Universidade Federal do Rio de Janeiro Bioquímica Enzimas Éverton Dias D’Andréa 2º período -...
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Universidade Federal do Rio de Janeiro
Bioquímica
Enzimas
Éverton Dias D’Andréa
2º período - Enfermagem
Setembro 20111
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Nutes: Núcleo de Tecnologia Educacional para a Saúde é um órgão suplementar do Centro de Ciências da Saúde da UFRJque articula ações de formação de recursos humanos, pesquisa e desenvolvimento na área da Educação em Ciências e Saúde.
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Bioquímica Enfermagem
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Introdução a Enzimologia
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IntroduçãoA manutenção da vida depende:• da auto-replicação dos organismos vivos;• da realização de reações químicas, sendo que estas reações químicas devem atender duas exigências fundamentais:- precisam ser altamente específicas de modo a gerar produtos definidos- devem ocorrer a velocidades adequadas à fisiologia da célulaA insuficiência na produção ou na remoção de metabólitos pode levar a condições patológicas.
ENZIMAS
alto grau de especificidade por seu substrato
aceleram reações químicas
funcionam em soluções aquosas
a maioria funcionam em pH e temperatura fisiológicas
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• As enzimas aceleram a velocidade de uma reação química sem serem consumidas no processo.• Como suas concentrações permanecem constantes eles são eficientes em pequenas quantidades.
Diferença entrea energia livre
de S e PCaminho da Reação
Energia de ativação com enzimaEne r
gia Energia de ativação sem enzima
SS PP
+ +Enzima Substrato Produto Enzima
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• Enzimas são catalisadores que aumentam a velocidade da reação de 5 à 17 ordens de grandeza.
Anidrase carbônica
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Estrutura das enzimas• 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.
Estrutura Primária
Formada pela sequência de aminoácidos unidos pela ligação peptídica.
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Estrutura SecundáriaSe refere a arranjos particularmente estáveis entre os aminoácidos, gerando estruturas regulares recorrentes.
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Estrutura TerciáriaDescreve todos os aspectos do enovelamento tridimensional de uma proteína.
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Estrutura QuartenáriaOcorre quando uma proteína possui duas ou mais subunidades polipeptídicas.
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Muitas enzimas são proteínas (podem variar de 12.000 a 1 milhão de Da):
algumas requerem um co-fator (íons inorgânicos ou uma co-enzima);
grupo prostético: coenzima ou íon metálico ligado muito forte ou covalentemente à proteína enzimática;
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.
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Classes de enzimas
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• Especificidade da enzima pelo substrato
Sítio catalítico – microambiente específico
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• 40% forma similar;• enovelação: folhas beta pregueadas anti-paralelas + α-helice pequenas.
aa aa aa aa aa aaamino-teminal
carboxi-teminal
Hidrólise enzimática
elastase
aa apolares: Gly, Ala,Val
tripsina
aa positivos: Arg, Lys
quimiotripsina
aa aromáticos: Phe, Tyr, Trp
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Modelos para explicar a formação do complexo Enzima-Substrato
Modelo chave e fechadura – o sítio catalítico é rígido e complementar à forma e ao tamanho do substrato.
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Modelo encaixe induzido – o sítio catalítico não está totalmente pré-formado, a enzima se ajustaria ao substrato.
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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-).
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Catálise Covalente – resulta do ataque nucleofílico ou eletrofílico de um radical do sítio catalítico sobre o substrato, ligando-o covalentemente à enzima e induzindo a sua transformação em produto.
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Mecanismo da quimiotripsina
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Catálise por íons metálicos – metais firmemente ligados ao sítio catalítico interage entre a enzima e o substrato estabilizando o estado de transição.
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Co-fator – molécula inorgânica pequena que uma apoenzima requer para a sua atividade.
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Coenzimas – funcionam como aceptores de átomos ou de grupos funcionais. Durante a reação a coenzima e o substrato são alojados no sítio catalítico da enzima. O fato de as coenzimas estarem se renovando constantemente permite que sua concentração celular seja menor do que as concentrações do substrato.
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Classificação das enzimasAs 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 desidrogenase
• Transferases – catalisam a transferência de um grupamento de uma molécula a outra.
alaninaα-cetoglutarato L-glutamato
piruvato
alanina aminotransferase
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• Hidrolases – catalisam a reação de hidrólise de uma única ou várias ligações covalentes por introdução de uma molécula de água.
peptidase
• Liases – catalisam reações de dupla ligação adicionando ou removendo grupamentos.
piruvato acetaldeído
piruvato carboxilase
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• Isomerases – catalisam reações transferindo grupos dentro da mesma molécula formando isômeros.
Fosfoglicose isomerase
• Ligases – catalisam reações formando ligações do tipo C-C, C-S, C-O e C-N acopladas à quebra de ATP.
Acetil-CoA
acetil CoA carboxilase
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Reações enzimáticas com mais de um substrato
Sequencial (formação do complexo ternário)
Pingue-pongue ou duplo deslocamento
Aspartato aminotransferase
Lactato desidrogenase
Creatina cinase
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Fatores que afetam a velocidade enzimática Temperatura
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pH
Cada enzima tem seu pH ótimo
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[E]
Velo
cida
de
da re
ação
Influência da concentração de enzima e substrato
tempo
[pro
duto
]
2[S][S]
3[S]4[S]5[S]
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Introdução à Cinética Enzimática• Estudo da velocidade da reação
- Quantidade de produto formado
- Quantidade de substrato transformado (sempre na unidade de tempo)
Pode ser medido por:
ou
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tempo
[pro
duto
]
[S]
Velo
cida
de
da re
ação
Atividade enzimática pode ser medida pela velocidade da reação catalisada
![Page 46: Universidade Federal do Rio de Janeiro Bioquímica Enzimas Éverton Dias D’Andréa 2º período - Enfermagem Setembro 2011 1.](https://reader036.fdocumentos.com/reader036/viewer/2022081401/570638581a28abb8238fc7f7/html5/thumbnails/46.jpg)
Cinética enzimáticaRepresentação de uma reação enzimática em 2 etapas
E + S ES Pk1
k-1
k2
Após curto tempo - estabilidade dinâmica com relação a [E] e [ES] é alcançado
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
![Page 47: Universidade Federal do Rio de Janeiro Bioquímica Enzimas Éverton Dias D’Andréa 2º período - Enfermagem Setembro 2011 1.](https://reader036.fdocumentos.com/reader036/viewer/2022081401/570638581a28abb8238fc7f7/html5/thumbnails/47.jpg)
Vo = K2 [ES] [Et]=[E] + [ES]
V de Formação de ES = K1 [E] [S] V de degradação de ES = K –1[ES] + K2 [ES]
Já que Formação de [ES] = Degradação de [ES]
K1 ([Et]-[ES]) [S] = K –1[ES] + K2 [ES] K1[S][Et] - K1[S][ES] = (K –1+ K2) [ES]
[ES] = [Et] [S]
[S] + (K –1+ K2) / k1)
Km
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[ES] = [Et] [S] Se, V0 = k2 [ES]
Km + [S]
Então: V0 = k2 [Et] [S]
Km +[S]
Em V máxima [Et] = [ES]
Então V max = k2 [Et]
Sendo assim Vo = Vmax [S]
Km +[S]
Equação de Michaelis-Menten
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Quando V = Vm
2
Km= [S]
Vm = 2
Vm . [S]
Km +[S]2 . [S]Km +[S] =
2 . [S] - [S] Km =
Uma propriedade importante:
Propriedades importantes de Km:• É numericamente igual a [S] na É numericamente igual a [S] na qual a velocidade da reação é qual a velocidade da reação é metade da Vmax.metade da Vmax.• Característico de cada enzima.Característico de cada enzima.• Reflete a afinidade da enzima pelo Reflete a afinidade da enzima pelo seu substrato.seu substrato.
Km = [S]
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maxV1
[S]maxVmK
v1
1[S]
1 v
-1Km
11VVmaxmax
Gráfico Linewevear-Burk
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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]
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Inibição enzimáticaInibidores 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 CompetitivoInibidor análogo não metabolizável do substrato compete com o mesmo pelo sítio catalítico da enzima livre.
Km é modificado, mas Vmáx não é alterada.
É necessário de [S] maior para deslocar o inibidor.
![Page 53: Universidade Federal do Rio de Janeiro Bioquímica Enzimas Éverton Dias D’Andréa 2º período - Enfermagem Setembro 2011 1.](https://reader036.fdocumentos.com/reader036/viewer/2022081401/570638581a28abb8238fc7f7/html5/thumbnails/53.jpg)
Intoxicação por metanol
metanolmetanol
metanol
Álcool desidrogenase formaldeído
formaldeídoformaldeído
cegueira
metanolmetanol
Álcool desidrogenase
acetaldeído
etanol
etanol
etanoletanol
etanol
etanol
etanol
acetaldeído
acetaldeído
acetaldeído
![Page 54: Universidade Federal do Rio de Janeiro Bioquímica Enzimas Éverton Dias D’Andréa 2º período - Enfermagem Setembro 2011 1.](https://reader036.fdocumentos.com/reader036/viewer/2022081401/570638581a28abb8238fc7f7/html5/thumbnails/54.jpg)
1- sem inibidor
2- com inibidor [ I ]3- com inibidor 2[ I ]
Inibidor Não-CompetitivoInibidor se liga numa região deferente do sítio catalítico da enzima.
Vmáx diminui, mas o Km não é alterado.
[S] maior não diminui a inibição.
![Page 55: Universidade Federal do Rio de Janeiro Bioquímica Enzimas Éverton Dias D’Andréa 2º período - Enfermagem Setembro 2011 1.](https://reader036.fdocumentos.com/reader036/viewer/2022081401/570638581a28abb8238fc7f7/html5/thumbnails/55.jpg)
1- sem inibidor
2- com inibidor [ I ]3- com inibidor 2[ I ]
Inibidor IncompetitivoO inibidor se liga somente no complexo ES em sítio próprio.
Inibidor não possui semelhança estrutural com o substrato.
Km e Vmáx da enzima diminuem.
![Page 56: Universidade Federal do Rio de Janeiro Bioquímica Enzimas Éverton Dias D’Andréa 2º período - Enfermagem Setembro 2011 1.](https://reader036.fdocumentos.com/reader036/viewer/2022081401/570638581a28abb8238fc7f7/html5/thumbnails/56.jpg)
1- sem inibidor
2- com inibidor [ I ]3- com inibidor 2[ I ]
Exemplos de inibidores farmacológico
• 3'-azido-2',3'-didesoxitimidina (AZT)
• nevirapina
• sulfonamidas
![Page 57: Universidade Federal do Rio de Janeiro Bioquímica Enzimas Éverton Dias D’Andréa 2º período - Enfermagem Setembro 2011 1.](https://reader036.fdocumentos.com/reader036/viewer/2022081401/570638581a28abb8238fc7f7/html5/thumbnails/57.jpg)
Inibidores Competitivos de proteases do vírus HIV
Gag e Gag Pol são clivados pela protease do vírus HIV em 9 pontos específicos para produzir proteínas funcionais. O precursor Gag vai originar proteínas estruturais e o precursor Pol vai originar enzimas como transcriptase reversa, integrase e proteases.
Amprenavir
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Inibidor IrreversívelO inibidor se liga covalentemente a um grupo funcional da enzima formando um complexo estável.
Ácido acetil salicílico
![Page 59: Universidade Federal do Rio de Janeiro Bioquímica Enzimas Éverton Dias D’Andréa 2º período - Enfermagem Setembro 2011 1.](https://reader036.fdocumentos.com/reader036/viewer/2022081401/570638581a28abb8238fc7f7/html5/thumbnails/59.jpg)
•Inibidor irreversível Ligação covalente Ácido acetil salicílico
•Inibidor competitivo e reversívelInterações sem ligação covalenteÁcido mefenâmico
Sítio Ativo da Ciclooxigenase
![Page 60: Universidade Federal do Rio de Janeiro Bioquímica Enzimas Éverton Dias D’Andréa 2º período - Enfermagem Setembro 2011 1.](https://reader036.fdocumentos.com/reader036/viewer/2022081401/570638581a28abb8238fc7f7/html5/thumbnails/60.jpg)
Regulação da atividade enzimática das enzimas alostéricasFuncionam através da ligação não-covalente e reversível de um metabólito regulador (modulador)São 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)
![Page 61: Universidade Federal do Rio de Janeiro Bioquímica Enzimas Éverton Dias D’Andréa 2º período - Enfermagem Setembro 2011 1.](https://reader036.fdocumentos.com/reader036/viewer/2022081401/570638581a28abb8238fc7f7/html5/thumbnails/61.jpg)
Um modulador alostérico pode ser tanto um inibidor quanto um ativador.
![Page 62: Universidade Federal do Rio de Janeiro Bioquímica Enzimas Éverton Dias D’Andréa 2º período - Enfermagem Setembro 2011 1.](https://reader036.fdocumentos.com/reader036/viewer/2022081401/570638581a28abb8238fc7f7/html5/thumbnails/62.jpg)
Aspartato Transcarbamilase (ATCase) – síntese de pirimidinas
![Page 63: Universidade Federal do Rio de Janeiro Bioquímica Enzimas Éverton Dias D’Andréa 2º período - Enfermagem Setembro 2011 1.](https://reader036.fdocumentos.com/reader036/viewer/2022081401/570638581a28abb8238fc7f7/html5/thumbnails/63.jpg)
Fosfofrutokinase 1 (PFK-1)
Regulação da atividade enzimática por modificação covalente reversível
Fosforilação – Regula inúmeros processos metabólicos ativando enzimas chaves das vias metabólicas.
![Page 64: Universidade Federal do Rio de Janeiro Bioquímica Enzimas Éverton Dias D’Andréa 2º período - Enfermagem Setembro 2011 1.](https://reader036.fdocumentos.com/reader036/viewer/2022081401/570638581a28abb8238fc7f7/html5/thumbnails/64.jpg)
A B C D E
-
Feedback negativo
Coordena o fluxo de enzimas por uma via metabólica.
![Page 65: Universidade Federal do Rio de Janeiro Bioquímica Enzimas Éverton Dias D’Andréa 2º período - Enfermagem Setembro 2011 1.](https://reader036.fdocumentos.com/reader036/viewer/2022081401/570638581a28abb8238fc7f7/html5/thumbnails/65.jpg)
Ativação proteolítica
![Page 66: Universidade Federal do Rio de Janeiro Bioquímica Enzimas Éverton Dias D’Andréa 2º período - Enfermagem Setembro 2011 1.](https://reader036.fdocumentos.com/reader036/viewer/2022081401/570638581a28abb8238fc7f7/html5/thumbnails/66.jpg)
Aplicações das enzimasSetor industrial – permitem usarem processos mais econômicos, diminuindo consumo de energia e recursos, mais confiáveis que poluem menos.
Saúde – são usadas para detectar algum tipo de doença, ou dano tecidual, ou como marcador de exames. Algumas doenças são causadas pela falta de enzimas (ex. fenilcetonúria; intolerância a lactose).
![Page 67: Universidade Federal do Rio de Janeiro Bioquímica Enzimas Éverton Dias D’Andréa 2º período - Enfermagem Setembro 2011 1.](https://reader036.fdocumentos.com/reader036/viewer/2022081401/570638581a28abb8238fc7f7/html5/thumbnails/67.jpg)
Infarto do miocárdio