ENZIMAS

Relembrando...

Estrutura de um átomo

Átomos apresentam capacidade de ganhar ou perder elétrons, formando novos sistemas eletricamente carregados, determinados ÍONS

ÍONS: espécie química que apresenta o número de prótons diferente do número de elétrons

Íons positivos: cátionsÍons negativos: ânions

Ligação iônica Ligação Iônica A BTendência ceder elétrons receber elétrons

Classificação metais H, semi e ametais

Interação cátions ânions

e-

Na Cl

1s2 2s2 2p6 3s1 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5

p= 11n=12e= 11

p= 17n=18e= 17

Ligação Covalente A BTendência receber elétrons receber elétrons

Classificação H, semi e ametais H, semi e ametais

Interação Par de elétrons compartilhados

Ligação covalente

X X

A manutenção da vida depende de um conjunto de reações químicas que devem atender duas exigências fundamentais:

•precisam ser altamente específicas de modo a gerar produtos definidos;•devem ocorrer a velocidades adequadas à fisiologia da célula

C12H22O12 + 12O2 11H2O + 12CO2

Energia

Precisam ser catalisadas para ocorrer de forma rápida

?Energia

Características importantes

•Alto grau de especificidade por seu substrato;

•Aceleram reações químicas;

•Funcionam em soluções aquosas;

•A maioria funcionam em pH e temperatura fisiológicas

ENZIMASCatalisadores - aceleram a velocidade de uma reação química sem serem consumidos no processo. Como suas concentrações permanecem constantes eles são eficientes em pequenas quantidades.

+ +Enzima Substrato Produto Enzima

• Enzimas são catalisadores que aumentam a velocidade da reação de 5 à 17 ordens de grandeza.

Estrutura das enzimas

•Quase todas as enzimas são proteínas, como tal sua função depende da sua estrutura.

•A estrutura da enzima dependerá da sequência primária; secundária; terciária e quartenária.

Algumas enzimas requerem um co-fator

•Metais

• Moléculas orgânicas (coenzimas)

Coenzimas: Transportadores transitórios de grupos funcionais

• Quando o cofator está ligado fortemente a parte proteica da enzima ele é chamado de grupo prostético

• holoenzima: enzima cataliticamente ativa completa, juntamente com sua coenzima e/ou íon metálico ligado;

• Apoenzima ou apoproteína – parte protéica de uma enzima sem quaisquer co-fatores ou grupos prostéticos;

• Sítio ativo – região que forma a maquinaria para a reação química de catálise, é constituída por grupo de aminoácidos.

HOLOENZIMA

Íons metálico

sMoléculas orgânicas

Coenzimas

Porção protéicaAPOENZIMA

CofatorCofator

Durante a catálise coenzima e substrato estão alojados no sítio ativo da enzima onde ocorre a remoção de um grupo determinado do substratoe sua transferência para a enzima.

Quando o substrato sofre novas alterações nas reações metabólicas subsequente, a coenzima através de outra reação é reciclada.

Essa reciclagem permanente das coenzimas implica que a suas concentrações intracelular possam ser bastante reduzidas bem menor que a concentração em substrato.

Muitas coenzimas apresentam na sua estrutura um componente que não pode ser sintetizado pelo organismo. O precursor deve então ser obtido através da dieta = vitaminas

Classificação das enzimas

As enzimas são classificadas de acordo com o tipo de reação que catalisam.

• Oxido-redutases – enzimas que catalisam reações de óxido-redução, transferência de elétrons.

lactato piruvato

lactato desidrogenas

e

• Transferases – catalisam a transferência de um grupamento de uma molécula a outra.

alaninaα-

cetoglutarato L-glutamato

piruvato

alanina aminotransfera

se

• Hidrolases – catalisam a reação de hidrólise de uma única ou várias ligações covalentes por introdução de uma molécula de água.

peptidase

• Liases – catalisam reações adicionando ou removendo grupamentos.

piruvato

acetaldeído

piruvato carboxilase

H2O

• Isomerases – catalisam reações transferindo grupos dentro da mesma molécula formando isômeros.

Fosfoglicose isomerase

• Ligases – catalisam reações que ligam 2 moléculas

+

Acetil-CoA

acetil CoA carboxilase

Importância clínica das enzimas

• Deficiências – desordens, doenças

TirosinemiaEnzimas responsáveis pela degradação da tirosina. Acúmulo tirosina ou metabólitos tóxicos : fígado, rins e sistema nervoso central. Sintomas: Retardo mental associado à microcefalia, hiperatividade, distúrbios motores e no desenvolvimento da fala, lesões oculares e lesões cutâneas.

Fenilcetonúria (PKU) Maior prevalência mundial. Enzima: fenilalanina hidroxilase (conversão de fenilalanina em tirosina). Acúmulo tecidual de fenilalanina e seus metabólitos.Sintoma: retardo mental, eczemas, dermatites, despigmentação da pele, odor característico na urina e suor.Detectada a partir do teste do pezinho.

GalactosemiaEnzima: galactose-1-fosfato uridil-transferase, (que converte a galactose em glicose), Sintomas: anorexia, vômitos, catarata, hemorragia, letargia e atraso de desenvolvimento.

Intolerância a lactose

Não é degradada

Fermentadas por bactérias intestinais Gases, diarréia

FrutosemiaEnzima Aldolase B, (metabolismo frutose) Sintomas: convulsões, coma, hipoglicemia e enjôos frequentes após o consumo de frutose.

PorfiriasDeficiências enzimáticas na biossíntese do heme

• Diagnósticos – marcadores teciduais

Infarto do miocárdio

A e B precisam colidir em uma orientação favorável

O complexo A+B precisa atingir um certo nível de energia necessário para que a reação ocorra: ENERGIA DE ATIVAÇÂO

A + B C + D

Como as enzimas funcionam?

• As enzimas aceleram as reações pela facilitação da formação do estado de transição

• Ligam – se ao substrato de forma com que estes se disponham na orientação correta

• Estabilizam o estado de transição

E + S ES E + PComplexos de transição

A + B C + D

E + S ES E + P

• Reduzem a energia de ativação necessária para atingir o estado de transição

• As enzimas aceleram as reações pela facilitação da formação do estado de transição

• Como a energia de ativação é menor, um maior número de moléculas têm a energia necessária para atingir o estado de transição.

• Alteram a velocidade, não o equilíbrio da reação

• A primeira etapa da catálise enzimática é a formação do complexo enzima-substrato

O substrato se liga ao sítio ativo da enzima.

O sítio ativo é uma fenda tridimensional que possui aminoácidos que participam diretamente na geração e quebra de ligações.

Os substratos se ligam à enzima por vários tipos de interações fracas

• Especificidade com substrato: depende da estrutura em 3 dimensões - microambiente específico.

• Modelo chave e fechadura – o sítio catalítico é rígido e complementar à forma e ao tamanho do substrato.

• Modelo encaixe induzido – o sítio catalítico não está totalmente pré-formado, a enzima se ajustaria ao substrato.

A energia de ligação liberada para a formação das interações supre parte da energia necessária para chegar ao estágio de transição

E + S ES E + P

Mecanismos principais através dos quais as enzimas aceleram uma reação

• Catálise Ácido-Base

• Catálise Covalente

• Catalise por íon metálico

• Catálise Ácido-Base – que ocorre com a participação de aminoácidos com cadeias laterais ionizáveis, capazes de doar ou liberar prótons durante a catálise para estabilizar os intermediários (H+, OH-).

• Catálise Covalente – Neste tipo de catálise é formado uma ligação covalente transitória entre a enzima e o substrato.

• Catálise por íons metálicos – metais firmemente ligados ao sítio catalítico interage entre a enzima e o substrato estabilizando o estado de transição.

Cinética enzimática

Estudo da velocidade de uma reação e como ela altera frente as mudanças dos parâmetros

A velocidade da reação pode ser medida por:

•Quantidade de produto formado por unidade de tempo

•Quantidade de substrato consumido por unidade de tempo

Atividade enzimática pode ser medida pela velocidade da reação catalisada

tempo

[pro

duto

]

[S]

Velo

cida

de d

a re

ação

Um dos principais fatores que alteram a velocidade de uma reação é a concentração de substrato.

Em baixas [S], a velocidade aumenta quase que linearmente. Com o aumento de [S], a velocidade aumenta cada vez menos.

Para: S PΚ

V = [S]Κ

Como medir a influência do substrato na velocidade da reação?

Pela medida de V0 ou velocidade inicial

Para uma determinada [S] inicial, haverá um intervalo de tempo em que a velocidade da reação será relativamente constante, chamada de Vinicial, V0

ou simplesmente V da reação

Velocidade a reação é proporcional a S

Substrato satura todasAs enzimas

Representação de uma reação enzimática em 2 etapas

Primeira reação: mais curta. Estabilidade dinâmica entre [E+S] e

[ES] é rapidamente alcançada

Segunda reação: mais lenta. É a etapa limitante. Velocidade da

reação deve ser proporcional a [ES]

E + S ES E + Pk1

k-1

k2

A velocidade máxima ( Vmax) da reação é atingida quando todas as enzimas estiverem no complexo [ES].

Neste momento a enzima está saturada e a velocidade não aumenta.

A [S] em que atinge metade da Vmax é Km

A relação entre [S] e V0 da reação pode ser expressa algebricamente pela equação de Michalis e Menten.

Velocidadeinicial

Concentração substrato

Constante de Michaelis

Considerações

Vmax – Toda enzima em forma de ES

Quando ocorre, alcança estado estacionário: [ES] é constante

[E] = [Et]-[ES] V0 = k2 [ES]

E + S ES E + Pk1

k-1

k2

Estado estacionário : [ES] constante

Então no estado estacionário: Formação de [ES] = Degradação de [ES]

Velocidade de Formação de ES = K1 [E] [S]

Velocidade de degradação de ES = K –1[ES] + K2 [ES]

E + S ES E + Pk1

k-1

k2

K1 ([Et]-[ES]) [S] = K –1[ES] + K2 [ES]

K1[S][Et] - K1[S][ES] = (K –1+ K2) [ES]

Já que Formação de [ES] = Degradação de [ES]

[ES] = [Et] [S]

[S] + (K –1+ K2) / k1)

Km

[ES] = [Et] [S]

Km + [S]

Equação de Michaelis-Menten

[ES] = [Et] [S]

Km + [S] Se V0 = k2 [ES]

Em Vmax : [Et] = [ES]

Então Vmax = k2 [Et]

Então: V0 = k2 [Et] [S]

Km + [S]

Sendo assim Vo = Vmax [S]

Km +[S]

E + S ES E + Pk1

k-1

k2

2

Km= [S]2 . [S] - [S] Km =

Uma propriedade importante:

Quando V = Vm Vm = 2

Vm . [S]

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

Propriedades importantes de Km É numericamente igual a [S] na qual a velocidade da reação é metade da Vmax.

Característico de cada enzima.

Reflete a afinidade da enzima pelo seu substrato.

Km = [S]

1

[S]

1

v

-1

Km

11

VmaxVmax

Gráfico Linewevear-Burk: Linearizando a equação de Michaelis e Menten

Consequências importantes de Km

Km Afinidade da enzima pelo substrato

Km Afinidade da enzima pelo substrato

Vmáx

v

V/2

1/V

Km Km -1/Km -1/Km1/s[S]

Fatores que afetam a velocidade enzimática

pH Temperatura Concentração de substratos Concentração de cofatores Presença de Inibidores e/ou ativadores Modificações químicas: fosforilações, adenilações, etc Concentração de enzima

Pepsina pH ótimo 1,5

Tripsina pH ótimo 7,7

pH

• pH do meio esta ácido;• excesso de íons H+ no meio;• os aa recebem H+, ficando

eletricamente positivo.

A ionização de aa pode provocar modificações na conformação da enzima.

• pH do meio esta alcalino;• concentração reduzida de íons

H+ no meio;• os aa liberam H+, ficando

eletricamente negativo.

Temperatura Temperatura ótima da reação

A velocidade de reação aumenta junto com a temperatura, como se observa na maioria das reações químicas;

Após atingir uma temperatura crítica, a estabilidade da proteína decresce devido a desnaturação térmica.

Concentração de Enzima e substrato

A velocidade máxima da reação é uma função da quantidade de enzima disponível (se há substrato em excesso).

Reações enzimáticas com mais de um substrato

Sequencial (formação do complexo ternário)

Pingue-pongue ou duplo deslocamento

Inibição enzimática

InibidoresReversíveis

IrreversíveisInib. Competitiva (freqüente)

Inib. Não-competitiva

Inib. acompetitiva (quando o inibidor liga-se ao complexo ES , mas não a enzima livre)

Inibidores de enzimas são moléculas que interferem com a catálise diminuindo ou interrompendo as reações enzimáticas. Quanto ao tipo de inibição:

inibição inespecífica: diminuição da atividade de todas as enzimas por temperatura, pH ou agentes desnaturantes (ex. uréia).

inibição específica: agente inibidor diminui a atividade de uma enzima específica ou de um grupo restrito de enzimas. A inibição pode ser irreversível ou reversível.

Inibidor irreversível

Intoxicação por carbamatos ou organofosforados

Liga - se a enzima levando a sua inativação definitiva

Chumbinho

Acetil colina (Ach)

Acetil colinesterase

Colina

Acetato

Carbmatos

Inibidores reversíveis1) Inibidor Competitivo

Inibidor análogo não metabolizável do substrato compete com o mesmo pelo sítio catalítico da enzima livre.

É necessário [S] maior para deslocar o inibidor.

Semelhança estrutural entre S e I

1- sem inibidor 2- com inibidor [ I ] 3- com inibidor 2 [ I ]

Inibidor Competitivo

Km é modificado, mas Vmáx não é alterada.

2) Inibidor Não-Competitivo

Inibidor se liga numa região deferente do sítio catalítico da enzima.

[S] maior não diminui a inibição.

Não há semelhança estrutural entre S e I

1- sem inibidor2- com inibidor [ I ]3- com inibidor 2[ I ]

Vmáx diminui, mas o Km não é alterado.

Inibidor Não-Competitivo

3) Inibidor acompetitivo

O inibidor se liga somente no complexo ES em sítio próprio.

Inibidor não possui semelhança estrutural com o substrato.

Não há semelhança estrutural entre S e I

Km e Vmáx da enzima diminuem.1- sem inibidor2- com inibidor [ I ]3- com inibidor 2 [ I ]

Inibidor Acompetitivo

Regulação de perfusão renalAgregação plaquetáriaProtetora de mucosa gástrica

Inflamação

Inibidores das COX – Antiinflamatórios Não Esteroidais (AINES)

Inibidor irreversível da COX Ligação covalente

Ácido acetil salicílico

Inibidor competitivo e reversível da COXInteração iônica

Dipirona sódica

Inibidor competitivo e reversível da COX-2

Meloxicam

Inibidor competitivo e reversível (alta afinidade) da COX-2

Celecoxib

Regulação da atividade enzimática

Alostérica: Funcionam através da ligação não-covalente e reversível de um metabólito regulador (modulador)

Covalente: Regulação da atividade enzimática por modificação covalente reversível

Proteolítica: O precursor inativo (zimogênio) é clivado para formar a enzima ativa

Um organismo regula a atividade de algumas enzimas para coordenar seus processos metabólicos

Enzimas alostéricasSão maiores e mais complexas, possuem duas ou mais cadeias

polipeptídicas.

Não obedecem a cinética de Michaelis-Menten.

Tipos de enzimas alostéricas: homotrópica (modulador é idêntico

ao substrato); heterotrópica (modulador é diferente do substrato)

A ligação entre o modulador e o enzima é não-covalente e o local

de modulação é especifico para cada modulador, no caso dos

enzimas heterotrópicos

Modulador alostérico

Positivo(ativam a enzima)

Negativo(inibem a enzima)

Heterotropismo(o modulador é diferente do

substrato)

Homotropismo(o modulador é igual ao

substrato)

Enzimas homotrópicas: pequenas variações na concentração do modulador podem provocar grande variações na atividade do enzima.

Enzimas heterotrópicas: Apresentam uma grande variabilidade no comportamento.

Induz

Modificações conformacionais na estrutura

espacial do enzima

Modifica a afinidade do enzima para com os seus

substratos

A B C D E-

Feedback negativo

Coordena o fluxo de enzimas por uma via

metabólica.

Um modelo muito comum de regulação alostérica é a inibição por

retroalimentação, onde o próprio produto da reacção actua como modulador da

enzima que a catalisa.

Regulação por modificação covalente

A regulação enzimática pode passar ainda pela existência de um precursor, sem capacidade catalítica, que, no caso

das proteases, são chamados zimogênios.

Zimogênio Clivagem proteolítica

Enzima ativa

Ativação proteolítica