Baixe o app para aproveitar ainda mais
Prévia do material em texto
ENZIMAS Prof. Sandro Gomes Soares conteúdo • Resumo do conteúdo da aula passada; • Importância biológica das enzimas; • Definição, função e estrutura; • Classificação; • Regulação; Recapitulando... Recapitulando... Grupos R carregados positivamente Grupos r carregados negativamente Grupos R polares, não carregados Grupos R apolares; alifáticos Grupos R aromáticos Alanina, valina, leucina e isoleucina tendem a se agrupar no interior de proteínas, estabilizando a estrutura proteica por meio de interações hidrofóbicas. Prolina reduz flexibilidade. Todos podem participar em interações hidrofóbicas. O grupo hidroxila da tirosina pode formar ligações de hidrogênio e é um importante grupo funcional em algumas enzimas São mais solúveis em água, ou mais hidrofílicos do que os aminoácidos apolares, porque eles contêm grupos funcionais que formam ligações de hidrogênio com a água. São mais hidrofílicos e seus resíduos facilitam muitas reações catalisadas por enzimas, funcionando como doadores/ aceptores de prótons. Igualmente hidrofílicos Covalente: H – H = 436 KJ H – CH2 = 473 KJ H – OH = 498 KJ H – S = 344 KJ Ponte H 23 KJ Energia de dissociação Existem quatro níveis de organização na estrutura de uma proteína. 1. A sequência de aminoácidos e conhecida como estrutura primária. 2. Os trechos da cadeia polipeptídica que formam hélices α e folhas β constituem a estrutura secundária da proteína. 3. A conformação tridimensional completa da cadeia polipeptídica algumas vezes é chamada de estrutura terciária. 4. Se uma proteína em particular é formada por um complexo de mais de uma cadeia polipeptídica, a estrutura completa e designada estrutura quaternária. 1 2 3 4 Sequência de aminoácidos Hélice α Cadeia polipeptídica Proteína completa com suas Subunidades polipeptídicas Recapitulando... • Diferentes funções: • Catalítica: acelera reações; • Transporte; • Reserva; • Contração: promove movimento de estruturas celulares; • Reguladora / Hormonal; • Estrutural; • Defesa e proteção; • Genética: atuam se envolvendo com os ácidos nucleicos para várias funções . Importância biológica das enzimas • Área médica ! Causam doenças ! Servem para diagnósticos e/ou prognósticos. ! Tratamento de enfermidades " Engenharia química " Indústria de alimentos " Tratamento de efluentes Importância biológica das enzimas TGO /TGP TGO = transaminase glutâmico-oxaloacética ou aspartato aminotransferase (AST) TGP = transaminase glutâmico-pirúvica ou alanina aminotransferase (ALT) Presente no citoplasma e mitocôndiras Predomina no citoplasma BIOCHEMISTRY MODULE Clinical Enzymology Biochemistry 296 Notes There are three types of enzymes: 1. Enzymes which are normally present inside the hepatocytes released into the blood when there is a hepatocellular damage= markers of hepatocellular damage. 2. Enzymes which are primary membrane bound (plasma membrane or side of hepatocytes) = markers of cholestasis 3. Enzymes which are synthesized in the hepatocyte = indicates disturbances in the hepatocellular synthesis. 23.3.2.1 Markers of hepatocellular damage 1. Aminotransferases/Transaminases The transaminases are enzymes involved in the transfer of an amino group from a 2-amino- to a 2-oxoacid: they need the cofactor, pyridoxal phosphate for optimal activity. They are widely distributed in the body. The 2-oxoglutarate/L-glutamate couple serves as one amino group acceptor and donor pair in all amino-transfer reactions; the specificity of the individual enzymes derives from the particular amino acid that serves as the other donor of an amino group. Thus AST catalyzes the reaction: COOƟ COOƟ COOƟ COOƟ CH2 CH2CH2 CH2 CH2 CH2 COOƟ COOƟCOOƟ COOƟ C CC CH HNH2 NH2 L-Aspartate + O O 2-Oxoglutarate AST, P-S-P + Oxaloacetate L-Glutamafe ALT catalyzes the analogous reaction: COOƟ COOƟ CH3 CH2CH2 CH3 CH2 CH2 COOƟ COOƟCOOƟ COOƟ C CC CH HNH2 NH2 L-Alanine + O O 2-Oxoglutarate ALT, P-S-P + Pyruvate L-Glutamafe The reactions are reversible, but the equilibrium of AST and ALT reactions favor formation of aspartate and alanine respectively. Oxaloacetato Piruvato Aumento de TGO: doenças hepáticas, doenças musculoeaqueléticas, etc; Aumento de TGP: obesidade, pré-eclâmpsia grave, leucemias. Usado no diagnóstico diferencial de doenças do sistema hepatobiliar e do pâncreas Importância biológica das enzimas Uso industrial: 88 z OUTUBRO DE 2012 O futuro na segunda geração de etanol Após o uso do caldo da cana na primeira geração, utilizam-se o bagaço e as folhas no processo de hidrólise. Na etapa final, ocorre a fermentação tradicional por leveduras que transformam os açúcares em etanol no Laboratório Nacional de Ciência e Tecnologia do Biotenol (CTBE), e em outras instituições e empresas no Brasil e no exterior, que sejam ca- pazes de utilizar os açúcares de cinco carbonos. Na Inglaterra e na Suécia já conseguiram de- monstrar que isso é possível, mas é tudo feito em laboratório com esterilização. Porém, para as usinas brasileiras, isso ainda não é suficiente. É preciso que as leveduras sejam robustas para sobreviver na presença de outros microrganis- mos, como bactérias, existentes num ambiente sem esterilização”, diz Buckeridge, que é tam- bém diretor científico do CTBE, localizado em Campinas, São Paulo. Mesmo nos experimentos em relação à etapa mais avançada que é a hidrólise da celulose ainda pairam muitas dúvidas. “Já existe um bom conhe- cimento do processo do pré-tratamento, mas ainda precisamos investigar as várias opções para fazer a hidrólise na forma que a indústria possa absorver rapidamente e de modo econômico e sustentável”, diz o professor Rubens Maciel Filho, da Universi- dade Estadual de Campinas (Unicamp), um dos coordenadores do Programa FAPESP de Pesquisa em Bioenergia (Bioen) do qual o INCT Bioetanol também participa. “São necessárias avaliações tec- IN FO G R Á FI CO A LE X A N D R E A FF O N SO estados brasileiros. Nas paredes celulares da cana, as hemiceluloses e pectinas, localizadas entre as microfibrilas que são aglomerados de moléculas de celulose, possuem muitos açúcares compostos por cinco carbonos e por isso não são palatáveis para as leveduras (Saccharomyces cerevisiae) usa- das na fermentação do caldo de cana. Elas estão acostumadas com a sacarose, formada por glicose e frutose, encontrada no suco de cana, ou ainda na glicose da celulose e de algumas das hemice- luloses, que têm seis carbonos. O aproveitamento futuro por meio da hi-drólise das pentoses do bagaço, que são os açúcares de cinco carbonos, pode levar a um aumento de etanol estimado em, pelo menos, mais 5 bilhões de litros na produção brasileira (ver Pesquisa FAPESP nº 192), hoje com cerca de 25 bilhões de litros. A utilização das pento- ses também poderá se dar no uso em aplicações biotecnológicas, em alimentos e medicamentos, agregando valor comercial ao bagaço. Nos pro- cessos de segunda geração, as enzimas formam um líquido que também serve de alimento para as mesmas leveduras. “Existem tentativas para produzir linhagens de Saccharomyces, inclusive 5bilhões de litros de etanol a mais são estimados com o uso dos açúcares da hemicelulose CANAVIAL MOAGEM DA CANA PRÉ-TRATAMENTO DO BAGAÇO HIDRÓLISE FERMENTAÇÃO DO CALDO CANA CELULOSE LIGNINA HEMICELULOSE ENZIMAS TIPO 1 Entrada da cana Saída do bagaço ENZIMAS TIPO 2 AÇÚCAR DE CELULOSE AÇÚCAR DA HEMICELULOSE O bagaço é composto de celulose, ligninae hemicelulose, onde existem mais açúcares para produzir etanol Enzimas específicas quebram as moléculas da celulose e da hermicelulose que possuem tipos de açúcares diferentes. A lignina é descartada porque não contém açúcares Enzimas transformam açúcares da celulose e da hemicelulose e a fermentação ocorre em tanques diferentes A ação de enzimas no bagaço resulta em um líquido que é levado para a fermentação Importância biológica das enzimas Uso industrial: Ebert & Pelletier, 2017 17 ENZIMAS 18 ENZIMAS – ESTRUTURA Se covalente Apoenzima ou Apoproteína Grupo Prostético Holoenzima Cofator Coenzima Proteína Pode ser: • íon inorgânico • molécula orgânica Cofator – moléculas de baixo (inorgânico) Coenzima – moléculas de alto peso (orgânicos) • As enzimas (E) são moléculas extraordinárias que determinam todas as transformações químicas que formam ou quebram ligações covalentes nas células. • Elas ligam um ou mais ligantes, chamados de substratos (S), e os convertem em um ou mais produtos (P) quimicamente modificados, fazendo isso muitas vezes, em uma rapidez incrível. • As enzimas aceleram reações, frequentemente por fatores de milhões de vezes ou mais, sem que elas próprias sejam modificadas - isto é, elas agem como catalisadores que permitem às células fazer e desfazer ligações covalentes de forma controlada. • É a catálise por enzimas que promovem um conjuntos organizados de reações químicas que cria e mantem uma célula, tornando a vida possível. Como as enzimas funcionam? Lisozima • Antibiótico natural na clara do ovo, na saliva, nas lágrimas e em outras secreções. • Reação é uma hidrólise. Adiciona água na cadeia polissacarídica (causa a quebra da cadeia). • Uma molécula de água somente pode romper uma ligação entre dois açúcares se a cadeia polissacarídica estiver distorcida em uma forma especifica (estado de transição). Em uma solução aquosa a temperatura ambiente, a energia resultante de colisões moleculares quase nunca excede a energia de ativação. Consequentemente, a hidrólise ocorre de maneira extremamente lenta, se ocorrer! Exemplo de enzima Modelo de preenchimento espacial da molécula de lisozima ligada a uma cadeia polissacarídica curta antes da clivagem. # Adição do sufixo ”ASE” ao nome do substrato: • gorduras (lipo - grego) – LIPASE • amido (amylon - grego) – AMILASE # Nomes arbitrários: • Tripsina e pepsina – proteases Classificação das Enzimas: considera tipo de reação e substratos Nomenclatura oficial das enzimas é dada pela Enzyme Comission da International Union for Biochemistry and Molecular Biology (IUBMB) : ATPase (Adenosinatrifosfatase): EC 3.6.1.3 - é uma hidrolase.........................3 - atua num anidrido......................3.6 - o anidrido contém fosfato..........3.6.1 - esse anidrido é ATP..................3.6.1.3 Números identificam o tipo de reação e o tipo de substrato alvo Podemos agrupar as enzimas em classes funcionais As reações catalisadas por enzimas geralmente são conectadas em série, de modo que o produto de uma reação toma-se o material de partida, ou substrato, da reação seguinte. Hexocinase adiciona um grupo fosfato a D-glicose, mas não a L-glicose. Trombina só quebra proteína (da coagulação) em regiões contento arginina e uma glicina. As enzimas trabalham em conjunto É isso que permite às células sobreviverem, crescerem e se reproduzirem. Essas vias de reações são lineares e longas e, por sua vez, estão ligadas umas as outras, formando um emaranhado de reações interconectadas. A ligação do substrato é a primeira etapa na catálise enzimática • Para uma proteína que catalisa uma reação química (uma enzima), a ligação de cada molécula de substrato a proteína e uma etapa essencial. No caso simples chamamos: • Enzima de E • Substrato de S • Produto de P O caminho básico da reação é: E + S →ES → EP → E + P E (invertase) + S (sacarose) →ES (enzima-sacarose) → EP (enzima-produto) → glicose + frutose Renovação As enzimas aceleram reações estabilizando seletivamente os estados de transição As enzimas atingem velocidades de reação extremamente altas - velocidades maiores que qualquer catalisador sintético. • Mantem todos os átomos na orientação correta para que a reação se processe. • • Um pouco da energia de ligação contribui diretamente para a catálise. • As moléculas de substrato passam por uma série de estados intermediários de geometria e de distribuição de elétrons alterados antes de formarem os produtos finais da reação. T=Estado de transição com maior energia. Um Catalisador diminui a barreira energética criando percursos alternativos da reação para formação do estado de transição. Barreira energética Estratégias para reduzir a energia de ativação Formação do complexo enzima-substrato depende da estrutura tridimensional: lembrar das interações fracas!!!!! Complexos multienzimáticos ajudam a aumentar a taxa de metabolismo celular A eficiência das enzimas na aceleração de reações químicas é crucial para a manutenção da vida. As células precisam combater o inevitável processo de deterioração, o qual, se deixado sem cuidados, leva as macromoléculas a uma grande desordem. Reações favoráveis Reações desfavoráveis (colaterais) Morte Taxa de utilização de ATP (adenosina trifosfato) Uma célula renova todo seu ATP - 1x a cada 1 ou 2 minutos. 10 milhões de ATPs por segundo (1g de ATP por minuto). A célula pode aumentar as taxas de reações sem acréscimo da concentração de substratos pela aproximação das varias enzimas envolvidas em uma sequência de reações, formando um grande conjunto de enzimas conhecido como complexo multienzimático. Isso permite que o produto da enzima A passe diretamente para a enzima B e assim por diante. Esse complexo enzimático catalisa a conversão da glicose a acetil- CoA, como parte da via que oxida açúcares a CO2 e a H2O. Produção de ATP Compartimentalização usando membranas (organelas) aumenta a taxa de reações A atividade enzimática pode ser regulada por diferentes mecanismos. Entre estes mecanismos, destacam-se: Como são controladas as enzimas in vivo, além de alterações na disponibilidade de S e da própria E ? Inibição competitiva • Quando o inibidor compete com o substrato para se localizar no centro ativo, e o grau de inibição é influenciado pela concentração de substrato. Quanto maior a concentração de substrato menor a possibilidade do inibidor chocar-se com os centros ativos. • Reação normal. Inibição não competitiva ou mista • Não é afetado pela concentração de substrato, depende exclusivamente da concentração de inibidor. Este altera a forma tridimensional da molécula enzimática e impede sua atividade. • Reação normal. Enzimas alostéricas possuem dois ou mais sítios de ligação interativos • Sítio ativo - que reconhece os substratos. • Sítio regulador - que reconhece uma molécula reguladora. • Dois ligantes cujos sítios de ligação estão acoplados devem afetar reciprocamente a ligação um do outro Ligação acoplada. Regulação positiva. • Inversamente, a ligação recíproca pode operar de forma negativa quando dois ligantes preferem ligar-se a conformações diferentes de uma mesma proteína. • Nesse caso, a ligação do primeiro ligante desencoraja a ligação do segundo ligante. A célula regula a atividade catalítica de suas enzimas Por suas funções catalíticas,as enzimas geram uma complexa rede de vias metabólicas, cada qual composta de uma sequência de reações químicas na qual o produto de uma enzima torna-se o substrato da próxima. retroalimentação negativa Múltiplas inibições por retroalimentação negativa Muitas alterações nas proteínas são induzidas por fosforilação " As proteínas são reguladas de outras formas além da ligação reversível de outras moléculas. " Adição de grupos fosfatos (regulação). " Alterações na cadeia lateral dos aminoácidos. " 1/3 das 10.000 proteínas ou mais pode ser fosforilado em um dado momento.
Compartilhar