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1 Enzimas Prof. Dr. Sébas-en O. Charneau 1 Aplicações industriais de enzimas Fermentação alcoólico No sabão em pó: detergente e enzimas que ajudam a tirar a sujeira e proteger o tecido 2 2 Importância do estudo de enzimas - Defeito, deficiência, ausência, excesso... à DOENÇA - Alvos de fármacos Aspirina Ciclooxigenase - Diagnóstico: - creatina-fosfoquinase (CPK), Colinesterase, amilase... 3 Histórico • O início da enzimologia se confunde com o início da bioquímica. Ambas surgiram no século 19 em investigações sobre fermentação e digestão • 1810- Gay-Lussac- demonstrou que etanol e CO2 são os principais produtos da decomposição de açúcares por leveduras • 1835- Berzelius – primeira teoria geral de catálise química. Mostrou que um extrato de malte degradava o amido mais rápido que o ácido sulfúrico • 1850- Pasteur – propôs que a fermentação de açúcar em álcool podia ocorrer apenas em organismos vivos, leveduras, graças a uma �força vital� chamada de �fermentos� que permitiam que desobedecessem as leis da natureza è o vitalismo 4 3 Histórico • 1897 - Eduard Buchner- mostrou que um extrato de levedura sem células podia fazer a fermentação de glicose em etanol à moléculas • 1894-Emil Fischer- descobriu que as enzimas da glicólise podiam distinguir estereoisômeros e propôs o modelo chave-fechadura. • 1926 - James Sumner cristalizou a primeira enzima (urease de feijão) demonstrando que era uma proteína. Esse resultado não foi bem aceito pela comunidade científica de então. • 1930 - John Nothrop: cristalização de tripsina e pepsina bovinas - proteínas e atividade catalítica • Neste período, J.B.S. Haldane: ligações fracas Enzima-Substrato usadas para catalisar a reação The Nobel Prize in Chemistry for his biochemical researches and his discovery of cell-free fermenta4on 5 O que são enzimas? • Tem em qualquer lugar na natureza (no meio ambiente e todos organismos vivos) • Sem enzimas, vida não seria possível. • São catalisadores biológicos, pois a maioria são proteínas (ou RNA) que aceleram as reações bioquímicas sem ser consumidas ou alteradas durante ao processo. • Alto poder catalítico comparado as reações espontâneas (105 a 1020 vezes) • Agem sobre um substrato (substâncias sobre que a enzima atua como catalisador e cada enzima atua sobre um grupo específico de substratos) è modelo de chave – fechadura • Capacidade de regulação 6 4 Definição catalisadores biológicos = substâncias/moléculas de origem biológica realizando transformações químicas envolvidas nos processos metabólicos à Cascadas e mecanismo de regulação de adaptação as condições variáveis = Proteínas (e ribozimas) Aumentam a velocidade das reações químicas celulares com redução da barreira energética entre reagentes e produtos sem afetar o equilíbrio da reação. O que são enzimas? 7 Onipresença e diversidade A vida é a orquestração de processos catalisados por enzimas (Richard Martin Willstätter, 1912) e considerava as enzimas como substâncias químicas não proteicas (até 1930). E. coli ~4.000 genes/proteínas ~600 enzimas 744 reações H. sapiens ~26.500 genes ~150.000 proteínas ~75.000 enzimas 8 5 Natureza das enzimas: Ribozimas = enzimas de RNA enzima de ácido ribonucléico Moléculas de RNA que possuem atividade catalítica Como: - RNase que catalisa o corte de outros RNA (extremidade 5´ e depois 3´no processamento dos tRNA nas bactérias e nos eucariotas) - Ribozima cabeça-de-martelo (No metabolismo de RNA de vírus de plantas) - Ribossomos chamados de �catalisadores da síntese proteica� 9 - A maioria das enzimas são proteínas - A atividade catalítica depende da integridade da sua conformação proteica nativa. - Se desnaturação ou dissociação em subunidades àperda de atividade catalítica - estruturas proteicas primária, secundária, terciária, quaternária, das enzimas são essenciais Natureza das enzimas: do tipo proteínas Estrutura quaternária Estrutura terciária Estrutura secundária Estrutura primária 10 6 Algumas atividades requerem participação de outras moléculas ou íons -Algumas enzimas requerem participação de componente químico adicional para a atividade= co-fator: • 1 ou + íons inorgânicos (Fe3+, Zn2+, Ni2+, Mg2+, Mn2+); • Molécula orgânica complexa, molécula metaloorgânica, sintetizadas à partir de vitaminas dieta = coenzima (biocitina, coenzima A, coenzima B12, FAD) Algumas enzimas requerem os dois, coenzima + íons metálicos - Ligação - transitória cofatores (interações fracas) - permanente (grupos prostéticos) - Algumas enzimas são modificadas pós-traducionalmente por fosforilação ou glicosilação... à esse modificações são envolvidas na regulação da atividade CO-FATORES 11 (De) Proteína-cinase Proteína-fosfatase Grupo fosforil A modificação é usualmente uma mudança na estrutura da enzima tipicamente pela adição de um grupo funcional covalentemente ligado à enzima Modificação pós-traducionais 12 7 CO-FATORES: íons inorgánicos 13 Vitaminas são precursores de cofatores CO-FATORES: Coenzimas sintetizadas à partir de vitaminas da dieta 14 8 apoenzima + co-fator = holoenzima Forma ativa Forma inativa = grupo prostético (co-enzima e/ou íon inorgânico) = apoproteína 15 Enzima à apoproteína ou apoenzima Co-enzima ou íon à grupo prostético Enzima completa +co-fator, cataliticamente ativa à holoenzima Classificação internacional das enzimas Equivalente redutor Nome de acordo com o substrato e as reações que catalisam- sufixo ase. Classificação – EC (número da Comissão de Enzimas) Classes Tipo de reação catalisada 1 – Oxidoredutases Transferência de elétrons (ìons hidretos ou átomos de H) 2 – Transferases Reações de transferência de grupos 3 – Hidrolases Reações de hidrólise (transferência de grupos funcionais para a água) 4 – Liases (Sintases) Remoção de grupamentos formando dupla ligação, ou adição à dupla ligação. 5 – Isomerases Transferência de grupos dentro da mesma molécula para formar isômeros 6 – Ligases (Sintetases) 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 16 9 É a ATP-glicose fosfotransferase, indicando a transferência de um grupo fosfato do ATP para a glicose. 2.7.1.1. = 2 (classe transferase), 7 (subclasse fosfotransferase), 1 (grupo hidroxila aceptor do grupo fosfato), 1 ( D-glicose aceptor do grupo fosfato) E seu nome comum: hexocinase ou hexoquinase • Adição do sufixo ase ao nome de seu substrato, ou a palavra que descreve sua atividade • EC (número da Comissão de Enzimas) Classificação internacional das enzimas 17 Nomenclatura da enzima (http://www.chem.qmul.ac.uk/iubmb/enzyme/) Prolil oligopeptidase (EC 3.4.21.26) 18 10 Séries ordenadas de reações químicas rápidas: vias metabólicas Não catalisadas Catalisadas por enzimas Via metabólica: A transformado em Z via os produtos intermediários è Enzimas aceleram de modo seletivo algumas transformações 19 Enzima e metabolismo Por que conhecer enzimas? 20 11 ENZIMAS • Taxas de reação mais altas – as enzimas aceleram reações na faixa de 105 a 1020 vezes. • Condições biológicas brandas de reação - Ambiente aquoso, Temperaturas abaixo de 100 ºC , pressão atmosférica, pH perto de neutro. • Maior especificidade • Capacidadede regulação • Importante: as enzimas, além de acelerar a velocidade das reações também acoplam reações de maneira positiva. A energia liberada em uma reação pode ser usada para viabilizar uma reação que necessite de energia. 21 ENZIMAS • Alguns exemplos de aceleração catalizada por enzimas Enzima Aumento na velocidade Anidrase carbônica 10 7 (10.000.000) Triose fosfato isomerase 10 9 (1.000.000.000) Orotidina monofosfato descarboxilase 10 17 (100.000.000.000.000.000) 22 12 Sítio ativo 23 Enzima e substrato Especificidade de substrato e de ação enzimática Exemplo: enzimas catalisando a hidrólise de uma ligação grupo ligação grupo Especificidade de substrato Especificidade de ação forte forte fraco forte fraco fraco 24 13 A catálise enzimática Reação NÃO catalisada Reação catalisada por enzimas Complexo de colisão 1 Complexo de colisão 2 Produtos Reativos Estado de transição coroa de hidratação è Evento Raro e velocidade fraca 1. E livre Centro ativo 2. Complexo E.A 3. Complexo E.A.B 4. Estado de transição E* 5. Complexo E.C.D 6. Complexo E.D 25 Atividade enzimática • = atividade catalítica de uma enzima está medida por meio do aumento da velocidade de reação, nas condições dadas e um tempo dado • = [Quantidade transformada de uma reação catalisada] ─ [Quantidade transformada de uma reação não catalisada] • Em mol·L-1·s-1 mol·s-1= catal (1 catal: quantidade de enzima que aumenta de 1mol·s-1 a transformação) 1 UI (µmol·min-1) = 16,7 ncat Quantidade transformada na presencia de enzima atividade catalítica Quantidade transformada sem enzima 26 14 27 Entender reação catalitica à Noção de termodinámica Energia mudança Primeira lei da termodinâmica A energia do universo é constante A quantidade de energia permanece constante, embora a forma da energia possa mudar Quando energia ‘usada’ pelo sistema ela não é gasta, mas convertida de uma forma em outra 28 15 Entropia Significa Mudança em seu interior (aleatoriedade e desordem) C6H12O6 + 6O2 -----> 6CO2 + 6H2O Oxidação da glicose Resulta no aumento do nº de moléculas Substancia solida convertida em produtos líquidos ou gasosos Desordem molecular aumenta, Entropia aumenta Segunda lei da termodinâmica A entropia do universo é crescente 29 ΔG = ΔH-TΔS G = H-TS Unidade: J/mol ΔG < 0 = reação espontânea -Quan8dade e 8pos de ligações Entalpia (H) ó energia total em sistema biológico -Desordem do sistema Entropia (S) ó energia não-u8lizável Energia livre de Gibbs Josiah Willard Gibbs ó energia u8lizável que pode realizar trabalho 30 16 31 As reações químicas liberam energia = Reações exergônicas ΔG < 0 Energia livre de Gibbs Josiah Willard Gibbs ΔG < 0 = reação espontânea 32 ΔG > 0 As reações químicas consomam energia = Reações endergônicas 17 33 34 ENERGIA DE ATIVAÇÃO Quantidade crítica de energia para que a reação aconteça 18 35 S P O ponto de partida de uma reação se chama estado fundamental G padrão à 298K, 1 ATM e 101,3 kPas = A variação da energia livre padrão bioquímica descreve a reação química P tem uma maior energia livre, significa que o equilíbrio da r e a ç ã o f a v o r e c e a o s produtos, mas não quer dizer que seja uma reação rápida A energia nos sistemas biológicos é descrita em termos de energia livre de Gibs G S estado fundamental P estado fundamental Uma enzima deve: 1- Aproximar, orientar e ligar o substrato 2- Exclusão da água (a coroa de hidratação) 3- Estabilização do estado de transição 4- realizar a reação bioquímica (transferência de grupo) 3- Liberar o produto 4- repetir o processo varias vezes Como age uma enzima? 36 19 Formação do complexo Enzima-Substrato para que ocorra a catálise e liberação dos Produtos E + S ES EP E+P Como age uma enzima? 37 A reação enzimática: ESTADO DE TRANSIÇÃO Momento molecular onde os reagentes se separam refazendo suas ligações originais ou as ligações são quebradas e novos produtos são formados. formação ou quebra de ligações não covalentes, reorganização eletrônica 38 20 ENZIMAS • Apesar de alterarem a velocidade da reação, as enzimas não alteram a constante de equilíbrio ou os valores de ΔG ou ΔH! • As enzimas são catalisadores biológicos e aceleram a velocidade das reações através da diminuição da energia de ativação. 39 ΔG velocidade da reação aumentada à equilíbrio atingindo muito mais rápido Reação não catalizada possui energia de ativação maior do que catalisada Mas não diferencia em energia livre entre reações catalisadas não catalisadas 40 As enzimas diminuem a barreira energética Na presencia de catalisador, uma reação enzimática chega ao produto com menos energia de ativação. Um limitante da velocidade da reação é a concentração do complexo ES formado 21 Modelos de catálise enzimática • Modelo chave-fechadura: – Emil Fisher, 1894 • Complementaridade da enzima ao estado de transição da reação: – Linnus Pauling, 1946 • Ajuste induzido: – Daniel Koshland, 1958 41 Encaixe preciso Impedimento da reação – estabilização do substrato Pouco eficiente 42 22 Modelo Chave-fechadura Emil Fisher (1894) 43 • Inicialmente algumas interações fracas são formadas entre a enzima e o substrato; • As interações moleculares envolvidas na ligação enzima-substrato são da mesma natureza daquelas que mantêm à estrutura tridimensional; • As mudanças conformacionais sofridas pela enzima facilitam a interação com o substrato: – acomodação de grupos funcionais específicos em posições apropriadas • Além disso, permitem a formação de outras interações fracas necessárias ao estado de transição e, conseqüentemente, favorecem a reação. Modelo do ajuste induzido 44 23 Modelo do ajuste induzido Daniel Koshland (1958) 45 Rearranjo conformacional Emil Fischer - 1894 Chave-fechadura Substrato estabilizado em vez de destabilizá-lo. Como é o encaixe ES? Interações fracas entre enzima-substrato 46 24 Michael Polanyi – 1921 Linus Pauling - 1946 Complementar ao estado de transição à ajuste induzido Como é o encaixe ES? As interações fracas favorecem estabilidade aos estados de transição ES, diminuindo a entropia através de um alinhamento entre os grupos funcionais catalíticos e o substrato 47 • Determinar as constantes de afinidade do S e dos inibidores; • Conhecer as condições ótimas da catálise; • Ajudar a elucidar os mecanismos de reação; • Determinar a função de uma determinada enzima em uma rota metabólica. Porque estudar a cinética enzimática? 48 25 • pH • temperatura • concentração das enzimas • concentração dos substratos • presença de inibidores A atividade enzimática é influenciada por: 49 pH • 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. Atividade ótima 50 26 TEMPERATURA • Com ↑ 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 desnaturação térmica. • O efeito da temperatura depende: - pH e a força iônica do meio; - a presença ou ausência de ligantes. Velocidade da reação Velocidade máxima Temperatura ótima 51 CONCENTRAÇÃO DOS SUBSTRATOS • [S] varia durante o curso da reação à medida que S é convertido em P. • [E] = cte. • [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]. vo [S] Vmax V0 = velocidade inicial 52 27 Leonor Michaelis e Maud Menten Ciné8ca enzimá8ca VELOCIDADE DA REAÇÃO Teoria ciné8ca ou da colisão: 1) Distância para colidir 2) A8ngir estado de transição o modelo de Michaelis-Menten (1913) 53 Enzima e substrato formam um complexo transitório E + S ES E + P k1 k-1 k2 Embora as enzimas sofram modificações transitórias durante o processo de catálise, elas sempre aparecem inalteradas ao término da reação O ambiente do sí8o a8vo estabiliza os intermediários do estado de transição k constante de velocidade 54 28 Cinética enzimática – o modelo de Michaelis-Menten à Explica a relação hiperbólica entre a concentração em substrato e a velocidade de reação Reação catalisada Reação não catalisada Como, separando a reação em duas etapas: (com k constante de velocidade) 55 [S] [P] [E] [ES] [E] C on ce nt ra çã o Tempo 56 29 Concentração do substrato afeta a velocidade de reações catalisadas por enzimas I II III I II III u Baixas concentrações de S, a maior parte da enzima está na sua forma livre E u Altas concentrações de S, a maior parte da enzima está na sua forma ES. A concentração de E é desprezível. 57 Curva hiperbólica Concentração do substrato V0 = velocidade inicial Km= cste de michaelis 58 30 V0 = Vmax [S] Km + [S] Equação de Michaelis-Menten RELAÇÃO ENTRE A [S] E VELOCIDADE DA REAÇÃO V0 represente o estado estacionário, onde [ES] cste ao longo do tempo 59 Representação gráfica: Analogia: venda de ingresso para um show: Se não tem fila (pouco S), o número de ingressos vendidos por hora depende do número de clientes Se tem uma fila permanente, depende só da habilidade do vendedor ou número de vendedores 60 V0 pode ser explorada em função de [S] 31 KM – Constante de Michaelis CONSTANTE DE “AFINIDADE” KM = [S] quando V0 = ½ VMAX 61 Definição e características gerais dos inibidores Uma molécula que modifica a velocidade de uma reação enzimática é nomeada um efetor. Efetores que a atividade enzimática = ativadores Efetores que a atividade enzimática = inibidores Em função das condições, algumas moléculas se comportam como ativador ou inibidor Inibição (e ativação) de atividade enzimática é um modo de regulação primordial das vias metabólicas na célula. Inibidores naturais podem ser de múltipla natureza: antibióticos, toxinas, drogas, ... O estudo do efeito inibidor permite: - Afinar o mecanismo catalítico de uma reação enzimática - De saber melhor a especificidade de uma enzima - De obter dados a respeito do sitio ativo 62 32 • Alguns inibidores se associam de modo REVERSÍVEL a enzima em interagindo de modo não covalente. • Outros se fixam de modo IRREVERSIVEL e são ferramentas importantes para determinar os grupos ativos do sitio catalítico. 63 Enfim, em função do tipo de inibidor, a enzima pode fixar: O substrato OU o inibidor à é a fixação exclusiva com formação de complexos binários ES ou EI. • O substrato E o inibidor à é a fixação não exclusiva com formação de complexos ternários (ESI). Se o complexo ternário ainda fica ativo (menos que o complexo ES), a inibição é falada parcial e se é totalmente inativo, a inibição é falada total. IRREVERSÍVEL REVERSÍVEL COMPETITIVO NÃO- COMPETITIVO INCOMPETITIVO Classe de inibidores 64 33 INIBIÇÃO IRREVERSÍVEL DIPF (diisopropilfosforofluoridrato) = gás neurotóxico Inibidor irreversível da ace8lcolinesterase 03/1995 Japão Ligam-se covalentemente (não covalente estável) ou destroem um grupo funcional da enzima que é essencial para sua a8vidade • relaxamento do músculo; • mas, com DIPF: Contração constante 65 O conhecimento de um mecanismo enzimá8co leva a avanços importantes na medicina 3 enzimas críticas : transcriptase reversa, integrase, protease. A maior parte dos genes de vírus traduzida em poliproteínas que são quebradas pela protease do virus nas proteínas individuais necessárias para formar o virus 66 34 Sítio catalítico da protease do HIV 2 resíduos asparagina Inibidores formam complexo não covalente mas tão forte que considerados inibidores irreversíveis 67 INIBIÇÃO REVERSÍVEL COMPETITIVA Inibidor e substrato ESTRUTURA SIMILAR SEM CATÁLISE VMAX não varia KM aparente aumentado Aumento da [S], desloca I ? A fixação do substrato e a do inibidor são MUTUALMENTE EXCLUSIVAS Em presencia de inibidor competitivo: Km está aumentado mas Vmax não está modificada Inibidor compete com o substrato pelo si-o a-vo da enzima 68 35 Antabuse = inibidor da aldeído desidrogenase Tratamento de alcoolismo (a pessoa fica enjoada ao ingerir álcool) 69 INIBIÇÃO REVERSÍVEL NÃO- COMPETITIVA Inibidor reage com um grupo essencial a a-vidade enzimá-ca sem alterar a interação com o substrato Mais raro 70 36 O conhecimento de um mecanismo enzimá8co leva a avanços importantes na medicina Transcriptase reversa HIV 71 INCOMPETITIVA INIBIÇÃO REVERSÍVEL MISTA I liga-se apenas ao complexo ES I liga-se a E ou ao complexo ES 72 37 Enzimas regulatórias Pró-enzimas ou zimogênio Alosterismo Modificação covalente 73 Pró-enzimas ou zimogênio Clivagem específicas provocam mudanças conformacionais que expõem o sí8o a8vo da enzima 74 38 Alosterismo Enzimas alostéricas são aquelas que possuem “outras formas” ou conformações induzidas pela ligação de moduladores SÍTIO REGULATÓRIO (MODULADOR) Modulação: ₊ ₋ um modulador alostérico à Modificação da conformação da enzima Enzimas com várias subunidades Formas a8vas ou ina8vas 75 TREONINA DESIDRATASE Alosterismo Inibição por retroalimentação Exemplo no sistema bacteriano Passo de comprometimento 76 39 Cinética sigmoidal de enzimas alostéricas 77 Modificação covalente (De) Proteína-cinase Proteína-fosfatase Grupo fosforil A modificação é usualmente uma mudança na estrutura da enzima 8picamente pela adição de um grupo funcional covalentemente ligado à enzima 78 40 Modificação covalente 79 Complemento... 80 41 Cinética enzimática – o modelo de Michaelis-Menten Velocidade de formação ES = k1 [E] [S] Velocidade de dissociação de ES = (k-1 +k2) [ES] Ao estado estacionário: [ES] = cste Velocidade de reação = velocidade de formação do produto: V = k2 [ES] Cste de Michaelis 81 à Km é obtida experimentalmente para cada enzima Velocidade de reação: se e [ES]=[E][S] / Km è Essa equação permite de modelisar a hipérbole da reação à um momento T da reação: 82 42 Representação gráfica em duplo recíproco (Lineweaver –Burk) 1934 è Uma direita Inclinação= Km Vmax 83
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