Aula_3_-_Enzimas_-_ESA_UFMT_-_Bioquimica_Ambiental

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18/05/2014
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Cuiabá-MT,
Maio / 2014.
UNIVERSIDADE FEDERAL DE MATO GROSSO
FAET - ENGENHARIA SANITÁRIA E 
AMBIENTAL
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Bioquímica Ambiental
Enzimas
Profª Amanda Finger
ENZIMAS
Tópicos da Aula:
 Enzimas
 Conceitos Gerais
 Nomenclatura
 Fonte
 Utilização na Indústria
 Coenzimas e Co-fatores
 Classificação e Estrutura
 Mecanismos Catalíticos
 Inibição Enzimática
2
ENZIMAS
Conceito:
As enzimas são proteínas com a função específica de
acelerar reações químicas que ocorrem sob condições
termodinâmicas não-favoráveis;
Elas aceleram consideravelmente a velocidade das
reações químicas em sistemas biológicos quando
comparadas com as reações correspondentes não-
catalisadas.
3
ENZIMAS
Conceitos gerais:
Enzimas são proteínas com atividades catalíticas;
Praticamente todas as reações que caracterizam o
metabolismo celular são catalisadas por enzimas;
Aceleram a velocidade de uma reação, sem participar
dela como reagente ou produto;
São consideradas unidades funcionais do metabolismo
celular;
São substâncias orgânicas específicas compostas por
polímeros de aminoácidos, que atuam como
catalisadores no metabolismo dos seres vivos.
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ENZIMAS
Conceitos gerais:
As enzimas efetuam processos metabólicos na célula
viva;
Ocorrem em todos os organismos vivos sejam plantas
ou animais, desde os mais simples, como formas
unicelulares de vida, aos mais desenvolvidos;
Embora a maioria das enzimas sejam intracelular,
algumas são extracelular e são excretadas para fora da
célula viva, como por exemplo, as amilases fúngicas.
Nomenclatura das Enzimas:
 Utiliza-se o sufixo “ase” para caracterizar a enzima.
Ex: amilase, uréase, hexoquinase. 5
ENZIMAS
As enzimas são obtidas de três grandes fontes:
Vegetais superiores (papaína do mamão, bromelina do
abacaxi, ficina do figo);
Animais superiores (enzimas pancreáticas, pepsina,
catalase, renina)
Microrganismos (como por exemplo, as amilases,
proteases, pectinases, invertases, glicose-oxidases,
celulases, fitases, glicose-isomerases), de fungos ou
bactérias.
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ENZIMAS
Utilização na Indústria
Grande parte das enzimas utilizadas nas indústrias são
enzimas extracelulares de origem microbiana;
As principais aplicações das enzimas extracelulares são
as que degradam o amido e fazem a conversão do amido
em monossacarídeos como a glicose, em dissacarídeos
como a maltose e em oligossacarídeos como as
dextrinas;
As enzimas que degradam o amido também são
empregadas na obtenção de açúcares fermentescíveis
utilizados nas indústrias cervejeiras, na produção de
bebidas alcoólicas e na modificação de farinhas
empregadas em panificação. 7
ENZIMAS
Para ser classificada como enzima deve
Apresentar extraordinárias eficiência catalítica;
Demonstrar alto grau de especificidade em relação a
seus substratos (reagente) e aos seus produtos;
Acelerar a velocidade das reações em 106 a 1012 vezes
mais do que as reações correspondentes não-
catalisadas;
Não ser consumida ou alterada ao participar de catálise;
Não alterar o equilíbrio das reações;
Ter sua atividade regulada geneticamente ou pelas
condições metabólicas.
. 8
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ENZIMAS
A reação catalisada por enzima pode ser
esquematizada como:
Enzima (E)
Substrato (S) Produto (P)
A molécula sobre a qual a enzima atua é o substrato (S)
que se transforma em produto (P) da reação;
Na ausência de enzima pouco produto (ou nenhum) é
formado, mas em presença da mesma, a reação se
processa em alta velocidade;
Como a maioria das reações é reversível, os produtos
da reação numa direção tornam-se substrato para a
reação inversa.
9
ENZIMAS
As enzimas são os catalisadores mais específicos que
se conhece, tanto para o substrato, como para o tipo de
reação efetuada sobre substrato;
A especificidade inerente da enzima, reside em uma
cavidade ou fenda da ligação do substrato, que está
situada na superfície da proteína enzimática;
A cavidade, denominada sítio ativo, é um
arranjo de grupos presentes em cadeias laterais
de certos aminoácidos que ligam o substrato por
ligações não-covalente.
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COENZIMAS E CO-FATORES
Muitas vezes, os resíduos de aminoácidos que formam
o sítio ativo ficam em regiões distantes, na sequencia
primária, mas próximos no sítio ativo, pelo enovelamento
de cadeia polipeptídica (estrutura terciária);
Algumas enzimas têm outra região na molécula, o
sítio alostérico, afastada do sítio ativo. No sítio
alostérico moléculas pequenas e específicas se
ligam e causam alterações na conformidade proteica
que afetam o sítio ativo, aumentando ou reduzindo a
atividade enzimática;
A maioria das enzimas necessitam de moléculas
orgânicas ou inorgânicas pequenas, essenciais a sua
atividade e denominadas coenzimas e co-fatores 11
COENZIMAS E CO-FATORES
.
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CLASSIFICAÇÃO
As enzimas podem ser classificadas de acordo com
vários critérios. O mais importante foi estabelecido pela
União Internacional de Bioquímica (IUB), e estabelece
seis classes:
1. As oxidorredutases são enzimas que catalisam
reações de transferência de elétrons, ou seja, reações de
oxiredução (desidrogenases e oxidases). Se uma
molécula se reduz, tem que haver outra que se oxide;
2. As transferases são enzimas que catalisam reações
de transferência de grupamentos funcionais, como grupos
amina, fosfato, acil, carboxil, entre outros (quinases e
transaminases). 13
CLASSIFICAÇÃO
3. As hidrolases catalisam reações de hidrólise de
ligação covalente (peptidases);
4. As liases catalisam a quebra de ligações covalentes e
a remoção de moléculas de água, amônia e gás
carbônico (dehidratases e des-carboxilases);
5. As isomerases catalisam reações de interconversão
entre isômeros ópticos ou geométricos (epimerases);
6. As ligases catalisam reações de formação e novas
moléculas a partir da ligação entre duas já existentes,
sempre à custa de energia (ATP) (sintetases). 14
ESTRUTURA
As enzimas, sendo proteínas globulares de diversos
tamanhos, têm sua estrutura definida pelas estruturas
primária, secundária, terciária e quaternária;
A estrutura primária refere-se ao tipo de sequência
dos aminoácidos na molécula proteica;
A estrutura secundária representa a estrutura
espacial, tridimensional, que a molécula assume. É
formada pela associação dos membros próximos da
cadeia polipeptídica e é mantida, principalmente, através
de pontes de hidrogênio. É também chamada de
estrutura helicoidal. 15
ESTRUTURA
A estrutura terciária é a forma segundo a qual a
estrutura secundária se arranja, se dobra e se enovela,
formando estruturas globulares rígidas. Essa estrutura é
estabilizada por ligações de diversos tipos, como pontes
de hidrogênio, hidrofóbicas, iônicas, eletrostáticas e
covalentes. Estas últimas (covalentes) são representadas
pelas pontes de dissulfito ente os resíduos de cisteína;
A estrutura quaternária é a forma como as diversas
estruturas terciárias ou subunidades se associam.
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MECANISMOS CATALÍTICOS
As reações químicas na transformação dos substratos
variam com os mecanismos de ação das enzimas;
Os principais tipos de mecanismos catalíticos que as
enzimas utilizam são:
1.Efeitos de proximidade e orientação
2.Catálise eletrostática
3.Catálise ácido-básica
4.Catálise covalente
.
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MECANISMOS CATALÍTICOS
1.Efeitos de proximidade e orientação
Os substratos se aproximam dos grupos funcionais
catalíticos da enzima em uma orientação espacial
apropriada para que a reação possa ocorrer;
Após o correto posicionamento do substrato, uma
modificação na conformidade da enzima resulta em um
complexo enzima-substrato orientado;
Essa orientação leva o complexo enzima-substrato ao
estado de transição.
.
18
MECANISMOS CATALÍTICOS
2. Catálise eletrostática
A forçadas interações eletrostáticas está relacionada
com a capacidade das moléculas solventes vizinhas em
reduzir os efeitos de atração entre os grupos químicos;
Como a água é excluída do sítio ativo quando o
substrato se liga, a constante dielétrica local é muitas
vezes baixa;
A distribuição de cargas nos sítios ativos das enzimas
pode influenciar a reatividade química do substrato;
Uma ligação mais eficiente dos substrato reduz a
energia livre do estado de transição, que acelera a
reação.
19
MECANISMOS CATALÍTICOS
3.Catálise ácido-básica
Os grupos químicos podem se tornar mais reativos pela
adição ou remoção de prótons;
Os sítios ativos das enzimas contêm cadeia laterais que
podem atuar como doadores ou receptores de prótons;
Esses grupos são denominados ácidos gerais ou bases
gerais.
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MECANISMOS CATALÍTICOS
4.Catálise covalente
Acelera a velocidade da reação pela formação de uma
ligação covalente transitória entre a enzima e o substrato;
Um grupo nucleofílico da cadeia lateral do catalisador
forma uma ligação covalente instável com um grupo
eletrofílico do substrato;
O complexo enzima-substrato então forma o produto.
.
21
PROPIEDADES DAS ENZIMAS
Uma enzima é uma proteína que catalisa ou acelera
uma reação biológica;
Pode ser definida como um biocatalisador, cuja
natureza proteica determina a presença de certas
propriedades:
Especificidade de substrato
Dependência da temperatura
Dependência do pH.
.
22
ESPECIFICIDADE
As enzimas são específicas, isto é, hidrolisam e
sintetizam um composto em particular. Em alguns casos,
sua ação está limitada a ligações específicas dentro dos
compostos com os quais exercem reação;
Esta especificidade é devido ao sítio ativo, parte da
enzima que a difere da proteína, que é capaz de se ligar
a moléculas denominadas substrato formando o
complexo enzima-substrato, como o explicado pela teoria
da chave-fechadura, demonstrada por Emil Fischer,
onde a chave, neste caso o substrato, deve-se ajustar à
fechadura, no caso a enzima, de modo que cada enzima
aja sobre um número muito limitado de compostos.
23
ESPECIFICIDADE
.
24
Segundo a cinética da reação, modelos proposto pelas
pesquisadores Michaelis e Menten, a enzima E reage
com o substrato S formando um composto intermediário
conhecido como complexo ativado instável enzima-
substrato ES, o qual se decompõe em enzima E e o
produto de reação P.
E + S ↔ ES → E + P
.
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ESPECIFICIDADE
A quantidade de enzima exigida no processo é pequena
e não influi na variação energética da reação;
A velocidade da reação aumenta com o aumento da
concentração de enzima para uma mesma concentração
de substrato;
Se a concentração do substrato é baixa, temos uma
subutilização do sítio ativo da enzima e pouco produto é
formado;
Com o aumento da concentração do substrato, a reação
tende a atingir sua velocidade máxima, isto é, produzir a
máxima quantidade de produto para uma quantidade de
enzima pré-determinada (uma reação saturada);
A partir deste momento, a quantidade de substrato
adicionado não altera mais a velocidade da reação.
25
ATIVIDADE ENZIMÁTICA
Vários fatores influenciam a atividade enzimática,
dentre os quais:
Temperatura
pH
Concentração da enzima
Concentração do substrato
.
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TEMPERATURA
As reações químicas são afetadas pela temperatura e
quanto maior a temperatura, maior a velocidade da
reação (mais moléculas adquirem energia suficiente para
atingir o estado de transição);
Em reações catalisadas por enzimas, a velocidade é
acelerada pelo aumento da temperatura até atingir uma
temperatura ótima na qual a enzima opera com máxima
eficiência;
Como as enzimas são proteínas, os valores de
temperatura ótima situam-se entre 40 e 45ºC e dependem
do pH e da força iônica.
.
27
TEMPERATURA
Acima dessa temperatura, a atividade das enzimas
declina abruptamente por desnaturação proteica;
Sob condições de hipotermia, a atividade enzimática é
deprimida;
Efeito da Temperatura sobre a velocidade de uma
reação catalisada por enzima.
.
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PH
A ação catalítica de uma reação enzimática é alcançada
dentro de limites muito estreitos de pH;
Cada reação tem um pH ótimo (para a maioria entre 4,5
e 8,0) no qual a enzima apresenta sua atividade máxima;
O valor do pH ótimo varia de acordo com as várias
enzimas e os diferentes substratos sobre os quais atuam;
Apesar de algumas enzimas tolerar grandes
mudanças de pH, a maioria delas são ativas somente
em intervalos muito estreitos;
Por essa razão, os organismos vivos empregam
tampões que regulam o pH.
29
PH
Valores baixos ou altos de pH podem causar
desnaturação proteica considerável e consequente
inativação enzimática;
Por isso, é muito útil saber em que faixa de pH a
enzima é mais estável, já que o pH de máxima
estabilidade nem sempre coincide com o de máxima
atividade;
As enzimas podem ser inativadas, isto é,
desnaturadas por diversos fatores, como calor, ponto
isoelétrico, sequestro de sais de cálcio e agitação
mecânica.
30
ENZIMAS - PH
A atividade enzimática versus pH (considerando-se os
outros fatores constantes)
.
31
CONCENTRAÇÃO DA ENZIMA
A velocidade máxima da reação é uma função da
quantidade de enzima disponível, aquela aumenta
proporcionalmente pela introdução de mais enzima ao
sistema;
Assim, a velocidade inicial da reação enzimática é
diretamente proporcional à concentração de enzima
(existindo substrato em excesso)
.
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CONCENTRAÇÃO DO SUSTRATO
Para atender as necessidades do organismo, as
reações bioquímicas devem ocorrer em velocidade
compatível;
A velocidade de uma reação bioquímica é expressa
em termos de formação de produto ou pelo consumo
do reagente por unidade de tempo.
. 33
CONCENTRAÇÃO DO SUSTRATO
A velocidade é constante, porque não depende da
concentração dos reagentes, mas de outros fatores;
A quantidade de reagente é o suficientemente grande
para saturar todos os sítios catalíticos das moléculas
enzimáticas.
.
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INIBIÇÃO ENZIMÁTICA
Inibidores são substâncias que reduzem a atividade das
enzimas e incluem fármacos, antibióticos, preservativos
de alimentos e venenos. São importantes por várias
razões:
1 Os inibidores enzimáticos atuam como reguladores das
vias metabólicas;
2 Muitas terapias por fármacos são baseadas na inibição
enzimática (muitos antibióticos e fármacos reduzem ou
eliminam a atividades de certas enzimas). O tratamento
da AIDS inclui inibidores das proteases, moléculas que
inativam a enzima necessária para produzir novos vírus;
3 Desenvolvimento de técnicas para demonstrar a
estrutura física e química, e as propriedades funcionais
das enzimas. 35
INIBIÇÃO ENZIMÁTICA
Distinguem-se dois tipos de inibição: reversível e
irreversível, segundo a estabilidade da ligação entre o
inibidor e a molécula de enzima:
Na inibição reversível ocorre interações não-
covalentes entre o inibidor e a enzima, enquanto na
inibição irreversível envolve modificações químicas da
molécula enzimática, levando a uma inativação definitiva;
Na inibição reversível a enzima retoma sua atividade
após dissociação do inibidor. Três classes de inibidores
reversíveis são descritos:
1.Competitivo
2.Não-competitivo
3.Incompetitivo
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INIBIÇÃO ENZIMÁTICA
1. Inibição competitiva
São substâncias que competem diretamente com o
substrato normal pelo sítio ativo das enzimas;
São moléculas estruturalmente semelhantes ao
substrato;
O inibidor reage reversivelmente com a enzima para
formar um complexo enzima-inibidor (EI) análogo ao
complexo enzima-substrato, mas cataliticamente inativo;
A atividade da enzima declina por não ocorrer a
formação do complexo enzima-substrato (ES) durante a
existência do complexo EI.
37
INIBIÇÃOENZIMÁTICA
A ação do inibidor pode ser revertida aumentando-se a
quantidade de substrato;
Em alta [S], todos os sítios ativos estão preenchidos
com o substrato e a velocidade da reação atinge o
mesmo valor que o observado sem o inibidor
.
38
INIBIÇÃO ENZIMÁTICA
2. Inibição não-competitiva
O inibidor não-competitivo se liga tanto à enzima como
ao complexo ES em um sítio diferente do sítio de ligação
do substrato;
A ligação do inibidor não bloqueia a ligação do
substrato, mas provoca uma modificação da conformação
da enzima que evita a formação de produto.
E + I  EI + S  EIS → NÃO HÁ REAÇÃO
E + S  ES + I  EIS → NÃO HÁ REAÇÃO
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INIBIÇÃO ENZIMÁTICA
2. Inibição não-competitiva
A inibição não reverte pelo aumento na concentração do
substrato [S];
O inibidor não-competitivo não apresenta semelhança
estrutural com o substrato;
Os metais pesados Hg2+ e Pb2+ são exemplo de
inibidores não-competitivos.
.
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INIBIÇÃO ENZIMÁTICA
3. Inibição incompetitiva
O inibidor incompetitivo liga-se apenas ao complexo ES
da enzima originando um complexo inativo ESI;
O inibidor não se combina com a enzima livre.
E + S  ES + I  EIS → NÃO HÁ REAÇÃO
.
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INIBIÇÃO ENZIMÁTICA
Inibição irreversível
Envolve a modificação covalente e permanente do
grupo funcional necessário para a catálise, tornando
a enzima inativa;
É classificado como um inativador;
Alguns pesticidas inibem o sítio ativo da acetilcolina-
esterase, o que impede a hidrólise da acetilcolina na
sinapse, resultando, no homem, paralisia dos músculos
respiratórios e edema pulmonar.
.
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INIBIÇÃO ENZIMÁTICA
Fármacos que atuam como inibidores enzimáticos
Muitos fármacos modernos atuam como inibidores da
atividade enzimática. Esse mecanismo é encontrado com
antivirais, antitumorais e antibacterianos;
Os compostos com diferentes estruturas em relação ao
substrato natural que atuam como inibidores são
conhecidos como antimetabólitos:
Exemplos:
sulfas = antibacteriano
metotrexato = tratamento da leucemia infantil
omeprazol = usado no tratamento de excessiva acidez
estomacal
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