Catálise covalente

Prévia do material em texto

FACULDADE DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
ENG. QUÍMICA E BIOLÓGICA 3º ANO
DISCIPLINA DE ENGENHARIA QUÍMICA E BIOLÓGICA
Mecanismos de Catálise Enzimática
Discentes:
Alex Gonçalves
Benisia Sousa;
Eunice Semedo
Soélia Rocha
Eder Almeida
Docente:
António Gomes
Mecanismos de catálise Enzimática
A catálise é um processo que aumenta a velocidade com a qual uma reação chega ao equilíbrio. A velocidade de uma reação é uma função da sua energia livre de ativação, um catalisador age diminuindo a altura dessa barreira cinética, ou seja, ele estabiliza o estado de transição em relação a reação não catalisada (Correia & Nobre, 2012).
O que faz com que as enzimas sejam catalisadores poderosos, são duas propriedades relacionados entre si: a especificidade pela ligação ao substrato, combinada com uma organização otimizada dos grupos catalíticos (Correia & Nobre, 2012).
Deste modo é bastante importante saber quais são as etapas elementares que descrevem pormenorizadamente a reação global, isto é, mecanismos envolvidos na catálise enzimática. Conhecer estes mecanismos faz com que se conheça: 
Vantagens catalíticas provenientes do envolvimento da enzima;
Como são quebradas e formadas as ligações biológicas;
 Como os estados de transição são seletivamente estabilizados;
Os tipos de intermédios formados;
 Natureza do estado de transição que envolve a enzima;
 Tipos de ligações formadas entre a enzima e o substrato; 
Mecanismos Gerais de Catalise:
Catálise por proximidade e orientação;
Catálise com formação de complexos intermediários covalentes;
Catalise Geral ácido-base;
Mecanismo de catálise por proximidade e orientação 
Numa reação enzimática com dois substratos, ao retirá-los de uma solução diluída e mante-los na vizinhança um do outro, no centro ativo de uma enzima, provocará o aumento da concentração efetiva relativamente à situação em que estão livres em solução. Deste modo a velocidade aumenta. Este facto pode ser observado comparando velocidades de reações intermoleculares e intramoleculares em compostos modelo (joaquem, Barros, & Gama, 2003).
Dois substratos ao se ligarem em sítios específicos do centro ativo de uma enzima, com uma orientação adequada para a reação, há um aumento da concentração efetiva por proximidade correspondente à contribuição entrópica para a catálise enzimática. Uma das vantagens catalíticas é as grandes dimensões das moléculas das enzimas, pois podem ser utilizadas para se obter um posicionamento das cadeias laterais dos resíduos em torno dos substratos no centro ativo, de modo a bloquear os seus movimentos de translação e rotação. A etapa química seguinte a partir de um substrato imobilizado no complexo enzima-substrato envolverá uma perda de energia mínima, uma vez que a maior parte já tinha sido perdida (compensada por parte da energia de ligação do substrato ao enzima) na formação do complexo enzima-substrato (joaquem, Barros, & Gama, 2003).
Considerações:
As moléculas devem se aproximar, estar na orientação correta, e alcançar o patamar mínimo de energia para iniciar a reação.
Figura 1. Esquema de catálise por proximidade e orientação.
Proximidade- as enzimas se ligam aos substratos de forma em que os seus grupos reativos se aproximam para que as reações catalíticas possam ocorrer. Este processo elimina a natureza aleatória das colisões em soluções livres (Correia & Nobre, 2012).
Orientação- mesmo que a colisão das duas moléculas ocorra de forma aleatória seus grupos podem não estar necessariamente na orientação correta para que a reação ocorra (joaquem, Barros, & Gama, 2003).
Mecanismo de Catálise ácido-base
A catálise geral ácida ou básica é um processo pelo qual há transferência geral de um protão transferido de um grupo ácido (ácido de Bronsted) para o substrato, diminuindo a energia livre de estado de transição da reação. Ex: Uma tautomerização ceto-enólica não catalisada ocorre muito lentamente devido a alta energia do estado de transição do tipo carbónico. A doação de um protão de oxigénio reduz o caracter carbónico catalisando a reação. (joaquem, Barros, & Gama, 2003)
A catálise básica geral é um processo no qual um grupo básico (base de Bronsted) aceita um protão do substrato, aumentando a velocidade da reação. Algumas reações são simultaneamente sujeitas a dois processos: reações catalisadas por uma catálise ácido-base geral combinada (joaquem, Barros, & Gama, 2003). 
Um exemplo de catálise ácido-base é a mutarrotação da glicose. A velocidade da reação aumenta com a concentração de ácidos ou bases gerais, acredita-se que eles catalisam a reação. A mutarrotação pode ser catalisada pela adição de fenol, um ácido fraco, juntamente com a piridina, uma base fraca, em benzeno (joaquem, Barros, & Gama, 2003).
Muitas reações de importância bioquímica são suscetíveis a catálise ácida e básica, hidrólise de peptídeos e de ésteres, reações do grupo fosfato, tautomerizaçoes e adição de grupos carbonilo. As cadeias laterias dos resíduos dos aminoácidos Asp, Glu, His, Cys, Tyr e Lys têm o pks na faixa do ph fisiológico, o que lhes confere capacidade enzimática.
A transferência parcial de protões entre o substrato e enzima é a etapa determinante da velocidade da reação e ainda reduz a ΔG. É importante destacar que a velocidade da reação depende de todas as espécies ácidos\bases presentes em solução. Para:
Catálise ácido geral, um grupo ácido doa um protão para o substrato
Catálise base geral, um grupo básico aceita um protão do substrato
 Aminoácidos ionizados que participam nessas reações: 
Lisina (Lys); 
Histidina (His); 
Arginina (Arg); 
Aspartato (Asp) 
Glutamato (Glu) 
Cisteína (Cys); 
Serina (Ser);
Treonina (Thr)
 Tirosina (Tyr).
Exemplo de catálise geral ácido/base:
S + HA Lenta SH+ + Aˉ
SH+ rápida produto
OBS: a catalise acido/base geral normalmente ocorre somente perto do ph neutro.
Catálise covalente
 Catálise covalente pode ser descrita como uma modificação química transiente na enzima que ativa o substrato ou transfere um grupo reativo do substrato para outro recetor. Para a catálise covalente ser efetiva, as seguintes condições devem ser atingidas: o catalisador deve ter uma maior reatividade frente ao substrato que o recetor final; o intermediário formado entre o catalisador e o substrato deve ser mais reativo que o substrato; o intermediário deve ser Termo dinamicamente instável (maior energia livre) em relação ao produto final, de maneira que o intermediário não acumule (GESSER, 1998).
De acordo com o Houk, a catálise covalente é um mecanismo fundamental para todas enzimas de alta capacidade catalítica [com (kcat /KM)/knon > 1011]. Contudo, este argumento pode ser refutado já que algumas das enzimas de maior capacidade catalítica não apresentam intermediários covalentes (GESSER, 1998).
A formação de intermediários resulta na divisão do processo total em diversas etapas ou reações, portanto, o mecanismo de reação na enzima pode ser diferente do mecanismo de reação observado em solução. A análise do mecanismo catalítico deve ser feita entre cada etapa e a respetiva reação de referência não catalisada em solução (GESSER, 1998).
Na formação dos intermediários ocorre:
Formação transitória de uma ligação covalente entre catalisador-substrato 
Envolve um grupo nucleófilo ativado => formado por catálise ácido-base 
A reação se processa em 3 etapas:
 1) Reação nucleofílica catalisador-substrato;
 2) Retirada de eletrões pelo catalisador eletrostático;
 3) Eliminação do catalisador => reverso do estágio.
No processo de descarboxilação não catalisado, o estado de transição enolato é muito instável.
Enquanto no processo catalítico, o caráter enolato de alta energia do estado de transição é estabilizado à medida que o átomo de nitrogênio protonado do intermediário covalente atua como um dissipador de eletrões. As etapas da formação da base de Schiff bem como a sua decomposição são muito rápidas, de modo que essas etapas não são determinantes da velocidade nesta sequênciade reação.
Figura Mecanismo enzimático catalisado por grupo nucleófilo da enzima:
Figura 2.Mecanismo enzimático catalisado por grupo nucleófilo da enzimática.
Na primeira etapa cadeia lateral podem atacar porções dos substratos deficientes em eletrões de modo a formar legacões covalentes entre a enzima e o substrato (complexo de intermediário) (joaquem, Barros, & Gama, 2003).
Na segunda etapa o composto intermediário é atacado por um agente de baixo peso molecular (o outro substrato), conduzindo à outro da reação. No caso em que esse agente nucleófilo é a água, reação é de hidrólise e a enzima é uma hidrólase. Quando se examina a capacidade das cadeias laterais dos resíduos é uma proteína de se comportarem como eletrófilos, isto é de serem atacadas por nucleófilos, vê-se que elas não existe (com excepção do protão e dos iões metálicos que funciona como cofator nos metaloenzimas). Os casos de catalise covalente eletrófilos observados dizem respeito a enzimas que utilizam co- enzima, em particular o fosfato de piridoxal e a tiamina pirofosfato. Nesses casos forma-se um composto de adição covalente entre coenzima e o substrato (joaquem, Barros, & Gama, 2003).