Enzimas: Funções e Características

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Enzimas 
Disciplina: Princípios de Química Orgânica e 
Bioquímica de Macromoléculas 
Docente: Profa. Dra. Fernanda Canduri 
Instituto de Química de São Carlos – IQSC 
Universidade de São Paulo 
Função Proteica 
• As proteínas possuem funções amplamente 
diversificadas: 
• Enzimáticas (proteases, lipases, RNases, DNases, ...) 
• Transporte (Hemoglobina, porinas) 
• Movimento (actina e miosina) 
• Defesa (imunoglobulinas, fatores de coagulação sanguínea) 
• Estruturais (colágeno, queratina, fibroína) 
• Sinalizadoras (proteínas de membrana) 
• entre outras... 
Informações gerais sobre as enzimas 
1. As enzimas tem um enorme poder catalítico 
2. São altamente específicas 
3. A formação de um complexo enzima-substrato é o 
primeiro passo na catálise enzimática 
4. As enzimas aceleram reações, estabilizando estados de 
transição 
5. A atividade catalítica de muitas enzimas são reguladas. 
Características gerais 
 As enzimas são catalisadores de reações biológicas 
 Diferem dos catalisadores químicos em vários aspectos: 
 
1. Velocidade de reação mais rápidas – de 106 a 1012 vezes maiores 
2. Condições reacionais mais brandas – temperaturas inferiores a 100oC, 
pressão atmosférica e pH quase neutro 
3. Maior especifidade da reação – imensamente maior do que 
catalisadores químicos em relação à identidade dos seus substratos 
(reagentes) e dos seus produtos 
4. Capacidade de regulação – a atividade catalítica pode variar em 
resposta às concentrações de outras substâncias 
Nomenclatura 
• As enzimas são comumente denominadas adicionando-
se o sufixo –ase ao nome do substrato, ou a uma 
expressão que descreva sua ação catalítica 
 
 Ex.: proteases  catalisam a hidrólise de proteínas 
  pepsina, tripsina, quimotripsina, renina 
 
 álcool desidrogenase  catalisa a oxidação de álcoois em seus 
aldeídos 
 
 lipases e fosfolipases  catalisam a hidrólise das ligações éster de 
lipídeos e fosfolipídeos 
Classificação 
• As enzimas foram classificadas de acordo com a natureza da reação 
química que catalisam: 
 
A União Internacinal de Bioquímica e Biologia Molecular (IUBMB) adotou 
um esquema de classificação funcional sistemática e de nomenclatura 
 
• Para cada enzima são atribuídos dois nomes – nome alternativo e nome 
sistemático – e um número de classificação de quatro subdivisões 
 
Exemplo: 
 
• Carboxipeptidase A (nome recomendado) 
• Peptidil-L-aminoácido-hidrolase (nome sistemático) 
• EC 3.4.17.1 (no. de classificação), sendo EC “enzyme 
comission” 
 
 Os números representam a classe, subclasse, sub-subclasse, e 
seu número de série 
Complementaridade geométrica e eletrônica 
Ajuste induzido 
Especificidade dos substratos 
Tipos de cofatores 
• Exemplos de Cofatores: Cu2+, Fe2+, Zn2+ (Cd2+ e Hg2+ - efeito tóxico) 
 
Uma enzima-cofator cataliticamente ativo é chamado de holoenzima. 
 
A proteína enzimaticamente inativa resultante da remoção do cofator da 
holoenzima é chamada de apoenzima 
apoenzima + cofator  holoenzima (ativa) 
• Coenzimas: associam-se temporariamente à enzima (co-substrato) 
 Ex.: NADH, coA 
 
 
 
 
 
 
• Grupos prostéticos – associam-se permanentemente (ligação 
covalente) 
 Ex: grupamento heme, biotina, FMN, FAD 
 
NADH 
Energia de ativação e coordenadas de reação 
 Estudos de como as enzimas catalisam reações 
químicas são provenientes da teoria do estado de 
transição – 1930 
 Considerando uma reação bimolecular envolvendo 3 
átomos: 
HA–HB + HC  HA + HB–HC 
 
HC deve aproximar-se da molécula diatômica HA-HB de modo 
que exista um complexo instável de elevada energia 
representado por HA
…HB
…HC 
Os reagentes se aproximam a partir de uma rota de energia livre 
mínima - são as coordenadas de reação desses reagentes 
• Caso os átomos envolvidos no sistema reacional sejam 
diferentes 
A + B  X  P + Q 
 em que A e B são os reagentes, P e Q são os produtos e X 
representa o estado de transição 
 
DG, a energia livre do estado de transição subtraída da 
energia livre dos reagentes é a energia livre de ativação 
 
 A concentração do estado de transição é muito baixa 
A decomposição do estado de transição em produtos é 
postulada como sendo o processo determinante da velocidade 
da reação total 
 Quanto maior for o valor de DG, menor será a velocidade da 
reação 
 menor será o no. de moléculas de reagentes com energia 
térmica suficiente para alcançar a energia livre do estado de 
transição 
 Os catalisadores atuam reduzindo a energia livre do estado de 
transição da reação catalisada 
 A diferença entre os valores de DG de uma reação não-catalisada 
e de uma reação catalisada indica a eficiência do catalisador. 
 Se DGreação < 0, a reação ocorrerá espontaneamente dos 
reagentes em direção aos produtos 
Os catalisadores 
Mecanismos catalíticos 
1. Catálise ácido-base 
2. Catálise covalente – formação transitória de uma 
ligação covalente entre o catalisador e o substrato 
3. Catálise por íons metálicos – metaloenzimas 
 Os íons metálicos participam de processos catalíticos de 
 três maneiras: 
 a. ligam-se ao substrato 
 b. Mediam reações de oxidação-redução 
 c. Estabilizam eletrostaticamente, ou protegem cargas 
 negativas 
Mecanismos catalíticos 
4. Catálise eletrostática – exclusão de uma molécula de água 
do sítio ativo quando o substrato se liga 
5. Efeito de proximidade e orientação 
6. Catálise por ligação preferencial ao estado de transição – 
enzimas tensionam mecanicamente seus substratos em 
direção ao estado de transição pelos seus sítios de ligação 
 
 
RNase A – exemplo de reação enzimática mediada pela catálise ácido-
base 
Cinética enzimática 
• Algumas enzimas atuam somente em uma única molécula de 
substrato 
• Outras atuam em duas ou mais moléculas diferentes, cuja ordem 
de ligação pode ou não ser obrigatória 
• O início dos estudos sobre cinética enzimática foi em 1902, por 
Adrian Brown 
• Ele investigou as velocidades de hidrólise da sacarose pela enzima 
b-frutofuranosidase de leveduras. 
 
SACAROSE + H2O  GLICOSE + FRUTOSE 
Quando [sacarose] >> [enzima], a velocidade de reação torna-se 
independente da concentração 
• Adrian Brown propôs então que a reação global seja composta por 
duas reações elementares, nas quais o substrato forma um 
complexo com a enzima, que se decompõe em produto e enzima 
 k1 k2 
E + S ↔ ES  P + E 
 K-1 
• Quando a concentração de substrato for alta o suficiente para 
converter completamente a enzima na sua forma ES, a segunda 
etapa da reação torna-se limitante da velocidade. 
 
• A velocidade da reação global não irá variar com o aumento [S] 
Cinética enzimática 
• Cada reação elementar descrita é caracterizada por uma 
constante de velocidade: k1 e k-1 para a reação direta e 
reversa da formação do complexo ES 
• K2 é a constante de velocidade para a decomposição de 
ES em P, a segunda reação 
• A segunda reação é irreversível 
 
 k1 k2 
E + S ↔ ES  P + E 
 K-1 
A equação de Michaelis-Menten 
• Em um esquema cinético complexo, a velocidade de formação 
de produtos pode ser expressa como o resultado da 
multiplicação da constante de velocidade da reação ao formar 
produtos e a concentração do seu intermediário imediatamente 
anterior. 
 
• A expressão geral para a velocidade da reação 
 k1 k2 
E + S ↔ ES  P + E 
 K-1 
É portanto, 
v = d[P] / dt = k2 [ES] 
1. Considerando que areação está em equilíbrio 
 
 
 
 
1913 – Leonor Michaelis e Maud Menten supuseram que k1 
>> k2, de maneira que a primeira etapa da reação 
alcance o equilíbrio 
 
Ks = k-1/k1 = [S][E] / [ES] 
 
onde Ks é a constante de dissociação da primeira etapa da 
reação 
 
O complexo enzima-substrato ES é conhecido como o 
complexo de Michaelis 
2. A reação no estado estacionário tem um valor 
constante 
 
 
d[ES] / dt = 0 
 
As quantidades [ES] e [E] não são diretamente 
mensuráveis, com exceção da concentração da enzima 
total, 
 
[E]T = [E] + [ES], 
 
que pode ser facilmente determinada. 
Curvas de progresso para uma reação simples catalisada por 
enzimas. 
• A constante de Michaelis (KM) é definida como 
 
KM = k-1 + k2 / k1 
 
• O uso da velocidade inicial, (v0) minimiza fatores 
complicadores como os efeitos de reações reversíveis, e a 
inativação progressiva da enzima 
• A velocidade máxima, Vmáx ocorre a elevadas 
concentrações de substrato, na qual a enzima está 
saturada, ou seja, inteiramente na forma ES 
A constante de Michaelis e a Velocidade máxima da 
reação 
 k1 k2 
E + S ↔ ES  P + E 
 K-1 
A equação de Michaelis-Menten 
v0 = Vmáx [S] / KM + [S] sendo que Vmáx=k2[E]T 
 
 
 Essa expressão é a equação básica da cinética enzimática e 
descreve uma hipérbole retangular 
Significância da constante de Michaelis 
• KM – definição operacional simples 
 
quando [S] = KM, a equação v0 = Vmáx [S] / KM + [S] 
 
torna-se v0 = Vmáx / 2 
 
De modo que: 
 
 KM é a concentração de substrato na qual a velocidade da 
reação corresponde à metade da velocidade máxima 
Se a enzima tiver valor pequeno de KM, ela atingirá a máxima 
eficiência catalítica em baixas [S] 
• KM é único para cada enzima-substrato 
• A magnitude do KM varia bastante com a identidade da 
enzima e a natureza do substrato 
• É também uma função da temperatura e do pH. 
Enzima 
 
Substrato 
 
Km (mM) 
 
Catalase 
 
H2O2 
 
25 
 
Hexoquinase 
 
Glicose 
Frutose 
 
0,15 
1,5 
 
Quimotripsina 
 
N-benzoltirosinamida 
N-formiltirosinamida 
N-acetiltirosianamida 
Gliciltirosinamida 
 
2,5 
12,0 
32 
122 
 
Anidrase carbônica 
 
HCO3
- 
 
9,0 
 
Glutamato desidrogenase 
 
Glutamato 
a-cetoglutarato 
NH4
+ 
NADox 
NADred 
 
0,12 
2,0 
57 
0,025 
0,018 
 
Aspartato aminotransferase 
 
Aspartato 
a-cetoglutarato 
Oxalacetato 
Glutamato 
 
0,9 
0,1 
0,04 
4,0 
 
A ordem da reação em relação a um reagente indica a dependência 
que existe entre a concentração desse reagente e a velocidade da 
reação global. 
 
Reação de 1ª ordem: determina [S] utilizado ou [P] formado durante 
qualquer intervalo de tempo 
t1/2 = tempo de “meia vida”  tempo necessário para converter em 
P metade do S presente. 
 Reação de Ordem Zero: [S] >> Km 
Kcat / KM é uma medida da eficiência catalítica 
• Kcat (constante catalítica) de uma enzima: 
 
Kcat = Vmáx / [E]T 
 
 Número de reciclagem de uma enzima  representa 
o no. de processos reacionais que cada sítio ativo 
catalisa por unidade de tempo. 
 
• Considerando Vmáx = k2 [E]T , kcat = k2 
Análise dos dados cinéticos 
• Há vários métodos para determinar (Vmáx e KM) 
• Para valores elevados de [S], a velocidade inicial v0 
aproxima-se de Vmáx 
 
• É muito difícil determinar Vmáx com precisão a partir do 
gráfico de v0 versus [S]. 
 
• Método formulado por Hans Lineweaver e Dean Burk  
usam o inverso da equação de MM 
• A equação de Michaelis-Menten 
 
v0 = Vmáx [S] / KM + [S] 
 
 
• A equação de Lineweaver-Burk 
 
1 / v0 = (KM / Vmáx) 1 / [S] + 1 / Vmáx 
 
 
é uma equação linear na forma de 1/ v0 e 1 / [S] 
Valores pequenos de [S]  pequenos erros em v0, e grandes erros 
em 1 / v0  desvios de KM e Vmáx 
 
Inibição enzimática 
• Muitas substâncias alteram a atividade de uma enzima 
associando-se reversivelmente a ela, influenciando a 
ligação do substrato 
 
• As substâncias que reduzem a atividade de uma enzima 
são conhecidas como inibidores 
 
• Grande parte do arsenal farmacêutico moderno é 
constituído por inibidores enzimáticos 
Os inibidores atuam através de uma variedade de mecanismos 
• se assemelham estruturalmente aos substratos da enzima, 
mas não reagem 
• Outros afetam a atividade catalítica sem interferir na 
ligação do substrato 
 
• Estas substâncias são utilizadas para investigar a natureza 
química ou conformacional do sítio ativo da enzima para 
tentar elucidar seu mecanismo catalítico 
 
Inibição enzimática 
Inibição competitiva:Uma substância que compete diretamente 
com o substrato pelo sítio de ligação de uma enzima é um 
inibidor competitivo 
 
 
 
 
 
Inibidor competitivo 
A presença de I faz com que a 
[S] pareça mais diluída do que 
realmente é. 
Inibidor Incompetitivo Inibidor Não competitivo 
Inibição Mista 
Inibidores mistos: 
• Inibidor liga num sítio distinto do sítio ativo tanto na E como no complexo ES 
• Modificam ambos KM e a Vmax por fator dependente de α e α’ 
• Reduzem o número de renovação da E 
• Não pode ser deslocado pelo aumento da [S] 
Inibidores Irreversíveis: 
• Inativadores de enzimas 
• ligam-se fortemente as enzimas 
• Substâncias que modificam quimicamente resíduos de 
aminoácidos específicos podem agir como inativadores 
• A cinética de um inativador se assemelha a de um inibidor 
não competitivo 
Formas de regulação da atividade enzimática 
1. Controle da disponibilidade da enzima 
 
• Velocidade de síntese e degradação 
 
 
2. Controle da atividade da enzima 
 
• Alterações estruturais influenciam na afinidade da ligação do 
substrato 
• Ligação de pequenas moléculas – efeitos alostéricos (do Grego: 
allos, outro + stereos, espaço) 
• Fosforilação ou desfosforilação de resíduos específicos 
 
Enzimas alostéricas 
• Grupo de enzimas que não podem ser explicadas pelo modelo de 
Michaelis-Menten. 
• Exibem gráficos sigmóides da velocidade da reação V0 versus 
concentração de substrato [S] 
 
 
 
 
 
 
 
• São reguladores do metabolismo 
• Os metabólitos são chamados de efetores ou moduladores 
alostéricos: 
• positivos (leva ao aumento da velocidade de reação) 
• negativos (redução da velocidade de reação) de acordo com o seu 
efeito. 
Regulador alostérico 
Os moduladores alostéricos podem atuar tanto como inibidores, 
como ativadores da reação enzimática. 
Modulador alostérico 
Positivo 
(ativa 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 a enzima é não-covalente e o local de modulação é 
especifico para cada modulador, no caso das enzimas heterotrópicas 
Regulador ou modulador alostérico 
Um modelo muito comum de 
regulação alostérica é a 
inibição por retroalimentação, 
onde o próprio produto da 
reação atua como modulador 
da enzima que a catalisa. 
 
Um exemplo