Aula 4_enzimas_pdf

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ENZIMAS 
UNIVERSIDADE ESTADUAL DE MATO GROSSO DO SUL 
UNIDADE UNIVERSITÁRIA DE DOURADOS 
CURSO DE CIÊNCIAS BIOLÓGICAS 
 
Profa. Msc. Cinthia Ap. de Andrade Silva 
aparecidasucro@uems.br 
ENZIMAS 
• São proteínas especializadas na catálise de 
reações biológicas, ou seja, elas 
proporcionam que as reações químicas 
tornem-se muito mais rápidas que a reação 
não catalisadas ou catalisadas 
quimicamente 
2 
• Aceleram reações químicas 
 
Ex: Decomposição do H2O2 
 
 
H2O2 H2O O2 + 
Catalase 
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 
ENZIMAS 
3 
• Atuam em pequenas concentrações 
 
1 molécula de catalase 
 decompõe 
5.000.000 de moléculas de 
H2O2 
pH = 6,8 em 1 min 
• Não são consumidas na reação 
ENZIMAS 
4 
• Catálise biológica  fim séc. XVIII 
– digestão da carne: estômago; 
– digestão do amido: saliva. 
 
• Década de 1850 
– 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. 
HISTÓRICO DAS ENZIMAS 
5 
• James Sumner (1926) 
– Isolou e cristalizou a urease; 
– Cristais eram de proteínas; 
– Postulou que “todas as enzimas são proteínas”. 
 
• John Northrop (década 1930) 
– Cristalizou a pepsina e a tripsina bovinas. 
 
• Década de 1950 
– 75 enzimas  isoladas e cristalizadas; 
– Ficou evidenciado caráter proteico. 
 
• Década de 1980 
 Foram identificadas moléculas de RNA que possuem 
atividade catalítica, as ribozimas. 6 
HISTÓRICO DAS ENZIMAS 
• As enzimas aceleram a velocidade da 
reação por diminuir sua energia de ativação, 
que é energia necessária para levar o 
substrato ao estado de ativação energética 
(molécula em transição entre o substrato e o 
produto). 
ATUAÇÃO DAS ENZIMAS 
7 
8 
• Quando se eleva a temperatura de um 
sistema, as moléculas, no seu conjunto, 
adquirem um conteúdo energético maior, 
mas é respeitado o mesmo padrão de 
distribuição de energia entre elas. 
9 
A velocidade das reações 
pode ser aumentada pelo: 
aumento do número de 
moléculas (a), aumento da 
temperatura (b) e com a 
diminuição da energia de 
ativação (c) 
10 
RNA 
Estrutura 
Enzimática 
Ribozimas 
Se covalente 
Apoenzima ou 
Apoproteína 
Holoenzima 
Cofator Proteína 
Pode ser: 
• íon inorgânico 
• molécula orgânica 
 
Coenzima 
 
 
Grupo Prostético 
 
 
Cofator 
 
ESTRUTURA DAS ENZIMAS 
11 
12 
• Adição do sufixo “ASE” ao nome do 
substrato: 
 Ex: 
 - gorduras (lipo - grego) – LIPASE 
 - amido (amylon - grego) – AMILASE 
 
• Nomes arbitrários: 
 - Tripsina e pepsina – proteases 
NOMENCLATURA DAS ENZIMAS 
13 
CLASSIFICAÇÃO DAS ENZIMAS 
14 
 CLASSE 1 - Oxirredutases: catalisam reações onde há 
troca de elétrons (oxi-redução). 
• Desidrogenases: facilita a transferência de hidrogênio. 
• Desaturases: formação de ligação dupla em ácido graxo. 
• Hidroxilases: facilita a oxidação de dois doadores com a 
incorporação de oxigênio em um dos doadores. 
• Oxidases: há a redução do oxigênio molecular 
• Oxigenases: há a adição de oxigênio em uma molécula 
• Redutase: uma hidrogenase que reduz o substrato. 
15 
CLASSIFICAÇÃO DAS ENZIMAS 
 CLASSE 2 - Transferases: transferência de grupos de uma 
molécula para outra. 
• Quinases: transfere grupos de alta energia. 
• Mutases: move grupo de um ponto para o outro da molécula 
• Fosforilases: quebra de uma ligação C—O pela adição de Pi. 
• Polimerases: reações de adição de uma unidade de 
polimerização. 
• Transaldolases: transfere um grupamento aldeído de um 
substrato para outro. 
• Transcetolases: o grupamento cetona é movido de uma 
molécula para outra. 
• Transaminases (aminotransferase): transfere um grupamento 
amino de um aminoácido para um cetoácido. 
16 
CLASSIFICAÇÃO DAS ENZIMAS 
 CLASSE 3 - Hidrolases: quebra moléculas por hidrólise. 
• Esterases: hidrolisa um éster em álcool e ácido. 
• Lipases: promovem a quebra de ligações ésteres entre um 
ácido graxo e o glicerol. 
• Nucleosidases: degrada nucleosídeos em base 
nitrogenada + ribose. 
• Nucleotidases: degrada nucleotídeos em nucleosídeos + 
Pi. 
• Peptidases: quebra de ligações peptídicas. 
• Fosfatases: hidrólise de ésteres, liberando Pi. 
• Sulfatases: hidrólise liberando sulfato. 
17 
CLASSIFICAÇÃO DAS ENZIMAS 
 CLASSE 4 - Liases: corta ou sintetiza ligações C—C, C—
O e outras, por reações que não oxidação ou hidrólise e 
sem envolvimento de reações de transferência de 
grupamentos de uma molécula para outra. 
• Aldolases: forma ligação C—C após a ligação de um 
aldeído ou cetona com outro composto bioquímico. 
• Descarboxilases: catalisa a remoção de CO2. 
• Hidratases: liberação de água durante a formação do 
produto. 
• Sintases: catalisa uma síntese onde não há gasto de ATP. 
18 
CLASSIFICAÇÃO DAS ENZIMAS 
 CLASSE 5 – Isomerases: formação de 
isômeros. 
• Epimerases: promove a interconversão de epímeros. 
• Mutases: transferência de grupamentos em uma 
mesma molécula formando isômeros. 
• Racemases: formação de isômeros especulares 
inversos. 
 CLASSE 6 - Ligases: união de duas moléculas 
acopladas à quebra de ATP. 
• Carboxilases: adição de CO2. 
• Sintetases: ligação de duas moléculas com quebra de 
pirofosfato (P—P). 
19 
ESQUEMA DE UMA REAÇÃO 
ENZIMÁTICA - TRANSFERASE 
20 
LIGAÇÃO DE UM SUBSTRATO A UMA 
ENZIMA NO SÍTIO ATIVO 
21 
• Emil Fischer (1894): alto grau de especificidade das 
enzimas originou  Chave-Fechadura, que considera 
que a enzima possui sitio ativo complementar ao 
substrato. 
TEORIAS DE MODELOS REACIONAIS 
22 
• Daniel Koshland (1958): Ajuste Induzido, enzima e o 
substrato sofrem conformação para o encaixe. O substrato 
é distorcido para conformação exata do estado de 
transição. 
TEORIAS DE MODELOS REACIONAIS 
23 
 (a) O sítio ativo da enzima tem estrutura espacial 
específica; (b) a ligação com o substrato ajusta a 
conformação enzimática, tornando-a ideal para a catálise 
INTERAÇÃO ENZIMA SUBSTRATO 
24 
COMPLEMENTARIDADE ESPACIAL E QUÍMICA 
ENTRE ENZIMA E SUBSTRATO 
25 
FATORES QUE ALTERAM A ATIVIDADE 
DE UMA ENZIMA 
E + S ES E + P 
• Fatores decorrentes da natureza protéica das enzimas 
 - pH 
 - temperatura 
• Fatores decorrentes da formação do complexo ES 
 - concentração do substrato 
 - concentração da enzima 
 - afinidade da enzima pelo substrato 
• Presença de inibidores 
26 
INFLUÊNCIA DO PH DO MEIO SOBRE A 
ATIVIDADE ENZIMÁTICA 
• Condições fixas de: 
 - temperatura 
 - [substrato] 
 - [enzima] 
Cada enzima tem seu 
pH ótimo 
pH ótimo pH 
27 
INFLUÊNCIA DA TEMPERATURA DO MEIO 
SOBRE A ATIVIDADE ENZIMÁTICA 
Ativação 
térmica Desnaturação 
térmica 
Temperatura ótima 
• Condições fixas de: 
 - pH (ótimo) 
 - [substrato] 
 - [enzima] 
28 
INFLUÊNCIA DA CONCENTRAÇÃO DA ENZIMA 
SOBRE A ATIVIDADE ENZIMÁTICA 
• Condições fixas de: 
 - temperatura (ótima) 
 - pH (ótimo) 
 - [substrato] em excesso 
[E] 
29 
INFLUÊNCIA DA CONCENTRAÇÃO DE 
SUBSTRATO SOBRE A ATIVIDADE ENZIMÁTICA• Condições fixas de: 
 - temperatura (ótima) 
 - pH (ótimo) 
 - [enzima] 
[S] 
30 
INFLUÊNCIA DA CONCENTRAÇÃO DE 
SUBSTRATO SOBRE A ATIVIDADE ENZIMÁTICA 
E E 
E E 
S 
+ 
E E 
E E 
S E E 
E E 
P 
P 
+ 
Baixa [substrato] 
Formação do produto é proporcional à concentração 
de substrato 
31 
INFLUÊNCIA DA CONCENTRAÇÃO DE 
SUBSTRATO SOBRE A ATIVIDADE ENZIMÁTICA 
[Substrato] em excesso 
S 
S 
S 
S 
S 
S 
S 
S 
+ 
E E 
E E 
E E 
E E 
S S 
S S 
E E 
E E + P 
P 
P 
P 
P 
P 
P 
P 
S 
S 
S 
S 
S 
S 
S 
S 
Velocidade da reação independe da [S] 
32 
INFLUÊNCIA DA CONCENTRAÇÃO DE 
SUBSTRATO SOBRE A ATIVIDADE ENZIMÁTICA 
Em baixas concentrações de 
substrato a velocidade de reação 
é de primeira ordem – isto é, é 
proporcional a concentração de 
substrato 
Em altas concentrações de 
substrato, a velocidade da reação 
é de ordem zero – isto é, é 
constante e independente da 
concentração de substrato 
[S] 
V
e
lo
c
id
a
d
e
 
d
a
 r
e
a
ç
ã
o
 
Cinética de 
 1a ordem 
Cinética de 
 ordem zero 
33 
AS ENZIMAS PODEM FICAR SATURADAS PELO SUBSTRATO 
Baixa [S] 
Velocidade é proporcional a 
[S] 
Velocidade independe da 
[S] 
Alta [S] 
excesso de S 
34 
PODER CATALÍTICO DAS ENZIMAS 
• Capacidade de converter substrato em 
produto em unidade de tempo 
– QUIMIOTRIPSINA - 1,9 x 102 mol/s 
– ANIDRASE CARBÔNICA - 1 x 106mol/s 
NÚMERO DE RENOVAÇÃO 
(TURNOVER NUMBER) 
nº de mols de substrato convertido em 
produto por mol de enzima em unidade de 
tempo 
 
35 
Poder catalítico Nº de renovação 
Velocidade máxima da reação 
PODER CATALÍTICO DAS ENZIMAS 
36 
UNIDADES ENZIMÁTICAS 
• Unidade Internacional 
– nº de mols de substrato transformado ou 
produto formado por mL de solução por minuto 
em pH e temperatura padronizados 
 UI= M/mL/min ou UI= M mL-1 min-1 
• Katal 
– nº de mols de substrato transformado ou produto 
formado por L por segundo em pH e temperatura 
padronizados 
 K=M/L/s ou K=ML-1 s-1 
• Arbitrária 
– estabelecida pelo pesquisador 
37 
ATIVIDADE ENZIMÁTICA 
• Depende também: 
– presença e concentração do cofator 
– poder catalítico da enzima 
• capacidade da enzima de transformar o substrato ligado ao 
complexo ES em produto por unidade de tempo 
 ES  E + P 
– afinidade da enzima pelo substrato (Km) 
• maior ou menor capacidade da enzima de se ligar ao 
substrato 
 E + S  ES 
afinidade da enzima pelo substrato (Km) 
38 
INTRODUÇÃO À CINÉTICA ENZIMÁTICA 
Estudo da velocidade da reação (V): S  P 
V 
Quantidade de produto formado 
Quantidade de substrato transformado 
 
 (em unidade de tempo) 
Atividade enzimática pode ser medida pela 
velocidade da reação catalisada 
Pode ser medido por: 
39 
CINÉTICA ENZIMÁTICA 
 Leonor Michaelis 
Maude Menten 
Representaram uma reação enzimática em 2 etapas 
Após curto tempo - estado estacionário ou estabilidade 
dinâmica com relação a [E] e [ES] é alcançado 
constantes de 
velocidade 
E + S ES E + P 
k 1 
k -1 
k 2 
40 
Estado estacionário ou estabilidade dinâmica com 
relação a [E] e [ES] 
Variação das concentrações dos componentes da reação 
enzimática em função do tempo. O intervalo 0 – t1 é muito 
pequeno. Após o tempo t1 estabelece-se o equilíbrio entre 
E, S e ES, cujas concentrações permanecem 
aproximadamente constantes até o tempo t2. A 
concentração do produto cresce sempre; a concentração 
do substrato, a rigor, diminui mas pode ser considerada 
constante face à sua enorme concentração em 
comparação à da enzima, do complexo ES e do produto. 
Entre t1 e t2 está o tempo inicial, durante o qual a 
velocidade inicial (v0) deve ser medida. 
41 
Esquema ilustrativo do 
equilíbrio E + S ES, 
em três situações (I, II, 
III) de concentrações 
diferentes de substrato e 
mesma concentração de 
enzima, analisadas após 
um mesmo tempo inicial. 
As velocidades de 
reação (v0) são indicadas 
em porcentagens da 
Vmáx. 
42 
Equação de 
Michaelis-Menten 
V max [S] 
V 0 = 
K M + [S] 
43 
Equação de Michaelis-Menten – equação da velocidade de uma 
reação enzimática: 
V= 
Vm . [S] 
Km +[S] 
Onde Vm é a velocidade 
máxima da reação 
Km = [S] 
Uma propriedade importante: 
44 
Km = [S] 
V máx 
[S] 
V 
Vmax 
2 
Propriedades importantes de Km: 
• É numericamente igual a [substrato] na qual a 
velocidade da reação é metade da Vmax 
• Característico de cada enzima 
• Reflete a afinidade da enzima pelo seu substrato 
45 
Km 
Afinidade da enzima pelo substrato 
Pequena [substrato] é 
necessária para a reação 
atingir metade da Vmáxima 
Km 
Grande [substrato] é 
necessária para a reação 
atingir metade da Vmáxima 
Afinidade da enzima pelo substrato 
CONCLUSÕES SOBRE Km 
46 
Km Km 
Afinidade da 
enzima pelo 
substrato 
Afinidade da 
enzima pelo 
substrato 
CONCLUSÕES SOBRE Km 
47 
CONCLUSÕES SOBRE A CINÉTICA MICHAELIANA 
Quando a 
 [S] for menor que o Km (até 
atingir a saturação da enzima) 
 a velocidade da reação é 
proporcional à [S] 
Reação de 1a ORDEM 
Quando a [S] é muito maior 
que Km a velocidade da 
reação é constante e 
igual a Vmax 
Reação é de ORDEM ZERO 
V
e
lo
c
id
a
d
e
 
 d
a
 r
e
a
ç
ã
o
 
[S] 
Gráfico característico é uma hipérbole 48 
INIBIÇÃO ENZIMÁTICA 
• Reversível 
• Irreversível 
 Competitiva 
 Não Competitiva (mista) 
 Incompetitiva (acompetitiva) 
49 
INIBIÇÃO REVERSÍVEL 
• inibidor forma com a enzima um 
composto INSTÁVEL 
• inibição NÃO envolve modificação 
COVALENTE 
• tipos de inibidores reversíveis 
 competitivos 
 não competitivos 
 incompetitivos 
50 
• Há competição pelo centro ativo do enzima 
• O inibidor é estruturalmente semelhante ao 
 substrato 
• A inibição pode ser contrariada adicionando 
 mais substrato ao meio 
• O Km aumenta e o Vmáx não se altera 
INIBIÇÃO COMPETITIVA 
51 
INIBIÇÃO COMPETITIVA 
• Inibidor competitivo 
 Liga-se ao Sítio Ativo da Enzima 
E + S ES E + P 
EI 
+ 
I 
Enzima 
52 
INIBIÇÃO COMPETITIVA 
Enzima 
Sítio Ativo 
IC 
S 
S 
IC 
IC 
IC 
IC 
S 
P 
P 
S S 
S 
S 
S S 
S 
P 
P 
P 
P 
53 
INIBIÇÃO COMPETITIVA 
 
 [substrato] necessária para que a enzima 
funcione normalmente 
 
afinidade da enzima pelo substrato 
Na presença do inibidor competitivo 
Km da enzima 
aparente 
54 
INIBIÇÃO COMPETITIVA 
55 
INIBIÇÃO COMPETITIVA 
56 
INIBIÇÃO NÃO-COMPETITIVA 
• Inibidor não tem semelhança estrutural com o 
substrato 
• NÃO se liga no sítio ativo da enzima 
• Aumento da [substrato] não diminui a inibição 
• Km da enzima NÃO se altera 
• Vmáx diminui na presença do inibidor 
57 
INIBIÇÃO NÃO-COMPETITIVA 
E + S ES E + P 
EI + S 
+ 
I 
+ 
I 
EIS 
• Inibidor não-competitivo 
 NÃO se liga ao sítio ativo da enzima 
 Enzima 
58 
INIBIÇÃO NÃO-COMPETITIVA 
Diminui a concentração 
de enzima ativa 
Velocidade máxima 
 da reação 
59 
• O inibidor liga-se a um local específico do 
 enzima (quenão o centro ativo) 
• O inibidor liga-se ao complexo ES 
• O complexo ESI não forma produto 
INIBIÇÃO INCOMPETITIVA 
• O Km diminui e a Vmáx diminui 
60 
INIBIÇÃO INCOMPETITIVA 
E + S ES E + P 
+ 
I 
EIS 
• Inibidor incompetitivo 
 NÃO se liga ao sítio ativo da enzima 
 Enzima 
 Bloqueio de ES 
 
I se fixa no 
complexo ES 
61 
INIBIÇÃO INCOMPETITIVA 
62 
INIBIÇÃO IRREVERSÍVEL 
• inibidor se combina com um grupo 
funcional (sítio ativo) da enzima 
 
• inibidor se liga à enzima formando um 
complexo ESTÁVEL 
 
• forma-se uma ligação COVALENTE 
entre o inibidor e a enzima 
 
• destruição de um grupo funcional 
essencial ao funcionamento do enzima 
 63 
MECANISMOS DE REGULAÇÃO DA 
ATIVIDADE ENZIMÁTICA 
 Disponibilidade de substrato 
 
 Concentração de enzima 
 
 
 
 
 Atividade da enzima 
• Controle à nivel gênico 
– indução 
– repressão 
• Enzimas alostéricas 
• Modificação covalente 
• Clivagem proteolítica de pró-enzimas 
64 
• Enzimas que aumentam ou diminuem a sua 
atividade em reação a determinados fatores. 
• Fazem normalmente parte de sequências 
metabólicas. 
Permitem regular a atividade de toda a 
sequência metabólica e possibilitam à 
célula ajustar-se às suas necessidades 
energéticas e biomoleculares. 
ENZIMAS REGULADORAS 
65 
REGULAÇÃO DA ATIVIDADE ENZIMÁTICA 
CONTROLE À NÍVEL GÊNICO 
INDUTOR 
presente 
Síntese da 
proteína 
INDUTOR 
ausente 
NÃO ocorre 
a síntese da 
proteína 
66 
Sítio Alostérico 
(regulador) 
Substrato 
Mudança de conformação 
Alteração na atividade 
Sítio Ativo 
(catalítico) 
Moduladores ou Efetores Positivos 
 Negativos 
 
REGULAÇÃO DA ATIVIDADE ENZIMÁTICA 
ENZIMAS ALOSTÉRICAS 
67 
Induz: 
Modificações 
conformacionais na 
estrutura espacial do 
enzima 
Modifica a afinidade do 
enzima para com os seus 
substratos 
REGULAÇÃO DA ATIVIDADE ENZIMÁTICA 
ENZIMAS ALOSTÉRICAS 
68 
Ocorre em enzimas que possuem um local de modulação alostérico 
Modulador alostérico 
Positivo 
(ativam a enzima) 
Negativo 
(inibe a enzima) 
Heterotropismo 
(o modulador é 
diferente do 
substrato) 
Homotropismo 
(o modulador é 
igual ao 
substrato) 
A ligação entre o modulador e o enzima é não-covalente e o local de 
modulação é especifico para cada modulador, no caso das enzimas 
heterotrópicas 
REGULAÇÃO DA ATIVIDADE ENZIMÁTICA 
ENZIMAS ALOSTÉRICAS 
69 
Um modelo muito comum de 
regulação alostérica é a 
inibição por retroalimentação 
(inibição por feedback ou 
retroinibição), onde o próprio 
produto da reação atua como 
modulador da enzima que a 
catalisa. 
 
REGULAÇÃO DA ATIVIDADE ENZIMÁTICA 
ENZIMAS ALOSTÉRICAS 
Coordena o fluxo de moléculas por uma via metabólica 
70 
• Não seguem a cinética 
de Michaelis-Menten 
• Comportamento sigmóide 
• [S] para a qual V0=Vmáx/2 
não corresponde ao Km 
REGULAÇÃO DA ATIVIDADE ENZIMÁTICA 
ENZIMAS ALOSTÉRICAS 
71 
REGULAÇÃO DA ATIVIDADE ENZIMÁTICA 
ENZIMAS ALOSTÉRICAS 
72 
• Fosforilação 
• Adenilação 
• Urinilação 
• ADP-ribosilação 
• Metilação 
Grupos adicionados ou retirados da enzima 
através de modificações covalentes 
REGULAÇÃO DA ATIVIDADE ENZIMÁTICA 
MODIFICAÇÃO COVALENTE 
Metabolismo alterado  
aciona vias inativas e inibe 
vias ativas. 
73 
REGULAÇÃO DA ATIVIDADE ENZIMÁTICA 
CLIVAGEM PROTEOLÍTICA 
Enzima Ativa 
Pró-Enzimas 
Zimogênios 
Clivagem Proteolítica 
74