-P
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É interessante notar as semelhanças entre as denominações das enzimas e as reacções catalisadas
pelas fosforílases, pirofosfosforílases e hidrólases.
40 do
No limite as hidrólases poderiam ser consideradas transférases em que o substrato aceitador
resíduo transferido é a água; rompe-se uma ligação mas formam-se outras com a água.
As reacções catalisadas pelas transférases também podem ser conceptualmente
consideradas como o acoplamento de dois processos:
um exergónico e outro endergónico.
glicose + ATP
glicose-6-P + ADP
∆G = -32 KJ
glicose + Pi
glicose-6-P + H2O
∆G = + 18 KJ
ADP + Pi
∆G = -50 KJ
ATP + H2O
cínase da glicose
ATP
glicose-6-P
glicose
endergónico
(∆G= +18 KJ)
ADP
exergónico
(∆G=-50KJ)
A cínase da glicose é uma “máquina química” que acopla um processo endergónico
(a
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formação de glicose-6-P) com outro exergónico (a hidrólise do ATP).
As oxi-redútases (EC 1.x.y.z)
catalisam reacções de oxiredução
Nas reacções 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
Ou, pensando na reacção inversa:
são líases as enzimas que catalisam reacções
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
Frequentemente o composto C é a
água mas aqui, ao contrário do
caso das hidrólases, a reacção de C
com A=B não resulta na lise de A=B.
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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.
Exemplos de nomes associados a oxi-redútases:
Desidrogénases
Redútases
Oxídases
Oxigénases
Peroxídases
Catálase
Dismútases
1- A síntase do glicogénio
é de facto uma transférase.
dinucleotídeos são substratos
2- Outras síntases foram classificadas na classe das líases. Exemplos:
O2 é o oxidante directo
o H2O2 é reduzido a água...
catalisam reacções de dismutação 43
Síntase do citrato
(acetil-CoA + oxalacetato + H2O →
citrato + CoA)
Síntase da hidroxi-metil-glutaril-CoA
(acetil-CoA + acetoacetil-CoA + H2O → hidroxi-metil-glutaril-CoA + coenzima
A)
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À rotura hidrolítica das ligações fosfoanidrido do ATP (entre os fosfatos α-β e β-γ) estão
associados valores de ∆G’º “muito” negativos;
por isso se diz na gíria dos bioquímicos que “estas ligações são ricas em energia”.
As ligações em que o ∆G´º que corresponde à sua rotura hidrolítica (em condições
padrão) tem um valor semelhante ou é ainda mais negativo que o que corresponde à
1- Dizemos que a glicose e o etanol
dizem-se “ricas em energia” e costumam representar-se por
“são substâncias energéticas” porque no seu processo de oxidação libertam enormes quantidades de energia:
As ligações “ricas em energia” podem, por exemplo, ser de tipo
a) fosfoanidrido como no ATP
Glicose + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O
∆G´º = - 2840 KJ/mol
Etanol + 2 O2 → 2 CO2 + 2 H2O
∆G´º = - 168 KJ/mol
2- Quando dizemos que o ATP é “uma substância energética” não estamos a falar da reacção de oxidação do
ATP mas da sua fosfohidrólise.
ATP + H2O → AMP + PPi
~.
∆G´º= - 43KJ
b) fosfamida como na fosfocreatina
(nota: estes ∆G’º não se referem aos seres vivos; ∆G’º refere-se sempre a condições padrão)
ATP + H2O → ADP + Pi
rotura das ligações fosfoanidrido do ATP (- 31 KJ mol-1 ou -46 KJ mol-1)
c) enolfosfato
como no fosfoenolpiruvato.
∆G´º= -62KJ
∆G’º = - 31 KJ/mol
∆G’º = - 46 KJ/mol
∆G´º= -31KJ
∆G´º= -46KJ
Quando dizemos que a fosfocreatina ou o fosfoenolpiruvato “são substâncias energéticas”
também estamos simplesmente a dizer que a sua fosfohidrólise tem um valor de ∆G’º muito
negativo.
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As substâncias que contém ligações
“ricas em energia” participam no
metabolismo em reacções de
fosfotransferência catalisadas por
cínases.
∆G´º- 49KJ
Fosfocreatina + H2O → Creatina + Pi
Fosfoenolpiruvato + H2O → Piruvato + Pi
∆G’º = - 43 KJ/mol46
∆G’º = - 62 KJ/mol
As reacções enzímicas que in
vivo geram PPi têm um ∆G
(real) muito negativo porque o
produto PPi é rapidamente
hidrolisado pela acção
catalítica de pirofosfátases
que mantém a sua
concentração muito baixa.
No 1,3-bisfosfoglicerato há uma ligação fosfoanidrido...
Como resultado da acção catalítica das
pirofosfátases celulares
⇒ a concentração de PPi na célula é
muito baixa;
não existe um dos substratos para que
a reacção inversa possa ocorrer
A cínase do 3-fosfoglicerato catalisa uma reacção de fosfotransferência que é
47 de
fisiológicamente reversível: síntese de ATP na glicólise (∆G’º=-18KJ) e consumo
ATP na gliconeogénese (∆G’º= +18KJ) .
As reacções em que um dos produtos é o PPi
são reacções exergónicas em todas as condições metabólicas
Ù reacções fisiologicamente irreversíveis.
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