Fundamentos da Bioquímica II Aminoácidos Diferencia as propriedades físicoquímicas dos aminoácidos

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1 Fundamentos da Bioquímica II Aminoácidos Diferencia as propriedades físicoquímicas dos aminoácidos Amina R O α Carboxila N 2 C C O Na água: Zwitterion R O N + 3 α C C O - Carbono: Aspectos estruturais: quiralidade Aminoácidos Não quiral (glicina) N 3 Cα COO - COO - Cα N 3 COO - COO - Quiral N 3 Cα Cα N 3 R R L-aminoácido D-aminoácido Aminoácidos com carga positiva 1

2 Aminoácidos com carga negativa Aminoácidos polares sem carga elétrica Aminoácidos com propriedades especiais 2

3 Aminoácidos hidrofóbicos Aminoácidos hidrofóbicos Aminoácidos: ligação peptídica 3

4 Peptídeos e Proteínas: Nomenclatura Aminoácidos que formam parte de uma estrutura de um peptídeo ou de uma proteína são denominados com terminação il ao invés de ina: alanil (aminoácido ligado) ao invés de alanina (aminoácido livre) Os átomos que formam a ligação peptídica são chamados de grupo funcional peptídico Proteínas e peptídeos possuem duas extremidades: a carboxi-terminal (grupo COO livre) e a amino-terminal (grupo N2 livre). A convenção determina que os peptídeos e as proteínas sejam denominadas começando pela extremidade amino-terminal: N 2 -Gly-Ala-Trp-Phe-Cys-COO Peptídeos e Proteínas: Estrutura Muitas proteínas incluem componentes nãoproteicos na estrutura: grupos prostéticos: Cofatores Oligossacarídeos (glicoproteínas) Lipídeos (lipoproteínas) Metais (metaloproteínas) Tamanho: 50 a 8000 AA Peso molecular: 6000 a 1x10 6 D, a maioria possui menos que 2000AA ( D) Estrutura Secundária: α-hélice 4

5 Estrutura Secundária: Folha β pregueada Desnaturação Perda irreversível da estrutura espacial da proteína, causada pelo calor ou por influência química Peptídeos e Proteínas: Função Peptídeos e proteínas podem assumir uma grande variedade de funções na célula: Enzimas: proteínas catalíticas, que viabilizam reações químicas com substratos e produtos nas condições físicoquímicas do interior das células. Transporte: catalisam a passagem específica e controlada de compostos através das membranas da célula. Armazenamento de nutrientes: alguns tecidos acumulam proteínas como reservas de aminoácidos. Sistemas de locomoção: garantem o funcionamento dos mecanismos de deslocamento da célula ou do organismo. Estruturais: garantem a estabilidade mecânica de formas biológicas. Defesa ou ataque. Regulação metabólica: controlam a atividade de genes Comunicação: estabelecem a comunicação com outros organismos da mesma espécie ou com organismos de outras espécies. 5

6 Enzimas: Proteínas catalíticas Catalisadores bioquímicos de importância fundamental para a vida. 99,99% das reações químicas da célula são catalisadas por enzimas. A grande maioria das enzimas são proteínas, raríssimas reações são catalisadas por moléculas catalíticas de RNA. Enzimas viabilizam reações químicas em condições brandas: p 7,0, solvente aquoso, temperatura ambiente, pressão atmosférica. 6 classes Oxidoredutases: reações de óxido-redução. Transferases: transferência de grupos funcionais. idrolases: reações de hidrólise. Liases: eliminação de grupos funcionais para a formação de ligações duplas. Isomerases: reações de isomerização Ligases: formação de ligações químicas acopladas à hidrólise do ATP Enzimas: Especifidade da Reação Enzimas reagem com subtratos específicos: Especificidade estérica Especificidade geométrica Enzimas: Redução da energia de ativação Enzimas reduzem a energia de ativação principalmente pela estabilização do estado de transição TS: estado de transição ES: complexo enzimasubstrato EP: complexo enzimaproduto 6

7 Enzimas: Mecanismos de aumento da taxa de reação: Efeitos de proximidade e orientação Reações entre moléculas fisicamente ligadas a uma enzima aumentam drasticamente a probabilidade de colisão, comparado à probabilidade de colisão das mesmas moléculas em solução. As moléculas que interagem não estão somente próximas umas das outras nas enzimas, mas também orientadas de forma ótima para viabilizar a reação. Reação bimolecular,elevada energia de ativação, taxa de reação reduzida Reação unimolecular, elevada probabilidade de contato acelera taxa de reação Mobilidade reduzida dos grupos químicos os mantém em uma orientação relativa ótima para a reação Enzimas: Mecanismos de aumento da taxa de reação: Estabilização do estado de transição Mecanismo mais importante de aceleração das taxas de reação anticorpos catalíticos Enzimas: Mecanismos de aumento da taxa de reação: Induced Fit Alteração da conformação da enzima após acoplamento do substrato Acoplamento de uma molécula de glicose à hexocinase: exclusão de água Glicose + ATP Glicose-6-fosfato + ADP 7

8 Enzimas: Mecanismos de aumento da taxa de reação: Catálise eletrostática Quando o substrato se liga na enzima, a água é geralmente excluída do ponto de contato. Isto reduz a constante dielétrica no ponto de contato entre o substrato e a enzima, facilitando interações eletrostáticas entre a enzima e o substrato Protege os grupos funcionais da ação da água Se a água participar da reação enzimática, o seu acesso ao sítio ativo será controlado Viabiliza a ação de grupos com caga elétrica da enzima na interação Enzimas: Mecanismos de reação - Ácido-base idrólise de ligações ésteres ou peptídicas, reações com grupos de fosfato, adição de grupos carbonila, etc. A enzima evita a formação de intermediários com carga elétrica instáveis durante a reação através da disponibilização de grupos funcionais com localização apropriada para a Doação de prótons (ácido) Adsorção de prótons (base) Os prótons trocados entre o substrato e a enzma serão devolvidos à enzima no final da reação Grupos funcionais da proteína que catalisam reações ácido-base: Imidazol (histidina), grupo amina α, grupo carboxila α, tiol da cisteína, carboxilas R do glutamato e do aspartato, ε-amina da lisina, O aromático da tirosina, grupo guanidina da arginina Enzimas: Catálise covalente Intermediário da reação estabilizado por ligação covalente à enzima Os grupos R da histidina, asparagina, lisina, cisteína e serina podem participar destas ligações atuando como nucleófilos Modo principal de catálise das coenzimas piridoxal fosfato e tiamina pirofosfato 8

9 Mecanismo químico da quimotripsina I R 2 N 4 3 Mecanismo químico da quimotripsina II Enzimas: Participação dos aminoácidos na catálise Somente uma proporção muito pequena dos aminoácidos de enzimas participam da reação! 9

10 Enzimas: Catálise por íons metálicos Íons metálicos atuam da seguinte maneira: Garantir o acoplamento do substrato ao sítio ativo na orientação correta Mediação de reações de óxido-redução Estabilização de cargas eletrostáticas Estabilização de cargas negativas Metaloenzimas possuem íons de metais fortemente ligados: Fe +2, Fe +3, Cu +2, Zn +2, or Mn +2 Enzimas ativadas por metais possuem íons metálicos acoplados por ligações fracas: Na +, K +, Mg +2, or Ca +2 Alguns grupos prostéticos são complexos orgânicos com íons metálicos: hemina histidina hemina cisteína Fe 2 S 2 Enzimas: cofatores Moléculas orgânicas, geralmente derivadas de vitaminas, que auxiliam na catálise e são indispensáveis para a atividade enzimática Cada cofator catalisa uma classe específica de reações cofatores podem ou não estar permanentemente ligados à enzima Se ligam perto do sítio ativo Coenzima A: Transferência de acilas (C 2 ) Vitamina: ácido pantotênico Enzimas: cofatores Cofatores de óxido-redução: Catalisam a transferência de elétrons NADP (Nicotina-adenina-dinucleotídeo-fosfato) NAD (Nicotina-adenina-dinucleotídeo) Niacina ou vitamina B 3 NAD(P) (oxidado) NAD(P) 2 (reduzido) FAD (Flavina-adenina-dinucleotídeo) Vitamina B 2 FAD (oxidado) FAD 2 (reduzido) 10

11 Enzimas: cofatores Cofatores de transaminação: Catalisam a transferência de grupos amina Piridoxalfosfato (vitamina B 6 ) Piridoxina Piridoxamina Piridoxal Enzimas: cofatores Cofatores de transcarboxilação: Catalisam a transferência de grupos carboxila Biotina (vitamina biotina) Biotina Biotina com grupo carboxílico Enzimas: cofatores Cofatores de transferência de grupos C1: Ácido tetrahidrofólico e derivados Reações essenciais na síntese de serina,metionina, glicina, colina e purinas vitamina: ácido fólico: Ácido tetrahidrofólico e derivados: 11

12 Enzimas: Efeito da temperatura e do p na taxa de reação Enzima p ótimo Pepsina 1,5 Sucrase 6,2 Catalase 7,3 Arginase 9,0 Fosfatase alcalina 9,5 Cinética de Reações Enzimáticas Lei de Michaelis- Menten k 1 E + S ES E + P k -1 No início : P <<<< S v 0 = k 2 [S] k 2 k -2 v 0 : velocidade inicial de reação Taxa de formação de ES: k 1 ([E t ] [ES]) [S] E t : concentração total da enzima Taxa de destruição de ES: k -1 [ES] + k 2 [ES] Cinética de Reações Enzimáticas Lei de Michaelis- Menten Para condições de estado estacionário da reação enzimática ([ES] constante): k 1 ([E t ] [ES]) [S] = k -1 [ES] + k 2 [ES] k 1 [E t ] [S] k 1 [ES]) [S] = (k -1 + k 2 ) [ES] [ES] = k 1 [E t ] [S] k 1 [S] + k -1 + k 2 K M = k 2 + k -1 k 1 K M : constante de Michaelis- Menten 12

13 Cinética de Reações Enzimáticas Lei de Michaelis- Menten [ES] = v 0 = [E t ] [S] K M + [S] k 2 [E t ] [S] K M + [S] v 0 = V max [S] K M + [S] Equação de Michaelis-Menten Cinética de Reações Enzimáticas Significado do Km Cinética de Reações Enzimáticas Constante catalítica Kcat k cat = V max [Et] Quando a enzima está saturada com substrato, kcat é equivalente ao número total de moléculas do substrato transformada por unidade de tempo por cada sítio ativo Número de turnover 13

14 Cinética de Reações Enzimáticas Eficiência catalítica EC = K cat K M Em condições fisiológicas, [S] < K M EC é um indicador da eficiência catalítica de uma enzima O limite superior do valor de EC é a taxa de difusão da molécula na água (cerca de 10 9 M/s na água na temperatura ambiente Enzima Substrato K cat (s -1 ) K M (M) K cat /K M (M -1 s -1 ) Acetilcolinesterase acetilcolina 1,4x10 4 9x10-5 1,5x10 8 Anidrase carbônica CO 2 1x10 6 1,2x10-2 8,3x10 7 CO - 3 4x10 5 2,6x10-2 1,5x10 7 Catalase 2 O 2 1x10 7 2,5x10-2 4X10 8 Fumarase fumarato 8x10 2 5x10-6 1,6x10 8 malato 9x10 2 2,5x10-5 3,6x10 7 Urease uréia 1x10 4 2,5x10-2 4x10 5 Cinética de Reações Enzimáticas Inibição da atividade enzimática Inibição competitiva Inibição não-competitiva Inibição incompetitiva 14