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Enzimas
Universidade Federal do Ceará
Centro de Ciências
Departamento de Bioquímica e Biologia Molecular
Disciplina de Introdução a Bioquímica
Enzimas
1. Introdução
2. Características das Enzimas
3. Classificação das Enzimas
4. Modo de Ação das Enzimas
4.1. O Poder Catalítico das Enzimas
5. Fatores que Alteram a Velocidade de Reação
6. Cinética Enzimática
7. Inibição Enzimática
8. Enzimas Alostéricas
Enzimas
ENZIMAS
1. Introdução
• Proteínas mais especializadas;
• Atuam como catalisadores de reações nos sistemas biológicos;
• Importância de se estudar enzimas;
2. Características das Enzimas
• A maioria das enzimas são proteínas, com exceção de algumas
moléculas de RNA com poder catalítico (Ribozimas);
• Geralmente são proteínas de alto peso molecular;
• A atividade catalítica das enzimas depende da integridade da
estrutura protéica, ou seja, da conformação da proteína nativa:
o Quando há perda da estrutura terciária e quaternária da
proteína (desnaturação), a atividade enzimática normalmente
é perdida;
o Quando há a quebra da enzima em seus aminoácidos
constituintes, perde-se a atividade enzimática;
• Algumas enzimas, além de seus resíduos de aminoácidos, necessitam
de um grupo químico adicional. Esse grupo é chamado de cofator, e
ele é necessário à atividade enzimática;
• O cofator pode ser um ou mais íons inorgânicos como: Fe2+, Mg2+,
Mn2+ ou Zn2+.
• Algumas
enzimas
necessitam
de
moléculas
orgânicas
e
metalorgânicas mais complexas, que são chamadas de Coenzimas;
• Grupos Prostéticos: Quando uma Coenzima ou 1 ou mais íons
metálicos estão covalentemente ligados a enzima;
Enzimas
• Holoenzima: Uma enzima cataliticamente ativa e completa, tanto
com sua Coenzima e/ou Cofatores;
• Apoenzima ou apoproteína: A parte exclusivamente protéica das
enzimas.
• Algumas enzimas são modificadas por Fosforilação, Glicosilação e
outros processos (grupos Tiol, etc.) →→→ Regulação da Atividade
Enzimática.
3. Classificação das Enzimas
• As enzimas são classificadas de acordo com a reação que catalisam;
• Cada enzima possui um número E.C. e um nome sistemático;
• Por Exemplo:
ATP + D-Glicose
ADP + D-Glicose-6-fofasto
Nome Sistemático: ATP: glicose fosfotransferase
Número E.C.: 2.7.1.1
Nome Trivial: Hexoquinase
2 → Transferase
7 → Fosfotransferase
1 → Fosfotransferase com grupo OH- como aceptor
1 → D-Glicose como grupo aceptor de fosfato
Enzimas
4. Modo de Ação das Enzimas
• Muitas
das
reações
químicas
celulares,
mesmo
sendo
termodinâmicamente favoráveis são improváveis de acontecer nos
seres vivos, pois são extremamente lentas;
• Formação de Eventos Químicos desfavoráveis:
o Formação Transiente de Intermediários de reação;
o Colisão de duas ou mais moléculas na orientação precisa
requerida pela reação;
o Rearranjos de ligações químicas, etc.
• Sem os catalisadores, tais reações são impossíveis de acontecer na
velocidade requerida pelos seres vivos.
• As reações ocorrem no Sítio Ativo da Enzima:
o Local na proteína onde vai acontecer a catálise. Nesta região
a catálise é energeticamente favorável.
• A molécula que sofrerá a reação por parte da enzima e se ligará ao
sítio ativo é chamada de Substrato;
• A formação do Complexo Enzima-Substrato é central para a ação
das Enzimas;
E + S
ES
E → Enzima
S → Substrato
EP
E + P
ES → Complexo Enzima-Substrato
P → Produto
EP → Complexo Enzima-Produto
Funcionamento das Enzimas
• Diminuem a velocidade da Reação;
• No entanto, não afetam o Equilíbrio da Reação.
• Estado Basal dos Produtos e Reagentes
Enzimas
o Há uma barreira energética entre o substrato e o produto
que representa a energia necessária para os alinhamentos
dos grupos reagentes, formação de cargas transientes
instáveis, rearranjo de ligações químicas e transformações
necessárias para a ocorrência da reação.
• Para sofrer a reação, as moléculas devem superar esta barreira e
serem elevadas para um nível mais alto de energia;
• Este nível mais alto de energia é o chamado Estado de Transição:
o Não é um intermediário de reação e não significa estabilidade
de alguma espécie química.
• A diferença entre os níveis de energia no estado basal e o estado de
transição é chamada de Energia de Ativação;
• Relação entre a Energia de Ativação e a Velocidade de Reação:
o Quanto maior a Energia de Ativação, mais lenta é a reação.
• A adição de um catalisador aumenta a velocidade de reação, pois
diminui a Energia de Ativação.
• O Equilíbrio da Reação, não é afetado:
o Uma enzima que catalisa a reação S → P, catalisa a reação
P→S;
o A enzima não é utilizada no processo, portanto, o ponto de
equilíbrio não é afetado;
o No entanto, este equilíbrio será alcançado muito mais
rapidamente.
• Reação: C6H12O6
6 CO2 + 12 H2O
• Intermediários de Reação → Ocupam vales no diagrama da ação de
uma enzima;
• Etapa com a energia de ativação mais alta → Etapa Limitante
Enzimas
Velocidade de Reação e Constante de Equilíbrio
S
P
A constante de equilíbrio para a seguinte reação, será:
⎛ [ P] ⎞
K 'eq. = ⎜⎜
⎟⎟
S
[
]
⎠
⎝
∆G 0 ' = − RT ln K 'eq.
• A velocidade de reação é determinada pela concentração dos
reagentes e por uma constante de velocidade k. Para uma reação
unimolecular, temos:
V = k [S ]
Esta reação é chamada de reação de primeira ordem.
• Quando a velocidade de ração depende da concentração de 2
compostos diferentes, ou se duas moléculas do mesmo composto
reagem, a reação é chamada de 2ª Ordem:
V = k [S1 ][S 2 ]
4.1. Poder Catalítico e Especificidade das Enzimas
• Reações químicas entre o substrato e os grupos funcionais das
enzimas;
• Os grupos funcionais catalíticos das enzimas (grupos R de resíduos
aa, íons metálicos e coenzimas) podem interagir transitoriamente com
um substrato e ativá-lo para a reação;
• A força catalítica das enzimas é derivada da energia livre liberada na
formação das múltiplas ligações fracas e interações que ocorrem
entre a enzima e o substrato. Esta energia de ligação é responsável
tanto pela especificidade como a catálise;
Enzimas
• As interações fracas atingem o estado ótimo no estado de transição
da reação; as enzimas são complementares aos estados de transição
das reações que elas catalisam.
• A necessidade de múltiplas interações fracas para efetuar a catálise é
uma das razões do por que as enzimas e algumas coenzimas são
moléculas tão grandes.
Interação Enzima-Substrato
• Modelo Chave-Fechadura;
• Enzima Complementar ao estado de Transição
o J. B. S. Haldane, 1930;
o Linus Pauling, 1946
5. Fatores que afetam a Velocidade de Reação
• Concentração do substrato
o Velocidade máxima (Vmáx) →→→ Todos os sítios de ligação
da enzima estão saturados pelo substrato;
• Temperatura
• pH
o A estrutura da molécula de proteína cataliticamente ativa
depende do caráter iônico das cadeias laterais.
Enzimas
6. Cinética Enzimática
• Definição:
Estudo das velocidades de reação e como estas respondem a mudanças
nos parâmetros experimentais
• Abordagem de estudo mais antiga, no entanto, ainda muito utilizada;
• Importância do Estudo de Cinética Enzimática:
o Entendimento dos Mecanismos Enzimáticos;
o Melhor entendimento das reações químicas no metabolismo;
o Aumentar
a
velocidade
e
o
rendimento
de
reações
enzimáticas realizadas in vitro.
6.1. Conceitos Básicos
• Um dos principais fatores que afetam a velocidade de uma reação
catalisada é a [S];
• Ao longo de uma reação, a [S] muda durante o curso da reação (a
medida que o substrato é convertido em produto);
• V0 → Velocidade inicial da reação → [S] > [Enzima]
• No início, V0 aumenta quase que linearmente com o aumento da [S];
• Vmáx → Quando a velocidade não se altera, mesmo com aumento na
[S];
• Complexo Enzima-Substrato
E + S
k1
k-1
1ª Reação
ES
k2
k-2
E + P
2ª Reação
• 2ª Reação é mais lenta e limita a velocidade da reação geral;
• Enzima existe em duas formas: Livre (E) e combinada (ES);
Enzimas
• A Vmáx é observada quando toda a enzima presente está na forma do
Complexo E-S → Enzima Saturada.
• Estado Pré-Estacionário: Início da formação do Complexo E-S.
• Estado Estacionário: [ES] se mantém constante com o tempo.
6.2. A Equação de Michaelis-Mentem
• Relação Quantitativa entre a Velocidade Inicial (V0), a velocidade
máxima inicial (Vmáx), a concentração inicial de substrato ([S]) e a
constante de Michaelis-Mentem (Km);
• Quando V0 = ½ Vmáx →→→→ Km = [S]
o Km é equivalente a concentração de substrato na qual V0 é
metade da Vmáx
• Equação:
V0 =
Vmax .[S ]
K m + [S ]
• As enzimas que exibem uma dependência hiperbólica de V0 na [S],
diz-se que estas enzimas possuem Cinética de Michaelis-Mentem;
• Km e Vmáx podem ser obtidos experimentalmente, mas não fornecem
informações sobre o número, velocidade e natureza química de cada
etapa na reação;
• Cinética de Estado-Estacionário é a principal forma de comparação da
eficiência catalítica de diferentes enzimas.
Gráfico duplo-recíproco (Lineweaver-Burk)
• Rearranjando a equação de Michaelis-Mentem, podemos obter:
1
K
1
1
= m .
+
V0 Vmax [ S ] Vmax
Enzimas
• Essa equação é de uma reta, no formato ax +b. Facilita os cálculos do
Km e da Vmáx;
• O Km também pode ser definido como:
Km =
k 2 + k −1
k1
• k2 é uma etapa limitante da velocidade:
o Quando k2 << k-1, Km se reduz a k-1/k1, que é definido como
a constante de dissociação Ks para o Complexo E-S;
o Apenas neste caso, o Km pode representar uma medida da
afinidade da enzima pelo substrato;
o Nos outros casos, o Km não pode ser simplesmente
considerado como a afinidade. Apenas um indicativo.
• kcat → Descreve a velocidade limitante de qualquer reação catalisada
por uma enzima na saturação. Poder ser definido por:
⎛V ⎞
K cat = ⎜⎜ máx ⎟⎟
⎝ [ Et ] ⎠
• O kcat é também chamado de número de “turnover”. É equivalente ao
número de moléculas de substrato convertidas a produto em uma
dada unidade de tempo, em um única molécula de enzima, quando
esta está saturada com o substrato.
Enzimas que catalisam reações envolvendo dois ou mais substratos
• Quando há formação de um complexo Ternário;
• Quando não formação de um complexo ternário.
Enzimas
7. Inibição Enzimática
• Importante no entendimento dos mecanismos enzimáticos e de rotas
metabólicas;
• Os inibidores enzimáticos são muito utilizados como agentes
farmacêuticos.
7.1. Tipos de Inibição
• Inibição Competitiva:
o O inibidor compete com o substrato pelo sítio ativo da
enzima; A reação não ocorre uma vez o inibidor esteja ligado
a enzima;
o Há aumento do Km e não há alteração da Vmax
• Inibição Não-Competitiva:
o O inibidor se liga em um sítio na enzima diferente do sítio
aonde irá se ligar o substrato. A ligação do inibidor não
impede a ligação do substrato. No entanto, enquanto o
inibidor estiver ligado, a enzima está inativada;
o Há uma diminuição da Vmax e nenhuma alteração no Km
• Inibição Incompetitiva:
o O inibidor se liga em sítio distinto do sítio do substrato. No
entanto, o inibidor se liga apenas ao Complexo E-S.
• Inibidores:
o Reversíveis: ao se desligarem da enzima, a atividade
enzimática é restaurada;
o Irreversíveis: se combinam ou destroem grupos na enzima
que são essenciais a sua atividade;
ƒ Inibidores Suicidas
Enzimas
8. Enzimas Reguladoras
• Enzimas que catalisam o passo limitante na maioria das vias
metabólicas;
• Elas exibem atividade aumentada ou diminuída em resposta a certos
tipos de sinais;
• É devido a este tipo de enzima que cada seqüência metabólica é
constantemente ajustada para se adequar a demanda celular.
• São divididas em duas classes:
o Enzimas Alostéricas;
o Enzimas reguladas por modificação covalente reversível.
Enzimas Alostéricas
• Funcionam através da ligação não-reversível de um metabólito
regulatório, chamado de modulador;
• Essas enzimas podem ser classificadas de acordo com o tipo de
modulador:
o Homotrópicas
o Heterotrópicas
• Inibição por Feedback (Retroalimentação);
• Não seguem a cinética de Michaelis-Mentem.
Enzimas Reguladas por Modificação covalente reversível
• Mecanismos de Fosforilação, Glicosilação, Grupamentos Tiols, etc.
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