Processos catalíticos mediados por enzimas que contém metais Shriver e Atkins, cap 26 Catálise ácido-base Pense: muitas reações catalisadas por ácidos ou bases requerem concentrações de H + ou de OH - da ordem de 0,1 mol/l, ou maiores. Seria possível para as células empregar estes catalisadores convencionais em suas reações? Pense: se a catálise ácido-base convencional não é possível nos sitemas biológicos, qual a outra alternativa para se acelerar uma determinada reação?
Revendo energia de ativação e as reações catalisadas Ao diminuir a energia de ativação, os catalisadores permitem que a reação ocorra com maior facilidade (mais vezes em um espaço de tempo definido)
Enzimas que contém Zinco e a catálise ácido-base Na maioria das enzimas que contém zinco (e apresentam capacidade de catálise ácido-base), o Zn está na forma Zn 2+ e se coordena com 3 ligantes nitrogenados da proteína (normalmente histidinas) e água Pense: Porque o Zn 2+ aparece frequentemente em proteínas na estrutura com 4 ligantes (usualmente tetraédrico) e não octaédrico como os íons Fe 2+ e Fe 3+?
O metal Zn slide da aula 9 (dedos de Zn) Fe >> 30 elétrons 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 0 No Zn 2+ >> 3d 10 4s 0 Não há energia de estabilização pelo desdobramento de orbitais "d" 4 ligantes (tetraédrico) são melhor acomodados do que 6 (octaédrico) devido a ausência de estabilização de orbitais "d" e menor repulsão elétron-elétron
Mecanismo de ação "Zn-hidróxido" Neste caso, a molécula de água complexada com o íon Zn 2+ tem seu pka alterado em cerca de 3 unidades a menos H 2 O H + + OH - pka = 7 H 2 O (coord.) H + + OH - pka 4
A alteração no pka da água significa, na prática, que ocorre a formação de íon hidróxido no sítio ativo da enzima. O íon OH - é um nucleófilo forte (base de Lewis eficiente para transferir elétrons), ou seja, um bom doador de elétrons e pode atacar, por exemplo, grupos carbonílicos H 2 O H + + OH - pka = 7 H 2 O (coord.) H + + OH - pka 4 Mecanismo de ação "Zn-hidróxido"
Exemplo: Anidrase carbônica - enzima presente nas células vermelhas do sangue >>> fundamental para o transporte de CO 2 (baixa solubilidade) na forma de HCO 3 - (elevada solubilidade) Em ph 7,0: CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 HCO 3 - + H + K = 10-3 s -1 ANIDRASE CARBÔNICA CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 HCO 3 - + H + K = 10 6 s -1
Sítio catalítico da Anidrase carbônica - enzima fundamental para o transporte de CO2 na forma de HCO 3 - Note que há a participação dos ácidos glutâmico e do triptofano no sítio catalítico CO 2 se acopla ao sítio catalítico e o Carbono recebe a adição de OH -. Posteriormente, o HCO 3 - deixa o sítio catalítico sendo substituído por água
Mecanismo de ação "Zn-carbonila" Neste caso, a molécula de um substrato que contém um grupo carbonila se liga ao sítio catalítico com o íon Zn 2+, tornando a ligação C=O ainda mais polarizada e susceptível ao ataque de um nucleófilo fraco, como a água, por exemplo
Exemplo: a enzima carboxipeptidase - uma protease, pois catalisa a hidrólise de uma ligação peptídica (função amida)
Pense: Como seria a correspondente hidrólise de uma ligação peptídica catalisada por ácidos e não por enzimas. Consulte um livro de química orgânica se necessário. Faça um contraponto entre os dois tipos de reação Hidrólise alcalina de proteínas 6 mol/l e 120 o C: Porque a reação só ocorrem em condições severas +
Fosfatase alcalina - hidrólise de ésteres orgânicos de fosfato (ex: ATP)
H 2 O -CH 2 OH + HO-PO 3 2- Pense: porque o ph ótimo de ação desta fosfatase é na região alcalina (normalmente acima de 7,5)
Álcool desidrohenase - Uma enzima que oxida os álcoois a aldeídos, mas depende da redução simultânea de NAD + à NADH (enzima comum no fígado) CH 3 CH 2 OH + NAD + CH 3 CHO + NADH + H + CH 3 CH 2 OH CH 3 CHO CH 3 COOH Acetyl-CoA 3H 2 O+2CO 2 Em leveduras, a álcool desidrogenase tem função de catálise inversa >> crucial na síntese de etanol durante a fermentação. A enzima converte acetaldeído em etanol, através da regeneração de NAD +
Álcool desidrohenase - Mecanismo de ação: Oxi-redução na molécula de NADH/NAD +
Álcool desidrohenase -Mecanismo de ação: No sítio catalítico contendo Zn 2+, o álcool se coordena com o Zn 2+, e a molécula de NAD se aproxima HORSE LIVER ALCOHOL DEHYDROGENASE COMPLEXED WITH 2,3,4,5,6-PENTA-FLUOROBENZYL ALCOHOL AND NAD Active site residues (His67,Cys174,Cys46) shown as sticks (green); Part of NAD shown as sticks (red); Zn shown as sphere (magenta); Atoms colored by atom type: (carbon-gray/green/red, nitrogen-blue, oxygen-firebrick, sulfur-orange, hydrogenwhite); Zinc coordination shown as dashed lines (yellow)
Mecanismo de ação: No sítio catalítico contendo Zn 2+, antes do acoplamento do álcool a água substitui um ácido glutâmico. Logo a seguir o álcool se coordena com o Zn2+, e a molécula de NAD+ é reduzida a NADH
Enzimas de Magnésio (Mg 2+ ): Exemplo: Rubisco (Ribulose-1,5- bisphosphate carboxylase/oxygenase) - a enzima mais abundante na biosfera: catalisa a incorporação de CO 2 em uma molécula de ribulose-1,5-difosfato Existe em todas as plantas e é fundamental na fotossíntese Consiste de 2 subunidades: cadeia longa (L, 55 kda) e cadeia curta (S, 13 kda) As cadeias se unem em 8 (4 dímeros) com uma massa molar aparente de 540 kda
Mg 2+ octaédrico na rubisco Quebra da ribulose com uma nova ligação C-C, (ribulose- CO2) Parte orgânica da molécula de ribulose- 1,3-difosfato Substituição de 2 águas pelo enol e migração do proton da lisina Adição de água ao enol e CO 2 à dupla, que abre. O intermediário desloca outra água
Próxima aula: Enzimas de Ferro - oxi-redução Shriver e Atkins, e cap. 26