ENZIMAS

ENZIMAS
Di sci plina: Bi oquímica,
Prof. Dr. Vagne Ol i veira
Medicina Veterinária
I. VISÃO GERAL
A
enzima
B
Cada traço representa
uma enzima
 Catalizadores biológicos: substâncias de origem
biológicas que aceleram as reações químicas;
 As vias metabólicas (sequências ordenadas de
reações) são possíveis porque as enzimas catalizam
passos sequencias em cada via;
 As enzimas também controlam as vias metabólicas
permitindo que o metabolismo se adapte a mudanças;
Mapa metabólico
A atividade enzimática é quanto produto é produzido na
presença da enzima por unidade de tempo em condições
químicas definidas (temperatura, pH, composição de
sais...):
A
A
A
A
A
A
A
A
A
B
B
A
A
A
B
B
B
B
B
B
B
A
A
B
B
A
A
A
B
A
Enzima 2
A
A
mmol / segundo .
(milimol de produto por segundo)
Ou mais freqüentemente:
mmol /minuto
(micromol de produto por minuto)
enzima
I. VISÃO GERAL
B
B
B
B
B
B
B
B
I. VISÃO GERAL
II. HISTÓRICO
 Catálise biológica → início do séc. XIX:
 Digestão da carne: estômago;
 Digestão do amido: saliva.
 Eduard Buchner (1897):
 Extratos de levedo podiam fermentar o açúcar até
álcool;
 Enzimas funcionavam mesmo quando removidas
da célula viva.
II. HISTÓRICO
 James Sumner (1926)
 Isolou e cristalizou a uréase;
 Cristais eram de proteínas;
 Postulou que “todas as enzimas são proteínas”.
II. HISTÓRICO
 John Northrop e Staley (década 30)
 Cristalizaram a pepsina, a tripsina e a quimotripsina;
 Década de 50 – séc. XX :
 75 enzimas → isoladas e cristalizadas;
 Ficou evidenciado caráter protéico;
 Louis Pasteur - concluiu que a fermentação do açúcar em álcool
pela levedura era catalisada por “fermentos”= enzimas.
II. HISTÓRICO
 Ribozima
 Natureza não-protéica
 Molécula de RNA com atividade catalítica
 Catalisam quebra das ligações fosfodiester de outras moléculas de
RNA.
II. DEFINIÇÃO
Proteínas
Catalisadores biológicos
Ribozimas
Função: Viabilizar a atividade das células, quebrando moléculas ou
juntando-as para formar novos compostos.
Podemos encontrar as enzimas em quase todas as estruturas celulares e
fluidos corporais.
III. NOMENCLATURA
Os nomes de enzimas mais comumente usados têm o sufixo "-ASE"
adicionado ao nome do substrato da reação.
Ex: glicosidase, urease, sacarase; lactato-desidrogenase e adenilatociclase.
Algumas enzimas mantêm seu nome trivial original, o qual não tem
qualquer associação com a reação enzimática, por exemplo, tripsina e
pepsina.
Nome sistemático
A União Internacional de Bioquímica e Biologia Molecular (IUBMB, de
lnternational Union of Biochemistry and Molecular Biology) desenvolveu
um sistema de nomenclatura no qual as enzimas são divididas em seis
classes principais, cada uma com numerosos subgrupos.
III. NOMENCLATURA
III. NOMENCLATURA
Classificação das Enzimas:
Nomenclatura oficial das enzimas é
dada pela Enzyme Comission da
International Union for Biochemistry
and Molecular Biology (IUBMB) :
ATPase (Adenosinatrifosfatase): EC 3.6.1.3
- é uma hidrolase.........................3
- atua num anidrido......................3.6
- o anidrido contém fosfato..........3.6.1
- esse anidrido é ATP..................3.6.1.3
1. O primeiro indica a qual das seis
grandes classes de proteínas ela pertence;
2. Os dois seguintes indicam subclasse e
sub-subclasse;
3. O último indica qual é a enzima
propriamente dita.
1. Óxido-redutases
( Reações de óxidoredução).
Transferência de elétrons
Se uma molécula se
reduz, há outra que se
oxida.
2. Transferases
(Transferência de grupos
funcionais)
•grupos aldeído
•gupos acila
•grupos glucosil
•grupos fosfatos (quinases)
3. Hidrolases
(Reações de hidrólise)
•Transformam polímeros em monômeros.
Atuam sobre:
•Ligações éster
•Ligações glicosídicas
•Ligações peptídicas
•Ligações C-N
4. Liases
(Adição a ligações duplas)
•Entre C e C
•Entre C e O
•Entre C e N
5. Isomerases
(Reações de isomerização)
6. Ligases
(Formação de laços
covalentes com gasto de
ATP)
•Entre C e O
•Entre C e S
•Entre C e N
•Entre C e C
III. ESTRUTURA
Estrutura
Enzimática
VI. ESTRUTURA ENZIMÁTICA
Holoenzima
Proteína
Apoenzima ou
Apoproteína
Cofator
Pode ser:
• íon inorgânico
• molécula orgânica
Coenzima
Se covalente
Grupo Prostético
III. ESTRUTURA
VI. ESTRUTURA ENZIMÁTICA
V. CARACTERÍSTICAS DAS ENZIMAS
 Apresentam alto grau de especificidade;
 São produtos naturais biológicos;
 Reações baratas e seguras;
 São altamente eficientes, acelerando a velocidade
das reações (108 a 1011 + rápida);
 São econômicas, reduzindo a energia de ativação;
 Não são tóxicas;
 Condições favoráveis de pH, temperatura,
polaridade do solvente e força iônica.
VI. PROPRIEDADES DAS ENZIMAS
 Sítios ativos;
 Eficiência catalítica;
 Especificidade;
 Co-fatores;
 Regulação;
 Localização dentro da célula.
VII. COMO FUNCIONAM AS ENZIMAS
VII. COMO FUNCIONAM AS ENZIMAS
enzima
enzima
estado de
transição
T*
complexo
(S)
substrato
(ES)
S
produto
liv r e
enzima-
e n e r g ia
substrato
ES
sentido da reação
(P)
P
IX. CATÁLISE ENZIMÁTICA
Reação não catalisada
água de
hidratação
Para comprender os mecanismos envolvidos na catálise enzimática vamos antes
observar uma reação não catlizada:
A+B C+D
Para que reagam é nescessário que colidam de forma favorável (colisão efetiva)
Quando colidem o complexo A-B passa por um estado de transição que requer
energia para ser alcançado
Grande parte da energia de ativação é utilizada para remover parte das moléculas
de água que formam a camada de hidratação em torno dos reagentes.
IX. CATÁLISE ENZIMÁTICA
O gráfico mostra a variação de energia ao
longo de uma reação.
Teoria da catálise
Energia de ativação ou barreira
energética:
Energia
Estado de transição
Energia
de
ativação
Reação não
catalisada
Substrato (S) Reação
catalisada
Produto (P)
Progresso da reação
quantidade de energia
que é preciso fornercer aos
reagentes para a reação ocorrer
Estado de transição ou
complexo ativado:
forma molecular intermediária entre o reagente e
o produto, existe somente
no alto da barreira
energética.
É altamente instável.
Um Catalisador diminui a barreira energética criando percursos alternativos da reação
para formação do estado de transição.
IX. CATÁLISE ENZIMÁTICA
IX. CATÁLISE ENZIMÁTICA
Enzimas são catalisadores biológicos:
Equação geral
de uma reação
enzimática
E + S
ES
P + E
representa o
estado de
transição
Que diferenças existem entre catalisadores inorgânicos, como íons metálicos, e as
enzimas ?
• Enzimas são mais eficientes: podem acelerar reações até 1014 vezes contra
vezes dos catalisadores inorgânicos;
102 – 103
• Enzimas são específicas: catalisam reações envolvendo às vezes apenas um único tipo de
reagente;
• Enzimas são estereo-específicas e não produzem sub-produtos reacionais;
• Enzimas operam em condições amenas de temperatura, pressão e pH;
• Enzimas podem ser altamente reguladas através de fatores extrínsecos à reação, tanto por
ativadores como por inibidores.
IX. CATÁLISE ENZIMÁTICA
Enzimas acelaram reações várias ordens de grandeza
Compare esses números !
Enzima
Anidrase carbônica
H2O2
Velocidade na
ausência de enzima
Velocidade da
reação catalisada
“Reações/segundo”
“Reações/segundo”
1.3 X 10 –1
1.0 X 106
7.7 X 106
4.3 X 10 –6
3.0 X 10 –9
1.0 X 10 –11
1.7 X 10 -13
4.300
578
60
95
1.0 X 109
1.9X 1011
6.0 X 1012
5.6 X 1014
Poder
catalítico
H2O + ½ O2
Triosefosfato isomerase
Carboxipeptidase A
AMP nucleosidase
Nuclease de estafilococos
Número de “turnover” ou de renovação: quantas vezes a enzima completa
o ciclo da reação em um segundo
Número
moles de S catalisado por segundo
=
de
moles de enzima
turnover
X. COENZIMAS E COFATORES ENZIMÁTICOS
Algumas proteínas, enzimas em especial, contêm em sua molécula uma porção
não proteica, que é essencial para atividade biológica.
metal
Grupo
prostético
cofator
coenzima
Enzima
holozima
Distinção entre cofator e coenzima
depende da força de ligação com a
apoproteína. Ex: o NAD+ pode ser
cofator de uma enzima (ligação
fraca) e ser coenzima de outra
(ligação forte). O mesmo ocorre
com as metais.
Apoenzima
parte proteica
Coenzima
Reação com
Vitamina
Biocitina
CO2
Biotina
Coenzima A
Grupos acil
Ác. Pantotênico
Coenzima B12
H e grupos alquil
Vitamina B12
FAD, FMN
óxido-redução
Riboflavina
NAD, NADP
óxido-redução
Niacina
Fosfato de piridoxal
Grupos aminos
Piridoxina
Pirofosfato Tiamina
Grupos aldeídos
Tiamina
Tetrahidrofolato
unidades C
Ácido fólico
ativa
Grupo
Prostético
inativa
Coenzimas participam do ciclo
catalítico das enzimas
recebendo ou fornecendo
grupos químicos para a reação
X. COENZIMAS E COFATORES ENZIMÁTICOS
XI. ESPECIFICIDADE ENZIMÁTICA
Emil Fisher, na década de 1950, propôs o modelo chave-fechadura para explicar o
reconhecimento (especificidade) do substrato pela enzima. Nesse modelo, o sítio ativo da
enzima é pré-formado e tem a forma complementar à molécula do Substrato, de modo que
outras moléculas não teriam acesso a ela.
No entanto, o modelo chave-fechadura não explica a interação das enzimas com inibidores e
análogos dos substratos.
XI. ESPECIFICIDADE ENZIMÁTICA
A forma do sítio ativo adapta-se para encaixar o substrato. Modelo dinâmico. Explica a
especificidade e admite um encaixe mais perfeito do substrato na enzima.
XI. ESPECIFICIDADE ENZIMÁTICA
XIII. INIBIÇÃO DA ATIVIDADE ENZIMÁTICA
INIBIDORES
REVERSÍVEIS
Inibidor competitivo
IRREVERSÍVEIS
Inibidor não competitivo
Esquema cinético para inibidores enzimáticos reversíveis.
E=Enzima; S=Substrato; ES=Complexo; P=Produto; I=Inibidor
XIII. INIBIÇÃO DA ATIVIDADE ENZIMÁTICA
XIII. INIBIÇÃO DA ATIVIDADE ENZIMÁTICA
XIII. INIBIÇÃO DA ATIVIDADE ENZIMÁTICA
Inibidores
 Muitas substâncias podem afetar processos
metabólicos;
 Uma grande quantidade de remédios atuam
como inibidores enzimáticos;
 Metabólitos
naturais
também
estão
envolvidos em processos regulatórios atuando
como inibidores enzimáticos.
XIV. FATORES QUE AFETAM A VELOCIDADE DA REAÇÃO
1.
Condições do meio que afetam estabilidade protéica
•
pH
•
temperatura
2. Tempo da reação
3. Concentração dos reagentes
•
a enzima
•
o substrato
•
co-fatore(s)
 Vários são os fatores que afetam o funcionamento das enzimas como
catalisadores;
 Alguns desses fatores são decorrentes da natureza proteica das enzimas, como
o efeito do pH e da temperatura;
 Para se estudar o efeito isolado de um dos fatores acima, é necessário que todos
os outros fatores sejam mantidos fixos.
XIV. FATORES QUE AFETAM A VELOCIDADE DA REAÇÃO
XIV. FATORES QUE AFETAM A VELOCIDADE DA REAÇÃO
% atividade enzimática máxima
Ao contrário da curva em forma de sino no caso da atividade enzimática versus
pH, a enzima só está desnaturada em temperaturas acima da temperatura
ótima.
100Temperatura
ótima
50-
0-
Pouca energia
para a reação
acontecer
Desnaturação
térmica da
proteína
XIV. FATORES QUE AFETAM A VELOCIDADE DA REAÇÃO
XIV. FATORES QUE AFETAM A VELOCIDADE DA REAÇÃO
XVI. EQUAÇÃO DE MICHAELIS-MENTEN
Velocidade x concentração de substrato
Vmax: velocidade máxima
Km: concentração de substrato na qual a reação acontece na metade da velocidade máxima
Na Vmax virtualmente todas as moléculas de enzima estão com seus sítios ativos ocupados
No Km (constante de Michaelis) metade das moléculas de enzima presentes no meio de reação
estão com seus sítios ocupados.
Km é uma medida da afinidade da enzima pelo substrato, quanto menor o Km maior a afinidade.
XVII. REGULAÇÃO ENZIMÁTICA
1. Regulação pelo produto
(feedback negativo)
1.1 – Inibição pelo produto imediato da enzima
Sítio
regulador
S
1.2 – Inibição pelo produto final da via
Enzima 1
P
Quando o produto se liga ao
sítio regulador inativa a enzima
Quando produto da
via se liga à enzima
regulatória da via
inibe sua atividade...
S
Enzima
A
...e, por conseqüência,
inibe a via
Enz. 2
B
Via metabólica
C
Enz.
4
P
XVII. REGULAÇÃO ENZIMÁTICA
Ativador alostérico: promove a ligação do substrato.
Inibidor alostérico: substrato de ligação impede.
XVIII. ENZIMAS NO USO DA CLÍNICA VETERINÁRIA
Até a próxima aula... (Bons estudos!)