Nomenclatura e classificação das enzimas
• Século XIX - poucas enzimas identificadas
– Adição do sufixo “ASE” ao nome do substrato:
* gorduras (lipo - grego) – LIPASE* amido (amylon - grego) – AMILASE
– Nomes arbitrários:
* Tripsina e pepsina – proteases
Nomenclatura e classificação das enzimas
• Século XX - quantidade de enzimas descritas
– Nomenclatura existente se tornou ineficaz
• 1955 - IUB - União Internacional de Bioquímica adotou um novo sistema de nomenclatura e classificação
– mais complexo– sem ambigüidades– baseado no mecanismo de reação
Nomenclatura e classificação das enzimas
• Cada enzima código com 4 dígitos que caracteriza o tipo de reação catalisada:
– (E.C.- Enzime Comission)
– 1° dígito – classe– 2° dígito – subclasse– 3° dígito - sub-subclasse– 4° dígito - indica o substrato
Classificação das Enzimas1. Oxido-redutases (Reações de oxidação/Redução) 1.1.atuando em CH-OH 1.2.atuando em C=O 1.3.atuando em C=O- 1.4.atuando em CH-NH2 1.5.atuando em CH-NH- 1.6.atuando em NADH, NADPH
2.Transferases (Transferência de grupos) 2.1.grupos com um carbono 2.2.grupos aldeído ou cetona 2.3.grupos acil 2.4.grupos glicosil 2.7.grupos fosfatos 2.8.grupos contendo enxofre
Classificação das Enzimas
3.Hidrolases (Reações de Hidrólise) 3.1.ésteres 3.2.ligações glicosídicas 3.4.ligações peptídicas 3.5.outras ligações C-N 3.6.anidridos ácidos
4.Liases (Adição ou remoção de grupos) 4.1. =C=C= 4.2. =C=O 4.3. =C=N-
Classificação das Enzimas
5.Isomerases (Transferência de grupos dentro da mesma molécula, formação de isômeros)
5.1.racemases 5.2. Cis-Trans isomerases
5.3. Oxirredutases Intramoleculares 5.4. Transferases Intramoleculares (Mutases)
5.5. Liases Intramoleculares
6.Ligases (catalisam a ligação de duas moléculas com hidrólise da ligação pirofosfato na molécula de ATP (ou uma semelhante, igualmente trifosfatada)
6.1. C-O 6.2. C-S 6.3. C-N 6.4. C-C
Outras formas de classificar
Enzimas intracelularesEnzimas intracelulares
atuam no interior da célulaatuam no interior da célula
sintetizam o material celularsintetizam o material celular
realizam reações realizam reações catabólicas que suprem as catabólicas que suprem as necessidades energéticas necessidades energéticas da célula.da célula.
Enzimas extracelularesEnzimas extracelulares
atuam fora da célulaatuam fora da célula
executando as alterações executando as alterações necessárias à penetração necessárias à penetração dos nutrientes para o dos nutrientes para o interior das células.interior das células.
Outras formas de classificar
EndoenzimasEndoenzimas
ExoenzimasExoenzimas
Agem dentro das moléculasAgem dentro das moléculas
Ex: endoamilases, que Ex: endoamilases, que hidrolisam ligações hidrolisam ligações glicosídicas ao acaso ao glicosídicas ao acaso ao longo das cadeias de longo das cadeias de amiloseamilose
Agem nas extermidades das Agem nas extermidades das moléculasmoléculas
Ex: exoamilases, que Ex: exoamilases, que hidrolisam,sucessivamente, hidrolisam,sucessivamente, ligações glicosídicas a partir ligações glicosídicas a partir da extremidade não redutora da extremidade não redutora das mesmas.das mesmas.
Outras formas de classificar
Enzimas habituais Enzimas habituais ou constitutivasou constitutivas
Enzimas indutivasEnzimas indutivas
As células sempre as sintetizamAs células sempre as sintetizam
As células só as sintetizam As células só as sintetizam quando estão na presença do quando estão na presença do substrato da enzimasubstrato da enzima
IsoenzimasIsoenzimasEnzimas que têm a mesma função, Enzimas que têm a mesma função, ou seja, catalisam uma mesma ou seja, catalisam uma mesma reação, porém apresentam reação, porém apresentam estruturas diferentesestruturas diferentes
Propriedades Gerais
• Diferenças entre enzimas e catalisadores químicos
– Velocidade de reação mais rápida:
• 106 a 1012x > que as não catalisadas,
• e são varias ordens de magnitude > do que as reações catalisadas quimicamente.
Propriedades Gerais• Diferenças entre enzimas e catalisadores químicos
– Maior especificidade da reaçãoo Grau de especificidade imensamente > em relação
a identidade dos seus S e dos seus Po Reações enzimáticas raramente produzem
subprodutos. o Estereoespecificidade: Agem em grupos
funcionais específicos catalisando reações de forma estereoepecífica, formando somente um dos enantiômeros possíveis
Propriedades Gerais
– Condições reacionais mais brandas
o pH
o Temperatura
DesnaturaçãoDesnaturação
Mecanismo de Ação
• A reação enzimática ocorre em duas etapas:
E + S E S P + E
• 2 modelos:– Modelo chave-fechadura– Modelo do ajuste induzido
Mecanismo de Ação• Modelo Chave-fechadura
– Emil Fischer em 1894– Relação estérica entre enzima e substrato
Mecanismo de Ação• Modelo do ajuste induzido
– Koshland em 1958– Prevê um sítio de ligação não totalmente pré-
formado, – E e o S sofrem conformação para o encaixe.
Mecanismo de Ação
Estudos por raio X indicam que os sítios de ligação aos substratos da maioria das enzimas são, em grande
parte, pré-formados, mas sofrem mudanças conformacionais no momento da ligação do substrato
(um fenômeno denominado ajuste induzido).
Mecanismo de Ação• Conceitos
– Teoria da Colisão:
o As reações químicas acontecem quando ligações são quebradas ou formadas.
o Para isto átomos, íons e moléculas devem colidir. o Todos os átomos, íons e moléculas estão em
constante movimento e portanto colidindo constantemente.
o A energia transferida pelas partículas na colisão pode desorganizar suas estruturas eletrônicas o suficiente para que as ligações químicas sejam quebradas ou novas ligações se formem.
Mecanismo de Ação
• Energia de ativação: Quantidade de en. requerida para romper a configuração eletrônica estável de qualquer molécula específica para que os elétrons possam ser reorganizados.
Energia de Ativação
∆G reação
Mecanismo de Ação
• ∆G: A diferença de energia entre produtos e reagentes
– Não depende da E.A.
Energia de Ativação
∆G reação
Mecanismo de Ação
• Taxa de reação: A freqüência de colisões contendo energia suficiente para que a reação aconteça.
– taxa de reação:
o de T = o calor a freqüência das colisões e o n° de moléculas que atingem a E.A.
o Reagentes estão + concentrados = Dist. entre as moléculas menor.
Reações Catalisadas por Enzimas
Ene
rgia
do
sist
ema
(G)
Progresso da Reação
Energia de Ativaçao na presença de enzima
Energia de Ativação na ausência de enzima
∆G reação
Não catalisada
Catalisada
Reagentes
Produtos
Ene
rgia
do
sist
ema
(G)
Progresso da Reação
Energia de Ativaçao na presença de enzima
Energia de Ativação na ausência de enzima
∆G reação
Não catalisada
Catalisada
Reações Catalisadas por Enzimas
Reagentes
Produtos
Catalisador atua diminuindo a Energia de Ativação
Reações Catalisadas por Enzimas
Ene
rgia
do
sist
ema
(G)
Progresso da Reação
Energia de Ativaçao na presença de enzima
Energia de Ativação na ausência de enzima
∆G reação
Não catalisada
Catalisada
Não altera : equilíbrio nem o ∆G
Reagentes
Produtos
Reações Catalisadas por Enzimas
Ene
rgia
do
sist
ema
(G)
Progresso da Reação
Energia de Ativaçao na Energia de Ativaçao na presença de enzimapresença de enzima
Energia de Ativação na Energia de Ativação na ausência de enzimaausência de enzima
∆G reação
Não catalisada
Catalisada
Reagentes
Produtos
Mecanismo de Ação• Enzimas atuam de diversas formas:
– Baixando a E.A., através da criação de um ambiente no qual o estado de transição é estabilizado (ex., distorcendo a forma da molécula do S).
– Providenciando uma via alternativa (ex., reagindo com o S formando um complexo ES, de existência impossível sem a presença da E).
– Reduzindo a variação da entropia da reação ao orientar os S de forma correta para facilitar a reação. Na ausência de E, as moléculas colidem em todas as direções possíveis de forma aleatória.
Reações Catalisadas por Enzimas
• Ex: Decomposição do H2O2
HH22OO22 HH22OO OO22++CatalaseCatalase
Condições da ReaçãoCondições da Reação Energia livre de AtivaçãoEnergia livre de AtivaçãoKJ/mol Kcal/molKJ/mol Kcal/mol
VelocidadeVelocidadeRelativaRelativa
Sem catalisadorSem catalisador
PlatinaPlatina
Enzima CatalaseEnzima Catalase
75,2 18,075,2 18,0
48,9 11,748,9 11,7
23,0 5,523,0 5,5
11
2,77 x 102,77 x 1044
6,51 x 106,51 x 1088
Reações Catalisadas por Enzimas
• Embora a enzima participe da seqüência da reação, ela não sofre nenhuma transformação.
– Poucas moléculas de E são capazes de catalisar a conversão de milhares de moléculas de S a P.
Atuam em pequenas concentrações
Reações Catalisadas por Enzimas
Número de renovação =Número de renovação = n° de moléculas de substrato n° de moléculas de substrato convertidas em produto por uma única molécula de convertidas em produto por uma única molécula de enzima em uma dada unidade de tempo.enzima em uma dada unidade de tempo.
1 molécula de Catalase1 molécula de Catalase decompõedecompõe5 000 000 de moléculas 5 000 000 de moléculas de H2O2de H2O2pH = 6,8 em 1 minpH = 6,8 em 1 min
Fatores que Influenciam a Ação Enzimática
• pH
• Temperatura
• Concentração da Enzima
• Concentração do Substrato
Fatores que Influenciam a Ação Enzimática
• pH– A ionização de aa pode provocar modificações na
conformação da enzima.– O substrato pode ver-se afetado.
Pepsina pH ótimo 1,5
Tripsina pH ótimo 5,7
Fatores que Influenciam a Ação Enzimática
• Temperatura temperatura dois efeitos ocorrem:
– A taxa de reação aumenta, como se observa na maioria das reações químicas;
– A estabilidade da proteína decresce devido a desativação térmica.
• Enzima Enzima temperatura temperatura ótima para que atinja sua ótima para que atinja sua atividade máximaatividade máxima
Fatores que Influenciam a Ação Enzimática
• Concentração da Enzima– A velocidade máxima da reação é uma função da
quantidade de enzima disponível (existindo substrato em excesso).
Figura: Efeito da [ ] da enzima sobre a velocidade inicial (V0) Figura: Efeito da [ ] da enzima sobre a velocidade inicial (V0) com de substrato em excesso.com de substrato em excesso.
Fatores que Influenciam a Ação Enzimática
• Concentração do Substrato
Inicialmente a velocidade da reação é Inicialmente a velocidade da reação é diretamente proporcional a [S].diretamente proporcional a [S].
Fatores que Influenciam a Ação Enzimática
• Concentração do Substrato
A velocidade passa a ser A velocidade passa a ser constante porque não constante porque não depende da [S]depende da [S]
Fatores que Influenciam a Ação Enzimática
• Concentração do Substrato
A quantidade de reagente A quantidade de reagente é o suficiente grande para é o suficiente grande para saturar todos os sítios saturar todos os sítios catalíticos enzimas.catalíticos enzimas.
Inibição enzimática
• Grande parte do arsenal farmacêutico (Por ex. tratamento da AIDS feito com drogas que inibem
a atividade de certas enzimas virais.
InibidoresInibidores
Substâncias que reduzem a Substâncias que reduzem a atividade de uma enzima de forma a atividade de uma enzima de forma a
influenciar a ligação do substrato.influenciar a ligação do substrato.
Inibição enzimática
• Classificação:
IrreversívelIrreversível
ReversívelReversível
CompetitivaCompetitiva
Não CompetitivaNão Competitiva
Inibição Irreversível
• O inibidor liga-se tão fortemente à enzima que a dissociação é muito lenta.
• Podem destruir grupos funcionais que são essenciais para a atividade enzimática.
• A enzima não retoma a sua atividade normal.
• Ex.: Inseticidas organofosforados na acetilcolinesterase (enzima importante na transmissão dos impulsos nervosos).
Inibição Irreversível
Ex: Inibição da enzima ciclo-oxigenase pelo acetilsalicilato
Ciclo-oxigenaseCiclo-oxigenase SÍNTESESÍNTESE ProstaglandinasProstaglandinas
Processo biológicos, ex. sensação de dorProcesso biológicos, ex. sensação de dor
Inibição Reversível Competitiva
• Uma substância que compete diretamente com o substrato pelo sitio de ligação de uma enzima.
• Inibidor normalmente é semelhante ao substrato, de modo que se liga especificamente ao sitio ativo, mas difere do substrato por não poder reagir com ele.
• O inibidor liga-se á enzima formando o complexo EI cataliticamente inativo.
Inibição Reversível Não Competitiva
• O inibidor não competitivo pode ser uma molécula que não se assemelha com o substrato, mas apresenta uma grande afinidade com a enzima.
• Esta ligação pode distorcer a enzima tornando o processo catalítico ineficiente.
Co-fatores• Quase 1/3 das enzimas requerem um componente não
protéico para sua atividade, denominado cofator
Porção protéicaAPOENZIMA CofatorCofator
HOLOENZIMA
Íons metálicos
Moléculas orgânicas
Coenzimas
Co-fatores
• A natureza essencial de tais co-fatores explica por que razão os organismos necessitam de quantidades diminutas de certos elementos nas suas dietas.
• Isso também explica, os efeitos tóxicos de certos metais pesados (o Cd2+ e o Hg2+) que podem substituir o Zn2+ nos sítios ativos de certas enzimas
Co-fatores• Algumas enzimas que contêm ou necessitam de
elementos inorgânicos como cofatores
ENZIMA COFATORPEROXIDASE Fe+2 ou Fe+3
CITOCROMO OXIDASE Cu+2
ÁLCOOL DESIDROGENASE Zn+2
HEXOQUINASE Mg+2
UREASE Ni+2
Co-fatores - Coenzimas
• Maioria deriva de vitaminas hidrossolúveis– Muitos organismos não conseguem sintetizar certas
porções das coenzimas essenciais. Tais substâncias devem estar presentes na dieta desses organismos e são, portanto, chamadas de vitaminas.
• Classificam-se em:– transportadoras de hidrogênio– transportadoras de grupos químicos
Co-fatores - Coenzimas
• Transportadoras de hidrogênio
Coenzima Abreviatura Reaçãocatalisada
Origem
Nicotinamida adeninadinucleotídio
NAD+ Oxi-redução Niacina ouVitamina B3
Nicotinamida adeninadinucleotídio fosfato
NADP+ Oxi-redução Niacina ouVitamina B3
Flavina adeninadinucleotídio
FAD Oxi-redução Riboflavina ouVitamina B2
Co-fatores - Coenzimas• Transportadoras de de grupos químicos
Coenzima Abrev. Reação catalisada Origem Coenzima A CoA-SH Transferência de
grupo acil Pantotenato ou Vitamina B5
Biotina Transferência de CO2
Biotina ou Vitamina H
Piridoxal fosfato PyF Transferência de grupo amino
Piridoxina ou Vitamina B6
Metilcobalamina Transferência de unidades de carbono
Cobalamina ou Vitamina B12
Tetrahidrofolato THF Transferência de unidades de carbono
Ácido fólico
Tiamina pirofosfato
TPP Transferência de grupo aldeído
Tiamina ou Vitamina B1
Regulação da Atividade Enzimática
• Um organismo deve poder regular as atividades catalíticas de suas enzimas para que ele possa coordernar seus processos metabólicos, responder às mudanças no meio, crescer e diferenciar-se, tudo de maneira ordenada.
• Há duas maneiras pelas quais isso pode ocorrer: – Controle da disponibilidade da enzima. – Controle da atividade da enzima.
Regulação da Atividade Enzimática
• Controle da disponibilidade da enzima.
– A quantidade de uma enzima em uma célula depende velocidade de síntese
velocidade de degradação.
Cada uma dessas velocidades é diretamente controlada pela célula e esta sujeita a
mudanças drásticas em períodos que vão de minutos (em bactérias) até horas (em
organismos superiores).
Regulação da Atividade Enzimática
• Controle da atividade da enzima.
– A atividade pode ser regulada por meio de alterações estruturais que influenciem a afinidade da ligação do substrato à enzima.
– A afinidade de ligação do S a uma E pode, variar também com a ligação de pequenas moléculas, chamadas efetores alostéricos que podem tanto aumentar como dimunuir a atividade.
– Um modelo muito comum de regulação alostérica é a inibição por "feed-back”.
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.
Mecanismos de controleMecanismos de controle
Indução: A presença do substrato A induz a síntese da enzima a
B C D EAEnzima a1 Enzima d
Produtofinal
Substratoinicial
Enzima b Enzima c
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.
B C D EAEnzima a1 Enzima d
Produtofinal
Substratoinicial
Enzima b Enzima c
Mecanismos de controleMecanismos de controle
Repressão catabólica: Caso haja um caminho mais conveniente, a síntese de todas as enzimas é reprimida
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.
Substratoinicial
Mecanismos de controleMecanismos de controle
Cada isoenzimas pode ser regulada independentementeControle fino do metabolismo
B C D EAEnzima a1
Enzima a2
Enzima a3
Enzima dProduto
final
Enzima b Enzima c
Comparação das enzimas com catalisadores químicos
Característica Enzimas Catalisadores Químicos
Especificidade ao substrato alta baixa
Natureza da estrutura complexa Simples
Sensibilidade à T e pH alta Baixa
Condições de reação (T, P e pH) suaves drástica (geralmente)
Custo de obtenção (isolamento e purificação) alto Moderado
Natureza do processo batelada Contínuo
Consumo de energia baixo Alto
Formação de subprodutos baixa Alta
Separação catalisador/ produtos difícil/cara simples
Atividade Catalítica (temperatura ambiente) alta baixa
Presença de cofatores sim não
Estabilidade do preparado baixa alta
Energia de Ativação baixa alta
Velocidade de reação alta baixa
Comparação das enzimas com catalisadores químicos
Característica Enzimas Catalisadores Químicos
Especificidade ao substrato alta baixa
Natureza da estrutura complexa Simples
Sensibilidade à T e pH alta Baixa
Condições de reação (T, P e pH) suaves drástica (geralmente)
Custo de obtenção (isolamento e purificação) alto Moderado
Natureza do processo batelada Contínuo
Consumo de energia baixo Alto
Formação de subprodutos baixa Alta
Separação catalisador/ produtos difícil/cara simples
Atividade Catalítica (temperatura ambiente) alta baixa
Presença de cofatores sim não
Estabilidade do preparado baixa alta
Energia de Ativação baixa alta
Velocidade de reação alta baixa
Comparação das enzimas com catalisadores químicos
Característica Enzimas Catalisadores Químicos
Especificidade ao substrato alta baixa
Natureza da estrutura complexa Simples
Sensibilidade à T e pH alta Baixa
Condições de reação (T, P e pH) suaves drástica (geralmente)
Custo de obtenção (isolamento e purificação) alto Moderado
Natureza do processo batelada Contínuo
Consumo de energia baixo Alto
Formação de subprodutos baixa Alta
Separação catalisador/ produtos difícil/cara simples
Atividade Catalítica (temperatura ambiente) alta baixa
Presença de cofatores sim não
Estabilidade do preparado baixa alta
Energia de Ativação baixa alta
Velocidade de reação alta baixa
Comparação das enzimas com catalisadores químicos
Característica Enzimas Catalisadores Químicos
Especificidade ao substrato alta baixa
Natureza da estrutura complexa Simples
Sensibilidade à T e pH alta Baixa
Condições de reação (T, P e pH) suaves drástica (geralmente)
Custo de obtenção (isolamento e purificação) alto Moderado
Natureza do processo batelada Contínuo
Consumo de energia baixo Alto
Formação de subprodutos baixa Alta
Separação catalisador/ produtos difícil/cara simples
Atividade Catalítica (temperatura ambiente) alta baixa
Presença de cofatores sim não
Estabilidade do preparado baixa alta
Energia de Ativação baixa alta
Velocidade de reação alta baixa
Referencias Bibliográficas
• AQUARONE, Eugênio; BORZANI, Walter; ALMEIDA LIMA, Urgel de; SCMIDELL, Willibaldo. Biotecnologia industrial. Volumes 1, 2, 3 e 4.
• CHAMPE, Pamela C. & HARVEY, Richard A. - Bioquímica Ilustrada. Artes Médicas. Porto Alegre, 1997. pp 126-131.
• LEHNINGER, Albert L; NELSON, David L.; COX, Michael M. Principios de bioquimica. 4. ed. São Paulo: Sarvier, 2006.
• STRYER, Lubert. Bioquímica. Rio de Janeiro:• Guanabara Koogan,1996. Capítulo 7• VOET, Donald; VOET, Judith G. Bioquímica. 3. ed. Porto
Alegre: ARTMED, 2006. 1596p.