nomenclatura e classificação das enzimas século xix - poucas enzimas identificadas –adição do...

Nomenclatura e classificação das enzimas

• Século XIX - poucas enzimas identificadas

– Adição do sufixo “ASE” ao nome do substrato:

* gorduras (lipo - grego) – LIPASE* amido (amylon - grego) – AMILASE

– Nomes arbitrários:

* Tripsina e pepsina – proteases


• Século XX - quantidade de enzimas descritas

– Nomenclatura existente se tornou ineficaz

• 1955 - IUB - União Internacional de Bioquímica adotou um novo sistema de nomenclatura e classificação

– mais complexo– sem ambigüidades– baseado no mecanismo de reação


• Cada enzima código com 4 dígitos que caracteriza o tipo de reação catalisada:

– (E.C.- Enzime Comission)

– 1° dígito – classe– 2° dígito – subclasse– 3° dígito - sub-subclasse– 4° dígito - indica o substrato

Classificação das Enzimas1. Oxido-redutases (Reações de oxidação/Redução) 1.1.atuando em CH-OH 1.2.atuando em C=O 1.3.atuando em C=O- 1.4.atuando em CH-NH2 1.5.atuando em CH-NH- 1.6.atuando em NADH, NADPH

2.Transferases (Transferência de grupos) 2.1.grupos com um carbono 2.2.grupos aldeído ou cetona 2.3.grupos acil 2.4.grupos glicosil 2.7.grupos fosfatos 2.8.grupos contendo enxofre

Classificação das Enzimas

3.Hidrolases (Reações de Hidrólise) 3.1.ésteres 3.2.ligações glicosídicas 3.4.ligações peptídicas 3.5.outras ligações C-N 3.6.anidridos ácidos

4.Liases (Adição ou remoção de grupos) 4.1. =C=C= 4.2. =C=O 4.3. =C=N-

Classificação das Enzimas

5.Isomerases (Transferência de grupos dentro da mesma molécula, formação de isômeros)

5.1.racemases 5.2. Cis-Trans isomerases

5.3. Oxirredutases Intramoleculares 5.4. Transferases Intramoleculares (Mutases)

5.5. Liases Intramoleculares

6.Ligases (catalisam a ligação de duas moléculas com hidrólise da ligação pirofosfato na molécula de ATP (ou uma semelhante, igualmente trifosfatada)

6.1. C-O 6.2. C-S 6.3. C-N 6.4. C-C

Outras formas de classificar

Enzimas intracelularesEnzimas intracelulares

atuam no interior da célulaatuam no interior da célula

sintetizam o material celularsintetizam o material celular

realizam reações realizam reações catabólicas que suprem as catabólicas que suprem as necessidades energéticas necessidades energéticas da célula.da célula.

Enzimas extracelularesEnzimas extracelulares

atuam fora da célulaatuam fora da célula

executando as alterações executando as alterações necessárias à penetração necessárias à penetração dos nutrientes para o dos nutrientes para o interior das células.interior das células.


EndoenzimasEndoenzimas

ExoenzimasExoenzimas

Agem dentro das moléculasAgem dentro das moléculas

Ex: endoamilases, que Ex: endoamilases, que hidrolisam ligações hidrolisam ligações glicosídicas ao acaso ao glicosídicas ao acaso ao longo das cadeias de longo das cadeias de amiloseamilose

Agem nas extermidades das Agem nas extermidades das moléculasmoléculas

Ex: exoamilases, que Ex: exoamilases, que hidrolisam,sucessivamente, hidrolisam,sucessivamente, ligações glicosídicas a partir ligações glicosídicas a partir da extremidade não redutora da extremidade não redutora das mesmas.das mesmas.


Enzimas habituais Enzimas habituais ou constitutivasou constitutivas

Enzimas indutivasEnzimas indutivas

As células sempre as sintetizamAs células sempre as sintetizam

As células só as sintetizam As células só as sintetizam quando estão na presença do quando estão na presença do substrato da enzimasubstrato da enzima

IsoenzimasIsoenzimasEnzimas que têm a mesma função, Enzimas que têm a mesma função, ou seja, catalisam uma mesma ou seja, catalisam uma mesma reação, porém apresentam reação, porém apresentam estruturas diferentesestruturas diferentes

Propriedades Gerais

• Diferenças entre enzimas e catalisadores químicos

– Velocidade de reação mais rápida:

• 106 a 1012x > que as não catalisadas,

• e são varias ordens de magnitude > do que as reações catalisadas quimicamente.

Propriedades Gerais• Diferenças entre enzimas e catalisadores químicos

– Maior especificidade da reaçãoo Grau de especificidade imensamente > em relação

a identidade dos seus S e dos seus Po Reações enzimáticas raramente produzem

subprodutos. o Estereoespecificidade: Agem em grupos

funcionais específicos catalisando reações de forma estereoepecífica, formando somente um dos enantiômeros possíveis

Propriedades Gerais

– Condições reacionais mais brandas

o pH

o Temperatura

DesnaturaçãoDesnaturação

Mecanismo de Ação

• A reação enzimática ocorre em duas etapas:

E + S E S P + E

• 2 modelos:– Modelo chave-fechadura– Modelo do ajuste induzido

Mecanismo de Ação• Modelo Chave-fechadura

– Emil Fischer em 1894– Relação estérica entre enzima e substrato

Mecanismo de Ação• Modelo do ajuste induzido

– Koshland em 1958– Prevê um sítio de ligação não totalmente pré-

formado, – E e o S sofrem conformação para o encaixe.

Mecanismo de Ação

Estudos por raio X indicam que os sítios de ligação aos substratos da maioria das enzimas são, em grande

parte, pré-formados, mas sofrem mudanças conformacionais no momento da ligação do substrato

(um fenômeno denominado ajuste induzido).

Mecanismo de Ação• Conceitos

– Teoria da Colisão:

o As reações químicas acontecem quando ligações são quebradas ou formadas.

o Para isto átomos, íons e moléculas devem colidir. o Todos os átomos, íons e moléculas estão em

constante movimento e portanto colidindo constantemente.

o A energia transferida pelas partículas na colisão pode desorganizar suas estruturas eletrônicas o suficiente para que as ligações químicas sejam quebradas ou novas ligações se formem.

Mecanismo de Ação

• Energia de ativação: Quantidade de en. requerida para romper a configuração eletrônica estável de qualquer molécula específica para que os elétrons possam ser reorganizados.

Energia de Ativação

∆G reação

Mecanismo de Ação

• ∆G: A diferença de energia entre produtos e reagentes

– Não depende da E.A.

Energia de Ativação

∆G reação

Mecanismo de Ação

• Taxa de reação: A freqüência de colisões contendo energia suficiente para que a reação aconteça.

– taxa de reação:

o de T = o calor a freqüência das colisões e o n° de moléculas que atingem a E.A.

o Reagentes estão + concentrados = Dist. entre as moléculas menor.

Reações Catalisadas por Enzimas

Ene

rgia

do

sist

ema

(G)

Progresso da Reação

Energia de Ativaçao na presença de enzima

Energia de Ativação na ausência de enzima

∆G reação

Não catalisada

Catalisada

Reagentes

Produtos

Ene

rgia

do

sist

ema

(G)




∆G reação

Não catalisada

Catalisada


Reagentes

Produtos

Catalisador atua diminuindo a Energia de Ativação


Ene

rgia

do

sist

ema

(G)




∆G reação

Não catalisada

Catalisada

Não altera : equilíbrio nem o ∆G

Reagentes

Produtos


Ene

rgia

do

sist

ema

(G)


Energia de Ativaçao na Energia de Ativaçao na presença de enzimapresença de enzima

Energia de Ativação na Energia de Ativação na ausência de enzimaausência de enzima

∆G reação

Não catalisada

Catalisada

Reagentes

Produtos

Mecanismo de Ação• Enzimas atuam de diversas formas:

– Baixando a E.A., através da criação de um ambiente no qual o estado de transição é estabilizado (ex., distorcendo a forma da molécula do S).

– Providenciando uma via alternativa (ex., reagindo com o S formando um complexo ES, de existência impossível sem a presença da E).

– Reduzindo a variação da entropia da reação ao orientar os S de forma correta para facilitar a reação. Na ausência de E, as moléculas colidem em todas as direções possíveis de forma aleatória.


• Ex: Decomposição do H2O2

HH22OO22 HH22OO OO22++CatalaseCatalase

Condições da ReaçãoCondições da Reação Energia livre de AtivaçãoEnergia livre de AtivaçãoKJ/mol Kcal/molKJ/mol Kcal/mol

VelocidadeVelocidadeRelativaRelativa

Sem catalisadorSem catalisador

PlatinaPlatina

Enzima CatalaseEnzima Catalase

75,2 18,075,2 18,0

48,9 11,748,9 11,7

23,0 5,523,0 5,5

11

2,77 x 102,77 x 1044

6,51 x 106,51 x 1088


• Embora a enzima participe da seqüência da reação, ela não sofre nenhuma transformação.

– Poucas moléculas de E são capazes de catalisar a conversão de milhares de moléculas de S a P.

Atuam em pequenas concentrações


Número de renovação =Número de renovação = n° de moléculas de substrato n° de moléculas de substrato convertidas em produto por uma única molécula de convertidas em produto por uma única molécula de enzima em uma dada unidade de tempo.enzima em uma dada unidade de tempo.

1 molécula de Catalase1 molécula de Catalase decompõedecompõe5 000 000 de moléculas 5 000 000 de moléculas de H2O2de H2O2pH = 6,8 em 1 minpH = 6,8 em 1 min

Fatores que Influenciam a Ação Enzimática

• pH

• Temperatura

• Concentração da Enzima

• Concentração do Substrato


• pH– A ionização de aa pode provocar modificações na

conformação da enzima.– O substrato pode ver-se afetado.

Pepsina pH ótimo 1,5

Tripsina pH ótimo 5,7


• Temperatura temperatura dois efeitos ocorrem:

– A taxa de reação aumenta, como se observa na maioria das reações químicas;

– A estabilidade da proteína decresce devido a desativação térmica.

• Enzima Enzima temperatura temperatura ótima para que atinja sua ótima para que atinja sua atividade máximaatividade máxima


• Concentração da Enzima– A velocidade máxima da reação é uma função da

quantidade de enzima disponível (existindo substrato em excesso).

Figura: Efeito da [ ] da enzima sobre a velocidade inicial (V0) Figura: Efeito da [ ] da enzima sobre a velocidade inicial (V0) com de substrato em excesso.com de substrato em excesso.



Inicialmente a velocidade da reação é Inicialmente a velocidade da reação é diretamente proporcional a [S].diretamente proporcional a [S].



A velocidade passa a ser A velocidade passa a ser constante porque não constante porque não depende da [S]depende da [S]



A quantidade de reagente A quantidade de reagente é o suficiente grande para é o suficiente grande para saturar todos os sítios saturar todos os sítios catalíticos enzimas.catalíticos enzimas.

Inibição enzimática

• Grande parte do arsenal farmacêutico (Por ex. tratamento da AIDS feito com drogas que inibem

a atividade de certas enzimas virais.

InibidoresInibidores

Substâncias que reduzem a Substâncias que reduzem a atividade de uma enzima de forma a atividade de uma enzima de forma a

influenciar a ligação do substrato.influenciar a ligação do substrato.

Inibição enzimática

• Classificação:

IrreversívelIrreversível

ReversívelReversível

CompetitivaCompetitiva

Não CompetitivaNão Competitiva

Inibição Irreversível

• O inibidor liga-se tão fortemente à enzima que a dissociação é muito lenta.

• Podem destruir grupos funcionais que são essenciais para a atividade enzimática.

• A enzima não retoma a sua atividade normal.

• Ex.: Inseticidas organofosforados na acetilcolinesterase (enzima importante na transmissão dos impulsos nervosos).

Inibição Irreversível

Ex: Inibição da enzima ciclo-oxigenase pelo acetilsalicilato

Ciclo-oxigenaseCiclo-oxigenase SÍNTESESÍNTESE ProstaglandinasProstaglandinas

Processo biológicos, ex. sensação de dorProcesso biológicos, ex. sensação de dor

Inibição Reversível Competitiva

• Uma substância que compete diretamente com o substrato pelo sitio de ligação de uma enzima.

• Inibidor normalmente é semelhante ao substrato, de modo que se liga especificamente ao sitio ativo, mas difere do substrato por não poder reagir com ele.

• O inibidor liga-se á enzima formando o complexo EI cataliticamente inativo.

Inibição Reversível Não Competitiva

• O inibidor não competitivo pode ser uma molécula que não se assemelha com o substrato, mas apresenta uma grande afinidade com a enzima.

• Esta ligação pode distorcer a enzima tornando o processo catalítico ineficiente.

Co-fatores• Quase 1/3 das enzimas requerem um componente não

protéico para sua atividade, denominado cofator

Porção protéicaAPOENZIMA CofatorCofator

HOLOENZIMA

Íons metálicos

Moléculas orgânicas

Coenzimas

Co-fatores

• A natureza essencial de tais co-fatores explica por que razão os organismos necessitam de quantidades diminutas de certos elementos nas suas dietas.

• Isso também explica, os efeitos tóxicos de certos metais pesados (o Cd2+ e o Hg2+) que podem substituir o Zn2+ nos sítios ativos de certas enzimas

Co-fatores• Algumas enzimas que contêm ou necessitam de

elementos inorgânicos como cofatores

ENZIMA COFATORPEROXIDASE Fe+2 ou Fe+3

CITOCROMO OXIDASE Cu+2

ÁLCOOL DESIDROGENASE Zn+2

HEXOQUINASE Mg+2

UREASE Ni+2

Co-fatores - Coenzimas

• Maioria deriva de vitaminas hidrossolúveis– Muitos organismos não conseguem sintetizar certas

porções das coenzimas essenciais. Tais substâncias devem estar presentes na dieta desses organismos e são, portanto, chamadas de vitaminas.

• Classificam-se em:– transportadoras de hidrogênio– transportadoras de grupos químicos

Co-fatores - Coenzimas

• Transportadoras de hidrogênio

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

Co-fatores - Coenzimas• Transportadoras de de grupos químicos

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

Regulação da Atividade Enzimática

• Um organismo deve poder regular as atividades catalíticas de suas enzimas para que ele possa coordernar seus processos metabólicos, responder às mudanças no meio, crescer e diferenciar-se, tudo de maneira ordenada.

• Há duas maneiras pelas quais isso pode ocorrer: – Controle da disponibilidade da enzima. – Controle da atividade da enzima.


• Controle da disponibilidade da enzima.

– A quantidade de uma enzima em uma célula depende velocidade de síntese

velocidade de degradação.

Cada uma dessas velocidades é diretamente controlada pela célula e esta sujeita a

mudanças drásticas em períodos que vão de minutos (em bactérias) até horas (em

organismos superiores).


• Controle da atividade da enzima.

– A atividade pode ser regulada por meio de alterações estruturais que influenciem a afinidade da ligação do substrato à enzima.

– A afinidade de ligação do S a uma E pode, variar também com a ligação de pequenas moléculas, chamadas efetores alostéricos que podem tanto aumentar como dimunuir a atividade.

– Um modelo muito comum de regulação alostérica é a inibição por "feed-back”.

Regulação enzimática• Algumas enzimas podem ter suas atividades reguladas,

atuando assim como moduladoras do metabolismo celular. Esta modulação é essencial na coordenação dos inúmeros processos metabólicos pela célula.

Mecanismos de controleMecanismos de controle

Indução: A presença do substrato A induz a síntese da enzima a

B C D EAEnzima a1 Enzima d

Produtofinal

Substratoinicial

Enzima b Enzima c



B C D EAEnzima a1 Enzima d

Produtofinal

Substratoinicial

Enzima b Enzima c


Repressão catabólica: Caso haja um caminho mais conveniente, a síntese de todas as enzimas é reprimida



Substratoinicial


Cada isoenzimas pode ser regulada independentementeControle fino do metabolismo

B C D EAEnzima a1

Enzima a2

Enzima a3

Enzima dProduto

final

Enzima b Enzima c

Comparação das enzimas com catalisadores químicos

Característica Enzimas Catalisadores Químicos

Especificidade ao substrato alta baixa

Natureza da estrutura complexa Simples

Sensibilidade à T e pH alta Baixa

Condições de reação (T, P e pH) suaves drástica (geralmente)

Custo de obtenção (isolamento e purificação) alto Moderado

Natureza do processo batelada Contínuo

Consumo de energia baixo Alto

Formação de subprodutos baixa Alta

Separação catalisador/ produtos difícil/cara simples

Atividade Catalítica (temperatura ambiente) alta baixa

Presença de cofatores sim não

Estabilidade do preparado baixa alta

Energia de Ativação baixa alta

Velocidade de reação alta baixa

Referencias Bibliográficas

• AQUARONE, Eugênio; BORZANI, Walter; ALMEIDA LIMA, Urgel de; SCMIDELL, Willibaldo. Biotecnologia industrial. Volumes 1, 2, 3 e 4.

• CHAMPE, Pamela C. & HARVEY, Richard A. - Bioquímica Ilustrada. Artes Médicas. Porto Alegre, 1997. pp 126-131.

• LEHNINGER, Albert L; NELSON, David L.; COX, Michael M. Principios de bioquimica. 4. ed. São Paulo: Sarvier, 2006.

• STRYER, Lubert. Bioquímica. Rio de Janeiro:• Guanabara Koogan,1996. Capítulo 7• VOET, Donald; VOET, Judith G. Bioquímica. 3. ed. Porto

Alegre: ARTMED, 2006. 1596p.

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