Enzimas e Cinética Enzimática

Mustafa Hassan Issa

UNIOESTE – Curso de Enfermagem – Disciplina de Bioquímica

4ª Aula Teórica – Dia 19/03/2014

Referências da Aula:

Livro de Bioquímica do Stryer

Capítulo 8 (5ª Ed. ou 6ª Ed.)

(Obs. Bioquímica de Valter T. Motta: Capítulo 3 – A ser fornecido via mural eletrônico da Disciplina)

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ENZIMAS

E

CINÉTICA ENZIMÁTICA

3

Vias Metabólicas4

“Maestro da orquestra”

Enzimas5

Definição:

São catalisadores biológicos que aumentam a velocidade das reações bioquímicas ao reduzirem a energia livre de ativação, e que apresentam

alta especificidade e eficiência para a reação que participam.

Enzimas6

Observação:

• Com exceção de um pequeno grupo de moléculas de RNA que possuem atividade enzimática, chamadas de RIBOZIMAS, todas as enzimas são PROTEÍNAS.

Enzimas são proteínas7

• Função:- Viabilizar a atividade das células ao

permitir que uma reação bioquímica ocorra em condições favoráveis (ambiente propício): Menor consumo de energia, podendo assim ocorrer no menor tempo possível;

- Viabilizar a formação de novos compostos (Ex. reação de quebra ou ligação).

Enzimas - Função8

Catalisadores Biológicos

Aumentam a velocidade das reações

Atuam diminuindo a energia de ativação

Enzimas - Função9

• Apresentam alto grau de especificidade;

• São altamente eficientes, acelerando a velocidade das reações (103 a 1020 vezes + rápida) (Catalisadores não-enzimáticos: 102 a 104 vezes + rápido);

• Reduzem a energia de ativação de uma reação;

• Não são tóxicas a célula (produto natural da célula).

Enzimas - Características10

• Reações apresentam duas propriedades termodinâmicas:

1) Variação da energia de uma reação (ΔGº): Diferença de energia entre o estado inicial (reagentes) e o estado final da reação (produtos):

• ΔGº Negativo: Reação é espontânea (favorável);• ΔGº Positivo: Reação não é espontânea (desfavorável).

2) Energia necessária para iniciar uma reação: Energia necessária para que um reagente (substrato) se converta num produto.

- Esta propriedade de uma reação bioquímica é influenciada pela ação das Enzimas.

Reações bioquímicas: Termodinâmica e Velocidade

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Representação esquemática das alterações de energia que acompanham a formação do

Complexo E/S.

Velocidade de uma reação depende da energia de ativação

Energia de Ativação: Diferença entre os níveis de energia do estado basal(*) e do estado de transição(*).

**

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• Nos sistemas biológicos a maioria das reações bioquímicas necessita de energia para ser favorável;

• Além disso, necessitam direcionamento para que estas reações possam ocorrer (diversidade muito alta de reações);

• Uma enzima pode direcionar uma reação, permitindo o uso de menos energia (energia de ativação) para que essa ocorra.

Reações bioquímicas: Termodinâmica e Velocidade

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• No processo de uma reação a energia de ativação afeta diretamente a velocidade de uma reação;

• No entanto, quando uma enzima permite um caminho alternativo para que uma reação se processe, ela está oferecendo uma opção para que esta mesma reação aconteça com menor dispêndio de energia de ativação;

• Quando isso ocorre, a reação ocorrerá com maior rapidez pois ocorrerá com a menor energia disponível;

• Ou seja, a catálise enzimática cria condições propícias para uma determinada reação ocorrer.

Reações bioquímicas: Termodinâmica e Velocidade

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Componentes da Reação Enzimática

1) Enzima e Substrato(s) (E / S) - Estágio inicial que necessita energia de ativação (levará ao estado de transição);

2) Complexo Enzima/Substrato (ES) - Momento em que a reação encontra-se no estado de transição, com o arranjo correto dos átomos para ocorrer a origem dos produtos, e também com a energia necessária;

3) Enzima e Produto(s) (E / P) - Momento em que a reação foi realizada. A enzima está livre (novamente para receber novos substratos), e os novos produtos foram formados.

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Componentes da Reação Enzimática

EE ++ SS EESS EE ++ PP

E - EnzimaS - Substrato(s)ES - Complexo Enzima - SubstratoP - Produto(s)

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• Uma enzima apresenta em sua estrutura, uma porção que apresenta arquitetura tridimensional específica (centro catalítico ou sítio ativo);

• Este centro catalítico é específico para o encaixe de uma determinada molécula(s) (substrato(s));

• Nesta porção específica (da enzima específica) a reação de transformação do substrato poderá ocorrer (Ex. reação de quebra ou ligação) com o mínimo de consumo de energia, e portanto, de modo mais rápido (pois a condição foi mais favorável).

Reação Enzimática - Processo

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Componentes da Reação Enzimática

Substratos se ligam ao SÍTIO ATIVO da

enzima

EE ++ SS EE SS PP + + EE

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EnzimasEnzimas atuam diminuindo a energia de ativaçãoatuam diminuindo a energia de ativação

Caminho da reação

E

Energia de ativaçãosem enzima

E

Caminho da reação

Energia de ativaçãocom enzima

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E E ++ SS EE ++ PPEESSH2O2 H2O O2+

Catalase

½

Reação catalisada por uma enzima

produto

sentido da reação

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Passos de uma reação enzimática

- Exemplo - Enzima Fosfoglicomutase: Catalisa a conversão da Glicose 1-Fosfato em Glicose 6-Fosfato na etapa 2 da Glicogenólise.

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Glicogenólise - Passo 2: Conversão da Glicose 1-Fosfato em Glicose 6-Fosfato

- A Enzima Fosfoglicomutase catalisa a conversão da Glicose 1-Fosfato em Glicose 6-Fosfato.

(Um exemplo clássico de catálise enzimática)

Glicose 1- FosfatoGlicose

1,6 – Bisfosfato(Intermediário)

Glicose 6- Fosfato

Centrocatalítico (Enzima Fosfoglicomutase)

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Componentes das Enzimas - Apoenzima + Cofator

Grupo Prostético: Quando uma Coenzima (Cofator Orgânico) encontra-se covalentemente (fortemente) ligada à parte protéica (aminoácidos ou apoenzima).

Resíduos de aminoácidos(Apoenzima)

Holoenzimas = Porção completa e biologicamente ativa

Cofatores: Íons metálicos: Fe2+, Mg2+, Mn2+. Coenzimas: Moléculas orgânicas complexas.

Enzimas Ativas

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Componentes das Enzimas - Conceitos

- Desta forma, temos os seguintes conceitos importantes:

- Apoenzima: Porção protéica (seqüência de aminoácidos);

- Cofator: Porção anexa de Natureza Orgânica (Coenzima ou Cofator Orgânico) ou Inorgânica (Íon Metálico ou Cofator Inorgânico);

- Holoenzima: Molécula biologicamente ativa, composta pela porção Apoenzima (protéica) mais seu Cofator (Coenzima ou Íon Metálico) (quando presentes);

- Grupo Prostético: Coenzima (Cofator Orgânico) fortemente ligada à porção protéica.

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- Algumas enzimas que contêm, ou necessitam de elementos inorgânicos como cofatores.

Enzimas - Cofator Inorgânico25

Enzimas - Cofator Orgânico

Hidrossolúveis Lipossolúveis

VitaminasCompostos orgânicos indispensáveis

Pequenas quantidades Precursores de coenzimas

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- Maioria deriva de vitaminas hidrossolúveis do Complexo B.- Classificam-se em:

- Transportadores de hidrogênio;- Transportadores de grupos químicos.

Coenzima Abreviatura Reaçãocatalisada

Origem

Nicotinamida adeninadinucleotídio

NAD+ Oxi-redução Niacina ouVitamina B3

Nicotinamida adeninadinucleotídio fosfato

NADP+ Oxi-redução Niacina ouVitamina B3

Flavina adeninadinucleotídio

FAD Oxi-redução Riboflavina ouVitamina B2

- Transportadores de hidrogênio:

Enzimas - Cofator Orgânico27

Coenzima Abrev. Reação catalisada Origem Coenzima A CoA-SH Transferência de

grupo acil Pantotenato ou Vitamina B5

Biotina Transferência de CO2

Biotina ou Vitamina H

Piridoxal fosfato PyF Transferência de grupo amino

Piridoxina ou Vitamina B6

Metilcobalamina Transferência de unidades de carbono

Cobalamina ou Vitamina B12

Tetrahidrofolato THF Transferência de unidades de carbono

Ácido fólico

Tiamina pirofosfato

TPP Transferência de grupo aldeído

Tiamina ou Vitamina B1

- Transportadores de grupos químicos:

Enzimas - Cofator Orgânico28

- Região da Enzima que participa da reação com o substrato;- Pode possuir componentes não-protéicos: Cofatores;- Possui aminoácidos auxiliares e de contato.

HOLOENZIMA

Porção protéicaAPOENZIMA

CofatorCofatorCoenzima: Molécula orgânica complexa (NAD)

Porção protéica(APOENZIMA)

Cofator

Inorgânico: Íons que condicionam a ação catalítica das enzimas (Fe²+)

Enzimas - Centro Catalítico / Sítio Ativo

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Enzimas - Centro Catalítico / Sítio Ativo

- O sítio ativo ocupa uma parte relativamente pequena do volume total de uma enzima.

- A especificidade da ligação depende do arranjo precisamente definido dos átomos no sítio ativo.

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Ligação da Enzima ao Substrato

2 modelos:

• Chave-Fechadura • Encaixe Induzido

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- Alto grau de especificidade Chave-FechaduraChave-Fechadura.

- A enzima possui sitio ativo complementar ao substrato.

Ligação da Enzima ao Substrato – Chave-Fechadura

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- Enzima e o substrato sofrem conformação para o encaixe Encaixe InduzidoEncaixe Induzido..

- O substrato é distorcido para conformação exata do estado de transição.

Ligação da Enzima ao Substrato – Encaixe-Induzido

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Enzimas

Liberação do Produto+

Enzima Inalterada

Substratos

Complexo E/S (Enzima/Substrato)

Ligação ao Sítio Ativo:- Chave-fechadura- Incaixe induzido

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Enzimas - Classificação

N0 Classe Tipo de reação catalisada 1 Oxirredutases Transferência de elétrons

(íons hidreto ou átomos H) 2 Transferases Reações de transferência de grupos

funcionais 3 Hidrolases Reações de hidrólise 4 Liases Remoção de grupos com a formação de

ligas duplas entre carbonos 5 Isomerases Transferência de grupos dentro da mesma

molécula para formar isômeros 6 Ligases Formação de ligações C-C, C-S, C-O, C-N

entre duas moléculas

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1) Concentração da enzima no meio; 2) Concentração de substratos; 3) Concentração de cofatores da enzima; 4) Força iônica do meio; 5) pH do meio; 6) Temperatura do meio.

Fatores que influenciam a atividade Fatores que influenciam a atividade de uma enzima e sua estabilidadede uma enzima e sua estabilidade

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- Valor de pH ótimo = Atividade máxima;

- pH ótimo depende do número e tipo de grupos ionizáveis Estrutura primária;

- Variações do pH Afeta a enzima no número e variedade de grupos ionizáveis (variação em relação ao estado original);

- Velocidade da reação: ou do pH afasta do ótimo.

Influência do pHInfluência do pH37

- Aminoácidos:

- pH --NH3+ e --COOH

- pH --NH2 e --COO-

Influência do pHInfluência do pH38

- Temp. Velocidade de reação = Energia cinética;

- Temp. muito elevadas = Desnaturação da enzima;

- Rompidas as Pontes de Hidrogênio Alterações estruturais = Nova conformação;

- Temp. desnaturação Acima da Temp. Ótima.

Influência da temperaturaInfluência da temperatura39

Obrigado,

agradeço a atenção de todos

Perguntas…?