Enzimas: Catalisadores Biológicos

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ENZIMAS
 Início séc. XIX
digestão da carne: estômago;
digestão do amido: saliva.
1850
Louis Pasteur - concluiu que a fermentação do açúcar em álcool pela levedura era catalisada por “fermentos” = enzimas.
Eduard Buchner (1897)
extratos de levedo podiam fermentar o açúcar até álcool;
enzimas funcionavam mesmo quando removidas da célula viva.
Histórico
James Sumner (1926)
Isolou e cristalizou a urease;
Cristais eram de proteínas;
Postulou que “todas as enzimas são proteínas”.
John Northrop (década 30)
Cristalizou a pepsina e a tripsina bovinas;
Década de 50 – séc. XX
75 enzimas  isoladas e cristalizadas;
Ficou evidenciado caráter protéico.
Atualmente + 2000 enzimas são conhecidas.
Histórico
Catalisadores biológicos de natureza protéica, responsáveis pela maioria das reações químicas dos seres vivos. 
Com exceção de um pequeno grupo de moléculas de RNA com propriedades catalíticas, chamadas de RIBOZIMAS, todas as enzimas são PROTEÍNAS.
ENZIMAS
A atividade catalítica de uma enzima depende da integridade da sua conformação protéica nativa.
Desnaturação  atividade enzimática
Propriedades das enzimas
Apresentam alto grau de especificidade pelo substrato;
Funcionam em soluções aquosas;
Atuam em pequenas concentrações
Não alteram o estado de equilíbrio da reação;
Não são consumidas na reação;
Propriedades das enzimas
Agem em sequências organizadas;
São sintetizadas pelas próprias células;
Funcionam em condições favoráveis de pH, temperatura, 
São altamente eficientes, acelerando a velocidade das reações (108 a 1011 + rápida);
Catalase: decompõe
5 000 000 de moléculas de H2O2
pH = 6,8 em 1 min
Retroalimentação
Século XIX - poucas enzimas identificadas
 
 - Adição do sufixo ”ASE” ao nome do substrato: 
	* gorduras (lipo - grego) – LIPASE
	* amido (amylon - grego) – AMILASE
 - Nomes arbitrários:
	* Tripsina e pepsina – proteases
 
 Classificação conforme a União Internacional de Bioquímica (IUB)
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
 
IUB - ATP:glicose fosfotransferase
E.C. 2.7.1.1
2 - classe - Transferase
7 - subclasse - Fosfotransferases 
1 - sub-subclasse - Fosfotransferase que utiliza grupo hidroxila como receptor
1 - indica ser a D-glicose o receptor do grupo fosfato
Nome trivial: Hexoquinase
ADP + D-Glicose-6-fosfato
ATP + D-Glicose
1. Oxido-redutases(reações de oxidação-redução ou transferência de elétrons)
1.1.atuando em CH-OH
1.2.atuando em C=O
1.3.atuando em C=O-
1.4.atuando em CH-NH2
1.5.atuando em CH-NH-
1.6.atuando em NADH, NADPH
2.Transferases(transferem grupos funcionais entre moléculas)
2.1.grupos com um carbono
2.2.grupos aldeído ou cetona
2.3.grupos acil
2.4.grupos glicosil
2.7.grupos fosfatos
2.8.grupos contendo enxofre
3.Hidrolases(reações de hidrólise)
3.1.ésteres
3.2.ligações glicosídicas
3.4.ligações peptídicas
3.5.outras ligações C-N
3.6.anidridosácidos
4.Liases(catalisam a quebra de ligações covalentes e a remoção de moléculas deágua, amônia e gás carbônico)
4.1. =C=C=
4.2. =C=O
4.3. =C=N-
5.Isomerases(transferência de grupos dentro da mesma molécula para formar isômeros)
5.1.racemases
6.Ligases(catalisam reações de formação de novas moléculas a partir da ligação entre duas pré-existentes, sempreàs custas de energia)
6.1. C-O
6.2. C-S
6.3. C-N
6.4. C-C
Características das Enzimas
*Sítio ativo
*Eficiência catalítica
*Especificidade
*Cofatores
*Localização celular
*Regulação por ativação ou inibição.
COMPONENTES DA REAÇÃO
E + S ES P + E
Substrato se liga ao 
SÍTIO ATIVO
da enzima
RNA
Estrutura 
Enzimática
Ribozimas
Se covalente
Apoenzima ou
Apoproteína
Grupo Prostético
Holoenzima
Cofator
Coenzima
Proteína
Pode ser:
 íon inorgânico
 molécula orgânica
ENZIMA
COFATOR
PEROXIDASE
Fe+2ou Fe+3
CATALASE
CITOCROMO OXIDASE
Cu+2
ÁLCOOL DESIDROGENASE
Zn+2
HEXOQUINASE
Mg+2
UREASE
Ni+2
COFATOR
 Maioria deriva de vitaminas hidrossolúveis
 Classificam-se em:
	- transportadoras de hidrogênio
	- transportadoras de grupos químicos
COENZIMAS
NAD+ (oxidada)
NADH (reduzida)
Mecanismo de Reação Enzimática
Região da molécula enzimática que participa da reação com o substrato.
Pode possuir componentes não protéicos:cofatores.
Possui aminoácidos auxiliares e de contato.
Sítio Ativo
Substrato
Molécula que sofre a ação da enzima e é transformada em produto durante a catálise, que ocorre no sítio ativo
 O sítio ativo contém cadeias laterais de aa que criam uma superfície tridimensional complementar ao substrato (complexo ES)
Catálise Enzimática
Energia de ativação (Ea)
 Barreira energética existente entre os reagentes e os produtos, que representa a energia necessária para a formação do complexo ES. Assim é preciso fornecer energia aos reagentes para ultrapassar a barreira
CONCEITOS IMPORTANTES
Estado de transição: forma ativada de uma molécula, em que a mesma é capaz de sofrer uma reação (composto instável e de alta energia). Momento molecular no qual eventos como formação, rompimento de ligações, desenvolvimento de cargas ocorrem atá q haja formação do P em S.
Energia de ativação: quantidade de energia (cal) necessária para se elevar 1 mol de uma substância ao estado de transição.
Energia de ativação
• Energia fornecida a um sistema p/ vencer a inércia química dos reagentes;
• Barreira que separa R dos P;
• Barreira energética p/ as reações químicas;
• Crucial p/ a existência dos organismos vivos, pois
 ↑ Energia ativação → ↑ Estabilidade molecular
k1
De que forma as enzimas aumentam a velocidade das reações??
Diminuem a energia de ativação nas reações e consequentemente a barreira energética necessária para a transformação dos reagentes em produto
De que forma as Enzimas diminuem a Energia de Ativação??
Através da Energia Livre (Energia de Ligação) oriunda das interações fracas formadas entre a Enzima e o Substrato – Complexo [ES]
A função das Enzimas é  a Energia de ativação de modo seletivo. Assim  a velocidade das reações necessárias à sobrevivência da célula sem afetar o equilíbrio das reações. 
LIGAÇÃO ENZIMA- SUBSTRATO
Emil Fischer (1894): Modelo Chave-Fechadura, que considera que a enzima possui sitio ativo complementar ao substrato. 
Koshland (1958): Modelo Encaixe Induzido,onde enzima e o o substrato sofrem conformação para o encaixe. O substrato é distorcido para conformação exata do estado de transição.
Fatores que afetam a velocidade de reação:
Concentração dos substratos e das enzimas;
 Temperatura e pH
 Presença de Inibidores
ENZIMA
pHÓTIMO
Pepsina
1,5
Tripsina
7,7
Catalasa
7,6
Arginasa
9,7
Fumarasa
7,8
ENZIMA
TEMPERATURAÓTIMA (°C)
Pepsina
31,6
Tripsina
25,5
Urease
20,8
Efeito da [E]
		vo
[S]
Vmax
Considerações
[E] = cte de enzima.
[S] pequenas  Vo linearmente.
[S] maiores  Vo por incrementos cada vez menores.
Vmax  [S]  Vo insignificantes.
Vmax: é atingida qdo a E estiver na forma ES e a [E] livre for insignificante- ENZIMA SATURADA- (a V não  com  de [S]).
 
Leonor Michaelis e Maud Menten 
E + S
K1
K-1
ES
Kp
E + P
Etapa rápida
Etapa lenta
 
CINÉTICA ENZIMÁTICA
Equação de Michaelis-Menten:
Vo= Vmáx.[S]
Vo = vel. inicial da reação
Vmáx = vel. máxima
Km = constante de Michaelis
[S] = concentração do substrato
Km + [S]
Concentração de substrato
Velocidade
Equação de Michaelis-Menten
Taxa de
quebra de ES
Taxa de formação de ES
Conclusões importantes sobre a cinética de Michaelis-Menten:
Características do Km  o Km de uma enzima reflete a afinidade desta por um substrato particular;
O Km é numericamente igual à [S] na qual a vel. de reação é igual à metade da Vmáx;
OKm não varia com a concentração da enzima. 
Características do Km:
Km baixo  afinidade elevada da enzima pelo substrato, uma  [S] é necessária para saturar a enzima em 50 % (Vmáx/2);
B) Km elevado  baixa afinidade da enzima pelo substrato, uma  [S] é necessária para saturar a enzima em 50 % (Vmáx/2).
ENZIMA
SUBSTRATO
Km (mM)
Catalase
H2O2
25
Hexoquinase
ATP
0,4
D-Glicose
0,05
D-Frutose
1,5
Quimotripsina
Gliciltirosinilglicina
108
N-benzoiltirosinamida
2,5
Velocidade x Concentração da enzima:
 a velocidade da reação é diretamente proporcional à concentração da enzima , em todas as concentrações de substrato.
Quando a formação de P for proporcional à [S] 
 a velocidade da reação é de 1a ORDEM
Quando a velocidade da reação independe da [S] a reação é de ORDEM ZERO
V
[S]
v = Vmax
v = K[S]
ordem da reação
Ordem da reação:
Primeira ordem: [S] é muito menor que o Km  vel. da reação é proporcional à concentração de substrato;
Ordem zero: [S] é muito maior que o Km  vel. da reação é constante e igual à Vmáx; a vel. da reação independe da [S]. 
Gráfico de Lineweaver-Burke
Y = a.x + b
1/vo=km/Vmáx.1/[S]+1/Vmáx
Qualquer substância que reduz a velocidade de uma reação enzimática.
INIBIDORES
		
 REVERSÍVEIS IRREVERSÍVEIS
COMPETITIVOS NÃO COMPETITIVOS INCOMPETITIVOS
 
INIBIÇÃO ENZIMÁTICA
Inibidores de enzimas
 Inibição competitiva
Inibidor competitivo: concorre com o S pelo sitio ativo da E livre.
 [substrato] necessária para obter a mesma [ES]
afinidade da enzima pelo substrato
 I compostos com estrutura 
molecular semelhante a S
Km aparente 
da enzima
 Vmax - é a mesma na presença de um inibidor competitivo
 Km – aumenta na presença de um inibidor competitivo
Inibidores de enzimas
Ex:Uso de inibidores enzimáticos
Inibidores COMPETITIVOS das proteases do vírus HIV:
- saquinavir (Hoffman-LaRoche)
- ritonavir (Abbot)
- indinavir (Merck)
Inibidores de enzimas
 Inibição não competitiva
I não tem semelhança estrutural com o S
 
 [substrato] não diminui a inibição
Km da enzima NÃO se altera
 Vmax na presença do inibidor
Inibidor não-competitivo se liga reversivelmente, aleatória e independentemente em um sítio que lhe é próprio. 
Inibidores de enzimas
Não-competitiva
 Vmax - é a reduzida na presença de um inibidor não-competitivo
 Km – não se altera na presença de um inibidor não-competitivo
 I se combina com um grupo funcional, na molécula da E, que é essencial para sua atividade.
 Podem promover a destruição do grupo funcional
 Forma-se uma ligação COVALENTE entre o I e a E.
 Vmax   parte da E é completamente removida do sistema e Km permanece a mesma.
K2
E + P
E + S 
ES
K1
EI
+
I
 
INIBIÇÃO IRREVERSÍVEL
Regulação Enzimática
A) Regulação Alostérica
 Podem ter a atividade regulada pela presença de um MODULADOR (metabólico regulador ligado de forma não-covalente e reversível à enzima) modulador;
Moduladores podem ser inibidores ou ativadores;
São maiores e mais complexas, possuindo duas ou mais cadeias polipeptídicas.
A ligação de uma molécula de substrato ao Sítio Ativo de uma subunidade estabiliza todas as subunidades na conformação ativa: COOPERATIVIDADE 
1- Comportamento tipo Michaelis-Menten.
2- Comportamento Alostérico.
Enzimas reguladas por modificação covalente reversível
Grupos químicos são ligados covalentemente e removidos da enzima reguladora por enzimas ≠s, podem ser: fosfato, adenosina monofosfato, grupos metil, etc.
Regulação por clivagem proteolítica  Zimogênios 
Indústria de alimentos:
Glicose isomerase:produção de xaropes com alto teor de frutose;
Celulase  Conversão de celulose em açúcares solúveis;
Fermento de pão (Sacharomices cerevisae)  álcoois enantiomericamente puros.
Aplicação na Medicina
Uso das Enzimas
Indústria de álcool;
Indústria de detergentes;
Indústria têxtil;
Indústria de papel e celulose;
Curtumes;
Produção de ácido cítrico, ácido glutâmico, insulina, vacinas, esteroídes, vitaminas e antibióticos;