Prof. Didier SalmonMSc Cristiane S. Lessa

ENZIMAS(PARTE 1)

Dezembro 2015

Bioquímica para Enfermagem

02/12/15

X

Conversão realizada por um complexo enzimático!!!

Capazes de manter uma ordem estrutural a partir de diversas reações químicas essenciais à sobrevivência e proliferação celular.

É simples....Mas como isso ocorre?

Replicação

Catálise

Seres Vivos:

Vamos por partes...

.......vias metabólicas!!!!!!!

EnzimasSão proteínas que possuem a função de catálise, desencadeando reações químicas fundamentais à manutenção de sistemas biológicos;

São específicos para os diversos tipos de substratos;

A velocidade em que as reações ocorrem variam de acordo com a temperatura e pH fisiológicos.

Sem a ação catalítica das enzimas no metabolismo celular, não existiria vida na Terra!!!

Qual a real importância das enzimas?

Síntese de macromoléculas biológicas

Síntese de hormônios

Crescimento corporal

Realizam catálise de reações (ex. degradação de

proteínas)

Medicina:

Excesso, deficiência ou ausência de certas enzimas causam

doenças (ex. AST- aspartato aminotransferase e

infarto do miocárdio )

Diagnóstico de doenças – pela medida da atividade específica da enzima ex.

LDH, CK, AST..

Indústria Alimentícia: fermentação, pasteurização,..

Perda de função enzimática:

Ex: Intolerância à lactose (hipolactasia)

Ganho de função enzimática:

Alterações

Ex: Alta atividade de desiodinases em pacientes com hipertireoidismo.

Diminuição da lactase

+

Reação espontânea

MUITO TEMPO DEPOIS...

.................

..

+

Reação catalisada por enzimas

Redução do tempo que ocorre uma

reação que seria espontânea

= da velocidade das

reações

A enzima amilase degrada amido e converte em glicose!

Como as enzimas funcionam?Reação espontânea

Demanda de mais tempo e gasto

energético para gerar o produto

Reação catalisada por enzimas

(indicado em azul claro no gráfico)

Ocorre de forma mais favorável e rápida

+ O2 CO2 + H2O

Enzima

SubstratoEnzima-Substrato Enzima-Produto

Produto

EnzimaRepresentação do modelo

chave-fechadura, por Fischer

EnzimasAssim, temos a equação:

E + S ES EP E + P

O sinal indica a representação gráfica do curso energético seguido

As enzimas são ESPECÍFICAS para diferentes substratos

Estado intermediário

Composição das enzimas

Natureza EnzimáticaProteínas!!!

Por ligações peptídicas entre monômeros (aminoácidos);Dispostos em longa cadeia;

H – N – C – C – O – H H H O

Amino ou N-terminal

R

Radical R – cadeia lateral variável

Carboxila ou C-terminal

A variação da cadeia lateral determina um dos 20 tipos de

proteínas

Natureza EnzimáticaMas será que todas as enzimas são proteínas?

Participam do corte de moléculas do RNA mensageiro (splicing), removendo regiões

que não são traduzidas (íntrons)

Acredita-se que a peptil-transferase seja uma ribozima, participando da formação de ligaões peptídicas durante o

processo de tradução das proteínas

NÃO!!!!RNAs catalíticos ou ribozimas

Estrutura

Hemoglobina

Estrutura das enzimasComo estudado anteriormente, cada aminoácido apresenta um grupo amino, um grupo carboxila e cadeia lateral associada ao carbono central....

...e ainda existem 20 tipos diferentes de aminoácidos....

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

CH3

S

COO

CH

H3C CH3

OHEstrutura das enzimas

...onde cada aminoácido se liga ao próximo por ligações peptídicas e define a cadeia principal= formato linear

Cadeia principal

Estrutura das enzimas

Estrutura quaternária

Estrutura secundária: Alfa hélice

Como as enzimas se estruturam?

Estrutura secundária: Folhas Beta

Como as enzimas se estruturam?

Estrutura das enzimas

Nas enzimas há uma região denominada sítio ativo

É esta região que interage com o substrato para formação do produto

A ligação E- S ocorre entre aminoácidos específicos

Sítio ativo

Quimiotripsina

Conceito Enzima-substrato

Modelos de Encaixe Enzima - Substrato

Sítio AtivoÉ a região na enzima

onde o substrato se liga

É composto por resíduos que catalisam o substrato

em produto e quebram ligações

A união enzima-substrato ocorre por ligações fracas e promove a formação do

estado de transição – primeira etapa da

catálise enzimática

Sítio Ativo

Como ocorre a ligação enzima-substrato?

Enzimas – Tipos de EncaixeModelo Chave-fechadura

E ES EP

E

P

S

Enzima e substrato

possuem igual conformação

Enzimas – Tipos de EncaixeModelo Chave-fechadura

Enzimas – Tipos de EncaixeModelo encaixe induzido A enzima se

ajusta ao modelo do substrato

E ES

EPE

P

S

ES

Enzimas – Tipos de EncaixeModelo encaixe induzido

Fosforilação em resíduo de glicose

Como as enzimas funcionam?

Funcionamento das enzimasAlgumas enzimas necessitam de compostos químicos associados –

COFATORES

Ex. alguns íons metálicos Cofator Sítio Catalítico

Funcionamento das enzimasJá outras enzimas necessitam de

complexos orgânicos ou metalorgânicos associados –

COENZIMAS

NAD+ NADH

Cofator Coenzima

FAD FADH2

Funcionamento das enzimas

Diferente das coenzimas, os GRUPOS PROSTÉTICOS são subgrupos de

cofatores associados permanentemente à enzima e, geralmente, encontrados

ligados ao sítio ativoEx. Fe+2 no centro catalítico da molécula

de hemoglobina

Funcionamento das enzimas

APOENZIMA HOLOENZIMA

Enzima (SEM cofatores): APOENZIMAEnzima (COM cofatores e coenzima):

HOLOENZIMA

Classificação das Enzimas

As enzimas podem ser divididas em 6 classes!

LigasesIsomerasesLiasesHidrolasesTransferasesÓxido-redutases

Classificação

Óxido-redutase Catalisam reações de

transferência de elétrons

Desidrogenase, oxidase..

Transferase Catalisam a transferência de

parte do substrato para o

produtoTransferência de grupos funcionais entre doadores e

aceptores

Acil, amino...

Hidrolase Catalisam a quebra pela águaO grupo doador é transferido para

água

Fosfatase, enolase...

Classificação

Liase Catalisam a quebra ou união

de cadeia carbônica, água

ou amônia

Descarboxilase, sintase,..

Isomerase Realizam a troca de posição dos grupamentos (rearranjos)

Epimerase,..

Ligase Catalisam a união entre moléculas, onde há gasto de ATP, estruturando

uma cadeia

Carboxilase, sintetase,..

A IMPORTÂNCIA DAS ENZIMAS

Enzimas Principal Fonte Aplicações Clínicas

Amilase Glândulas salivares, pâncreas

Doenças pancreáticas

Aminotransferase Fígado, músculo esquelético, rim, coração

Infarto do miocárdio, doença muscular

Creatina Cinase Cérebro, coração Infarto do miocárdio

Fosfatase Ácida Próstata Câncer de próstata

Fosfatase Alcalina Fígado, osso, placenta

Doenças ósseas

γ-Glutamiltransferase

Fígado Enfermidade hepatobiliar ocasionada por alcoolismo

Lactato Desidrogenase

Eritrócitos, plaquetas, coração

Hemólise, infarto do miocárdio

Algumas enzimas são utilizadas como marcadores sorológicos

Algumas enzimas são utilizadas como marcadores sorológicos

Infarto do Miocárdio

Isoenzimas• Enzimas que diferem

em suas sequências de aminoácidos mas catalisam a mesma reação

• Normalmente possuem parâmetros cinéticos diferentes

• Confere maior especificidade ao diagnóstico.

Fenilcetonúria

A fenilalanina compete com outros aminoácidos neutros e aromáticos pelo transporte através da barreira hematoencefálica. Se ela está em excesso o

transporte dos outros aminoácidos é prejudicado.

Mutação do gene da fenilalanina hidroxilase >

Acúmulo de fenilalanina no sangueAumento da excreção urinária de ácido

fenilpirúvico e fenilalaninaacúmulo

Como as enzimas funcionam?

Como as enzimas funcionam?

Reação espontânea alta energia de ativação livre

aumento do tempo para atingir o estado de transição

Reação catalisada por enzimas baixa energia de ativação livre

tempo reduzido para atingir o estado de transiçãoaumento da velocidade da reação

Como as enzimas funcionam?A concentração dos substratos +

a concentração de produtos formados determina a

velocidade que ocorre a reação

A interação fraca (intermediária) enzima-substrato é reajustada

Ocorre quase imperceptível e muito rápido

Com o reajuste, temos enzima-produto

Enzimas são capazes de alterar a velocidade de reação, mas não o

equilíbrio químico E + S ES EP E + P ES EP

Ligação intermediáriaA ligação enzima-substrato é

dependente da especificidade

Especificidade deriva da formação de muitas interações fracas entre a enzima e a molécula específica do substrato.

As enzimas são específicas a cada tipo de

substrato

Com a interação enzimática, a barreira

imposta durante o estado de transição é

vencidaAs enzimas reduzem a

energia de ativação livre, facilitando a interação com o

substrato para gerar a etapa intermediária

Bioquímica (Stryer)

Com a redução da energia livre de ativação, há um

ganho de tempo, acelerando a formação do produto.

Como as enzimas funcionam?Após o substrato se ligar à

enzima, há presença de energia livre alta

A diferença entre o estado de energia livre na etapa

intermediária e o substrato é chamado de energia livre de

ativação de Gibbs ( G )

Bioquímica (Stryer)

Sem ação enzimática, a formação do produto demanda mais tempo

Ao final, a quantidade de produto gerado será igual tanto na reação espontânea quanto na

reação enzimática

Por quê? A enzima catalisa, mas não

participa da formação do produto (não é

consumida para que o produto seja formado)

Por que com o passar do tempo a velocidade de formação do

produto se estabiliza?

A reação atingiu o equilíbrio químico (ou ponto de saturação) – [ ] de substrato convertida em produto

Como as enzimas funcionam?

Mecanismos de Catálise

Mecanismos de catáliseExistem basicamente três formas como as enzimas

aceleram reações, aumentando a formação das moléculas de um substrato quando em estado de transição:

Catálise ácido-base

Catálise covalente

Catálise por íon metálico

Mecanismos de catáliseCatálise ácido-base Quando há doação ou liberação

de prótons (H+) a fim de estabilizar a ligação

intermediária

Mecanismos de catálise

Mecanismos de catáliseCatálise covalente

Ligações fortes

Compartilhamento de um par de elétrons entre átomos

adjacentes

Resulta na ligação covalente entre enzima-substrato e induz sua transformação em produto

Frutose 2,6-bifosfatase

Mecanismos de catáliseCatálise covalente

Há vários tipos de alterações covalentes, sendo a fosforilação

a mais comum

Outras alterações:Adenilação, acetilação,

ubiquitinização, metilação,..

Mecanismos de catáliseCatálise por íons

metálicos

Estabilizam íons em estado de transição (cálcio, magnésio e zinco)

O íon encontra-se firmemente ligado ao aminoácido no sítio ativo, interagindo com a enzima e o substrato

Algumas enzimas utilizam duas estratégias

de catálise ao mesmo tempo

Ex. quimiotripsina

Covalente

Acido-Base

Efeito do pH na atividade enzimática

ativ

idad

e en

zim

átic

a

ativ

idad

e en

zim

átic

a

pH > pI•pH do meio está alcalino;•concentração reduzida de íons H+ no meio;•os aa liberam H+, ficando eletricamente negativo.

pH < pI•pH do meio está ácido;•excesso de íons H+ no meio;•os aa recebem H+, ficando eletricamente positivo.

pHA ionização de AA pode provocar modificações na conformação da enzima.

quimiotripsina de porco enzima isolada de um camarão do Alaskaenzima isolada de uma bactéria de fontes termais

Efeito da temperatura na atividade enzimática

Substrato (mM) V (mmol.l -1.min-1) 0,2 0,4 0,8 1,0 2,0 4,0 6,0

5,0 7,5

10,0 10,7 12,5 13,6 13,5

V = k . [ S ]

k1

k-1

k2

V initial varia com a CONCENTRAÇÃO DE SUBSTRATO

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