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Profa. Maria Taciana Cavalcanti Vieira Soares ENZIMAS ENZIMAS - HISTÓRICO 2 Catálise biológica início séc. XIX digestão da carne: estômago; digestão do amido: saliva. Década de 50 Louis Pasteur - concluiu que a fermentação do açúcar em álcool pela levedura era catalisada por “fermentos” = enzimas. Eduard Buchner (1897) extratos de levedo podiam fermentar o açúcar até álcool; enzimas funcionavam mesmo quando removidas da célula viva. ENZIMAS - HISTÓRICO 3 James Sumner (1926) Isolou e cristalizou a urease; Cristais eram de proteínas; Postulou que “todas as enzimas são proteínas”. John Northrop (década 30) Cristalizou a pepsina e a tripsina bovinas; Década de 50 – séc. XX 75 enzimas isoladas e cristalizadas; Ficou evidenciado caráter protéico. 1981 – Thomas Cech – descobriu as ribozimas Atualmente + 2000 enzimas são conhecidas. ENZIMAS 4 Definição: Catalisadores biológicos; Longas cadeias de pequenas moléculas chamadas aminoácidos. Função: Viabilizar a atividade das células, quebrando moléculas ou juntando-as para formar novos compostos. Com exceção de um pequeno grupo de moléculas de RNA com propriedades catalíticas, chamadas de RIBOZIMAS, todas as enzimas são PROTEÍNAS. ENZIMAS – ESTRUTURA 5 RNA Estrutura Enzimática Ribozimas Se covalente Apoenzima ou Apoproteína Grupo Prostético Holoenzima Cofator Coenzima Proteína Pode ser: • íon inorgânico • molécula orgânica ENZIMAS – CARACTERÍSTICAS GERAIS 6 Apresentam alto grau de especificidade; São produtos naturais biológicos; Reações baratas e seguras; São altamente eficientes, acelerando a velocidade das reações (108 a 1011 + rápida); São econômicas, reduzindo a energia de ativação; Não são tóxicas; Condições favoráveis de pH, temperatura, polaridade do solvente e força iônica. ENZIMAS 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 7 ENZIMAS – NOMENCLATURA 8 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 ENZIMAS – NOMENCLATURA 9 1955 - Comissão de Enzimas (EC) da União Internacional de Bioquímica (IUB) nomear e classificar. Cada enzima código com 4 dígitos que caracteriza o tipo de reação catalisada: 1° dígito - classe 2° dígito - subclasse 3° dígito - sub-subclasse 4° dígito - indica o substrato ENZIMAS – CLASSIFICAÇÃO 1. Oxido-redutases (reações de oxidação-redução ou transferência de elétrons) 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 (transferem grupos funcionais entre moléculas) 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 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 10 Classificação das enzimas segundo a Comissão de Enzimas. ENZIMAS – CLASSIFICAÇÃO 4.Liases (catalisam a quebra de ligações covalentes e a remoção de moléculas de água, amônia e gás carbônico) 4.1. =C=C= 4.2. =C=O 4.3. =C=N- 5.Isomerases (transferência de grupos dentro da mesma molécula para formar isômeros) 5.1.racemases 6.Ligases (catalisam reações de formação de novas moléculas a partir da ligação entre duas pré-existentes, sempre às custas de energia) 6.1. C-O 6.2. C-S 6.3. C-N 6.4. C-C 11 Classificação das enzimas segundo a Comissão de Enzimas. ENZIMAS – CLASSIFICAÇÃO 12 Subclasses E xem plo s d e S u b classes T ip o d e reação ca ta lisad a C lasse H id ra tases A d ic ionam H 2O à ligas dup las L iases Q u inases T rans fe rem fos fo rilas do A T P T rans fe rase M utases M ovem fos fo rilas den tro da m esm a m olécu la Isom erase S in tases S ín tese independen te de A TP T rans fe rases S in te tases S ín tese dependen te de A T P L igases ENZIMAS – NOMENCLATURA 13 ADP + D-Glicose-6-fosfato ATP + D-Glicose IUB - ATP:glicose fosfotransferase E.C. 2.7.1.1 2 - classe - Transferase 7 - subclasse - Fosfotransferases 1 - sub-subclasse - Fosfotransferase que utiliza grupo hidroxila como receptor 1 - indica ser a D-glicose o receptor do grupo fosfato Nome trivial: Hexoquinase ENZIMAS – CATALISADORES 14 Aceleram reações químicas Ex: Decomposição do H2O2 Condições da Reação Energia livre de Ativação KJ/mol Kcal/mol Velocidade Relativa Sem catalisador Platina Enzima Catalase 75,2 18,0 48,9 11,7 23,0 5,5 1 2,77 x 104 6,51 x 108 H2O2 H2O O2 + Catalase ENZIMAS – CATALISADORES 15 Não são consumidos na reação H2O2 H2O O2 + Catalase E + S E + P ENZIMAS – CATALISADORES 16 Não alteram o estado de equilíbrio •Abaixam a energia de ativação; •Keq não é afetado pela enzima. Não apresenta efeito termodinâmico global •G não é afetada pela enzima. Diferença entre a energia livre de S e P Caminho da Reação Energia de ativação com enzima Energia de ativação sem enzima S P ENZIMAS – COMPONENTES DA REAÇÃO 17 E + S E S P + E Substrato se liga ao SÍTIO ATIVO da enzima ENZIMAS – SÍTIO ATIVO 18 Região da molécula enzimática que participa da reação com o substrato. Pode possuir componentes não protéicos:cofatores. Possui aminoácidos auxiliares e de contato. HOLOENZIMA Porção protéica APOENZIMA Grupamento prostético Ativador:Íons inorgânicos que condicionam a ação catalítica das enzimas. Fe²+ Cofator Coenzima: molécula orgânica complexa.NAD+ HOLOENZIMA Porção protéica APOENZIMA Grupamento prostéticoAtivador:Íons inorgânicos que condicionam a ação catalítica das enzimas. Fe²+ Cofator ENZIMAS – COFATOR ENZIMA COFATOR PEROXIDASE Fe+2 ou Fe+3 CATALASE CITOCROMO OXIDASE Cu+2 ÁLCOOL DESIDROGENASE Zn+2 HEXOQUINASE Mg+2 UREASE Ni+2 19 Algumas enzimas que contêm ou necessitam de elementos inorgânicos como cofatores ENZIMAS – COENZIMAS 20 C oenzim a A brev ia tu ra R eação ca ta lisada O rigem N ico tin am ida ad en in a d inuc leo tíd io N A D + O xi-re dução N iac in a o u V itam ina B 3 N ico tin am ida ad en in a d inuc leo tíd io fo s fa to N A D P + O xi-re dução N iac in a o u V itam ina B 3 F lav ina ad en in a d inuc leo tíd io F A D O xi-re dução R ibo flav in a o u V itam ina B 2 Maioria deriva de vitaminas hidrossolúveis Classificam-se em: - transportadoras de hidrogênio - transportadoras de grupos químicos Transportadoras de hidrogênio ENZIMAS – COENZIMAS 21 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 Transportadoras de grupos químicos ENZIMAS – LIGAÇÃO ENZIMA - SUBSTRATO 22 Emil Fischer (1894): alto grau de especificidade das enzimas originou Chave-Fechadura , que considera que a enzima possui sitio ativo complementar ao substrato. ENZIMAS – LIGAÇÃO ENZIMA - SUBSTRATO 23 Koshland (1958): Encaixe Induzido , enzima e o o substrato sofrem conformação para o encaixe. O substrato é distorcido para conformação exata do estado de transição. ENZIMAS – ATIVIDADE ENZIMÁTICA 24 Enzyme Commission: “uma unidade (U) de atividade é a quantidade de enzima que catalisa a transformação de 1 micro mol de substrato ou a formação de 1 micro mol de produto por minuto”. Expressa: U = micro moles produto/minuto Atividade específica = U/mg de proteína Enzima pura, condições que permita a velocidade da reação seja máxima o substrato [S] de modo a permitir que toda a enzima [E] [ES]. ENZIMAS – ATIVIDADE ENZIMÁTICA 25 Fatores que alteram a velocidade de reações enzimáticas: - pH; - temperatura; - concentração das enzimas; - concentração dos substratos; - presença de inibidores. ENZIMAS – INFLUÊNCIA DO pH 26 O efeito do pH sobre a enzima deve-se às variações no estado de ionização dos componentes do sistema à medida que o pH varia. Enzimas grupos ionizáveis, existem em ≠ estados de ionização. ENZIMAS – INFLUÊNCIA DO pH ENZIMA pH ÓTIMO Pepsina 1,5 Tripsina 7,7 Catalasa 7,6 Arginasa 9,7 Fumarasa 7,8 27 A estabilidade de uma enzima ao pH depende: - temperatura; - força iônica; - natureza química do tampão; - concentração de íons metálicos contaminantes; - concentração de substratos ou cofatores da enzima; - concentração da enzima. ENZIMAS – INFLUÊNCIA DA TEMPERATURA 28 temperatura dois efeitos ocorrem: (a) a taxa de reação aumenta, como se observa na maioria das reações químicas; (b) a estabilidade da proteína decresce devido a desativação térmica. Enzima temperatura ótima para que atinja sua atividade máxima, é a temperatura máxima na qual a enzima possui uma atividade por um período de tempo. ENZIMAS – INFLUÊNCIA DA TEMPERATURA ENZIMA TEMPERATURA ÓTIMA (°C) Pepsina 31,6 Tripsina 25,5 Urease 20,8 29 O efeito da temperatura depende: - pH e a força iônica do meio; - a presença ou ausência de ligantes. Acima desta temperatura, o velocidade de reação devido a temperatura é compensado pela perda de atividade catalítica devido a desnaturação térmica. ENZIMAS – INFLUÊNCIA DA [E] 30 Velocidade de transformação do S em P depende da quantidade de E. Desvios da linearidade ocorrem: - Presença de inibidores na solução de enzima; - Presença de substâncias tóxicas; - Presença de um ativador que dissocia a enzima; - Limitações impostas pelo método de análise. Recomenda-se: - Enzimas com alto grau de pureza; - Substratos puros; - Métodos de análise confiável. ENZIMAS – INFLUÊNCIA DA [S] 31 [S] varia durante o curso da reação à medida que S é convertido em P. Medir Vo = velocidade inicial da reação. vo [S] Vmax [S] pequenas Vo linearmente. [S] maiores Vo por incrementos cada vez menores. Vmax [S] Vo insignificantes. Vmax é atingida E estiverem na forma ES e a [E] livre é insignificante, então, E saturada com o S e V não com de [S]. ENZIMAS – CINÉTICA ENZIMÁTICA 32 Victor Henri (1903): E + S ES 1913 Leonor Michaelis -Enzimologista Maud Menten - Pediatra E + S ES E + P Etapa rápida Etapa lenta ENZIMAS – CINÉTICA ENZIMÁTICA 33 Cinética Enzimática Determinar as constantes de afinidade do S e dos inibidores; Conhecer as condições ótimas da catálise; Ajuda a elucidar os mecanismos de reação; Determinar a função de uma determinada enzima em uma rota metabólica. ENZIMAS – CINÉTICA ENZIMÁTICA 34 v = Vmax [S] Km + [S] [S] v Vmax 2 v = Vmax v = Vmax [S] Km Km ENZIMAS – CINÉTICA ENZIMÁTICA ENZIMA SUBSTRATO Km (mM) Catalase H2O2 25 Hexoquinase ATP 0,4 D-Glicose 0,05 D-Frutose 1,5 Quimotripsina Gliciltirosinilglicina 108 N-benzoiltirosinamida 2,5 35 Afinidade da enzima ao substrato. Km depende: aspectos específicos do mecanismo de reação; n° de passos da reação; velocidades relativas dos passos individuais. Enzimas – ordem da reação 36 Quando a formação de P for proporcional à [S] a velocidade da reação é de 1a ORDEM Quando a velocidade da reação independe da [S] a reação é de ORDEM ZERO V [S] v = Vmax v = Vmax [S] Km v = K[S] ENZIMAS – MÉTODOS GRÁFICOS maxV 1 [S]maxV mK v 1 37 Gráfico dos Recíprocos de Lineweaver-Burk 1 [S] 1 v -1 Km 1 Vmax Km Vmax Inclinação = ENZIMAS – MÉTODOS GRÁFICOS 38 [S] v m K max Vv Gráfico de Eadie-Hofstee Vmax Km v -Km Inclinação = v [S] Vmax ENZIMAS – MÉTODOS GRÁFICOS 39 [S] max V 1 max V m K v [S] Gráfico de Hanes-Woolf [S] [S] v -Km Km Vmax 1 Vmax Inclinação = ENZIMAS – MÉTODOS GRÁFICOS 40 Gráfico da equação integrada de Michaelis-Menten Vmax Km -1/Km Inclinação = ([S]o-[S]) t Vmax 2,3log[S]o t [S] t [S])([S] K 1 K V [S] [S] log t 2,3 o mm maxo ENZIMAS – INIBIÇÃO ENZIMÁTICA 41 Qualquer substância que reduz a velocidade de uma reação enzimática. INIBIDORESREVERSÍVEIS IRREVERSÍVEIS COMPETITIVOS NÃO COMPETITIVOS INCOMPETITIVOS ENZIMAS – INIBIÇÃO COMPETITIVA 42 Inibidor competitivo concorre com o S pelo sitio ativo da E livre. I análogo não metabolizável, derivado de um S verdadeiro, S substituto da E ou um P da reação. [substrato] necessária para obter a mesma [ES] afinidade da enzima pelo substrato I compostos com estrutura molecular lembra S Km aparente da enzima ENZIMAS – INIBIÇÃO COMPETITIVA 43 1- sem inibidor 2- com inibidor na concentração [I1] 3- com inibidor na concentração [I2] > [I1] ENZIMAS – INIBIÇÃO NÃO-COMPETITIVA 44 Inibidor não-competitivo se liga reversivelmente, aleatória e independentemente em um sítio que lhe é próprio. I não tem semelhança estrutural com o S [substrato] não diminui a inibição Km da enzima NÃO se altera Vmax na presença do inibidor ENZIMAS – INIBIÇÃO NÃO-COMPETITIVA 45 1- sem inibidor 2- com inibidor na concentração [I1] 3- com inibidor na concentração [I2] > [I1] ENZIMAS – INIBIÇÃO INCOMPETITIVA 46 Inibidor incompetitivo se liga reversivelmente, em um sítio próprio, ao complexo ES. I não tem semelhança estrutural com o S I favorece a formação do ES Km e Vmax da enzima ENZIMAS – INIBIÇÃO INCOMPETITIVA 47 1- sem inibidor. 2- com inibidor na concentração [I1] 3- com inibidor na concentração [I2] > [I1] ENZIMAS – INIBIÇÃO IRREVERSÍVEL 48 I se combina com um grupo funcional, na molécula da E, que é essencial para sua atividade. Podem promover a destruição do grupo funcional Forma-se uma ligação COVALENTE entre o I e a E. Vmax parte da E é completamente removida do sistema e Km permanece a mesma. K2 E + P E + S ES K1 EI + I ENZIMAS – ENZIMAS REGULATÓRIAS 49 Não obedecem a cinética de Michaelis-Menten. Controlam a etapa limitante em uma cadeia de reações enzimáticas. Tem sua atividade catalítica aumentada ou diminuída em resposta a determinados sinais, moléculas sinalizadoras (pequenos metabólicos ou cofatores). Classes de enzimas reguladoras: Enzimas alostéricas; Enzimas reguladas pela modificação covalente reversível. ENZIMAS – ENZIMAS REGULATÓRIAS 50 Enzimas alostéricas Funcionam através da ligação não-covalente e reversível de um metabólito regulador chamado modulador; Moduladores podem ser inibidores ou ativadores; São maiores e mais complexas, possuem duas ou mais cadeias polipeptídicas. Enzimas reguladas pela modificação covalente reversível Grupos químicos são ligados covalentemente e removidos da enzima reguladora por enzimas ≠, podem ser: fosfato, adenosina monofosfato, grupos metil, etc. Enzimas reguladas por proteólise Zimogênios, enzimas digestivas Expressão enzimática 51 ENZIMAS – ENZIMAS REGULATÓRIAS 52 1- Comportamento tipo Michaelis-Menten. 2- Comportamento Alostérico. Isoenzimas O que são? Importância clínica , Ex. LDH, CPK Enzima Fonte(s) tecidual(is) Uso diagnóstico AST Coração, músculo esquelético, fígado, cérebro Doenças hepáticas ALT fígado Doenças hepáticas, hepatite(ALT>AST) amilase Pâncreas, glândulas salivares Pancreatite aguda, obstrução biliar CK Músculo esquelético, coração, cérebro Distrofia muscular, infarto miocárdio GGT fígado Hepatite, excesso álcool Fosfatase ácida próstata Câncer de próstata Fosfatase alcalina osteoblasto Doença óssea, tumores ósseos 54 ENZIMAS – APLICAÇÕES 55 ENZIMA FONTE APLICAÇÃO Papaína mamão Ajuda na digestão, Médica, bebidas, carnes Bromelina abacaxi Ajuda na digestão, Médica, bebidas, carnes Diastase malte Panificação, xarope Pepsina mucosa gástrica suíno Amaciamento de carne Lipase Candida rugosa Tratamento de efluentes Permitem às indústrias usarem processos mais econômicos, diminuindo o consumo de energia e recursos; mais confiáveis e que poluem menos. São eficientes; Muito específicas; Permite produção segura e ambientalmente amigável. Origem vegetal Origem animal Origem microbiana Utilização e exemplos Indústrias: Alimentos Detergentes Farmacoquímica Bebidas Diagnóstico Dentro do corpo: digestão, células, coagulação, etc..... ENZIMAS – APLICAÇÕES 58 Enzimas utilizadas em rações para aves. Melhora a utilização de gorduras animais e vegetais Lipídios e ácidos graxos Lipases Remoção de Galactosídios Galactosídios Galactosidases Melhora a utilização do fósforo dos vegetais. Remoção do ácido fítico. Ácido fítico Fitase Suplementação das enzimas endógenas. Degradação mais eficiente do amido. Amido Amilases Suplementação das enzimas endógenas. Degradação mais eficiente de proteínas. Proteínas Proteases Degradação da celulose e liberação de nutrientes Celulose Celulases Redução da viscosidade da digesta. Pectinas Pectinases Redução da viscosidade da digesta. Menor umidade na cama. -glucanos Glucanases Redução da viscosidade da digesta. Arabinoxilanas Xilanase Efeitos Substrato Enzima ENZIMAS – APLICAÇÕES 59 Tratamento de efluentes Preocupação ambiental desencadeou uma procura por outras alternativas, as chamadas "tecnologias limpas“. Enzimas substituir muitos componentes químicos utilizados nos processos industriais atuais. ENZIMAS – APLICAÇÕES 60 Enzima e fonte Poluentes e efluentes Azorredutase (Pseudomonas luteola) Indústria de tinta Catalase (Baccilus sp.) Remoção de H2O2 presente em efluentes de branqueamento de tecidos -glicosidase e Manganês peroxidase Remoção de corantes azo na industria de alimentos e da industria têxtil Polifosfatase e Fosfotransferase Remoção de fosfato biológico de efluentes Protease pronase (Pseudomonas aeruginosa) Inativação de vírus bacteriófago Cox A9 de efluentes, para reutilização da água Naftaleno-dioxigenase Remoção de naftaleno Lipase (Penicillium P4) Remoção do teor de DQO de efluentes de óleo de oliva (Candida rugosa) Redução do teor de lipídeos e DQO efluentes avícolas (pâncreas de porco) Redução do teor de lipídeos e SS de efluentes da indústria de derivados lácteos Enzimas utilizadas em tratamento de efluentes. ENZIMAS – APLICAÇÕES 61 Industria de álcool; Industria de detergentes; Industria têxtil; Industria de papel e celulose; Curtumes; Produção de ácido cítrico, ácido glutâmico, insulina, vacinas, esteroídes, vitaminas e antibióticos; Bioremediação: de polímeros, de hidrocarbonetos e clorados.
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