enzimas

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08/09/2011 1 BIOQUÍMICA ENZIMAS Prof. Dra. Ana Carolina S. Siquieroli Instituto de Genética e Bioquímica Conteúdo de Enzimas: Conceito de catalisadores biológicos, substrato, sítio ativo, co-fatores, coenzimas, vitaminas Cinética enzimática: Equação de Michaelis-Menten, conceito de Km, Vm, Kcat, Kcat/Km Tipos de catálise enzimática Inibidores enzimáticos Regulação enzimática BIOQUÍMICA I - MEDICINA

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Enzimas

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08/09/2011

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BIOQUÍMICA

ENZIMAS

Prof. Dra. Ana Carolina S. Siquieroli

Instituto de Genética e Bioquímica

Conteúdo de Enzimas:

Conceito de catalisadores biológicos, substrato, sítio

ativo, co-fatores, coenzimas, vitaminas

Cinética enzimática: Equação de Michaelis-Menten,

conceito de Km, Vm, Kcat, Kcat/Km

Tipos de catálise enzimática

Inibidores enzimáticos

Regulação enzimática

BIOQUÍMICA I - MEDICINA

08/09/2011

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Enzimas são um grupo desubstâncias orgânicas denatureza normalmente protéica* com atividade intra ouextracelular e que têm funçõescatalisadoras, catalisandoreações químicas que, sem asua presença, dificilmenteaconteceriam.

* RNAs também podem atuar como enzimas,chamadas ribozimas

Enzimas - Catalisadores Biológicos

Catalisador é toda e qualquer substância que

acelera uma reação, diminuindo a energia de

ativação, diminuindo a energia do complexo ativado,

sem ser consumido, durante o processo.

Um catalisador normalmente promove um caminho

(mecanismo) molecular diferente para a reação.

Enzimas - Catalisadores Biológicos

CO2 + H20

Energia

enzimas

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As enzimas promovem o abaixamento da energia de

ativação necessária para que se dê uma reação

química, resultando no aumento da velocidade da

reação e possibilitando o metabolismo dos seres

vivos.

A capacidade catalítica das enzimas torna-as

adequadas para aplicações industriais, como na

indústria farmacêutica ou na alimentar.

Enzimas - Catalisadores Biológicos

Apresentam uma eficiência catalítica extraordinária:

Tem um alto grau de especificidade por seu substrato

Aceleram as reações químicas de maneira formidável

Funcionam em soluções aquosas, sob condições muito

suaves de temperatura e ph.

ENZIMAS

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São fundamentais para qualquer processo biológico

Agindo em sequências organizadas elas:

catalizam centenas de reações sucessivas

pelas quais as moléculas nutrientes são degradadas,

a energia química é conservada e transformada

as macromoléculas biológicas são sintetizadas a partir

de moléculas precussoras livres.

Não são consumidas durante a reação

ENZIMAS

E E ++ SS EE ++ PP

ENZIMAS

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Importância prática:

Em algumas doenças ocorre uma deficiência ou mesmoausência total de uma ou mais enzimas

Ou até mesmo pode ocorrer excessiva atividade de umaenzima

Quantificação da atividade de algumas enzimas no plasma sanguíneo, eritrócitos ou amostras de tecidosão importantes no diagnóstico de várias doenças.

Muitas drogas exercem seu efeito biológico por meiode interações com as enzimas.

ENZIMAS

Fenilcetonúria: doença causada pela incapacidade

do organismo em produzir a enzima fenilananina-4-

monoxigenase, que converte o aminoácido

fenilalanina em tirosina.

Como resultado da falta da enzima, ocorre o acúmulo da

fenilalanina, que pode causar danos ao sistema nervoso.

Esse é um dos motivos pelos quais os fenilcetonúricos

devem ingerir quantidades mínimas do aminoácido

fenilananina

A doença pode ser detectada ainda cedo com a

realização do teste do pezinho.

ENZIMAS

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As enzimas foram descobertas no século XIX, por Pasteur, que

concluiu que a fermentação do açúcar em álcool pela levedura é

catalisada por fermentos. Ele postulou que esses fermentos eram

inseparáveis da estrutura das células vivas do levedo.

Em 1878, Wilhelm Kühne empregou pela primeira vez o termo

"enzima" para descrever este fermento,

Em 1897, Eduard Buchner descobriu que os extratos de levedo

podiam fermentar o açúcar até álcool e provou que as enzimas

envolvidas na fermentação continuavam funcionando mesmo

quando removidas das células vivas. Esta descoberta valeu-lhe o

premio Nobel de Química em 1907.

ENZIMAS - Histórico

Restava determinar qual a natureza das enzimas. Em 1926, James

B. Sumner purificou e cristalizou a urease, mostrando tratar-se de

uma proteína pura, e fez o mesmo, em 1937, para a catalase.

A prova final foi feita por Northrop e Stanley em 1930, com o

estudo de três enzimas digestivas, a pepsina, a tripsina e a

quimotripsina, pelo que receberam o Prémio Nobel da Química em

1946.

ENZIMAS - Histórico

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As enzimas são proteínas, e podem ter tamanhos

variados

A atividade das enzimas são determinadas pela sua

estrutura quaternária.

ENZIMAS - Estrutura

As enzimas exibem uma elevada especificidade

Emil Fischer (1894): alto grau de especificidade das

enzimas originou o modelo Chave-Fechadura, que

considera que a enzima possui sitio ativo

complementar ao substrato.

ENZIMAS – Modelo Chave-fechadura

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Em 1958, Daniel Koshland sugeriu uma modificação

ao modelo de chave-fechadura:

uma vez que as enzimas exibem estruturas flexíveis, elas

podem alterar a sua forma de maneira continuada

através de interações com o substrato, enquanto esse

mesmo substrato vai interagindo com a enzima.

ENZIMAS – Modelo de Encaixe Induzido

A maioria das enzimas são maiores do que o

substrato sobre o qual atuam, e só uma pequena

porção da enzima (cerca de 3-4 aminoácidos) está

envolvida na catálise.

A região que contém estes resíduos catalíticos, que

se liga-se ao substrato e que desempenha a reação,

é denominada de sítio ativo.

ENZIMAS - Estrutura

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sítio ativos, ou sítios catalíticos:

consistem basicamente em “encaixes”, onde se ligarão

sustâncias específicas chamadas substratos que são os

reagentes em uma reação biológica.

Note que o sítio ativo das enzimas geralmente é

específico para somente um tipo de substrato, liga-

se somente a ele, e não a várias outras moléculas

distintas

sítio ativo

Ligação de um substrato ao sítio ativo de uma enzima, devido à complementaridade entre ambos. STRYER, et al., 2002.

ENZIMAS - Estrutura

As enzimas também podem ter sítios onde se ligam co-fatores, que são necessários às reações catalíticas.

Várias enzimas consistem apenas da cadeia polipeptídica, todavia, outras requerem a ligação desses co-fatores para que possam funcionar (tornarem-se ativas) exercendo seu papel de catalisadoras biológicas.

O co-fator é então a porção não protéica da enzima. Nos casos em que há a necessidade de co-fatores, a parte protéica da enzima, inativa, é chamada apoenzima, e ao conjunto apoenzima mais o co-fator, sendo este conjunto ativo, dá-se o nome holoenzima.

ENZIMAS - Estrutura

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Estrutura Estrutura

EnzimáticaEnzimática

Apoenzima ou

Apoproteína

Holoenzima

Co-fatorProteína

Pode ser:

• íon inorgânico

• molécula orgânica

Coenzima

ENZIMAS

De forma geral, os co-fatores mais comum são:

Íons metálicos, como:

o Cu+2, Mg+2, Zn+2, Fe+2, Fe+3

Vitaminas.

Neste caso, quando o co-fator é outra molécula orgânica,

dá-se a ele o nome de coenzima.

ENZIMAS

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As coenzimas são pequenas moléculas que transportam grupos químicos de uma enzima para outra.

Alguns destes compostos químicos, como a riboflavina, a tiamina e o ácido fólico, são vitaminas, compostos que não são sintetizados no organismo e que têm de ser assimilados através da dieta.

Os grupos químicos transportados incluem o íon hidreto (H-) transportado pelo NAD ou NADP+, o grupo acetil transportado pela coenzima A, os grupos metil transportados pelo ácido fólico

As coenzimas sofrem regeneração e as suas concentrações são mantidas a um nível estável dentro da célula.

Por exemplo, o NADPH é regenerado através da via das pentoses-fosfato

ENZIMAS

Algumas enzimas também podem ter sítios de

ligações para pequenas moléculas, que são

produtos ou substratos, diretos ou indiretos, da

reação catalisada.

Estas ligações servem para aumentar ou diminuir a

atividade da enzima, providenciando um meio de

regulação por feedback.

ENZIMAS

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A atividade enzimática é influenciada por:

pH;

temperatura;

concentração das enzimas;

concentração dos substratos;

presença de inibidores.

ENZIMAS

Temperatura: o aumento da temperatura pode elevar

a velocidade da reação catalisada até certo ponto,

chamado de temperatura ótima para a ação da

enzima

Isso se deve ao fato de que aumenta o grau de agitação

das moléculas, e com isso, o número de colisões

eficazes entre elas, resultando em reações químicas.

A partir desse ponto, o aumento da temperatura

começa a desnaturar a enzima, sendo que a perda

da estrutura tridimensional faz com que ela perca

sua capacidade catalítica.

ENZIMAS

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ENZIMAS

pH: meios muito ácidos ou muito alcalinos também

podem afetar a atividade enzimática ao desnaturá-la.

De forma geral, as enzimas atuam em faixas de pH, o

chamado pH ótimo, de acordo com a localização celular

ou o órgão.

Fora da faixa de pH ótimo, a atividade da enzima decai

drasticamente.

Por exemplo, enzimas como a pepsina, presente no suco

gástrico, atuam em meios ácidos, ao passo que as enzimas

dos sucos pancreático e entérico atuam em meios alcalinos.

ENZIMAS

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Estudo dirigido 1.Diferencie catalisadores químicos e biológicos. Discutir as vantagens da presença

de enzimas nos seres vivos.

2. Defina sítio ativo (ou centro ativo) de uma enzima.

3. Qual é o significado do termo “saturação da enzima” e qual a sua relação com a

velocidade máxima?

4. O que são holoenzimas, apoenzimas, cofatores e coenzimas? Qual a relação entre

as vitaminas e as coenzimas?

5. Definir faixa de pH ótimo para a enzima.

6. Faça uma distinção entre os modelos chave-fechadura e ajuste-induzido para a

ligação do substrato a uma enzima.

A cinética enzimática analiza a velocidade da reação

e suas alterações

A concentração do substrato afeta a velocidade das

reações catalisadas por enzimas?

CINÉTICA ENZIMÁTICA

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CINÉTICA ENZIMÁTICA

velo

cid

ade inic

ial V

o

[S]

Vmáx

½ Vmáx

Km

Efeito em Vo provocado pela

variação da concentração do

substrato [S] quando a

concentração da enzima é

mantida constante

Em altas concentrações de S,

Vo aumenta cada vez menos

em resposta aos aumentos da

[S].

Finalmente atinge-se um

patamar que é a Velocidade

máxima (Vmáx)

A combinação de uma enzima com o seu substrato

para formar o complexo ES é um passo obrigatório

na catálise enzimática:

Em uma segunda etapa lenta, o complexo ES se

quebra liberando a enzima livre e o produto da

reação:

Como esta etapa é mais lenta, ela limita a velocidade

da reação, ou seja a velocidade é proporcional a [ES]

CINÉTICA ENZIMÁTICA

K1

K2

K-1

K-2

E + S ES

ES E + P

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Em qualquer instante da reação enzimática existe:

Em baixas [S] a maior parte da ezima está na forma E

Desta maneira, a velocidade da reação será proporcional

a [S]

A Vmáx será atingida quando quando praticamente

todas as moléculas da enzima estiverem na forma ES

CINÉTICA ENZIMÁTICA

E livre: E E livre: E E ligada a S: ESE ligada a S: ES

Nestas condições a enzima está SATURADA com

seu substrato e a velocidade da reação não

aumenta mais com novos aumentos da [S].

Em seguida, o complexo ES transforma-se no

produto P e a enzima é liberada para catalisar a

transformação de outra molécula de substrato.

CINÉTICA ENZIMÁTICA

ES E + PK2

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CINÉTICA ENZIMÁTICA

velo

cid

ade inic

ial V

o

[S]

Vmáx

½ Vmáx

Km

A curva que expressa a

relação entre [S] e Vo tem a

forma de uma hipérbole

retangular

Que pode ser expressa

matematicamente pela

equação de Michaelis-Menten

Derivaram sua equação

partindo da hipótese básica

de que o passo limitante da

velocidade nas reações

enzimáticas seria a quebra do

complexo ES para formar P +

E livre

CINÉTICA ENZIMÁTICA

A equação de Michaelis-Menten:

Termos importantes:

[S] – concentração do substrato

Vo – velocidade inicial

Vmáx – velocidade máxima

Km – constante de Michaelis

K – constante de velocidade da reação

Vo = Vmáx[S]

Km + [S]

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Uma importante relação numérica emerge da

equação de Michaelis-Menten no caso especial em

que Vo é exatamente a metade de Vmáx:

Dividindo por Vmáx:

CINÉTICA ENZIMÁTICA

Vmáx = Vmáx[S]

2 Km + [S]

1 = [S]

2 Km + [S] Km + [S] = 2 [S]

Km = [S] quando Vo = ½ Vmáx

CINÉTICA ENZIMÁTICA

velo

cid

ade inic

ial V

o

[S]

Vmáx

½ Vmáx

Km

Isto representa uma definição prática e muito útil para Km –

constante de Michaelis

O Km é equivalente à concentração do substrato onde Vo é igual

à metade de Vmáx

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CINÉTICA ENZIMÁTICA

Kcat também é chamada de número de renovação e

é equivalente ao número de moléculas do substrato

convertidas em produto por uma única molécula da

enzima, em uma dada unidade de tempo, quando a

enzima está saturada pelo substrato.

Os parâmetros Kcat e Km, em conjunto permitem avaliar a eficiência

catalítica das enzimas

Deve-se analisar a relação Kcat/Km para as duas reações , também

denominada constante específica

Relação Kcat/Km fornece uma boa noção quanto à eficiência

catalítica da enzima, uma vez que relaciona a “rapidez da enzima”

com sua afinidade pelo substrato.

Em termos práticos, quanto maior o valor da relação Kcat/Km maior

será a eficiência catalítica.

CINÉTICA ENZIMÁTICA

Vo = Kcat

Km

[Et] [S]

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Catálise ácido-base geral:

Refere-se a transferência de prótons mediadas por outra

classe de moléculas

Catálise covalente:

É formada uma ligação covalente transitória entre a

enzima e o substrato

Catálise por íons metálicos:

Metais firmemente ligados à molécula da enzima

participam na catálise

TIPOS DE CATÁLISE

A atividade enzimática pode ser reduzida por grande

número de substâncias – inibidores

Os inibidores podem ser constituintes normais das

células ou substâncias estranhas ao organismo

Sua presença provoca alterações significativas no

metabolismo – reguladores importantes

INIBIDORES ENZIMÁTICOS

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Clínica:

A possibilidade de inibir reações enzimáticas é um

campo aberto para aplicações farmacológicas

Muitos medicamentos utilizam-se deste princípio

Ex: sulfonamidas – no combate a infecções bacterianas

Inibição de uma enzima bacteriana

INIBIDORES ENZIMÁTICOS

Meio ambiente:

Combate a insetos

Inibidores enzimáticos

Acetilcolinesterases – inibidores de acetilcolina (SN)

Detritos industriais

INIBIDORES ENZIMÁTICOS

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INIBIDORES ENZIMÁTICOS

Inibidores EnzimáticosInibidores Enzimáticos

IrreversíveisIrreversíveis ReversíveisReversíveis

Competitivos Não-competitivos

Reagem quimicamente com as enzimas, levando a

uma inativação praticamente definitiva

Tóxico para os organismos:

Devido à sua irreversibilidade da sua ligação às enzimas

Devido à sua inespecificidade

Ligam-se aos aminoácido serina ou cisteína, frequentes na

estrutura de quase todas as proteínas – portanto capaz de

inativar qualquer enzima

INIBIDORES ENZIMÁTICOS

IrreversíveisIrreversíveis

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Clínica:

Inibidores irreversíveis com propriedades

terapêuticas:

Aspirina (ácido acetil-salicílico) – antiinflamatório,

antipirético e analgésico

Inibe uma enzima da via de síntese da prostaglandinas e

consequentemente ocorre uma atenuação de reações

inflamatórias

INIBIDORES ENZIMÁTICOS

Competem com o substrato pelo mesmo centroativo da enzima

Certas moléculas por apresentarem configuraçãoespacial semelhante à do substrato, são capazes de ligarem-se ao centro ativo da enzima

E formarem um complexo enzima-inibidor, semelhante aocomplexo enzima-substrato (ES)

INIBIDORES ENZIMÁTICOS

ReversíveisReversíveis

Competitivos

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Quando uma molécula de enzima é liberada, irá se associar a novas moléculas de inibidores ou de substrato

com uma probabilidade que dependerá de suasconcentrações relativas

e das afinidades relativas entre a enzima e o substrato e a enzima e o inibidor

Inibidores competitivos: muda o Km, mas não interfere na Vmax.

INIBIDORES ENZIMÁTICOS

E + Ic EIc

Clínica:

Os inibidores competitivos tem largo emprego

terapêutico:

AZT – inibidor de DNA polimerase (transcriptase reversa)

– necessária para a replicação do vírus HIV

Quimioterapia de tumores

INIBIDORES ENZIMÁTICOS

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Não possuem qualquer semelhança estrutural com o substrato da reação que inibem

Seu efeito é provocado pela ligação à radicais que nãopertencem ao centro catalítico da enzima

Esta ligação altera a estrutura enzimática a tal ponto queinvibializa a catálise

Se ligam a cadeia lateral de um aminoácido de forma bastante inespecífica

ReversíveisReversíveis

Não-competitivos

INIBIDORES ENZIMÁTICOS

São exemplos de inibidores não competitivo:

Metais pesados como Hg2+, Pb2+ e Ag+ que reagem

com o grupo SH das proteínas

Como são pouco específicos, a ingestão direta ou

indireta (alimentação) é extremamente tóxica

Inibidores não-competitivos: muda o Vmax, mas não

interfere no Km.

INIBIDORES ENZIMÁTICOS

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Mecanismos:

1. Controle da disponibilidade de enzimas

Exercido sobre as velocidades de síntese e degradação das enzimas, que determinam sua concentração celular

2. Controle da atividade da enzima

Efetuado por mudanças estruturais da molécula enzimática, provocada pela ligação de compostos ou grupos à cadeiapolipeptídica e que modificam a velocidade de catálise Regulação alostérica – ligação não covalente

Modificação covalente – ligação covalente

REGULAÇÃO ENZIMÁTICA

O alvo da regulação alostérica e covalente são

certas enzimas-chave

Presentes nas vias metabólicas – enzimas

reguladoras:

Determinam a velocidade de toda a sequência de

reações da qual participa

Pois catalisa a reação mais lenta ou a reação limitante da

velocidade

Em muitos sistemas multienzimáticos, a primeira enzima

da sequência é uma enzima reguladora

REGULAÇÃO ENZIMÁTICA

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Existem duas classes de enzimas reguladoras:

As enzimas alostéricas:

Funcionam por meio da ligação não-covalente reversíveis de compostos reguladores chamados reguladores alostéricos

Geralmente são pequenos metabólicos ou co-fatores

As enzimas reguladas por uma modificação covalentereversíveis

Ambas as classes apresentam subunidades múltiplas

Sítios catalíticos e sítios reguladores estão emsubunidades separadas

REGULAÇÃO ENZIMÁTICA

Certas enzimas, cujo local de ação é extracelular(plasma, trato digestivo)

São sintetizadas na forma de precussores inativos –zimogênios

Para se tornar ativo é necessário que ocorra a hidólise de determinadas ligações peptídicas

Adquirem outra conformação - ativos

ZimogênioZimogênio

REGULAÇÃO ENZIMÁTICA

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Pepsinogênio – origina a pepsina na cavidade

gástrica pela remoçào de 42 aa, sob a ação de íons

H+

Tripsinogênio e quimotripsinogênio, de origem

pancreática são transformados em tripsina e

quimotripsina no intestino delgado

REGULAÇÃO ENZIMÁTICA

Estudo dirigido 1. Numa reação enzimática, todo o sítio ativo está saturado com moléculas de

substrato em concentração 10 mM. O que acontece com a velocidade da reação

quando a concentração de substrato for 30 mM?

2. Escrever a equação de Michaelis-Menten e substituir V0 por ½ Vmax e definir o Km.

3. A hexoquinase é uma enzima que catalisa a reação de fosforilação da glicose e da

frutose no carbono 6, com valores de Km de 0,05 mM e 1,5 mM, respectivamente.

Qual é o substrato que a hexoquinase apresenta maior afinidade?

4. Uma enzima foi testada frente a 3 diferentes substratos (A, B e C). Com base nos

parâmetros cinéticos encontrados (tabela a baixo), qual foi o substrato que a enzima

transformou com maior eficiência?

5. Diferencie inibidores competitivos de inibidores não competitivos. Na prática, como

é possível distingui-los?

6. Explique o mecanismo de controle por ativação de zimogênios. Muitas enzimas

pancreáticas, como a tripsina e quimotripsina, são secretadas na forma de

tripsinogênio e quimotripsinogênio. O que aconteceria com o pâncreas caso esses

enzimas não fossem secretadas na forma de zimogênios?

Substrato Km (mM) Kcat (seg-1

) Kcat/Km (mM-1

seg-1

)

A 15 0,14

B 30 0,06

C 25 2,80