ENZIMAS. Prof. Dr. Vagne Oliveira. Medicina Veterinária

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1 ENZIMAS Disciplina: Bioquímica, Prof. Dr. Vagne Oliveira Medicina Veterinária

2 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

3 I. VISÃO GERAL 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...): mmol / segundo. (milimol de produto por segundo) Ou mais freqüentemente: mmol /minuto (micromol de produto por minuto) A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A Enzima 2 enzima B B B B B B B B B B B B B B B B B B B B

4 I. VISÃO GERAL

5 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.

6 II. HISTÓRICO James Sumner (1926) Isolou e cristalizou a uréase; Cristais eram de proteínas; Postulou que todas as enzimas são proteínas.

7 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.

8 II. HISTÓRICO Ribozima Natureza não-protéica Molécula de RNA com atividade catalítica Catalisam quebra das ligações fosfodiester de outras moléculas de RNA.

9 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.

10 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.

11 III. NOMENCLATURA

12 Classificação das Enzimas: III. NOMENCLATURA 1. Óxido-redutases ( Reações de óxidoredução). Transferência de elétrons Se uma molécula se reduz, há outra que se oxida. Nomenclatura oficial das enzimas é dada pela Enzyme Comission da International Union for Biochemistry and Molecular Biology (IUBMB) : ATPase (Adenosinatrifosfatase): EC é uma hidrolase atua num anidrido o anidrido contém fosfato esse anidrido é ATP 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. 2. Transferases (Transferência de grupos funcionais) 3. Hidrolases (Reações de hidrólise) 4. Liases (Adição a ligações duplas) 5. Isomerases (Reações de isomerização) 6. Ligases (Formação de laços covalentes com gasto de ATP) grupos aldeído gupos acila grupos glucosil grupos fosfatos (quinases) Transformam polímeros em monômeros. Atuam sobre: Ligações éster Ligações glicosídicas Ligações peptídicas Ligações C-N Entre C e C Entre C e O Entre C e N Entre C e O Entre C e S Entre C e N Entre C e C

13 III. ESTRUTURA VI. ESTRUTURA ENZIMÁTICA Estrutura Enzimática Holoenzima Proteína Cofator Apoenzima ou Apoproteína Pode ser: íon inorgânico molécula orgânica Coenzima Se covalente Grupo Prostético

14 III. ESTRUTURA VI. ESTRUTURA ENZIMÁTICA

15 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 (10 8 a rápida); São econômicas, reduzindo a energia de ativação; Não são tóxicas; Condições favoráveis de ph, temperatura, polaridade do solvente e força iônica.

16 VI. PROPRIEDADES DAS ENZIMAS Sítios ativos; Eficiência catalítica; Especificidade; Co-fatores; Regulação; Localização dentro da célula.

17 VII. COMO FUNCIONAM AS ENZIMAS

18 VII. COMO FUNCIONAM AS ENZIMAS enzima enzima estado de transição complexo T* substrato (S) enzimasubstrato (ES) e n e r g ia liv r e S ES P produto (P) sentido da reação

19 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.

20 Teoria da catálise Energia Energia de ativação Substrato (S) Estado de transição Progresso da reação IX. CATÁLISE ENZIMÁTICA Reação não catalisada Reação catalisada Produto (P) O gráfico mostra a variação de energia ao longo de uma reação. Energia de ativação ou barreira energética: 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.

21 IX. CATÁLISE ENZIMÁTICA

22 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 vezes contra vezes dos catalisadores inorgânicos; 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.

23 IX. CATÁLISE ENZIMÁTICA Enzimas acelaram reações várias ordens de grandeza Compare esses números! Enzima Velocidade na ausência de enzima Reações/segundo Velocidade da reação catalisada Reações/segundo Poder catalítico Anidrase carbônica H 2 O 2 H 2 O + ½ O X X X 10 6 Triosefosfato isomerase Carboxipeptidase A AMP nucleosidase Nuclease de estafilococos 4.3 X X X X X X X X Número de turnover ou de renovação: quantas vezes a enzima completa o ciclo da reação em um segundo Número de turnover = moles de S catalisado por segundo moles de enzima

24 X. COENZIMAS E COFATORES ENZIMÁTICOS Algumas proteínas, enzimas em especial, contêm em sua molécula uma porção não proteica, que é essencial para atividade biológica. Enzima holozima Grupo prostético metal cofator coenzima 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. ativa Grupo Prostético Apoenzima parte proteica inativa Coenzimas participam do ciclo catalítico das enzimas recebendo ou fornecendo grupos químicos para a reação Coenzima Reação com Vitamina Biocitina CO 2 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

25 X. COENZIMAS E COFATORES ENZIMÁTICOS

26 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.

27 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.

28 XI. ESPECIFICIDADE ENZIMÁTICA

29 XIII. INIBIÇÃO DA ATIVIDADE ENZIMÁTICA INIBIDORES REVERSÍVEIS IRREVERSÍVEIS Inibidor competitivo Inibidor não competitivo Esquema cinético para inibidores enzimáticos reversíveis. E=Enzima; S=Substrato; ES=Complexo; P=Produto; I=Inibidor

30 XIII. INIBIÇÃO DA ATIVIDADE ENZIMÁTICA

31 XIII. INIBIÇÃO DA ATIVIDADE ENZIMÁTICA

32 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.

33 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.

34 XIV. FATORES QUE AFETAM A VELOCIDADE DA REAÇÃO

35 XIV. FATORES QUE AFETAM A VELOCIDADE DA REAÇÃO 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. % atividade enzimática máxima Pouca energia para a reação acontecer Temperatura ótima Desnaturação térmica da proteína

36 XIV. FATORES QUE AFETAM A VELOCIDADE DA REAÇÃO

37 XIV. FATORES QUE AFETAM A VELOCIDADE DA REAÇÃO

38 XVI. EQUAÇÃO DE MICHAELIS-MENTEN Velocidade x concentração de substrato V max : velocidade máxima K m : concentração de substrato na qual a reação acontece na metade da velocidade máxima Na V max virtualmente todas as moléculas de enzima estão com seus sítios ativos ocupados No K m (constante de Michaelis) metade das moléculas de enzima presentes no meio de reação estão com seus sítios ocupados. K m é uma medida da afinidade da enzima pelo substrato, quanto menor o Km maior a afinidade.

39 XVII. REGULAÇÃO ENZIMÁTICA 1. Regulação pelo produto (feedback negativo) 1.1 Inibição pelo produto imediato da enzima Sítio regulador 1.2 Inibição pelo produto final da via S Enzima P Quando produto da via se liga à enzima regulatória da via inibe sua atividade... Quando o produto se liga ao sítio regulador inativa a enzima S A Enz. Enzima 1 Enz. 2 B C P 4...e, por conseqüência, inibe a via Via metabólica

40 XVII. REGULAÇÃO ENZIMÁTICA Ativador alostérico: promove a ligação do substrato. Inibidor alostérico: substrato de ligação impede.

41 XVIII. ENZIMAS NO USO DA CLÍNICA VETERINÁRIA

42 Até a próxima aula... (Bons estudos!)