Enzimas cinética e regulação

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Há duas condições fundamentais para a vida: 
 
 A entidade viva deve ser capaz de se auto-replicar 
 
O organismo deve ser capaz de catalisar as reações químicas 
eficiente e seletivamente 
 
Reação líquida de oxidação da sacarose: 
 
 
 
 
 
Altamente 
exergônica 
Liberando energia livre que podemos 
usar para pensar, movimentar, provar e 
até visualizar, como estamos fazendo 
neste exato momento 
Entretanto... 
Um envelope de açúcar pode permanecer 
na prateleira por anos sem nenhuma 
conversão óbvia de sacarose em CO2 e H2O 
Embora este processo químico seja 
termodinamicamente favorável, ele é muito lento! 
Mas, por exemplo, quando a sacarose é consumida 
por um ser humano... 
A liberação de 
energia química 
ocorre na escala de 
segundos a 
minutos 
A diferença é a catálise realizada pelas 
enzimas. Sem a catálise, as reações 
químicas, como a oxidação da sacarose, 
não ocorreriam em uma escala de tempo 
útil e, portanto, não manteriam a vida! 
Enzimas são agentes de função metabólica 
Sua função é a de acelerar as reações do metabolismo 
 
Características 
1) As enzimas possuem um enorme poder catalítico; podem acelerar reações em até 1016 
vezes em relação à reação não catalisada 
 
2) Uma enzima é bastante seletiva, tanto em relação à substância com a qual ela interage, 
como em relação à reação que ela catalisa 
 
3) A atividade enzimática pode ser regulada de acordo com as necessidades da célula 
 
A grande maioria das enzimas são proteínas sendo que 
algumas requerem componentes químicos adicionais de origem 
não proteica chamados de cofatores e/ou coenzimas (orgânicas) 
Enzima completa: holoenzima 
Parte protéica: apoenzima 
Podem estar ou não ligados 
covalentemente (ou muito 
fortemente) à proteína. 
 
Quando ligados constituem, 
adicionalmente, um grupo prostético. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Exemplos: 
 
Íon 
metálico 
Enzima 
 
Fe2+ ou F3+ 
Citocromo oxidase 
Catalase 
Peroxidase 
Cu2+ Citocromo oxidase 
Zn2+ Anidrase carbônica 
DNA polimerase 
Álcool desidrogenase 
Mg2+ Hexoquinase 
Glicose 6-fosfatase 
Piruvato quinase 
Mn2+ Arginase 
K+ Piruvato quinase 
Ni2+ Urease 
Mo Nitrato redutase 
Se Glutation peroxidase 
Cofatores metálicos 
 
Íons metálicos estão ligados às enzimas: 
a) através de interações iônicas 
b) através de valências de coordenação 
 
Funções: 
1) Participar de reações de óxido-redução 
2) Auxiliar na catálise propriamente dita 
3) Facilitar a ligação do substrato 
Alguns íons inorgânicos servem de cofatores para enzimas 
Ligação covalente 
coordenada é um tipo 
especial de ligação 
covalente: ao invés de 
átomos compartilharem 
elétrons mutuamente 
(com o par eletrônico 
formado por um elétron 
de cada), um dos ligantes 
“doa” um par inteiro ao 
outro. Mas os elétrons 
continuam sendo 
originalmente dele. 
Coenzimas podem atuar, por exemplo, como carreadores 
transitórios de átomos e grupos funcionais 
Classificação sistemática das enzimas de 
acordo com a Comissão de Enzimas 
E.C. Nome sistemático e 
subclassses 
1 
 
1.1 
1.1.1 
1.1.3 
1.2 
1.2.3 
1.3 
1.3.1 
Oxidorredutases (reações de 
óxido-redução) 
 Agindo sobre o grupo CHOH de doadores 
 Com NAD+ ou NADP+ como aceptores 
 Com O2 como aceptor 
 Agindo sobre o grupo =C=O de doadores 
 Com O2 como aceptor 
 Agindo sobre o grupo CHCH de doadores 
 Com NAD+ ou NADP+ como aceptores 
2 
 
2.1 
2.1.1 
2.1.2 
2.1.3 
2.2 
2.3 
2.4 
2.6 
2.6.1 
2.7 
2.7.1 
Transferases (transferência de 
grupos funcionais) 
 Transferência de grupos C1 
 Metiltransferases 
 Hidroximetiltransferases e formiltransferases 
 Carboxiltransferases e carbamoiltransferases 
 Transferência de resíduos aldeídicos ou 
cetônicos 
 Aciltransferases 
 Glicosiltransferases 
 Transferência de grupos contendo N 
 Aminotransferases 
 Transferência de grupos contendo P 
 Com um grupo alcoólico como aceptor 
3 
3.1 
3.1.1 
Hidrolases (reações de hidrólise) 
 Quebra de ligações éster 
 Hidrolases de ésteres carboxílicos 
4 
4.1 
4.2 
4.3 
Liases (adição a duplas ligações) 
 Liases C=C 
 Liases C=O 
 Liases C=N 
 
5 
5.1 
5.1.3 
5.2 
Isomerases (reações de isomerização) 
 Racemases epimerases 
 Agindo sobre carboidratos 
 Isomerases cis-trans 
6 
 
6.1 
6.1.1 
6.2 
6.3 
6.4 
6.4.1 
Ligases (formação de ligações com 
clivagem de ATP) 
 Formação de ligações CO 
 Ligases aminoácido-RNA 
 Formação de ligações CS 
 Formação de ligações CN 
 Formação de ligações CC 
 Carboxilases 
 
Lactato desidrogenase: 
 
 
EC 1.1.1.27 
Grupos 
CH-OH 
Número 
específico 
Óxido-
redutase NAD
+-
dependente 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
A cada enzima são atribuídos 
quatro números para 
classificação e um nome 
sistemático que identifica a 
reação que ela catalisa 
A catálise enzimática das reações é essencial para os sistemas vivos 
Pois sob as condições biológicas (pH, temperatura 
moderada e ambiente aquoso dentro das células) as 
reações não catalisadas tendem a ser lentas 
As enzimas aceleram as reações químicas 
facilitando: 
 
Formação de intermediários instáveis, muitas 
vezes carregados eletricamente 
 
Colisão de duas ou mais moléculas na 
orientação requerida para reação 
As enzimas proporcionam um ambiente específico adequado para 
que uma dada reação ocorra mais rapidamente 
A propriedade característica das reações catalisadas por enzimas é que a 
reação ocorre confinada em um bolsão da enzima denominado sítio ativo. 
 
A molécula que liga no sítio ativo e sobre a qual a enzima age é 
denominada substrato. 
Ligação de um substrato ao 
sítio ativo da enzima 
A noção de que há uma 
complementaridade 
entre a enzima e o 
substrato é 
fundamental na 
enzimologia 
A quimotripsina (MM = 25.191) é uma enzima digestiva, 
que cliva ligações peptíticas. 
 
Seu mecanismo de ação é a catálise ácido-basica e 
covalente, onde ela forma um intermediário acil-enzima. 
As enzimas afetam as velocidades da reação e não seu 
equilíbrio: não tornam reações impossíveis em reações possíveis 
Uma reação enzimática simples pode ser escrita como: 
 
E + S ↔ ES ↔ EP ↔ E + P 
 
O equilíbrio entre substrato e produto reflete a diferença entre as 
energias livres de seus estados fundamentais 
No diagrama de coordenadas de 
reação ao lado, a energia livre do 
estado fundamental P é menor que 
a de S. 
 
Então, ΔG’° para a reação é negativa 
e o equilíbrio favorece P. 
 
As enzimas não alteram este fato! 
Não confundir equilíbrio favorável com reações rápidas: lembrar da 
oxidação total da sacarose 
 
Barreira entre “S” e “P”: 
energia requerida para 
alinhamento dos grupos 
que reagem, formação de 
cargas transitórias 
instáveis, rearranjos de 
ligações...é aqui que as 
enzimas atuam! 
A velocidade da reação depende de um parâmetro totalmente diferente 
Vencer a barreira energética entre S e P: energia de ativação 
Estado de transição (nível energético mais alto): não 
confundir com ES e EP! Ele é simplesmente um 
momento no deslocamento molecular. 
As enzimas aumentam a velocidade das reações por diminuírem as 
energias de ativação 
 
A energia de ativação é 
menor e, portanto, a 
reação ocorre mais 
rapidamente quando 
catalisada por uma enzima 
 
Mas notem! 
Termodinamicamente a 
reação não é alterada! 
Matematicamente, a relaçãoentre a 
constante de velocidade (k) e a energia 
de ativação , ΔG‡, é inversa e 
exponencial! 
Cinética Enzimática 
A abordagem mais antiga para entender o mecanismo das enzimas, e que permanece 
entre as mais importantes é determinar a velocidade da reação e como ela se modifica 
em resposta a mudanças nos parâmetros experimentais: cinética enzimática 
Um fator-chave que afeta a velocidade de 
uma reação catalisada por enzima é a 
concentração do substrato, [S] 
 
Notar que em concentrações 
relativamente baixas de substrato, V0 
aumenta quase linearmente com 
aumento na [S] 
 
Em concentrações de substratos mais 
altas, v0 aumenta quantidades cada vez 
menores em resposta ao aumento na [S], 
até alcançar a velocidade máxima de 
reação, VMÁX 
 
A velocidade máxima inicial da reação 
catalisada VMÁX é observada quando 
virtualmente toda a enzima estiver como 
complexo ES, e E livre for pequena, 
indicando saturação com o substrato 
(platô no gráfico) 
A relação entre a concentração do substrato e a velocidade da reação 
pode ser expressa quantitativamente 
Equação de Michaelis-Menten: 
][
][max
0
SK
SV
v
M 

Esta equação é uma afirmação 
quantitativa da relação entre 
velocidade inicial, a velocidade 
máxima e a concentração do 
substrato inicial, todas 
relacionadas por meio da 
constante de Michaelis (KM). 
 
KM nesta equação tem unidades 
de concentração e equivale à 
concentração de substrato na 
qual V0 é metade de Vmax 
A equação descreve o comportamento da maioria das enzimas, sendo que todas as 
enzimas que seguem uma cinética hiperbólica seguem a cinética de Michaelis-Menten. As 
enzimas regulatórias são as exceções mais importantes! 
A equação ajusta-se às observações experimentais? Sim! Podemos 
confirmar isso quando [S] é ou muito alta ou muito baixa 
Em baixa [S], Km >> [S], e o 
termo [S] no denominador na 
equação de Michaelis-
Menten torna-se desprezível. 
A equação se simplifica a V0 = 
VMÁX[S]/Km, e V0 apresenta 
uma dependência linear de 
[S]. 
 
Em alta [S], quando [S] >> Km, 
o termo Km torna-se 
desprezível, e a equação fica 
simplificada a V0 = VMÁX, o 
que é consistente com o platô 
observado em [S] elevada. 
][
][max
0
SK
SV
v
M 

REPRESENTAÇÃO DE LINEWEAVER-BURK: 
 
 
][
][max
0
SK
SV
v
M 
 ]S[K1 M 
][max0 SVv

maxmax0
1
][
11
VSV
K
v
M 
][
][
][
1
maxmax0 SV
S
SV
K
v
M 
Separando os componentes do 
numerador do lado direito da equação Que simplifica para... 
A equação de Michaelis-Menten pode ser transformada algebricamente 
em equações mais úteis para fazer gráficos experimentais 
Esta representação também pode ser chamada de duplo-recíproca 
Existem outras transformações da equação de Michaelis-Mentem para 
análises de dados cinéticos. A de Lineweaver-Burk é a mais usual e conhecida. 
O diagrama do duplo recíproco de V0 versus [S] produz uma linha reta 
permitindo uma determinação mais acurada de VMÁX e KM 
a 
 b 
Inclinação = a/b 
maxmax0
1
][
11
VSV
K
v
M 
Nos gráficos simples de 
V0 versus [S] estes 
parâmetros podem ser 
obtidos apenas 
aproximadamente 
Muitos agentes inibem (diminuem) a atividade de enzimas 
Estes agentes recebem o nome genérico de INIBIDORES 
Muitas drogas são inibidores de atividade enzimática (os anti-inflamatórios 
não-esteróides, por exemplo, inibem a ciclo-oxigenase) 
Muitos reguladores metabólicos são inibidores! 
IRREVERSÍVEL  causada em geral por agentes (inibidores) que 
reagem covalentemente com a enzima. 
REVERSÍVEL  os inibidores 
ligam-se à enzima através de 
interações não-covalentes 
(interação iônica, por exemplo) 
Inibição competitiva 
Inibição não-competitiva 
Inibição mista 
Inibição irreversível 
Ou se ligam de forma covalente ou destroem um grupo funcional 
de uma enzima que é essencial para a atividade da enzima 
 
Outra possibilidade é a formação de uma associação não-
covalente particularmente estável 
 
Uma classe especial de inibidores irreversíveis é a dos 
inativadores suicidas. Esses compostos são relativamente não-
reativos até que eles se liguem ao sítio ativo de uma enzima 
específica. Um inativador suicida sofre a primeira de algumas 
etapas químicas da reação enzimática normal, mas, em vez de 
serem transformados em produto normal, o inativador é 
convertido a um composto muito reativo que se combina 
irreversivelmente com a enzima 
Inibição competitiva 
Um inibidor competitivo é uma 
substância que compete com o 
substrato pelo mesmo sítio de 
ligação 
Mas, não há reação, pois falta o 
grupo químico que deverá ser 
modificado, ou sua configuração 
é muito diferente 
Um exemplo clássico é o malonato, que 
compete com o succinato pelo sítio ativo 
da succinato desidrogenase. 
 
O malonato atua inibindo a respiração 
celular (complexo II mitocondrial, que 
contém a succinato desidrogenase). 
succinato 
C
C
C
C
OO
H
H
OO
-
-
2
2
C
C
C
OO
H
OO
-
-
2
malonato 
Inibição competitiva 
Acetil-CoA 
Isocitrato 
Citrato 
-Cetoglutarato 
Succinil-CoA 
Succinato 
Fumarato 
Malato 
Oxaloacetato 
Ciclo de 
Krebs 
Inibição competitiva 
][
][
0
Sk
sV
V
m
MÁX


 IK
I ][
1
][
]][[
EI
IE
K I 
É possível reverter o efeito do inibidor com aumento de [S] 
Equação de Michaelis-
Menten: 
 
 
com 
 
][
][max
0
SK
SV
v
M 


IK
I ][
1
Lineweaver-Burk: 
 
 
maxmax0
1
][
11
VSV
K
v
M 

Intercepto comum no eixo 1/V0 
Mas com inclinações 
diferentes , alterando Km 
 Pelo fato de o intercepto no 
eixo 1/V0 igualar 1/VMÁX, 
sabemos que a VMÁX não é 
alterada pela presença de 
um inibidor competitivo 
][
]][[
EI
IE
K I 
Um inibidor incompetitivo liga apenas ao 
complexo enzima-substrato 
E + S ES P + E
+
I
ESI
KI'
Complexo enzima-
substrato-inibidor 
Um inibidor não-competitivo liga a um sítio diferente daquele do 
substrato tanto em E quanto em ES 
E + S ES P + E
+
I
EI
+
I
ESI
KI KI'
Complexo 
enzima-
inibidor 
Complexo enzima-
substrato-inibidor 
 Além de fatores já mencionados, tais como, [ Enzima], 
[ Substratos], inibidores e ativadores; pH e 
temperatura também afetam a velocidade de reações 
catalisadas por enzimas 
Fatores que afetam a velocidade da reação 
enzimática 
Outros fatores além da [S] afetam a velocidade 
da reação enzimática: efeito da temperatura 
270 310 330 350 370
0.0
25.0
50.0
270 290290 310 330 350 370
100
75
50
25
0V MÁ
X
 
Temperatura (K) 
No início, aumentos na 
temperatura provocam 
aumentos na atividade. 
Após uma certa 
temperatura ótima, no 
entanto, há uma queda. 
A partir do sexto ponto a relação entre Vmáx e temperatura não é mais linear; 
isto ocorre porque a partir deste ponto o equilíbrio térmico entre a forma nativa 
da enzima e a forma desnaturada sofre uma alteração significativa. Em geral 
apenas a forma nativa tem atividade catalítica. 
Efeito do pH na atividade enzimática 
Enzima pH ótimo
Pepsina 1,5
Tripsina 7,7
Catalase 7,6
Arginase 9,7
Fumarase 7,8
Ribonuclease 7,8
pH ótimo de algumas 
enzimas 
POR QUE O pH AFETA A ATIVIDADE ENZIMÁTICA? 
A) a ligação do substrato pode depender de grupos dissociáveis no sítio ativo e no próprio substrato 
B) o ato catalítico pode depender de grupos dissociáveis 
C) a conformação da proteína varia com o pH, podendo inclusive haverdesnaturação em pHs extremos 
Enzimas reguladoras são enzimas especiais, cuja 
atividade pode ser regulada por agentes diferentes 
do substrato 
Numa via metabólica há pelo menos uma enzima reguladora, que responde 
positiva ou negativamente a diversos agentes 
 
 
 
 
 
No esquema acima, por exemplo, a enzima E1 pode ser inibida por P por 
retroalimentação, o produto final da via e ativada por X, um agente 
regulador que também exerce alguma função metabólica relacionado à via 
PDCBA 4321 EEEE 
Sua atividade é alterada pela adição de 
um grupo químico, fosfato, por 
exemplo 
Esta alteração é catalisada por outra 
enzima 
Em geral estas enzimas seguem 
cinética Michaeliana 
Sua atividade é regulada por 
ligação reversível de agentes 
moduladores (efetores) 
Sua cinética é complexa e não 
pode ser descrita pela equação 
de Michaelis-Menten 
Enzimas alostéricas e suas curvas de saturação 
Interações alostéricas são interações cooperativas que ocorrem quando a 
ligação de um ligante num sítio específico da proteína é influenciado pela 
ligação de outro ligante (efetor ou modulador) num sítio chamado sítio 
alostérico (que pode coincidir com o sítio ativo) 
Exemplo de uma enzima modulada covalentemente 
Regulação da atividade da glicogênio fosforilase, uma enzima do metabolismo 
do glicogênio, por modificação covalente 
As formas a (fosforilada) e b 
(desfosforilada) diferem nas 
suas estruturas secundária, 
terciária e quaternária. O sítio 
ativo sofre alterações na 
estrutura e, consequentemente, 
alterações na atividade 
catalítica 
Os sistemas metabólicos têm ao 
menos dois outros mecanismos 
de regulação enzimática 
1. Algumas enzimas são 
estimuladas ou inibidas 
quando estão ligadas a 
proteínas regulatórias 
distintas; 
Um exemplo de interação deste tipo é a 
rota de sinalização através da qual a 
insulina regula a expressão de genes 
específicos: cascata de MAP-quinases. 
2. Outras enzimas são ativadas quando segmentos peptídicos são removidos por 
proteólise. Neste caso um precursor inativo denominado zimogênio é hidrolisado 
formando a enzima ativa. As proteases do estômago e do pâncreas são reguladas 
dessa maneira: 
Algumas enzimas utilizam vários mecanismos regulatórios, e isso marca 
fortemente a existência de um balanço com as necessidades da célula. 
Bom estudo!