[H + ]=10-7 M. M ADP + Pi. G (gradiente eléctrico) = C mol -1 (- 0,15 V) = - 14,5 kj mol = - 3,6 kj mol - +

Transcrição

1 Quando o transporte de uma substância ocorre contra o seu gradiente electroquímico e o processo exergónico é o transporte de um ião a favor do seu gradiente electroquímico (por sua vez criado por um transporte activo primário) falamos em transporte activo secundário. transporte de glicose no polo apical dos enterócitos éum transporte activo secundário em que o processo exergónico é a passagem de iões sódio para dentro das células a favor do gradiente electroquímico e o endergónico o transporte de glicose contra gradiente. Diz-se que os transportadores de Na e glicose existentes no polo apical dos enterócitos (SGLT1; sodium dependent glucose transporter 1) éum simporte porque só pode funcionar transportando 2 iões Na e 1 molécula de glicose 21 no mesmo sentido. Aquando da síntese de ATP pela síntase de ATP mitocondrial (complexo V) ocorre um processo que é o inverso do que corresponde aos processos de transporte activo primário: uma reacção enzímica endergónica ( G >0) está acoplada com um transporte exergónico ( G <0) [H ]=10-7 M G (gradiente eléctrico) = C mol -1 (- 0,15 V) = - 14,5 kj mol -1 G (gradiente químico) = - RT ln (10-7,0 /10-7,6 ) = - 3,6 kj mol G (gradiente eletroquímico) relativo ao [H ] = 10-7,6 transporte de 3 moles protões = M ADP Pi 3 (-14,5 kj - 3,6 kj) = - 54,1 kj 3 H V 3 H = - 0,15 V ATP - - G relativo à síntese de 1 mol de ATP = 50 kj G relativo ao processo global = - 54,1 kj 50 kj = -4,1 kj 22 As palavras difusão, transporte passivo e transporte activo referem-se à termodinâmica do processo de transporte. As palavras simples, facilitado/a, mediado, transportador, cotransporte uniporte, antiporte e simporte referem-se ao catalisador (ou à sua ausência). 1- Palavras que descrevem a energia envolvida no processo de transporte e estão, portanto, relacionadas com aspectos relacionadas com termodinâmica do processo: a) transporte passivo = difusão = transporte a favor do gradiente electroquímico b) transporte activo = transporte contra o gradiente químico ou electroquímico. 2- Palavras relacionadas com o tipo de catalisador envolvido no processo de transporte: a) simples = não mediado (sem catalisador). b) facilitado = mediado por transportador. b1) uniporte, simporte e antiporte. b2) quando há co-transporte está envolvido um simporte ou um antiporte. 23 A linha de separação entre transportadores e enzimas é tão ténue que, em muitos casos, é impossível dizer se estamos a falar de uma enzima ou de um transportador. 1- Nos complexos da cadeia respiratória da mitocôndria as reacções de oxi-redução são exergónicas e o componente endergónico é o transporte de protrões contra gradiente electroquímico. 1 - Um caso semelhante ocorre no caso da bomba de sódio e potássio. (hidrólise de ATP exergónica; movimento de iões endergónico) 2- No caso da síntase do ATP na mitocôndria nas condições in vivo o componente exergónico é o movimento de protões a favor do gradiente electroquímico e o endergónico é a reacção de síntese do ATP (ADPPi ATP H 2 ). Nota: os transportadores/enzimas são apenas catalisadores... 24

2 Conhecer o G ( razão Keq/QR) de um sistema reactivo indica-nos o sentido em que a reacção pode evoluir... mas não nos diz nada acerca da velocidade em que ela ocorre. 1- Algumas reacções são muito lentas: A Keq da reacção de oxidação da glicose (glicose C 2 6 H 2 ) é cerca de M -1 G º = kj/mol a reacção tem tendência a evoluir até ao consumo total do reagente limitante (em geral a glicose)...mas, à temperatura ambiente e na ausência de enzimas, posso ter glicose em contacto com 2 durante milhares de anos que não acontece nada. 2- utras reacções são muito rápidas As reacções de dissociação de protões ou ligação de protões (ácido-base) aproximam-se rapidamente do equilíbrio e não necessitam de catalisadores. 25 A maioria das reacções que ocorrem nos seres vivos só existem porque existem enzimas que as catalisam. 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. 1- A palavra enzima (do Grego: en, na zima, levedura) foi inventada em 1878 por Fredrich Kühne. 2- A sua natureza proteica só foi definitivamente aceite na década de Relativamente aos catalisadores não enzímicos as enzimas são, em geral: a) mais potentes, b) actuam em condições pouco agressivas (ph 7, temp. < 100 C, etc.), c) têm uma enorme especificidade relativamente aos substratos e produtos, e 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...). 4- Sendo as enzimas moléculas proteicas o seu tamanho é, frequentemente, muito grande relativamente ao tamanho das moléculas dos substratos. sítio activo (ou sítio catalítico ) é um local específico modelado de tal forma que permite a interacção específica com o substrato (ou substratos) e é onde ocorre a reacção 26 química. 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 cada enzima foi atribuído um número EC (de Enzyme Comission) que contém 4 números separados por pontos (EC W.X.Y.Z). s 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- No dia estavam classificadas 4367 enzimas que podem ser consultadas em 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. 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 As isomérases (EC 5.x.y.z) catalisam a interconversão de dois isómeros: A B Em rigor, as isomérases são as únicas enzimas em que se pode falar do substrato da enzima no singular. Exemplos: fosfoglicomútase fosfogliceratomútase isomérase das hexoses-fosfato epimérase das pentose-fosfato epimérase da UDP-galactose (Glicose-1-P Glicose-6-P) (3-fosfoglicerato 2-fosfoglicerato) (Glicose-6-P Frutose-6-P) (Ribulose-5-P Xilulose-5-P) (UDP-Galactose UDP-Glicose) Em geral, nas reacções catalisadas pelas isomérases 4- A classificação é de tipo funcional: diferentes proteínas com a mesma actividade catalítica (como as isoenzimas) têm o mesmo nome e número EC. 27 as Keq têm valores não muito diferentes de 1 ( Gº não muito diferente de 0) 28 e são fisiologicamente reversíveis.

3 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 H 2 A B As hidrólases catalisam a rotura de ligações sendo a água um dos substratos. 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 H 2 B) 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) Em geral, quando à frente do nome de um composto se coloca o sufixo ase a enzima é uma hidrólase (maltase, amílase, fosfolípase, lípase, ATPase, glutamínase...). 29 Quase sempre catalisam reacções fisiologicamente irreversíveis. 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: Glicose-6-fosfátase (glicose-6-p glicose Pi) ATPase (ATP ADP Pi) pirofosfátase inorgânica (PPi H 2 2 Pi) 2 30 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 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 (o terceiro) a um aceitador. 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 do ATP. Exemplos de cínases: 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: 1- cínases (ATP Aceitador ADP Aceitador-P) 2- fosforílases (Dador-T Pi Dador T-P) 3- pirofosforílases (Aceitador-T PPi Aceitador T-PP) 4- transférases de uridilato 31 (dador-ump aceitador dador aceitador-ump) cínase da glicose cínase da frutose-6-p cínase do piruvato A denominação das cínases não tem em linha de conta o sentido em que a reacção ocorre nos seres vivos: (1) a cínase do piruvato catalisa in vivo a fosforilação do ADP pelo fosfoenolpiruvato. (2) a cínase do adenilato (=AMP) catalisa a fosforilação do AMP pelo ATP (mas 32 também a reacção inversa; é fisiologicamente reversível): ATP AMP 2 ADP

4 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. Exemplo: a cínase da desidrogénase do piruvato catalisa a fosforilação da desidrogénase do piruvato pelo ATP As acções das cínases e das fosfátases não são reacções inversas. A cínase da glicose e a fosfátase da glicose-6-fosfato têm papeis metabólicos opostos mas as reacções que catalisam não são a inversa uma da outra. Glicose Pi Cínase da glicose ATP v = 100 J= 90 v = 10 ADP H 2 Glicose- 6-P Fosfátase da glicose-6-p = Glicose-6-Pase A reacção inversa da fosforilação da glicose por acção da cínase da glicose seria a fosforilação do ADP (a ATP) pela glicose-6-p Em geral, 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 e ambas as reacções são (quase sempre) fisiologicamente irreversíveis 33 Quando uma cínase e a fosfátase que se lhe opõe estão simultaneamente activas a reacção soma é a hidrólise de ATP Quando isto acontece falamos em ciclos de substrato. A ATP ADP A-P A-P A Pi 34 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. receptor da insulina éuma cínase que, quando a insulina está ligada, catalisa a fosforilação de proteínas citoplasmáticas chamadas substratos do receptor da insulina. Algumas cínases (com a PKA; cínase de proteínas dependente do AMP cíclico) são relativamente inespecíficas catalisando a fosforilação de muitas enzimas e essa fosforilação pode activar ou inibir essas enzimas. ATP síntase do glicogénio (activa) PKA (ligada ao AMPc) ADP síntase do glicogénio fosforilada 35 (inactiva) 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 Pi X T-P a enzima denominar-se-ia fosforílase do XT (T é o resíduo transferido)...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 Glicose-glicose-glicose... Pi glicose-glicose... Glicose-1-P 36

5 As pirofosforílases são transférases em que o substrato aceitador do resíduo transferido é o pirofosfato inorgânico (PPi): XT PPi X T-P-P. As reacções catalisadas pelas pirofosforílases denominam-se pirofosforólises. Numa reacção do tipo XT PPi X T-P-P a enzima denominar-se-ia pirofosforílase do XT...e XT sofre pirofosforólise: rompe-se (lise) por acção do pirofosfato inorgânico (PPi). As transférases de uridilato (uridil-transférases) são enzimas em que o resíduo transferido é o UMP (e não se forma nem se consome PPi inorgânico): X-UMP Y X Y-UMP. Galactose-1-P UDP-Glicose Galactose-P Glicose-P- P-uridina Exemplo de pirofosforílase: Pirofosforílase do UDP- Glicose Para compreender porque se denomina pirofosforílase do uridino-difosfato de glicose (UDP-glicose) à enzima que catalisa a reacção Glicose-1-P UTP UDP-glicose PPi, temos de pensar na reacção inversa àquela que de facto ocorre nas células dos seres 37 vivos. A reacção inversa é a pirofosforólise do UDP-glicose. Glicose-1-P UDP-Galactose Glicose-P UMP (uridino-monofosfosto) também se designa de uridilato. Galactose-P- P-uridina 38 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. Nalgumas lígases o nucleosídeo trifosfato envolvido na reacção não é ATP mas o GTP. ATP A B ADP Pi AB ou ATP A B AMP PPi AB Nas reacções catalisadas pelas lígases a energia libertada no processo de hidrólise do ATP permite a combinação de dois reagentes A e B. u, considerando o sentido inverso, que a energia libertada na cisão de AB permite a síntese de ATP. Sintétase do AB 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 Quando a rotura do ATP ocorre entre os resíduos fosfato e forma-se ADP e Pi mas quando ocorre entre os resíduos fosfato e 39 forma-se AMP e PPi. Podemos considerar, conceptualmente, que a sintétase de succinil-coa faz a acoplagem de duas reacções: Succinil-CoA H 2 Succinato CoA (reacção exergónica) G1<0 GDP Pi GTP H 2 (reacção endergónica) G2>0 40 GDP Pi Succinil-CoA GTP Succinato CoA G(1,2)= G1 G2

6 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 As oxi-redútases (EC 1.x.y.z) catalisam reacções de oxi-redução u, 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. 41 Exemplos de nomes associados a oxi-redútases: Desidrogénases Redútases xídases xigénases Peroxídases Catálase Dismútases dinucleotídeos são substratos 2 é o oxidante directo o 2 é reduzido a água... catalisam reacções de dismutação 42 1) As desidrogénases são oxi-redútases que catalisam reacções do tipo: AH2 lactato NAD NAD NADP FAD FMN desidrogénase de AH2 Piruvato Coenzima A C 2 Piruvato Acetil-CoA NAD A NADPH FADH2 FMNH2 Desidrogénase do lactato Desidrogénase do piruvato 2) As redútases também são oxi-redútases. A maioria das redútases catalisa reacções do mesmo tipo das desidrogénases mas o redutor é o NADPH... A NADPH FADH2 FMNH2 redútase do A AH2 NAD NADP FAD FMN Exemplo: redútase do glutatião; NADPH dissulfureto de glutatião (GSSG) NADP 2 glutatião (2GSH) NADPH NADP 2 e - H NAD Desidrogénase do Ubiquinona Ubiquinol (não se chama desidrogénase 43 do ubiquinol) H 44

7 3) As oxídases também são oxi-redútases. Catalisam reacções em que o 2 é um dos reagentes que se reduz a H 2, a peróxido de hidrogénio (H 2 2 ) ou a superóxido ( 2 - ). 2 cyt. c (Fe 2 )½ 2 2 cyt. c (Fe 3 ) oxídase do citocromo c NADPH 2 2 NADP oxídase da NADPH 5) As peroxídases também são oxi-redútases. Catalisam reacções em que o 2 é o agente oxidante directo de um composto orgânico. Exemplo: a peroxídase do glutatião é a mais conhecida 2 Glutatião (2 GSH) H 2 2 dissulfureto de glutatião (GSSG) 2 H 2 4) As monooxigénases (também chamadas oxigénases de função mista) também são oxi-redútases. Catalisam reacções em que o 2 é o oxidante directo, sendo que um dos átomos de oxigénio se vai incorporar num composto orgânico que é oxidado e o outro vai formar água. São frequentemente chamadas hidroxílases; neste caso seria hidroxílase do VH (no exemplo está a reacção catalisada pela hidroxílase da fenilalanina) VH VH fenilalanina tirosina 2 WH2 W 2 tetrahidrobiopterina 2 2 e - 2H 2 dihidrobiopterina 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. 1- A síntase do glicogénio é de facto uma transférase. 2 - A síntase do ATP é de facto uma hidrólase (e, simultaneamente um transportador de protões). ADP Pi ATP H 2 A componente exergónica do processo é o transporte de protões através de um componente da enzima que está mergulhado na membrana interna da mitocôndria. s protões deslocam-se a favor do seu gradiente electroquímico. 47 À rotura hidrolítica das ligações fosfoanidrido do ATP (entre os fosfatos - e - ) estão associados valores de Gº muito negativos; por isso se diz na gíria dos bioquímicos que estas ligações são ricas em energia. 1- Dizemos que a glicose e o etanol são substâncias energéticas porque no seu processo de oxidação libertam enormes quantidades de energia: Glicose C 2 6 H 2 Gº = kj/mol Etanol C 2 2 H 2 Gº = kj/mol (nota: estes Gº não se referem aos seres vivos; Gº refere-se sempre a condições padrão) 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 H 2 ADP Pi Gº = - 31 kj/mol ATP H 2 AMP PPi Gº = - 46 kj/mol Gº= -31 kj Gº= -46 kj 48

8 As ligações em que o Gº que corresponde à sua rotura hidrolítica (em condições padrão) tem um valor semelhante ou é ainda mais negativo que o que corresponde à rotura das ligações fosfoanidrido do ATP (- 31 kj mol -1 ou - 46 kj mol -1 ) dizem-se ricas em energia e costumam representar-se por As ligações ricas em energia podem ser de tipo: a) fosfoanidrido como no ATP b) fosfamida como na fosfocreatina c) enolfosfato como no fosfoenolpiruvato. Gº= -62 kj Gº= - 43 kj Embora o Gº seja apenas uma medida da Keq (e não determine por si só o sentido em que a reacção vai evoluir) o conceito de ligação rica em energia revelou-se útil (1) porque, normalmente, quando uma enzima catalisa o acoplamento de duas semireacções em que uma é a rotura de uma ligação rica em energia e a outra a formação de uma ligação que não é rica em energia (como as fosfoéster) a reacção é fisiologicamente irreversível Exemplos: glicose ADP glicose-6-p (cínase da glicose) frutose-6-p ADP frutose-1,6-bisfosfato (cínase da frutose-6-p) (2) e porque, normalmente, quando nas duas semi-reacções acopladas, numa se rompe e na outra se forma uma ligação rica em energia a reacção é fisiologicamente reversível d) tioéster como no succinil-coa. Quando dizemos que o ATP, a fosfocreatina, o fosfoenolpiruvato ou o succinil-coa são substâncias energéticas estamos simplesmente a dizer que a sua fosfohidrólise 49 tem um valor de Gº muito negativo. Gº= -36 kj Exemplos: ADP succinato CoA Síntétase de succinil-coa ADP creatina Cínase da creatina ADP 3-fosfoglicerato 50 Cínase do 3-fosfoglicerato A cínase do 3-fosfoglicerato catalisa uma reacção de fosfotransferência que é fisiologicamente reversível (no sentido da síntese de ATP na glicólise e de consumo de ATP na gliconeogénese)... No 1,3-bisfosfoglicerato há uma ligação fosfoanidrido ( rica em energia ) que não existe no 3-fosfoglicerato... mas nem sempre o acoplamento de semi-reacções em que há síntese e rotura de ligações ricas em energia corresponde a reacções fisiologicamente reversíveis: por exemplo, a reacção catalisada pela cínase do piruvato é fisiologicamente irreversível. 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. 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 As reacções em que um dos produtos é o PPi são reacções exergónicas em todas as condições metabólicas reacções fisiologicamente irreversíveis. ADP piruvato 51 52

9 Pi G > 0 ADP ATP enzimas e enzimas/transportadores envolvidas no catabolismo nutrientes C 2 2 G < 0 I love electrons nutrientes 2 NAD We hate electrons 53 2 Glicose 2 Piruvato NAD 2 C 2 2 acetil-coa 2 C 2 2 C 2 2 ADP 2 ADP 2 NAD NAD 4 H I Q III cyt c IV 1 NAD 10 H 2,5 ADP 2,5 Pi (2 H 4 H ) V Simp. Pi 2,5 H2 A oxidação completa de 1 mole de glicose é a componente exergónica num processo global em que a componente endergónica é a síntese de 30 (envolvimento da 54 lançadeira do glicerol-3-p) a 32 moles (envolvimento do malato) de ATP. G < 0 Pi ATP ADP enzimas e enzimas/ transportadores Nutrientes ou intermediários do metabolismo proteínas, glicoproteínas, lipídeos e glicídeos complexos, ácidos nucleicos... G > 0 55 Bibliografia aconselhada: Newsholme, E. A. & Leech, T. (2009) Functional Biochemistry in Health and disease, Wiley-Blackwell, xford. Nelson DL & Cox MM. (2005) Lehninger Principles of Biochemistry. 3rd ed. Worth Publishers. New York. Chang R. (1994) Química 5ª ed. McGrow-Hill de Portugal, Lda Fontes R (2010) Notas sobre Introdução às reacções enzímicas. Equilíbrio químico, catálise e classificação funcional. Fontes R (2005) Notas de termodinâmica química e calorimetria (A energia como um conceito menos intuitivo que o que parece). 56