Bioquímica Estrutural Enzimas

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Enzimas

• São proteínas que aceleram a velocidade das reações químicas em sistemas biológicos;

• Não são consumidas ou alteradas durante a catálise;

• São altamente específicas em relação aos seus substratos;

• Não alteram o equilíbrio das reações;

• Têm sua atividade regulada geneticamente ou por condições metabólicas

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Classificação

Classe Tipo de reação catalisada

1- Oxidorredutases Reações de óxido-redução

2- Transferases Transferência de grupos funcionais

3- Hidrolases Reações de hidrólise

4- Liases Remoção de grupos

5- Isomerases Isomerização

6- Ligases Formação de ligação entre 02 moléculas

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Cofatores e coenzimas

• Algumas enzimas são proteínas simples. Exemplos: pepsina, tripsina

• A maioria das enzimas necessitam de cofatores e coenzimas para exercerem atividade catalítica;

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Cofatores metálicos

Metais de transição Metais alcalino e alcalino terrosos

Fe2+ Na+

Zn2+ K+

Cu2+ Mg2+

Ca2+

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Coenzimas

Coenzima Fonte vitamínica

Coenzima A Ácido pantotênico

Flavina Riboflavina (B2)

Nicotinamida Nicotinamida (Niacina)

Pirofosfato de tiamina Tiamina (B1)

Retinal Vitamina A

Moléculas orgânicas pequenas, frequentemente derivadas de vitaminas

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Isoenzimas

• As isoenzimas ou isozimas são formas moleculares múltiplas de uma enzima, que realizam a mesma ação catalítica e ocorrem na mesma espécie animal.

• Exemplo: lactato−desidrogenase (LDH): um tetrâmero formado por duas espécies diferentes de cadeias polipeptídicas, denominadas M (músculo) e H (coração)

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Composição das subunidades da LDH e suas principais localizações

Tipo Composição Localização

LDH-1 HHHH Miocárdio e hemácias

LDH-2 HHHM Miocárdio e hemácias

LDH-3 HHMM Cérebro e fígado

LDH-4 HMMM -

LDH-5 MMMM Músc. esquelético e fígado

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Aplicações clínicas das enzimas

Processo normal de destruição e reposição celular

Enzimas do plasma, LCR, urina e exsudatos

Processos patológicos Lesão tecidual

Aumento da permeabilidade celular

Aumento da concentração no plasma Profª Kasue

Enzimas dosadas no laboratório clínico

Enzimas Órgão ou tecido afetado

Aldolase Músculo, coração

Amilase Pâncreas

CPK Coração, músculo, cérebro

Fosfatase ácida Próstata

Fosfatase alcalina Fígado, ossos

LDH Fígado, coração, eritrócitos

TGP Fígado, coração

TGO Fígado, coração

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Cinética enzimática

Especificidade: As enzimas são altamente específicas tanto na reação catalisada como na sua escolha de reagentes, os quais são chamados de substratos.

Centro ativo: é a região que se liga aos substratos (e ao grupamento prostético, se houver algum), e contém os radicais de aminoácidos que participam diretamente na geração e quebra de ligações. Estes radicais são chamados de grupamentos catalíticos.

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Características do centro ativo: -Ocupa uma parte relativamente pequena do volume total de uma enzima; - É uma entidade tridimensional formada por grupamentos que vêm de diferentes partes da seqüência linear de aminoácidos; - Os substratos são ligados a enzimas por atrações fracas múltiplas; - Centros ativos são fendas ou frestas; - A especificidade de ligação depende do arranjo precisamente definido de átomos no centro ativo.

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Catálise

• Para que uma reação ocorra, as espécies reagentes devem possuir energia que lhes permita atingir um estado reativo, chamado estado de transição. Para levar todos os átomos ou moléculas de um mol de substância ao estado de transição, necessita-se de uma quantidade de energia, em calorias, definida como energia de ativação (Ea)

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Constante de Michaelis-Menten

• A uma concentração constante de enzima, a velocidade de reação aumenta com o aumento da concentração do substrato, até que seja alcançada uma velocidade máxima. Os centros catalíticos são preenchidos e, então, a velocidade de reação alcança o máximo;

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• A concentração de substrato necessária para obter a metade da velocidade máxima é chamada de constante de Michaelis (Km), e é expressa em moles de substrato por litro de solução; • Representa a concentração de substrato necessária para saturar metade da quantidade da enzima e é característica de cada enzima.

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• Características do Km: -Km é característica de uma enzima e seu respectivo substrato; - Reflete a afinidade de uma enzima pelo seu substrato; - É numericamente igual à concentração do substrato no qual a velocidade da reação é igual à ½ Vmáx. Não varia com a concentração da enzima; - Valores baixos de Km: refletem uma alta afinidade da enzima pelo seu substrato; - Valores altos de Km: refletem uma baixa afinidade da enzima pelo seu substrato.

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Fatores que afetam a atividade enzimática

a) Temperatura:

• Quanto maior a temperatura, maior a velocidade da reação;

• Mais moléculas adquirem energia suficiente para atingir o

estado de transição;

• A velocidade é acelerada pelo aumento da temperatura até atingir uma temperatura ótima na qual a enzima opera com a máxima eficiência;

• Como as enzimas são proteínas, os valores de temperatura ótima situam-se entre 40 e 45 °C e dependem do pH e da força iônica;

• Acima dessa temperatura, a atividade das enzimas declina por

desnaturação protéica.

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b) pH

• Alterações moderadas de pH afetam o estado iônico da enzima, e freqüentemente também o do substrato.

• O valor do pH no qual a atividade da enzima é máxima é chamado pH ótimo.

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c) Concentração da enzima

• A velocidade máxima da reação é uma função da quantidade de enzima disponível;

• A velocidade aumenta proporcionalmente pela

introdução de mais enzima ao sistema;

• A velocidade inicial da reação enzimática é

diretamente proporcional à concentração de enzima (existindo substrato em excesso)

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d) Concentração do substrato

• A velocidade inicial da reação é diretamente proporcional à concentração do substrato;

• A adição de mais reagente não aumenta mais a velocidade, pois todo reagente só existe na forma de complexos

enzima−substrato (ES).

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Regulação da atividade enzimática

Inibição enzimática

Modificação covalente

Modificação alostérica

Retroalimentação

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Inibição da atividade enzimática

• Inibidores são substâncias que reduzem a atividade das enzimas;

• Exemplos: fármacos, antibióticos, preservativos de alimentos e venenos;

• Atuam como reguladores das vias metabólicas;

• Muitas terapias por fármacos são baseadas na inibição enzimática;

• Utilizados no desenvolvimento de técnicas para demonstrar a estrutura física e química, e as propriedades funcionais das enzimas.

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Tipos de inibição

Reversível

Competitiva Não

competitiva

Irreversível

Inibição reversível

• Reversível competitiva: Características dos inibidores:

competem diretamente com o substrato normal pelo sítio ativo das enzimas.

São moléculas estruturalmente semelhantes ao substrato.

O inibidor (I) competitivo reage reversivelmente com a enzima para formar um complexo enzima−inibidor (EI) análogo ao complexo enzima−substrato, mas cataliticamente inativo:

E + I EI + S → Não há reação

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Inibição da succinato desidrogenase

• Reversível não competitiva: Características:

O inibidor não-competitivo se liga tanto à enzima como ao complexo ES em um sítio diferente do sítio de ligação do substrato.

A ligação do inibidor não bloqueia a ligação do substrato, mas provoca uma modificação da conformação da enzima que evita a formação de

produto:

E + I EI + S EIS → Não há reação

E + S ES + I EIS → Não há reação

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Modificação covalente

• Características:

Modificações covalentes reversíveis;

Reações catalisadas por outras enzimas;

Exemplo:

- fosforilação: quinases

- defosfolorilação: fosfatases

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Enzima ativa

Fosforilação

(quinases)

Enzima inativa

Defosforilação

(fosfatases)

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Modificação alostérica

• Características das enzimas alostéricas:

Enzimas reguladoras;

Sofrem mudanças conformacionais quando a elas se ligam moduladores específicos;

O sítio de ligação (sítio alostérico) aos moduladores é diferente e distante do sítio ativo;

Os moduladores se ligam reversível e não covalentemente ao sítio alostérico

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Efetor negativo: reduz a afinidade da enzima pelo substrato, diminui a velocidade da reação Efetor positivo: aumenta a afinidade da enzima pelo substrato, eleva a velocidade da reação

Retroalimentação (feedback)

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Ocorre uma diminuição (ou aumento) da atividade enzimática de acordo com o aumento (ou diminuição) de compostos relacionados com o produto da reação.

Regulação de uma via biossintética por inibição retroativa (feedback): Na via de biossíntese da isoleucina a partir da treonina , o acúmulo do produto, isoleucina (F), provoca a inibição da primeira reação da via; a isoleucina liga-se à enzima que catalisa esta reação (enzima 1) reduzindo sua atividade.

Inibidores enzimáticos e fármacos

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Esquema resumido da replicação viral com as etapas em que atuam alguns medicamentos

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NH2 SO2NH2

NH2 COOH N

NH

N

N

NHO

O

O

NH2

NH

O OH

OHSubstrato: PABA

Inibidor: Sulfanilamida

Produto: Ácido fólico

Sulfanilamida compete com o Ácido p-aminobenzóico, na síntese do ácido fólico, necessário para o crescimento bacteriano