BQI100 Enzimas

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE VIÇOSA
DEPARTAMENTO DE BIOQUÍMCA E BIOLOGIA MOLECULAR
BQI 100 – BIOQUÍMICA FUNDAMENTAL
Enzimas
Variações de energia livre durante uma reação 
química! Diferenças de G entre S e P.
S  P
Produtos
Produtos
ReaçãoReação
Substratos
Reação Endergônica: G > o
- Reação não é espontânea
Reação Exergônica: G < o
- Reação é espontânea
Substratos
Barreiras energéticas no curso da reação 
P
Reação
S
Reação Exergônica: G < o
- Reação é espontânea
Barreiras energéticas: 
“montanha a ser vencida”:
- alinhamento dos grupos.
- formação de cargas instáveis
transitórias. 
-rearranjos de ligações.
 Tem que alcançar o topo da 
montanha para ocorrer o 
decaimento para produto ou 
reagente ocorrer! 
Acançar o ESTADO DE TRANSIÇÃO – momento do 
deslocamento molecular , tais como quebras e rearranjos de 
ligações. S para P ou P para S, são igualmente prováveis
Energia de Ativação: requerida para 
transpor a barreira energética!
P
Reação
S
Reação Exergônica: G < o
- Reação é espontânea
Diferença de energia entre o 
estado basal e o estado de 
transição: Energia de Ativação
GATIV
- Reflete na velocidade da
reação:
 GATIV baixa velocidade
 GATIV alta velocidade
G’o
GATIV
Velocidade pode ser aumentada por elevação da temperatura: 
vibração das moléculas e ligações química ou por meio do uso de
CATALISADORES!
E
n
e
rg
ia
 L
iv
re
, 
G
Coordenada da reação
Não catalisada
C
A
T
Á
L
I
S
E
E 
N
Z
I
M
Á
T
I
C
A
G‡ - energia de ativação
GB – energia de ligação
Barreira energética (Energia de Ativação) é vencida pela
energia de ligação e da catálise!
Com Enzima
Enzimas são catalisadores biológicos que 
reduzem a energia de ativação e deste modo 
afetam a velocidade da reação e não o seu 
equilíbrio!
E + S  ES  EP  E + P
C
A
T
Á
L
I
S
E
E 
N
Z
I
M
Á
T
I
C
A
E: Enzima
S: Substrato
ES: complexo enzima-substrato
P: produto
Enzimas Como Catalisadores Biológicos 
Que Reduzem a Energia de Ativação!
MECANISMO DA INTERAÇÃO E-S???
C
A
T
Á
L
I
S
E
E 
N
Z
I
M
Á
T
I
C
A
Substrato Estado de transição Produtos
Sem enzima
Enzima complementar ao substrato 
Enzima complementar ao estado de transição
E
n
e
rg
ia
 L
iv
re
, 
G
E
n
e
rg
ia
 L
iv
re
, 
G
E
n
e
rg
ia
 L
iv
re
, 
G
Coordenada da reação
(bastão de metal)
(bastonase)
Enzimas: ambiente específico para que a 
reação ocorra rapidamente – Sítio Ativo: bolsão 
que sequestra o substrato da solução!
E + S  ES  EP  E + P
C
A
T
Á
L
I
S
E
E 
N
Z
I
M
Á
T
I
C
A
Sítio Ativo
Encaixe ou Ajuste Induzido: 
Complementaridade ao Estado de Transição 
Substrato sofre alterações 
conformacionais!
 Proteína sofre modificações 
conformacionais: posicionamento dos 
grupos funcionais!
vídeo
Acoplamento de reações e aditividade de 
variação de energia livre
• As variações de energia livre padrão são
aditivas;
• Uma reação com ΔG positivo é possível
acoplando-se outra reação com ΔG negativo.
Ativação do Glutamato é catalizado por uma 
enzima
(a) Reação escrita em um passo
(b) Reação real em dois passos
Glutamil-fosfato ligado à enzima
Glutamato Glutamina
Fornece energia não por simples 
hidrólise, mas por transferência 
de grupos (geralmente).
Glutamina Sintase
Enzimas são, principalmente, proteínas com atividade
catalítica (sequências organizadas);
Praticamente todas as reações que caracterizam o
metabolismo celular são catalisadas por enzimas;
Aceleram a velocidade de uma reação, sem no entanto
participar dela como reagente ou produto (sacarose
 CO2 + H2O).
especificidade para o substrato.
 Papel central no metabolismo.
 Importâncias práticas diversas: doenças e
biotecnologia.
Conceitos Gerais
Co-fator – um ou mais íons orgânicos
Coenzima – complexo orgânico ou molécula
metalorgânica
Grupo prostético – coenzima ou íon metálico
ligado fortemente a proteína.
Parte protéica – apoenzima ou apoproteína
Holoenzima – Cataliticamente ativa
Sítio ativo – local onde ocorrem as reações
Conceitos Gerais
Cofatores Enzimáticos
Citocromo oxidase
Citocromo oxidase; catalase; peroxidase
Piruvato quinase
Hexoquinase; Glicose-6-fosfatase; Piruvato quinase
Arginase; Ribonuclease redutase
Dinitrogenase
Urease
Glutationa peroxidase
Anidrase carbônica; Álcool desidrogenase
Algumas enzimas que contêm ou necessitam de 
elementos inorgânicos como cofatores
Cofatores Enzimáticos
Coenzima Exemplos de grupos 
transferidos
Precursor dietético em 
mamíferos
Tiamina pirofosfato Aldeídos Tiamina (vitamina B1)
Flavina adenina 
dinucleotídeo
Elétrons Riboflavina (vitamina B2)
Nicotinamida adenina 
dinucleotídeo
Íon hidreto (:H-) Ácido nicotínico (niacina)
Coenzima A Grupo acila Ácido pantotênico mais 
outras moléculas 
Pirodoxal fosfato Grupos amino Piridixina (vitamina B6)
5’-desoxiadenosil-
cobalamina (coenzima 
B12)
Átomos de H e grupos 
alquila
Vitamina B12
Biocitina CO2 Biotina
Tetraidrofolato Unidades de 1C Folato
Ácido lipóico Elétrons e grupos acila Não é necessário estar 
presente na dieta
Algumas coenzimas que funcionam como transportadoras transientes 
de grupos funcionais ou de átomos específicos
Nomenclatura Enzimática
Glicose Glicose-6-fosfato
Hexoquinase
Classificação das enzimas
Nº Classe Tipo de reação catalisada
1 Oxidoredutase Transferência de elétrons (íons hidretos ou
átomos de H)
2 Transferase Reações de transferência de grupos
3 Hidrolases Reações de hidrólises (transferência de grupos
funcionais para a água)
4 Liases Adição de grupos às duplas ligações ou
formação de duplas ligações por meio de
remoção de grupos
5 Isomerases Transferência de grupos dentro da mesma
molécula para formar isômeros
6 Ligases Formação de ligações do tipo C─C, C─S, C─O e
C─N por meio de reações de condensação
acopladas à quebra do ATP
Classificação internacional das enzimas
(www.chem.qmul.ac.uk/iubmb/enzyme)
pH ótimo de algumas 
enzimas
Enzima pH 
ótimo
Pepsina 1,5
Fosfatase ácida 4,5 
Urease 6,5 
Tripsina 7,8
Arginase 9,7 
Fatores que afetam
a atividade enzimátia
Grupos Catalíticos nas Enzimas
Resíduos de 
aminoácidos
Forma ácida geral 
(doadora de prótons)
Forma básica geral 
(receptora de prótons)
C
A
T
Á
L
I
S
E
E 
N
Z
I
M
Á
T
I
C
A
Grupos Catalíticos nas Enzimas
2-fosfoglicerato, ligado a enolase Intermediário enólico Fosfoenolpiruvato
C
A
T
Á
L
I
S
E
E 
N
Z
I
M
Á
T
I
C
A
Cinética Enzimática
Estudo do mecanismo enzimático:
-Estudo da estrutura tridimensional e dos resíduos envolvidos
-Estudar a velocidade da reação e como é afetada pela variação
nas condições experimentais: CINÉTICA ENZIMÁTICA
Interação Substrato-Enzima é um passo chave para a 
catálise!
Estudar o efeito da [S] na velocidade das reações enzimáticas
DUAS ETAPAS ou constantes afetando a reação global:
1-ligação Enzima-Substrato:
2-Liberação da Enzima-Produto:
Proporção Enzima-Substrato [ES] afeta a velocidade global!
ENZIMA
100 umoles
ENZIMA
100 umoles
ENZIMA100 umoles
ENZIMA
100 umoles
ENZIMA
100 umoles
ENZIMA
100 umoles
Substratos
1,0 umoles
Substratos
10,0 umoles
Substratos
50 umoles
Substratos
100 umoles
Substratos
500 umoles
Substratos
1000 umoles
Produtos
Qtida / min
10 min 10 min 10 min 10 min 10 min 10 min
Produtos
Qtida / min
Produtos
Qtida / min
Produtos
Qtida / min
Produtos
Qtida / min
Produtos
Qtida / min
Cinética Enzimática: medir a velocidade da Reação
ou surgimento do produto
Cinética Enzimática: Graficamente
EFEITO DA [S] NA VELOCIDADE DAS REAÇÕES ENZIMÁTICAS
- Sítios ativos não ocupados pelo 
substrato: aumento linear de Vo.
Enzima saturada com S
V = Δ[P] ou Δ[S]
por unidade tempo
Km = constante de Michaelis-Menten
Vmax = velocidade máxima
Km = [S] quando
Vo = ½ Vmax
Relação Algébrica entre Vo e [S]: EQUAÇÃO DE 
MICHAELIS-MENTEN
Valor de Km para algumas enzimas 
Enzima Substrato Km (mM)
Catalase H2O2 25
Hexoquinase (cérebro) ATP 0,4
D-glicose 0,05
D-frutose 1,5
Muitas enzimas apresentam comportamento hiperbólico
de Vo e seguem a cinética de Michaelis-Menten
Pouca informação sobre os mecanismos.
Para comparação entre as eficiências catalíticas
da enzimas
Significados e importâncias de Km e Vmax
- Quando K2 <<< K1
Km = K-1/K1
Medida da afinidade do substrato
pela enzima (Kd, constante de
dissociação E-S)
- Km: Constante global da reação!
-Km → aumenta. 
- Vmáx → não altera, quando [S] 
aumenta!
Inibição competitiva
Inibições Reversíveis
I
N
I
B
I
Ç
Ã
O
Como Verificar?
Vmáx → diminui
Km → mesmo
Inibição Não-competitiva: liga-se a complexo ES em 
um sítio distinto
I
N
I
B
I
Ç
Ã
O
Inibições Reversíveis
Vídeo regulação alostérica 01
Inibição Competitiva
Efeito Sobre Km e Vmax
Com Inibidor
Sem Inibidor
Sem Inibidor
Com Inibidor
Inibição Não-Competitiva
Video Inibidor vírus da AIDS
Inibições Irreversíveis: ligam-se por ligações covalentes ou 
destroem o grupo funcional (exemplo serina)
Peptidoglicano
Glicopeptídeo
Transpeptidase
ATIVA
Glicopeptídeo Transpeptidase: 
INATIVADA
Penicilina
SER
I
N
I
B
I
Ç
Ã
O
Inibição Irreversivel da COX: Inibe a síntese de prostaglandinas, 
envolvidas em processos que envolvam dor.
Enzimas Reguladoras:
Controlar a velocidade geral de uma 
via metabólica;
Localizada de modo estratégico ao 
longo da via.
Pode ser por:
1-Regulação alostérica (moléculas 
pequenas)
2-Modificações covalentes reversíveis
3-Ligação a outras proteínas
4-Clivagem de segmentos: irreversível
L- treonina
L- isoleucina
Treonina
desidratase
Substrato
Modulador 
Positivo
Enzima inativa
Enzima ativa
Complexo 
enzima 
substrato ativo
Enzimas Alostéricas
Mudança conformacional na 
presença do modulador.
Sítio ativo específico para o 
modulador.
Sitio catalítico é 
normalmente diferente do sítio 
regulador.
Enzimas Alostéricas
 Alteram sua atividade enzimática em resposta a sinais
metabólicos;
 Em geral catalisam reações irreversíveis;
 São controladas alostericamente:
• pelo produto da reação;
• por compostos provenientes de outras vias;
• pelo produto final da própria via (feed-back ou
retrocontrole);
 São normalmente proteínas oligoméricas, possuindo duas
ou mais subunidades protéicas;
 Apresentam sítio catalítico e sítio(s) alostérico(s);
Enzimas Alostéricas: Não MICHAELIS-MENTEN
Enzima Alostérica
Enzima Normal
Enzimas Alostéricas
L- treonina
L- isoleucina
Treonina
desidratase
Com Inibidor
Com Indutor
Enzimas Alostéricas
Enzima:Aspartato Carbomoiltransferase (ATCase)
Efeito signficativo na velocidade da reação em 
concentrações fisiológicas de Aspartato!
Aspartato Carbomoiltransferase (ATCase): inibida pelo CTP 
(produto da via de biossíntese de pirimidinas)
Regulação da Fosforilase do Glicogênio por 
modificação covalente
Fosforilase
quinase
Fosforilase a 
ATIVA
Fosforilase
fosfatase
Modificações covalentes:
Mais comum é a fosforilação;
Remoção por uma enzima 
específica: reversível
Algumas são irreversíveis:
Toxinas
Fosforilação:
-Quinases
-Modificações estruturais (cargas e
volume do grupo R.
Fosforilase a 
INATIVA
- Zimogênio: é o precursor 
inativo da enzima. Após remoção
de peptídeos, torna-se ativa.
-Exemplo: enzimas digestivas 
(proteases)
-Irreversível
-Necessidade de um inibidor
Tripsinogênio 
(inativo)
Tripsina 
(ativa)
Enteropeptidase
Regulação por Clivagem Proteolítica
Tripsinogênio 
(inativo)
Tripsina 
(ativa)
Enteropeptidase
Regulação por Clivagem Proteolítica
Inibidor Específico da Tripsina
: catalisa somente uma reação (menos comum)
Especificidade Absoluta
 Especificidade de Grupo: agem somente em moléculas 
que apresentam certo grupos funcionais (grupos 
fosfatos, amino e etc)
 Especificidade de Ligação: agem em um tipo particular 
de ligação química.
 Especificidade Estereoquímica: age somente em um 
tipo particular de isômero ótico
Especificidade
Specificity of Ser-Protease Family
COO-
C
Asp
Active Site
Trypsin Chymotrypsin Elastase
cut at Lys, Arg cut at Trp, Phe, Tyr cut at Ala, Gly
Non-polar
pocket
D
e
e
p
 a
n
d
 n
e
g
a
ti
v
e
ly
c
h
a
rg
e
d
 p
o
c
k
e
t
Shallow and
non-polar
pocket
O O
–C–N–C–C–N–
C
C
C
C
NH3
+
O O
–C–N–C–C–N–
C
O O
–C–N–C–C–N–
CH3
J
u
a
n
g
 R
H
 (
2
0
0
4
) 
B
C
b
a
s
ic
s
Especificidade
 Ex.: Hexoquinase: phosphorylates D-fructose, 5-keto-D-
fructose, D-glucose, 2-deoxy-D-glucose, D-mannose and
D-glucosamine. 
Glicose Glicose-6-fosfato
Hexoquinase