Aula 02 Teoria das Reações Enzimáticas

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1	
  
TEORIA DAS REAÇÕES ENZIMÁTICAS 
Bases para a atividade catalítica 
 
Prof. Dr. Hermógenes David 
Departamento de Bioquímica e Biologia Molecular 
Bacharelado em Biotecnologia 
Disciplina: Enzimologia 
• 	
  Contribuições	
  da	
  genômica	
  para	
  a	
  iden5ficação	
  de	
  enzimas	
  
	
  
–  	
   2004	
   –	
   informações	
   para	
   mais	
   de	
   83.000	
   enzimas	
   diferentes	
   em	
   9.800	
  
organismos.	
  
– 	
  2008	
  –	
  O	
  número	
  de	
  entradas	
  dobrou.	
  
	
  
• 	
  Diversidade	
  enzimá5ca	
  -­‐	
  6	
  Apos	
  de	
  reações	
  químicas	
  
	
  
• 	
   Isoenzimas	
  –	
  diferentes	
   formas	
  estruturais	
   catalisando	
  as	
  mesmas	
   reações	
   >>	
  
duplicação	
  gênica.	
  
– 	
  Propriedades	
  cinéAcas	
  diferentes	
  
– 	
  SuscepAbilidade	
  diferencial	
  a	
  reguladores	
  
– 	
  Adaptação	
  fisiológica	
  diferencial	
  entre	
  tecidos	
  
– 	
  Cópias	
  de	
  segurança	
  
• 	
  A5vidade	
  Enzimá5ca	
  
– 	
   Unidades	
   internacionais	
   (UI	
   ou	
   IU)	
   –	
   1	
   UI	
   é	
   a	
   quanAdade	
   de	
   enzima	
   que	
  
catalisa	
  a	
   formação	
  de	
  1	
  micromol	
  de	
  produto/min	
  em	
  condições	
  óAmas	
  de	
  
pH,	
  temperatura	
  e	
  força	
  iônica.	
  
– 	
  Katal	
  –	
  1	
  katal	
  é	
  a	
  quanAdade	
  de	
  enzima	
  que	
  catalisa	
  a	
  conversão	
  de	
  1	
  mol	
  
de	
  substrato	
  em	
  produto/s.	
  
– 	
  AAvidade	
  específica	
  –	
  U/mg	
  de	
  proteína	
  
– 	
  Outras	
  formas	
  
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2	
  
•  Poder	
  catalí5co	
  
•  aumento	
  das	
  taxas	
  de	
  reação	
  de	
  106	
  a	
  1012	
  vezes.	
  
	
  
•  Especificidade	
  
•  absoluta:	
  urease	
  
•  dupla:	
  sacarase	
  atua	
  sobre	
  a	
  sacarose	
  e	
  rafinose	
  
•  de	
  grupo:	
  álcool	
  desidrogenase	
  atual	
  sobre	
  o	
  etanol	
  e	
  outros	
  álcoois.	
  
•  especificidade	
  geométrica	
  (cis/trans):	
  fumarase	
  (cis-­‐fumarato	
  e	
  trans	
  -­‐
malato)	
  
•  especificidade	
  ópAca:	
  racemase	
  
•  especificidade	
  de	
  ligação:	
  pepAdases	
  
	
  
•  Poder	
  regulatório	
  –	
  modificações	
  covalentes,	
  modificações	
  pós-­‐traducionais,	
  
clivagem	
  proteolíAca	
  e	
  controle	
  genéAco.	
  
•  Condições	
  brandas	
  de	
  reação	
  (exceção	
  -­‐	
  enzimas	
  de	
  extremófilas)	
  
	
  
•  Desnaturação	
  
Transferases	
  -­‐	
  Reações	
  com	
  02	
  substratos	
  e	
  02	
  produtos	
  
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3	
  
Reações	
  de	
  hidrólise	
  são	
  essencialmente	
  irreversíveis	
  
Substratos	
  Jpicos	
  –	
  ésteres	
  ou	
  amidas	
  
Transferases	
  
Liases	
  (EC	
  4):	
  requerem	
  01	
  substrato	
  na	
  reação	
  direta	
  e	
  dois	
  no	
  senAdo	
  inverso.	
  	
  
Quando	
  a	
  reação	
  inversa	
  é	
  mais	
  importante	
  o	
  nome	
  SINTASE	
  pode	
  ser	
  usado.	
  
Isomerases	
  (EC	
  5)	
  
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4	
  
Ligase	
  (EC	
  6)	
  -­‐	
  SIntetases	
  
• 	
  Os	
  valores	
  de	
  ΔG	
  guiam	
  a	
  espontaneidade	
  das	
  reações,	
  ao	
  passo	
  que	
  a	
  energia	
  
livre	
  de	
  aAvação	
  ΔG++	
  determina	
  a	
  sua	
  velocidade;	
  
	
  
ü  Uma	
  enzima	
  não	
  pode	
  alterar	
  o	
  equilíbrio	
  de	
  uma	
  reação	
  química;	
  
ü  As	
  enzimas	
  não	
  são	
  capazes	
  de	
  reverter	
  reações	
  irreversíveis.	
  
CONSIDERAÇÕES	
  TERMODINÂMICAS	
  
	
  
	
  
§  INTERAÇÃO	
  COM	
  O	
  SUBSTRATO	
  
§  Cristalografia	
   com	
   difração	
   de	
   Raios	
   X	
   tem	
   demonstrado	
   imagens	
   de	
   alta	
   resolução	
   de	
  
substratos	
  e	
  análogos	
  ligados	
  aos	
  síAos	
  aAvos	
  das	
  enzimas;	
  
§  Também	
  evidenciada	
  com	
  o	
  uso	
  de	
  métodos	
  espectroscópicos;	
  
§  A	
  presença	
  de	
  substratos	
  torna	
  as	
  enzimas	
  mais	
  
resistentes	
  à	
  desnaturação	
  térmica.	
  
§  Emil	
  Fischer	
  –	
  formação	
  do	
  complexo	
  ES.	
  
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5	
  
CONSIDERAÇÕES	
  TERMODINÂMICAS	
  
	
  
CONSIDERAÇÕES	
  TERMODINÂMICAS	
  
	
  
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7	
  
Encaixe	
  Induzido	
  na	
  Hexoquinase	
  
Chave	
  e	
  Fechadura	
  na	
  enzima	
  Diidrofolato	
  redutase	
  
	
  
•  Linus	
  Pauling	
  foi	
  o	
  primeiro	
  a	
  sugerir	
  o	
  papel	
  da	
  estabilização	
  do	
  estado	
  de	
  transição	
  
como	
  um	
  mecanismo	
  geral	
  para	
  acelerar	
  as	
  reações.	
  
•  Desenho	
  de	
  inibidores	
  enzimáAcos	
  mais	
  efeAvos:	
  Análogos	
  do	
  estado	
  de	
  transição.	
  
	
  
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û  Coenzimas	
   –	
   agentes	
   transferidores	
   de	
   grupos	
   ou	
   estabilizadores	
   de	
  
substratos.	
  
	
  
§  Desidrogenases	
  NAD	
  -­‐	
  dependentes	
  –	
  associadas	
  ao	
  catabolismo	
  
§  Desidrogenases	
  NADP	
  -­‐	
  dependentes	
  –	
  associadas	
  ao	
  anabolismo	
  
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û  Grupos	
  Prosté5cos	
  –	
  ampliam	
  o	
  repertório	
  de	
  grupos	
  catalíAcos	
  além	
  das	
  
cadeias	
  laterais	
  dos	
  aminoácidos.	
  
û  Associados	
   fortemente	
   (covalentemente	
   ou	
   não	
   covalentemente)	
   às	
  
enzimas.	
  
û  Exemplos:	
  Piridoxal	
   fosfato,	
  FMN,	
  FAD,	
  TPP,	
  bioAna	
  e	
  metais	
  como	
  Co,	
  Cu,	
  
Mg,	
  Mn	
  e	
  Zn.	
  
	
  
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10	
  
û  PLP	
  	
  é	
  modificado	
  nas	
  reações,	
  mas	
  retorna	
  à	
  sua	
  condição	
  inicial	
  ao	
  
final	
  dos	
  processos	
  de	
  transferência	
  de	
  grupos	
  amino.	
  
•  Grupos	
  prosté5cos:	
  Íons	
  metálicos	
  
	
  
§  1/3	
  das	
  enzimas	
  são	
  metaloenzimas	
  
§  Podem	
  desempenhar	
  um	
  papel	
  estrutural	
  
§  Funcionam	
  como	
  doadores	
  /aceptores	
  de	
  elétrons	
  em	
  reações	
  de	
  
oxidação-­‐redução.	
  
§  Podem	
  se	
   ligar	
  à	
  enzima	
  ou	
  ao	
  substrato	
   (orientam	
  a	
   ligação	
  do	
  
substrato)	
  
§  Podem	
  formar	
  ligações	
  covalentes	
  com	
  intermediários	
  de	
  reação	
  
§  Podem	
  interagir	
  com	
  os	
  substratos	
  tornando-­‐os	
  mais	
  eletroylicos	
  
ou	
  nucleoylicos.	
  
	
  
û  A	
  ligação	
  do	
  Zinco	
  à	
  carbonila	
  de	
  
um	
   aldeído	
   torna	
   o	
   átomo	
   de	
  
carbono	
   mais	
   posiAvo	
   e	
   mais	
  
recepAvo	
  para	
  aceitar	
  um	
  hidreto.	
  
û  Magnésio	
   interage	
   com	
   o	
  
s u b s t r a t o 	
   e 	
   f a v o r e c e 	
   a	
  
transferência	
  do	
  fosfato.	
  
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û  K+	
   induz	
   mudanças	
   conformacionais	
   da	
   piruvato	
   quinase	
   que	
  
resultam	
  em	
  uma	
  afinidade	
  aumentada	
  pelo	
  PEP.	
  
û  Proteínas	
   Ferro-­‐Enxofre-­‐	
   parAcipam	
   de	
   reações	
   de	
  
oxirredução	
  em	
  reações	
  de	
  transferência	
  de	
  elétrons.	
  
FIGURE 19-5 Iron-sulfur centers. The Fe-S centers of iron-sulfur proteins may be as simple as (a), with a single Fe ion surrounded by 
the S atoms of four Cys residues. Other centers include both inorganic and Cys S atoms, as in (b)2Fe-2S or (c) 4Fe-4S centers. (d) The 
ferredoxin of the cyanobacterium Anabaena 7120 has one 2Fe-2S center (PDB ID 1FRD); Fe is red, inorganic S is yellow, and the S of 
Cys is orange. (Note that in these designations only the inorganic S atoms are counted. For example, in the 2Fe-2S center (b), each Fe 
ion is actually surrounded by four S atoms.) The exact standard reduction potential of the iron in these centers depends on the type of 
center and its interaction with the associated protein. 
û  Cobre	
   –	
   parAcipante	
   aAvo	
   de	
   várias	
  
hidroxilases	
  e	
  oxidases.	
  
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§  Cofatores	
  
§  Funções	
   similares	
   àquelas	
   dos	
   grupos	
   prostéAcos,	
   mas	
   a	
  
interação	
  com	
  a	
  enzima	
  é	
  transiente.	
  
§  Devem	
   estar	
   presentes	
   no	
   meio	
   circundante	
   para	
   a	
   catálise	
  
ocorrer.	
  
§  Os	
  mais	
  comuns	
  são	
  metais	
  >>>	
  metal-­‐ac(vated	
  enzymes	
  
26 ALLOSTERIC REGULATORY ENZYMES 
1.5 Useful Resources 
 
1.5.1 Websites 
 
Various websites readily available on the Internet have databases that are supported by 
government or academic organizations, and therefore should continue to be available as 
resources. Table 1.10 lists some of these. 
Table 1.10. Databases that provide information for enzyme structure or kinetics 
Information Database URL 
 
Enzymes, general 
Protein structure: 
 Classification 
 Crystal structures 
 Protein domains 
 
 
Protein sequence: 
 BRENDA 
 
 SCOP 
 Protein Data Bank 
 Dali 
 Toulouse 
 
Swiss-Prot 
http://www.brenda.uni-koeln.de 
 
http://scop.mrc-lmb.cam.ac.uk/scop 
http://www.rcsb.org/pdb/searchlite.html 
http://www.ebi.ac.uk/dali 
http://prodes.toulouse.inra.fr/prodom/current/ 
 html/home.php 
http://us.expasy.org/sprot/sprot-top.html 
 
 
1.5.2 Reference Books 
 
The following books provide extended coverage for particular topics relevant to the 
discussion of allosteric enzymes. 
 
1.5.2.1 General Enzymology 
 
Structure and Mechanism in Protein Science, by Alan Fersht, (1999). W. H. Freeman, 
New York. A good presentation of enzyme structure and protein folding, enzyme 
kinetics and mechanisms. 
 
The Lock and Key Principle, The State of the Art — 100 Years On, edited by Jean-
Paul Behr, (1994). John Wiley & Sons, New York. A presentation of key advances 
in recent years. 
 
 
Allosteric Enzymes, Kinetic Behaviour, by B. I. Kurganov, (1982). John Wiley & 
Sons, New York. An extensive documentation of many different allosteric enzymes. 
 
Allosteric Enzymes, edited by Guy Hervé, (1989) CRC Press, Inc., Boca Raton, 
Florida. A detailed presentation of the eight best described enzymes in the 1980s. 
 
1.5.2.3 Enzyme Kinetics 
 
Enzyme Kinetics, Behavior and Analysis of Rapid Equilibrium and Steady-State 
Enzyme Systems, by Irwin H. Segel, (1975). John Wiley & Sons, New York. The 
1.5.2.2 Allosteric Enzymes