4 - Enzimas, Coenzimas e Vitaminas

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Professor Alexandre Soares dos Santos DCB/UFVJM 2007 
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Enzimas, Coenzimas e Vitaminas 
 
 
Enzimas = Catalisadores Biológicos 
 
o São proteínas (existem excessões - RNA) 
o Velocidades reacionais 106 a 1012 vezes maior 
o Condições brandas de reação 
o Alta especificidade 
o Regulação do sistema catalítico 
 
 
Introdução à catálise enzimática 
 
Considere a seguinte reação: 
 
2 H2O2 2 H2O + O2 
 
Diagrama de Energia do Estado de Transição 
 
• A reação é termodinamicamente vavorável, mas ocorre muito 
lentamente. 
• A baixa velocidade é devida a alta energia de ativação para a reação. 
• Somente uma pequena parcela das moléculas tem energia suficiente 
para sobrepor a barreira de ativação. 
• Podemos aumentar a energia do sistema, mas essa não é uma opção 
para os sistemas biológicos. 
 
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Reações Enzimáticas 
 
• As enzimas agem criando vias mais fáceis para que uma reação 
aconteça; 
• Reagentes, produtos e equilíbrio químico não são alterados; 
• Aumentam a velocidade das reações diminuindo a barreira da 
energia de ativação; 
 
• Os catalisadores atuam reduzindo a energia livre do estado de 
transição da reação catalisada sem alterar o ΔG, o ΔH e a Keq da 
reação. 
 
Nomenclatura da Enzimas 
 
O nome comum das enzimas é baseado em: 
 
• Sobre qual substrato a enzima atua; 
• Qual o tipo de ação catalítica é promovida pela enzima; 
• Adição do sufixo ase. 
 
Exemplos: 
Lactase – enzima que atua sobre a lactose; 
Piruvato descarboxilase – enzima que remove grupo caboxila do piruvato. 
 
Cada enzima tem um nome sistemático terminado em ase e um número de 
quatro dígitos (EC) que a classifica considerando classe, subclasse, sub-
subclasse e um número de série 
(http://www.expasy.ch/sprot/enzyme.html). 
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Classificação das enzimas de acordo com a reação catalisada 
 
Classificação Tipo de Reação Catalisada 
1 – Oxidorredutases Reações de oxidação-redução 
2 – Transferases Tranferência de grupos funcionais 
3 – Hidrolases Reações de hidrólise 
4 – Liases Eliminação de grupos para formas ligações duplas 
5 – Isomerases Isomerização 
6 - Ligases Formação de ligação, acoplada à hidrólise de ATP 
 
Exemplo de nomenclatura sistemática (oficial): peptidil-L-aminoácido-
hidrolase EC 3.4.17.1 (carboxipeptidase A) 
 
 
 
Especificidade das Enzimas 
 
Especificidade absoluta 
Reconhecimento de um único substrato 
 
Especificidade de Grupo 
Trabalha com moléculas similares, com os mesmos grupos funcionais 
 
Especificidade de Ligação 
Reconhece tipos específicos de ligações 
 
Estereoespecificidade 
Reconhecimento das formas estereoisoméricas de seus substratos ou 
produtos. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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Reconhecimento Enzima-Substrato 
 
 
 
 Modelo Chave-Fechadura (1894) Modelo Encaixe Induzido (1958) 
 
 
Etapas da catálise enzimática 
 
 
 
 
 
 
Ao final de cada processo catalítico, com a liberação do(s) produto(s), as 
enzimas retornam a sua condição original e voltam a participar em outras 
reações. 
 
Sítio Ativo 
Sítio Ativo 
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k1 kp 
k-1 
Equação de Michaelis-Menten 
 
O mecanismo para este tipo de reação foi originalmente formulado por 
Michaelis e Menten. 
 
No caso mais simples, um substrato (S) reconhecido por uma enzima (E) 
forma um complexo ativado (ES). 
Esse complexo pode levar à formação de um produto (P) ou tornar ao 
substrato (S) e a enzima livre (E). 
 
 
 
 
E + S ES P + E 
 
Três expressões de velocidade são usadas para descrever a reação 
enzimática: 
 
Velocidade de formação de ES = Vf = k1[E0-ES][S] 
Velocidade de decomposição de ES = Vd = (k-1 + kp)[ES] 
Velocidade de formação do produto = Vp = kp[ES] 
E0 = concentração inicial de enzima. 
 
 
 
 
 
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A equação de velocidade pode ser deduzida por dois caminhos: 
 
Modelo de equilíbrio rápido: as concentrações de E, S e ES alcançam o 
equilíbrio muito rapidamente, o que vale dizer que o passo limitante da 
reação é aquele onde ES se desdobra em E + P. Nessa condição a 
velocidade da reação depende da concentração de ES Æ v = kp[ES]. 
 
Se dividirmos a equação acima pela concentração total de enzima ([E0] ou 
[E] + [ES]) teremos a seguinte derivação: 
 
v/[Et] = kp[ES]/([E] + [ES]) (1) 
 
Expressando [ES] em termos de [S], [E] e KS, onde KS (k-1/k1) é a 
constante de dissociação do complexo ES, teremos: 
 
[ES] = [S][E]/KS 
 
Substituindo [ES] por [S][E]/KS na equação 1 teremos: 
 
v/[E0] = kp[S][E]/KS /([E] + [S][E]/KS) (2) 
 
Dividindo os braços da equação 2 por kp e cancelando [E], teremos: 
 
v/kp[E0] = ([S] /KS) / (1 + [S] /KS) (3) 
Se v = kp[ES], então kp[E0] = Vmáx, daí a equação 3 fica 
 
v/Vmáx = ([S] /KS) / (1 + [S] /KS) 
≡ 
v/Vmáx = [S] / (KS + [S]) 
(Equação de Henri-Michaelis e Mentes) 
 
 
 
 
 
 
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Modelo do estado estacionário (Briggs e Haldane): considera que a 
velocidade de formação do produto é muito superior à velocidade de 
dissociação do complexo ES. Assim, quando [S]>>[E0] e S e E são 
misturados, estabelece-se um estado estacionário no qual [ES] permanece 
constante por um certo período de tempo. 
 
Se [ES] é constante, significa dizer que a velocidade de formação de [ES] 
é igual a velocidade de decomposição de [ES]: k1[E][S] = (k-1 + kp)[ES] 
 
Evidenciando [ES]: 
 
[ES] = k1[E][S] / (k-1 + kp) 
 
(k-1 + kp) / k1 Æ Km (constante de Michaelis) 
(Note que quando kp for muito menor que k-1, Km = KS) 
 
Assim, [ES] = [S][E] / Km 
 
Substituindo [ES] na equação de velocidade: v/[E0] = kp[ES]/([E] + [ES]) 
 
v/Vmáx = [S]/(Km + [S]) 
 
 
• O Km pode ser definido 
como a concentração de 
substrato onde se alcança a 
metade da velocidade 
máxima; 
 
• Ou, a concentração de 
substrato onde metade dos 
sítios catalíticos ativos das 
enzimas estão complexados 
com substrato. 
 
• Ainda podemos, através do valor do Km, inferir sobre a afininidade da 
enima pelo substrato. Quanto menor o Km, maior a afinidade da enzima 
pelo substrato. 
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Número de ciclos (turnover) (Kcat) enzimáticos 
 
É a medida de quão rapidamente uma enzima é capaz de converter seu 
substrato ao respectivo produto. 
 
Número de ciclos (Kcat) = Vmáx/[E0] 
 
Exemplo: Uma solução contendo 10-9 mol/L de catalase produz a quebra de 
0,4 mol/L de H2O2 por segundo. 
 
Número de ciclos = 0,4/10-9 = 40.000.000 de moles de H2O2 por unidade 
de catalase por segungo. 
 
 
Tabela com exemplos de enzimas e seus Kcat. 
 
 
 
Gráfico de Lineweaver-Burk 
 
O uso da equação de Michaelis-Menten para a determinação do Km e da 
Vmáx trás, na prática, imprecisão em função da curvatura hiberbólica do 
gráfico. 
 
Lineweaver and Burk propuseram uma forma de linearizar a curva do 
gráfico através da inversão da equação de Michaelis e Menten: 
 
 
 
 
 
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Fatores que afetam a velocidade de catálise enzimática 
 
Efeito do pH sobre a atividade enzimática 
 
 
 
Inibição Enzimática 
 
Muitas substâncias podem inibir a atividade das enzimas: análogos de 
substratos, toxinas, drogas, complexos metálicos. 
 
O estudo da inibição pode trazer: 
• Informações sobre as vias metabólicas; 
• Informações sobre como drogas e toxinas exercem seus efeitos; 
• Melhorentendimento sobre o mecanismo de ação das enzimas. 
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Duas classes de inibidores foram identificados com base no tipo de 
inibição que promovem: inibidores reversíveis e inibidores irreversíveis. 
 
inibidores reversíveis: formam ligações não-covalentes e fracas e se 
dissociam rapidamente da enzima. A enzima só se mantém inativa quando o 
inibidor está presente junto à enzima. 
 
inibidores irreversíveis: formam ligações covalentes ou ligações não-
covalentes muito fortes. Atuam geralmente sobre os aminoácidos nos 
centros de ancoragem do sítio ativo da enzima. 
 
 
Inibição Competitiva 
 
 
 
• O inibidor compete pelo sítio ativo 
da enzima. 
 
• Na inibição competitiva há uma 
alteração do Km, sem alteração da 
Vmáx. O Km aparente do sistema é 
aumentado na presença do inibidor. 
 
• Quanto maior a concentração do 
inibidor maior será a amplitude da 
inibição enzimática. 
 
 
 
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Inibição Acompetitiva (incompetitiva) 
 
 
 
 
 
• Na inibição acompetitiva, o 
inibidor se liga ao complexo ES, 
em uma região da enzima distinta 
do sítio ativo, não permitindo que 
o substrato seja convertido a 
produto. 
 
• No processo reversível, Km e Vmáx 
são alterados. O Km é diminuído na 
presença do inibidor e, a Vmáx é 
reduzida. 
 
 
 
Inibição Não-Competitiva 
 
 
 
 
 
Inibidor 
Substrato 
Natural 
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• Na inibição Não-Competitiva, o 
inibidor não interfere na ligação 
com o substrato, no entanto o 
complexo ESI é cataliticamente 
inativo. 
• Neste tipo de inibição o Km 
permanece inalterado, pois não há 
alteração na afinidade da enzima 
pelo seu substrato. No entanto, a 
Vmáx é reduzida com o aumento 
da concentração do inibidor. 
 
 
Inibição Mista 
 
 
 
 
• Na inibição Mista, o inibidor não 
interfere na ligação com o 
substrato, no entanto o 
complexo ESI é cataliticamente 
inativo. 
 
• Neste caso, o Km aparente da 
enzima é aumentado e a Vmáx é 
reduzida. 
 
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COENZIMAS E VITAMINAS 
COENZIMAS 
 
• Componente orgânico não protéico 
• Essencial para a atividade de muitas enzimas 
• Aceptores de átomos ou grupos funcionais ou doadores destes mesmos 
grupos ⇒ transportadores 
• Associada ao substrato no centro ativo da enzima 
• Coenzima não é modificada 
• Precede a ligação da enzima ao substrato 
• Grupo prostético ⇒ ligada covalentemente à enzima 
• Coenzima na forma “livre” 
• FAD ⇒ grupo prostético 
• NAD+ ⇒ forma “livre” 
• Coenzimas devem retornar ao seu estado original 
• Vitaminas 
• Não são sintetizadas por muitos organismos 
• Fatores de crescimento para microrganismos 
• Substâncias que curam doenças nutricionais. 
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Características das coenzimas mais comuns 
Coenzima Reação promovida Vitamina 
Adenosina trifosfato Fosforilação ----- 
Biotina Carboxilação Biotina 
Coenzima A Tranferência de grupos acila Ácido pantotênico 
Coenzimas da cobalamina Alquilação Cobalamina (B12) 
Coenzimas da flavina Óxido-redução Riboflavina (B2) 
Ácido lipóico Transferência de grupos acila ----- 
Coenzimas da nicotinamida Óxido-redução Nicotinamida 
Piridoxal fosfato Tranferência de grupos amino Piridoxina (B6) 
Tetraidrofolato Transferência de grupos de 1 carbono Ácido fólico 
Pirofosfato de tiamina Transferência de grupos aldeído Tiamina (B1) 
 
VITAMINAS 
• Necessidades variam de acordo com a espécie 
• Características gerais 
• Substâncias orgânicas heterogêneas 
• Constituintes normais dos alimentos 
• Eficientes em quantidades diminutas 
• Essenciais ao metabolismo normal dos tecidos 
• Não participam como unidades estruturais da célula 
• Não são desdobradas para fornecimento de energia 
• Simbiose no trato digestório ⇒ síntese de vitaminas 
• Podem ser sintetizadas nos tecidos corporais ⇒ ácido ascórbico 
• Precursores ou provitaminas 
• Podem ser consideradas hormônios ⇒ vitaminas lipossolúveis 
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Vitaminas sintetizadas nos tecidos animais 
Vitamina Precursor Órgão 
A (retinol) Betacaroteno Intestino e fígado 
D3 (coloecalciferol) 7-deidrocolesterol Pele 
D2 (ergocalciferol) Ergosterol Pele 
C (ác. Ascórbico) Glicose Fígado 
Niacina Triptofano Fígado 
Inositol Glicose Fígado 
Colina homocisteína Fígado 
 
 
Classificação das vitaminas 
 
Hidrossolúveis e lipossolúveis 
 
Diferenças entre vitaminas hidro e lipossolúveis 
 Lipossolúveis Hidrossolúveis 
Estocagem Sim Não 
Excreção Lenta (bile) Rápida (urina) 
Controle Rígido Quase ausente 
Intoxicação Sim (A e D) Rara (riboflavina) 
Anafilaxia Não Sim (tiamina) 
Funções Não enzimáticas 
Hormonais 
Coenzimas 
Estabilidade Muito baixa Variável 
 
 
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Vitaminas Lipossolúveis 
Nome comum Nome recomendado Função Fonte 
Vitamina A1 Retinol 
Visão 
Manutenção de epitélios 
Reprodução 
ossificação 
Retinol ⇒ produtos de origem animal 
Carotenos ⇒ produtos vegetais 
Retinal Retinaldeído 
Vitamina A ácido Ácido retinóico 
Vit A2 ou 3-deidrorretinol 
Deidrorretinol 
Retineno-2 ou 
3-deidrorretinal deidrorretinaldeído 
Vitamina D2 ou calciferol Ergocalciferol Metabolismo de cálcio Plantas e leveduras 
Tecidos animais Vitamina D3 Colecalciferol 
Vitamina E Vitamina E Anti-oxidante 
Fertilidade 
Gérmens de grãos 
Óleos vegetais, folhas 
Vitamina K1 ou filoquinona Filoquinona Coagulação sangüínea 
Transporte de elétrons (?) 
Quase todos os alimentos 
 
Síntese pela flora microbiana 
Séries de Vitamina K2 Menaquinonas 
Vitamina K3, menadiona ou 
naftoquinona 
Menadiona 
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Vitaminas hidrossolúveis 
Nome comum Nome recomendado Função Fonte 
Ácido fólico ou folacina Ácido pteroilglutâmico Tetraidrofolato Verduras, fígado 
Ácido nicotínico ou niacina Ácido nicotínico NAD e NADP Cereais 
Produtos de origem animal Amida do ác. Nicotínico 
Nicotinamida 
Nicotinamida 
Ácido pantotênico Ácido pantotênico Coenzima A Variadas 
Vitamina B1, aneurina ou tiamina Tiamina Coenzima TPP e LTPP Cereais integrais 
Sementes de leguminosas 
 
Vitamina B2 ou riboflavina Riboflavina FMN, FAD Microflora gastrintestinal 
Clara de ovo, leite e fígado 
Vitamina B6, adermina ou 
piridoxol 
Piridoxal Metabolismo de 
aminoácidos 
Produtos vegetais e animais 
Piridoxina Piridoxina 
Piridoxamina Piridoxamina 
Vitamina B12 ou cobalamina Cianocobalamina Coenzimas Produtos de origem animal 
Síntese no trato 
gastrintestinal 
Vitamina B12a, B12b ou 
hidroxicobalamina 
Hidroxicobalamina 
Vitamina B12c Nitritocobalamina 
Biotina biotina Transporte de CO2 Variadas 
Vitamina C ou ácido L-ascórbico Ácido ascórbico Síntese do colágeno 
Manutenção das células 
endoteliais 
Redução do íon ferro 
Anti-oxidante 
Frutas cítricas , caju, 
acerola, goiaba 
Ácido L-deidroascórbico Ácido deidroascórbico 
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