Enzimas2017 (1)

Prévia do material em texto

Enzimas
Funções das Proteínas
Conceitos Gerais
✓Enzimas são, principalmente, proteínas com
atividade catalítica;
✓Praticamente todas as reações que caracterizam o
metabolismo celular são catalisadas por enzimas;
✓Aceleram a velocidade de uma reação, sem no
entanto participar dela como reagente ou produto.
As enzimas são proteínas com propriedade
catalisadora sobre as reações que ocorrem nos
sistemas biológicos, sendo específicas para seus
substratos.
Todas as enzimas são proteínas com exceção de um
pequeno grupo RNA que possui propriedades
catalíticas, chamadas de RIBOZIMAS.
A especificidade deve-se à estrutura terciária da enzima, que
contém pequenos pontos de encaixe para os reagentes (também
conhecidos por substratos). Esses pontos de encaixe são
denominados sítios ativos, ou centros ativos, e encaixam-se
temporariamente com os reagentes, fazendo com que se
aproximem, entrem em contato e reajam mais rapidamente.
As enzimas são específicas, ou seja, uma dada
enzima, catalisa apenas um tipo de reação
química, ou um pequeno grupo de reações que
possuam características semelhantes.
Por que as enzimas são específicas a
determinados tipos de substratos?
Energia de ativação - Barreira energética que deve ser vencida
para que uma reação química ocorra
(Toda reação química para acontecer, necessariamente, tem que
vencer uma barreira energética, essa barreira surge do fato de
que para que haja reação química deve haver choques
moleculares com energia adequada e direcionamento adequado.
Logo, para fornecer essa energia dos choques, assim como
posicionar os átomos adequadamente para a reação é necessária
uma energia inicial de reação, chamada de energia de ativação.)
Uma reação química só ocorre se a barreira de energia de
ativação for vencida.
Introdução: conceitos básicos
Alta energia de ativação - Reação ocorre lentamente
(velocidade de reação é baixa)
Baixa energia de ativação - Reação ocorre
rapidamente (velocidade de reação é alta)
Catalisadores - São moléculas que diminuem a
energia de ativação de uma reação química
Exemplos de catalisadores: Ácidos, bases, enzimas,
etc.
O Catalisador é sempre regenerado ao final da reação
Enzimas são catalisadores biológicos. 
As enzimas aumentam a velocidade das
reações químicas que ocorrem na célula
Se o catalisador diminui a energia de ativação de uma
reação química ele aumenta a velocidade da reação
química.
Reações biológicas que aconteceriam em tempos
incompatíveis com a vida passam a ocorrer em uma
velocidade compatível com a vida. Isso porque temos
catalisadores biológicos no organismo, as enzimas
O ponto mais alto do gráfico acima, no ponto de máximo, temos a formação 
do complexo ativado.
Complexo ativado: estado intermediário (estado de transição) formado entre 
reagentes e produtos
Energia de ativação – É a menor quantidade de energia
necessária que deve ser fornecida aos reagentes para a
formação do complexo ativado e, consequentemente, para a
ocorrência da reação.
A maioria das enzimas necessitam de moléculas orgânicas ou
inorganicas pequenas, essenciais a sua atividade e denominadas
coenzimas e cofatores.
Os cofatores são substâncias orgânicas ou inorgânicas
necessárias ao funcionamento das enzimas.
Se um cofator for orgânico, recebe o nome de coenzima. As
principais coenzimas contem na sua estrutura moléculas de
vitaminas
Cofator => componente não proteico essencial a
atividade enzimática:
- íons metálicos
- moléculas orgânicas => coenzimas
✓ aceleram a velocidade da reação;
✓ diminuem a energia de ativação;
✓ são usadas em pequenas quantidades;
✓ são recuperadas ao final das reações, ou seja, não são
consumidas;
✓ são específicas, pois cada enzima possui um sítio ativo
para que o substrato específico se ligue, como uma chave
se acoplando à fechadura.
Principais características de uma proteína
catalisadora:
Aumento na velocidade de reação:
não enzimático ---- 102 – 104
enzimático ---- 1014
NOMENCLATURA DAS ENZIMAS
Até o século XIX poucas enzimas haviam sido identificadas e sua
nomenclatura era feita adicionando-se o sufixo ASE ao nome do
substrato.
Como por exemplo, as enzimas que hidrolisam gorduras (lipo -
grego) se denominou de lípases, as que hidrolisam amido (amylon
- grego) amilase, e as que hidrolisam proteínas proteases.
Porém algumas enzimas apresentam nomes arbitrários, como por
exemplo, a tripsina e pepsina, são enzimas que degradam
proteínas e não possuem o nome de proteases.
Com a descoberta de um grande número de enzimas, houve a
necessidade de sistematização da nomenclatura.
A União Internacional de Bioquímica e Biologia
Molecular (IUBMB) adotou um sistema racional e
prático de nomenclatura identificando as enzimas em 6
classes, de acordo com a natureza da reação química
que catalisam.
Cada enzima descrita recebe um número de
classificação, conhecido por “E.C.” (Enzyme
Commission of the IUBMB), que é composto por 4
dígitos:
1955 - Comissão de Enzimas (EC) da União Internacional de
Bioquímica (IUB) => nomear e classificar.
Cada enzima => código com 4 dígitos que caracteriza o tipo de
reação catalisada:
1° dígito - classe
2° dígito - subclasse
3° dígito - sub-subclasse
4° dígito - indica o substrato
A relação completa das enzimas com suas classificações pode ser 
encontrada na página: http://www.chem.qmul.ac.uk/iubmb/enzyme/.
ATP + D-Glicose ADP + D-Glicose-6-fosfato 
Fatores que influenciam a atividade 
enzimática
Vários fatores influenciam a atividade enzimática,
incluindo:
✓ temperatura
✓ pH
✓ concentração da enzima
✓ concentração do substrato
✓ Presença de inibidores
Quanto maior a temperatura maior a velocidade da
reação.
A variação de temperatura causa dois efeitos, primeiro
com o aumento da temperatura inicialmente ocorre
um aumento da taxa da reação enzimática, como se
observa para a maioria das reações enzimáticas.
Segundo, com o aumento ainda maior de
temperatura, a estabilidade da proteína é perdida e a
atividade decresce, ocorrendo assim uma
desativação térmica.
Temperatura
A temperatura ótima de uma enzima é aquela em que
a enzima atinge sua atividade máxima e onde
permanece com a atividade catalítica por um período
de tempo.
A atividade catalítica das enzimas está relacionada a ionização de
aminoácidos do sítio ativo.
Ex: A atividade catalítica de certas enzimas necessita da forma
protonada da cadeia lateral do grupo amino. Se o pH torna-se
suficientemente alcalino de tal modo que o grupo perde seu
próton, a atividade da enzima pode ser reduzida.
Um substrato que contenha um grupo ionizável a mudança de pH
pode afetar a capacidade de ligação a sítio ativo.
pH
O pH pode modificar a estrutura terciária das enzimas.
Mudanças drásticas de pH promovem a desnaturação de muitas
enzimas.
Geralmente as enzimas são ativas em intervalos muito estreitos
de pH.
O pH ótimo das enzimas variam consideravelmente.
Ex: pH ótimo para pepsina, enzima proteolítica produzida no
estomago é aproximadamente 2.
Quimiotripsina e tripsina => pH ótimo aproximadamente 8.
A velocidade máxima da reação é uma função da
quantidade de enzima disponível, aumenta
proporcionalmente pela introdução de mais enzimas
ao sistema.
Assim, a velocidade inicial da reação enzimática é
diretamente proporcional a concentração de enzima
(existindo substrato em excesso).
Concentração da Enzima
Com o aumento da concentração de moléculas do
substrato, a velocidade da reação aumenta até que
todos os sítios ativos nas moléculas da enzimaestejam ocupados (saturação), no ponto em que é
alcançada a velocidade máxima da reação.
A partir desse ponto, mesmo aumentando a
quantidade de substrato, a velocidade se mantém
constante.
Concentração do Substrato
ENZIMAS: MECANISMO DE AÇÃO
Uma molécula que promove uma catálise é um catalisador.
Enzimas são catalisadores biológicos e, portanto, promovem uma
catálise, diminuindo a energia de ativação das reações biológicas.
Substrato - Molécula na qual uma enzima se liga para
promover uma catálise
Sítio Ativo - Parte da molécula da enzima onde o
substrato se liga
A ligação química enzima-substrato é
altamente específica.
Isso significa que mudanças na forma química do substrato
alteram a ligação na enzima, por exemplo, enzimas só
reconhecem um isômero de uma substância. Ou seja, uma
enzima que reconhece L-aminoácidos não reconheceria D-
aminoácidos. Nenhuma enzima do corpo humano reconhece D-
aminoácidos e por isso só existem, em humanos, L-aminoácidos.
Como a ligação é altamente específica, mudanças na forma
espacial do sítio ativo também interferem no modo pelo qual as
enzimas se ligam nos substratos, essas mudanças
conformacionais são muito importantes no entendimento de
enzimas alostéricas.
Conformação - Forma espacial de uma molécula
Mudança conformacional – Mudança na forma espacial
de uma molécula
Lembrando que enzimas são proteínas e mudanças na
forma espacial significam mudanças na estrutura
terciária. E lembrando também, que a função biológica
da enzima depende da sua forma espacial e mudanças
conformacionais em enzimas mudam sua função biológica.
Não fazer confusão com mudança conformacional e perda de
estrutura da enzima resultando em desnaturação. Uma mudança
conformacional é uma mudança sutil na estrutura, um pequeno
movimento das moléculas e é quase sempre reversível. A perda
de estrutura por desnaturação é uma mudança brusca e forte, que
é causada por agentes agressivos como alta temperatura, ácidos
e bases, agentes oxidantes etc.
• A reação enzimática ocorre em duas etapas:
E + S E S P + E
• 2 modelos:
– Modelo chave-fechadura
– Modelo do ajuste induzido
2 modelos:
Modelo chave-fechadura
Modelo do ajuste induzido
Mecanismo de Ação
• Modelo Chave-fechadura
– Emil Fischer em 1894
– Relação estérica entre enzima e substrato 
Mecanismo de Ação
• Modelo do ajuste induzido
– Koshland em 1958
– Prevê um sítio de ligação não totalmente pré-formado, 
– E e o S sofrem conformação para o encaixe.
Cinética Enzimática
O modelo cinético de Michaelis-Menten, baseado em evidências
experimentais, criou uma relação entre a velocidade de uma
reação enzimática e a concentração do substrato da enzima.
Algumas assertivas são importantes para o entendimento do
modelo cinético de Michaelis-Menten:
1) Enzima e substrato reagem reversivelmente para formar um
intermediário (o complexo ativado) ES – enzima + substrato.
O complexo ES se dissocia para formar produto e liberar a 
enzima livre. 
ES => E + P
Essa equação permite relacionar a velocidade de uma reação catalisada
por enzimas com a velocidade máxima dessa reação e com a
concentração do substrato.
O gráfico da função V=Vmax [S]/ Km + [S] é uma hipérbole
Equação de Michaelis-Menten
Devido à praticidade (é muito mais fácil trabalhar com
uma equação descrita por uma reta, do que com uma
equação descrita por uma hipérbole) a equação de
Michaelis Menten pode ser linearizada. Para isso
bastar elevar ambos os lados da equação V=Vmax [S]/
Km + [S] a potência -1.
Lineweaver-Burk ou duplo recíproco
Desse gráfico, facilmente obtemos os parâmetros Km e Vmax dos interceptos
da reta com os eixos coordenados, como está ilustrado na figura acima. Essa
é a grande vantagem de usar um gráfico em reta ao invés de um gráfico em
hipérbole. Na reta obtemos os parâmetros Vmax e Km muito facilmente e na
hipérbole não .
O SIGNIFICADO DE Km (constante de Michaelis)
Km é numericamente igual à concentração de substrato (mol/L) na 
qual a velocidade inicial da reação corresponde a metade da 
velocidade máxima.
Prova: da equação V=Vmax [S]/ Km + [S]
Se Km = [S] a equação fica V=Vmax [S]/ [S] + [S] que é igual à
V= Vmax/2
Km pode ser escrita como Km = [E] [S]/[ES] 
Se Km é muito grande a concentração de ES é muito pequena e a
afinidade da enzima pelo substrato é baixa. Se Km é pequeno a
concentração de ES é alta e a afinidade da enzima pelo substrato é alta.
A hexoquinase é uma enzima presente nos músculos.
Essa enzima pode realizar a quebra tanto da glicose,
tanto da frutose com fins de obtenção de energia. O
Km da hexoquinase para glicose vale 0,15 mM e para
a frutose vale 1,5 mM. Baseado nesses valores qual é
o nutriente preferencialmente usado nos músculos, a
glicose ou a frutose?
A glicose.
Se o Km da glicose é 0,15 mM, significa que nessa
concentração de glicose a velocidade já é metade da
velocidade máxima. Como para a frutose Km vale 1,5 mM
(valor dez vezes maior do que para a glicose) significa que só
nessa concentração (dez vezes maior do que a da glicose) a
velocidade de reação atinge metade do valor da velocidade
máxima. Ou seja, a glicose é 10 vezes “mais preferida” do
que a frutose para degradação no músculo.
os valores de Km não são fixos e podem variar com a estrutura do substrato, 
com o pH e com a temperatura. Para enzimas que atuam em mais de um 
substrato, cada substrato tem um Km característico.
INIBIÇÃO ENZIMÁTICA
Os inibidores enzimáticos são compostos que podem
diminuir a atividade de uma enzima, incluem fármacos,
antibióticos, preservativos de alimentos e venenos.
A inibição enzimática pode ser reversível ou
irreversível
- Os inibidores enzimáticos atuam como reguladores das vias
metabólicas;
- Muitas terapias por fármacos são baseadas na inibição
enzimática.
Várias informações sobre mecanismos de reações enzimáticas são
obtidos usando inibidores (informações sobre mecanismo químicos de
catálise, estrutura do sítio ativo, cinética enzimática etc)
São importantes por várias razões:
Um inibidor irreversível reage com a enzima de modo que ela
perde completamente sua atividade – envolve modificações
químicas (modificações covalentes) na molécula enzimática,
levando a uma inativação definitiva.
Inibição irreversível
Inibição reversível
O inibidor combina-se temporariamente com a enzima,
através de ligações fracas.
Quando se dissocia, a enzima permanece funcional e capaz
de transformar o substrato.
A inibição reversível pode ser competitiva ou não
competitiva.
Inibição competitiva
Como reverter?
Nestas reações,
- A velocidade inicial DIMINUI de acordo com a quantidade
de inibidor
- A VELOCIDADE MÁXIMA se mantém, mas é atingida com
MAIORES concentrações de substrato.
- Portanto, aumentando a concentração de substrato
reverte-se a inibição.
- O KM AUMENTA com a concentração do Inibidor
Portanto, aparentemente, a afinidade da Enzima pelo
Substrato diminui
Inibição Competitiva
Inibição Competitiva
Inibição Competitiva
1- sem inibidor
2- com inibidor na concentração [I1]
3- com inibidor na concentração [I2] > [I1]
Inibição não competitiva
Os inibidores não-competitivos são aqueles que não se
assemelham ao substrato e, portanto, ocupam um sítio
diferente do sítio ativo. A ligação do inibidor permite que o
substrato se ligue ao sítio ativo da enzima, como mostra o
esquema abaixo, mas não ocorre reação com formação de
produto.
Nestas reações,
- A velocidade inicial DIMINUI de acordo com a quantidade
de inibidor
- A VELOCIDADE MÁXIMA varia em função da concentraçãodo INIBIDOR
-O aumento da concentração de substrato NÃO reverte a
inibição (Lembrar que ESI não gera Produto)
- O valor de KM NÃO varia
- Portanto, a afinidade da Enzima pelo Substrato se mantém
Inibição Não Competitiva
O valor de KM NÃO varia
A VELOCIDADE MÁXIMA varia em função da concentração do INIBIDOR
Inibição Não Competitiva
Inibição Não Competitiva
Mesmo sendo um inibidor REVERSÍVEL, o aumento da concentração de substrato
nunca "reverte" o quadro inibitório. Ou seja, mesmo com altas concentrações de
substrato, não é possível atingir a Vmáx
Inibição incompetitiva
Inibidor incompetitivo se liga reversivelmente, em 
um sítio próprio, ao complexo ES.
Reduz Km e Vmax da enzima
Inibição incompetitiva
Reduz Km e Vmax da enzima
Enzimas alostéricas e regulação enzimática
Uma enzima reguladora tem sua atividade aumentada ou
diminuída em resposta a determinados sinais
A regulação de uma enzima é feita por modificações em sua
estrutura. Essas modificações podem ser através de interações
fracas (não covalentes) ou por ligações covalentes.
A modificação covalente envolve geralmente a adição de grupos
químicos à estrutura da enzima, a mais comum dessas
modificações é a fosforilação. A adição de grupos fosfatos pode
ativar ou inativar uma enzima. (exemplo enzimas que degradam o
glicogênio)
As enzimas que tem sua atividade modulada por interações não
covalentes são chamadas de enzimas alostéricas. (enzimas que
regulam vias metabólicas como a glicólise ou ciclo do ácido cítrico
são alostéricas).
Um modulador é uma molécula que ao se ligar a uma enzima
alostérica faz com que ela aumente ou diminua a sua atividade.
Um modulador geralmente é um pequeno metabólito, formado em
vias metabólicas onde a enzima a ser modulada está inserida.
A ligação de um modulador promove uma mudança
conformacional na enzima e essa mudança pode aumentar ou
diminuir a afinidade da enzima pelo seu substrato,
consequentemente a velocidade da reação catalisada por essa
enzima muda.
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.
Modulação alostérica
A regulação da atividade enzimática é um ponto
importantíssimo no controle das vias metabólicas.