Enzimas

Catalisam as reações sucessivas pelas quais as moléculas nutrientes são degradadas, a energia química é conservada e transformada, e as macromoléculas são sintetizadas a partir de moléculas precursoras simples.

Pensem como deveria ser uma enzima em (b) (grupos e estereoquímica)

• Pensem como deveria ser uma enzima em (b) (grupos e estereoquímica)

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Enzimas• As Enzimas são proteínas de função específicas para

catalise, possuindo ou não cofatores• Cofatores são pequenas moléculas orgânicas (não

protéicas), denominadas coenzimas (geralmente derivadas de vitaminas. Ex: NAD e FAD, Côa), ou inorgânicas (Zn, Fe, Mg) necessárias para a função de uma enzima.

• Estes cofatores podem não estar ligados permanentemente à enzima, mas, na ausência deles, a enzima é inativa

• A fração protéica de uma enzima, na ausência do seu cofator, é chamada de APOENZIMA

• Enzima + Cofator, chamamos de HOLOENZIMA

Enzimas - Propriedades• Como catalisadores celulares extremamente poderosos, as enzimas

aceleram a velocidade de uma reação sem, no entanto, participar dela como reagente ou produto.

• Aceleram em média 103 a 1012x a velocidade da reação, transformando de 100 a 1000 moléculas de substrato em produto por segundo de reação (turnover)

• Atuam em concentrações muito baixas

• Atuam em condições específicas de temperatura e pH

• Possuem todas as características das proteínas

• Podem ter sua atividade regulada

• Estão quase sempre dentro da célula, e compartimentalizadas (lisossomos, mitocôndrias, citoplasma, núcleo, retículo endoplasmático).

• Altamente específicas

Nomeclatura

• Existem 3 métodos para nomenclatura enzimática:

Nome Recomendado: Mais curto e utilizado no dia a dia de quem trabalha com enzimas; Utiliza o sufixo "ase" para caracterizar a enzima. Exs: Urease, Hexoquinase, Peptidase, etc.

Nome Sistemático: Mais complexo, nos dá informações precisas sobre a função metabólica da enzima. Ex: ATP-Glicose-Fosfo-Transferase

Nome Usual: Consagrados pelo uso; Exs: Tripsina, Pepsina, Ptialina.

Classificação• Oxidorredutases: São enzimas que catalisam

reações de transferência de elétrons, ou seja: reações de oxi-redução. São as Desidrogenases (redutases) e as Oxidases

• Transferases: Enzimas que catalisam reações de transferência de grupamentos funcionais como grupos amina, fosfato, acil, carboxil, etc. Como exemplo temos as Quinases (grupos fosfato) e as Transaminases

• Hidrolases: Catalisam reações de hidrólise de ligação covalente. Ex: As peptidades

Classificação

• Liases: Catalisam a quebra de ligações covalentes e a remoção de moléculas de água, amônia e gás carbônico. Em geral há remoção de grupamentos químicos. As Dehidratases e as Descarboxilases são bons exemplos

• Isomerases: Catalisam reações de interconversão entre isômeros ópticos ou geométricos. As Epimerases são exemplos.

• Ligases: Catalisam reações de formação de novas moléculas a partir da ligação entre duas já existentes, sempre às custas de energia (ATP). São as Sintetases.

Especificidade• As enzimas são muito específicas para os seus substratos• Esta especificidade se deve à existência do sitio de ligação do

substrato na superfície da enzima• O sítio de ligação do substrato de uma enzima é dado por um

arranjo tridimensional especial dos aminoácidos de uma determinada região da molécula, geralmente complementar à molécula do substrato, e ideal espacial e eletricamente para a ligação do mesmo

• O sítio de ligação do substrato é capaz de reconhecer inclusive isômeros óticos "D" e "L" de um mesmo composto.

• Este sítio pode conter um segundo sítio, chamado sítio ativo ou estar próximo dele; é neste sítio ativo que ocorre a reação enzimática.

Modelos de especificidade• Modelo Chave/Fechadura = Prevê um encaixe perfeito

do substrato no sítio de ligação, que seria rígido como uma fechadura. Promoveria uma estabilidade da enzima ao substrato

• Evidências experimentais sugerem um modelo que combina uma especificidade tipo chave/fechadura menos estável (sítio de ligação) que permite ou induz a formação de um outro estágio de maior especificidade entre enzima e substrato, mas instável, resultando na transformação em produto.

Modelo de especificidade

Modo de atuação• O substrato liga-se (em geral não covalentemente)

ao sítio ativo formando um complexo enzima-substrato, que posteriormente é convertido a enzima-produto, que se dissocia em enzima e produto.

Modelos de atuação

Energia de ativação

• Formação de intermediários carregados

• Alinhamento de grupos químicos para quer possam ocorrer as reações

• Rearranjos de ligações• Energia de Ativação X

equilíbrio• Velocidade da reação

Mecanismo Geral da Catálise• As enzimas aceleram a velocidade de uma reação

por diminuir a necessidade de energia de ativação da mesma, sem alterar a termodinâmica da reação:

• A energia dos reagentes e produtos da reação enzimática e da não enzimática são idênticas.

• Para se superar a energia de ativação de uma reação, passa-se pela formação de um estado intermediário chamado "Estado de Transição", sempre um composto instável e de alta energia ligado com altíssima afinidade ao sítio catalítico.

• Quanto menor a energia livre de ativação, mais moléculas têm energia suficiente para superar o estado de transição por unidade de tempo e, assim, mais rápida é a velocidade de reação.

Mecanismo Geral da Catálise

Mecanismo Geral da Catálise

Mecanismos de aceleração da reação• Catálise Ácido-Base = “aa” com cadeias laterais ionizáveis,

capazes de doar ou liberar prótons durante a catálise. • Torção de Substrato = Altera a conformação do substrato

induzida pela ligação do mesmo com o sítio de ligação da enzima, alcançando o estado de transição e estimulando sua conversão em produto.

• Catálise Covalente = Resulta do ataque nucleofílico ou eletrofílico de um radical do sítio catalítico sobre o substrato, ligando-o covalentemente à enzima e induzindo a sua transformação em produto. Envolve com freqüência a participação de coenzimas.

• Efeito de Diminuição da Entropia = As enzimas ajudam no posicionamento e na definição da estequiometria correta da reação, facilitando os mecanismos anteriores.

Catálise ácido–base geral

Catálise Covalente

Cinética Enzimática• A cinética de uma enzima é estudada avaliando-se a

quantidade de produto formado ou a quantidade de substrato consumido por unidade de tempo de reação.

• Uma reação enzimática pode ser expressa pela seguinte equação:

E + S  <==> [ES]  ==> E + P• O complexo enzima/substrato (ES) tem uma energia de

ativação ligeiramente menor que a do substrato isolado, e a sua formação leva ao aparecimento do estado de transição "Ts".

• A velocidade de uma reação enzimática depende das concentrações de ENZIMA e de SUBSTRATO, temperatura e pH, dentre outros.

Efeito da Concentração do Substrato

• O Km é a concentração de substrato na qual a velocidade da reação é metade de Vmax).

• O Km de um substrato para uma enzima específica é característico, e nos fornece um parâmetro de especificidade deste substrato em relação à enzima

• Quanto menor o Km, maior a especificidade, e vice-versa.

Efeito da Concentração do Substrato

• V é o nº de moléculas de um substrato convertidas em um produto por unidade de tempo. Aumenta conforme a concentração do substrato até atingir um platô (saturação)

• Em geral, as concentrações de substratos dentro de uma célula ficam próximas ao Km da enzima que os degrada ou produz

Fatores externos que alteram a velocidade da reação

• Temperatura = Quanto maior a temperatura, maior a velocidade da reação, até se atingir a Temperatura ótima; a partir dela, a atividade volta a diminuir, por desnaturação da molécula.

• pH = existe um pH ótimo, onde a distribuição de cargas elétricas da molécula da enzima e, em especial do sítio catalítico, é ideal para a catálise (estômago).

• Concentração do Substrato.

Inibição enzimática• Inibidores são compostos que podem diminuir a

atividade de uma enzima. • A inibição enzimática pode ser reversível (ligação

não covalente) ou irreversível (ligação covalente – inseticidas neurotóxicos)

• Na inibição enzimática irreversível, há modificação covalente e definitiva no sítio de ligação ou no sítio catalítico da enzima.

• Existem 2 tipos de inibição enzimática reversível: – Inibição Enzimática Reversível Competitiva– Inibição Enzimática Reversível Não-Competitiva

Inibição enzimática reversível competitiva

• Quando o inibidor se liga reversivelmente ao mesmo sítio de ligação do substrato;

• O efeito é revertido aumentando-se a concentração de substrato

• Este tipo de inibição depende das concentrações de substrato e de inibidor.

• Efeito sobre:– Vmax: não altera– Km: Aumenta

Inibição enzimática reversível não competitiva

• Quando o inibidor liga-se reversivelmente à enzima em um sítio próprio de ligação, podendo estar ligado à mesma ao mesmo tempo que o substrato;

• Este tipo de inibição depende apenas da concentração do inibidor.

• Efeito sobre:

– Vmax: diminui

– Km: depende da

variação da Vmax

Regulação enzimática• Algumas enzimas podem ter suas atividades

reguladas, atuando assim como moduladoras do metabolismo celular.

• Esta modulação é essencial na coordenação dos inúmeros processos metabólicos pela célula.

• Além dos mecanismos já citados de modulação de atividade enzimática - por variação da concentração do substrato ([S] = Km nas células), ou por inibição enzimática, por exemplo - existem 2 modelos de regulação enzimática mais conhecidos: – Modulação alostérica– Modulação Covalente

Modulador alostérico• Ocorre nas enzimas que possuem um Sítio de

Modulação ou Alostérico, onde se liga de forma não-covalente um modulador alostérico (Efetor) que pode ter ação positiva (ativa a enzima) ou negativa (inibe a enzima).

• A ligação do modulador induz a modificações conformacionais na estrutura espacial da enzima, modificando a afinidade desta para com os seus substratos – semelhante a um inibidor NC;

• Um modelo muito comum de regulação alostérica é a inibição por "FEED-BACK", onde o próprio produto da reação atua como modulador da enzima que a catalisa.

Modulação Covalente

• Ocorre quando há modificação covalente da molécula da enzima, com conversão entre formas ativa/inativa.

• O processo ocorre principalmente por adição/remoção de grupamentos ativos.

• Status nutricional

Concluindo - Reguladores da Atividade Enzimática

• Concentração de Substrato

• Temperatura

• pH

• Inibição Irreversível

• Inibição Reversível C e NC

• Modulação Alostérica

• Modulação Covalente

Considere o gráfico abaixo:O sítio ativo da enzima proposta possui dois resíduos de aa para a catálise, sejam Glu e Asp. Os valores de pK das cadeias carboxílicas laterais desses dois resíduos são 5,9 e 4,5 respectivamente. Qual o estado de ionização no ph ótimo? Glu e Asp estão na posição 35 e 190 da cadeia peptídica. Como podem agir em um mesmo sítio? È possível que esta enzima catalise a reação abaixo? Como a enzima se regeneraria? Idealize um sistema tampão ótimo para a enzima em questão. Proponha um modelo de funcionamento dessa enzima para a reação abaixo. Idealize um

modulador alostérico para essa reação.