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Aula 06 Bioq I 2013-02 - Enzimas

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UENF, CBB, LQFPP
Prof. Gustavo Rezende
Bioquímica Geral 
6ª aula: Enzimas
O que vimos na última aula:
Cada resíduo de aminoácido é ligado ao vizinho por uma ligação covalente, a ligação 
peptídica
Um pentapeptídeo:
Extremidade 
amino-terminal
Extremidade 
carboxi-terminal
Proteínas e peptídeos biologicamente ativos ocorrem 
em uma vasta faixa de tamanhos
As ligações peptídicas são rígidas e planares
Formação de pequeno dipolo elétrico e ressonância: caráter parcial de ligação dupla Assim, 
há restrição de rotação da ligação peptídica. Mas…
no esqueleto principal da proteína as ligações N-C α e C α -C têm rotação.
Os quatro níveis hierárquicos de organização 
de estruturas protéicas:
Classificação das proteínas com estrutura quaternária
1. Fibrosas – cadeias polipeptídicas arranjadas em longas fitas ou folhas
2. Globulares – cadeias polipeptídicas enoveladas em forma esférica ou globular 
– consistem principalmente de um único tipo de estrutura secundária
– vários tipos de estrutura secundária
– proteínas estruturais (forma e suporte) e proteção externa
– proteínas regulatórias e enzimas 
Importância das proteínas:
- As proteínas são as macromoléculas mais abundantes nas células;
- Grande variedade de tamanhos e tipos;
- Grande variedade de funções biológicas
- São a maior parte dos produtos da informação gênica! 
- Compõem quase todos os instrumentos pelos quais a informação 
gênica é expressa!
- Quase todo o trabalho celular é feito pelas proteínas.
O que veremos hoje:
1) Definição de enzima
2) Mecanismo de ação enzimática
3) Cinética enzimática
4) Inibição enzimática
5) Regulação, alosteria e cofatores
3) Ribozimas
O que é uma enzima? Molécula orgânica, produzida por um ser vivo, 
que catalisa uma reação.
A maioria das enzimas são proteínas.
O que é uma enzima? Molécula orgânica, produzida por um ser vivo, 
que catalisa uma reação.
O que é um catalisador? Substância que aumenta a velocidade de uma 
determinada reação 
Um catalisador nunca é consumido na reação.
A maioria das enzimas são proteínas.
O que é uma enzima? Molécula orgânica, produzida por um ser vivo, 
que catalisa uma reação.
O que é um catalisador? Substância que aumenta a velocidade de uma 
determinada reação 
Um catalisador nunca é consumido na reação.
A maioria das enzimas são proteínas.
O que é uma reação enzimática? É a transformação de um substrato 
(S) em um produto (P):
Reação Enzimática:
E + S ES EP E + P
E: enzima
S: substrato
P: produto
S P
E
E + S ES EP E + P
Reação Enzimática: E: enzimaS: substrato
P: produto
S P
E
E + S ES EP E + P
Enzimas são altamente específicas
Reação Enzimática: E: enzimaS: substrato
P: produto
S P
E
E + S ES EP E + P
Enzimas são altamente específicas
Reação Enzimática: E: enzimaS: substrato
P: produto
Funcionamento Enzimático
Enzimas aumentam a velocidade de uma reação:
Entre 105 e 1017 vezes mais rápido!
Enzimas aumentam a velocidade de uma reação:
Entre 105 e 1017 vezes mais rápido!
1 segundo
sacarose (açúcar) glicose + frutose 
E
1010 vezes:
Enzimas aumentam a velocidade de uma reação:
Entre 105 e 1017 vezes mais rápido!
1 segundo
sacarose (açúcar) glicose + frutose 
E
sacarose (açúcar) glicose + frutose 
EX
317 anos
1010 vezes:
sem enzima
Enzimas aumentam a velocidade de uma reação:
1 segundo
sacarose (açúcar) glicose + frutose 
E
sacarose (açúcar) glicose + frutose 
EX
317 anos
1010 vezes:
sem enzima
Sem as enzimas, as reações químicas necessárias para possibilitar a vida não 
acontecem em uma escala de tempo útil.
Enzimas aumentam a velocidade de uma reação:
As enzimas são catalisadores biológicos
Poder catalítico extraordinário, maior do que o de catalisadores sintéticos;
Alto grau de especificidade para seus substratos
As enzimas organizam a liberação de energia
Atuam nas condições fisiológicas!
Entendendo com uma enzima funciona:
Energia livre de Gibbs: energia que pode realizar trabalho 
durante a reação em temperatura e pressão constantes.
ubstrato
roduto
O substrato (S) possui mais energia que o produto (P).
Entendendo com uma enzima funciona:
ubstrato
roduto
Energia de ativação:
Energia de ativação é uma barreira energética entre S e P, requerida para alinhar os 
grupamentos reativos, formação de ligações transientes instáveis, rearranjo de ligações e 
outras transformações necessárias para a reação ocorrer para qualquer um dos lados. 
= Energia de ativação
ubstrato
roduto
Enzimas atuam diminuindo a energia de 
ativação de uma reação.
Entendendo com uma enzima funciona:
ubstrato
roduto
Enzimas alteram a Velocidade, mas não o Equilíbrio 
Químico de uma reação:
Essa é a relação entre a Energia livre de Gibbs (G) e a 
constante que define o Equilíbrio Químico de uma reação (Keq):
Constante de equilíbrio da reação (Keq):
A + B C + D
Keq: uma constante, característica de cada reação química, relaciona as concentrações 
específicas de todos os reagentes e produtos no equilíbrio, em uma dada temperatura 
e pressão.
Reação:
Keq = [A] [B]
[C] [D]
onde é a concentração do composto X em 
Molar, no equilíbrio.
[X]
As enzimas aceleram as reações químicas mas não alteram a 
constante de equilíbrio ou o ∆G da reação.
E onde as reações acontecem, dentro das enzimas protéicas?
Sítio catalítico é a “alma” da enzima!
Quimotripsina
É no sítio catalítico que ocorre 
a reação em si; onde a energia 
de ativação da reação é
diminuída.
O S está mostrado em 
vermelho, bem como 
alguns aminoácidos 
essenciais do sítio 
catalítico.
A estrutura da proteína é importante 
para sua catálise!
Quimotripsina Hexocinase
Como as enzimas diminuem a energia de ativação?
Como as enzimas diminuem a energia de ativação?
1) Formação de ligações covalentes transientes entre enzima e 
substrato:
• Rearranjo de ligações covalentes
• Grupamentos catalíticos das enzima formam ligação transiente com substrato
ativando-o para a reação ou ocorre a transferência transiente de um grupo do 
substrato para a enzima.
• Interagem e diminuem a energia de ativação ao proporcionar uma via alternativa
com energia necessária mais baixa para reação ocorrer.
Como as enzimas diminuem a energia de ativação?
2) Interações fracas, não covalentes, entre enzima e substrato:
• Contribuem com expressiva parcela da energia necessária para diminuir a energia 
de ativação.
• Isto diferencia enzimas da maioria dos demais catalisadores, pois forma o 
complexo ES.
• Interações ES são mediadas pelos mesmos tipos de interações que estabilizam
a estrutura das proteínas: ligações de hidrogênio, interações hidrofóbicas e 
interações iônicas.
• A formação de cada interação fraca no complexo ES promove a liberação de
um pouco de energia livre que fornece um grau de estabilidade à interação. 
• As ligações fracas entre E e S distorcem S, favorecendo a reação. 
Interações fracas entre enzima e substrato são otimizadas no 
estado de transição:
As interações fracas são 
otimizadas no estado de 
transição: os sítios ativos NÃO 
são complementares ao 
substrato por si, mas SIM 
complementares ao estado de 
transição pelo qual o substrato 
passa quando é convertido à
produto durante a reação 
enzimática. 
Interações fracas entre enzimae substrato são otimizadas no 
estado de transição:
As interações fracas são 
otimizadas no estado de 
transição: os sítios ativos NÃO 
são complementares ao 
substrato por si, mas SIM 
complementares ao estado de 
transição pelo qual o substrato 
passa quando é convertido à
produto durante a reação 
enzimática. 
seria uma péssima enzima 
(esse modelo é o de chave 
e fechadura) 
Modelo do ajuste induzido (induced fit):
A ligação da enzima ao substrato leva a alterações na conformação da enzima que são 
importantes para o alinhamento dos grupos funcionais da enzima para promover a 
catálise. Esse é o modelo do ajuste induzido.
O que ocorre no complexo ES:
1) Associação ES segura os substrato na orientação própria, alinhamento com
grupamentos funcionais da enzima.
2) Ligação enzima-substrato leva à dessolvatação do mesmo. Interações enzima
substrato substituem pontes de Hidrogênio do substrato com a água.
3) A energia de ligação no estado de transição, envolvendo interações fracas
ajuda a compensar termodinamicamente qualquer distorção e redistribuição
eletrônica que o substrato tenha que passar. 
4) Ajuste induzido: a enzima muda de conformação quando o substrato liga.
Importante para a orientação correta dos grupamentos funcionais para que haja
catálise. A mudança na conformação também permitirá a formação de mais
interações fracas no estado de transição. 
Cinética Enzimática
Determina a velocidade de uma reação e como ela se 
altera com a mudança nos parâmetros experimentais.
Cinética Enzimática
Determina a velocidade de uma reação e como ela se 
altera com a mudança nos parâmetros experimentais.
É a abordagem central no estudo do 
mecanismo de catálise enzimática
As constantes relacionadas com a ação da enzima:
1 segundo
S P 
E
E + S ES E + P
K1
K-1
K2
K-2
As enzimas são estudadas em condições de velocidade 
inicial ou instantânea (V0)
Velocidade medida imediatamente após o início da reação…
POR QUÊ? 
Para evitar qualquer diminuição na taxa de reação devido a:
� Depleção de substrato
� Acúmulo de produto
Nesta abordagem assume-se que:
[S], que é a concentração do substrato, é praticamente constante e 
acúmulo de produto [P] é negligenciável.
Assume-se também que [S] é muito maior do que a de [E].
[P]
0
Sn
S1
S2
S3
tta ti
A concentração de substrato afeta a velocidade inicial de 
reação:
empo
Maior concentração 
de substrato em S1
do que em S2
[P]
0
Sn
S1
S2
S3
tta ti
A concentração de substrato afeta a velocidade inicial de 
reação:
empo
Maior concentração 
de substrato em S1
do que em S2
Enzima
Substrato
A concentração de substrato afeta a velocidade inicial de 
reação:
Ou seja: quanto maior a quantidade de substrato, mais rápida é a formação do produto.
A concentração de substrato afeta a velocidade inicial de 
reação:
V0: [S] > > [E]
Vmax: Velocidade 
máxima da reação 
Equação de Michaelis-Mentem
Equação de Michaelis-Mentem
A equação de Michaelis e Mentem relaciona a velocidade inicial V0 com a 
concentração do substrato [S].
Equação de Michaelis-Mentem
A equação de Michaelis e Mentem relaciona a velocidade inicial V0 com a 
concentração do substrato [S].
Km: Constante de Michaelis. É a concentração do 
substrato onde a reação enzimática ocorre com metade 
de sua velocidade máxima. É dada na mesma grandeza 
que a concentração do substrato (nesse caso em mM).
Equação de Michaelis-Mentem
A equação de Michaelis e Mentem relaciona a velocidade inicial V0 com a 
concentração do substrato [S].
Equação de Michaelis-Mentem
Quando V0 = ½ Vmax, Km = [S]
Equação de Michaelis-Mentem
Em concentrações muito baixas ou muito altas de S, a equação de Michaelis e 
Mentem pode ser simplificada.
Os dois lados da equação de Michaelis-Mentem podem ser invertidos e 
suas partes separadas:
Equação de Michaelis-Mentem e gráfico de duplo-recíprocos:
Os dois lados da equação de Michaelis-Mentem podem ser invertidos e 
suas partes separadas:
V0
1 Km
Vmax [S]
[S]
= +
Vmax [S]
Que pode ser simplificado para:
Equação de Michaelis-Mentem e gráfico de duplo-recíprocos:
Os dois lados da equação de Michaelis-Mentem podem ser invertidos e 
suas partes separadas:
V0
1 Km
Vmax [S]
[S]
= +
Vmax [S]
V0
1 Km
Vmax [S]
1
= +
Vmax
Equação de Michaelis-Mentem e gráfico de duplo-recíprocos:
Equação de Michaelis-Mentem e gráfico de duplo-recíprocos:
Esse gráfico é de 1/V0 versus
1/[S], que é o “duplo-recíproco”
do gráfico V0 versus [S] visto até
agora.
V0
1 Km
Vmax [S]
1
= +
Vmax
Nesse gráfico, a interseção da linha 
com os eixos, bem como a inclinação 
da mesma fornece importantes 
parâmetros:
Parâmetros cinéticos são usados para comparar 
atividades enzimáticas:
Leituras: A concentração de substrato da catalase para a atividade máxima 
da catalase é maior do que a concentração de substrato da treonina
desidratase para a atividade máxima da treonina desidratase.
Parâmetros cinéticos são usados para comparar 
atividades enzimáticas:
Leituras: A concentração de substrato necessária para que a Quimiotripsina
atinja sua velocidade máxima irá variar, dependendo do substrato.
Enzimas podem ser inibidas:
Inibidores de enzimas são compostos que interferem com a catálise 
enzimática, diminuindo ou interrompendo a ação das enzimas.
Inibidores de enzimas estão entre alguns dos mais importantes agentes 
farmacêuticos.
Exemplo: A aspirina inibe uma enzima envolvida com a síntese de 
prostaglandinas que, por sua vez, são compostos que estão envolvidos 
com a produção da sensação de dor.
Inibidores de enzimas são utilizados para o tratamento de diversas 
patologias, como o câncer, infecção por HIV, dentre outras.
Enzimas podem ser inibidas de forma reversível ou irreversível:
3 tipos de inibição reversível: 
competitiva, incompetitiva e 
mista
Inibidor se liga 
no sítio catalítico
Enzimas podem ser inibidas de forma reversível ou irreversível:
3 tipos de inibição reversível: 
competitiva, incompetitiva e 
mista
Inibidor se liga em outro 
sítio apenas no complexo ES
Inibidor se liga 
no sítio catalítico
Enzimas podem ser inibidas de forma reversível ou irreversível:
3 tipos de inibição reversível: 
competitiva, incompetitiva e 
mista
Inibidor se liga em outro 
sítio apenas no complexo ES
Inibidor se liga 
no sítio catalítico
Inibidor se liga em 
outro sítio tanto 
em E quanto ES
Enzimas podem ser inibidas de forma reversível ou irreversível:
3 tipos de inibição reversível: 
competitiva, incompetitiva e 
mista
Inibições e o gráfico de duplo-recíprocos:
Km é alterada, 
mas a Vmáx não.
Inibições e o gráfico de duplo-recíprocos:
Km e Vmáx são 
alteradas.
Inibições e o gráfico de duplo-recíprocos:
Km e Vmáx são 
alteradas.
Inibição irreversível:
Na inibição irreversível o inibidor se combina com um grupo 
funcional da molécula ou destrói esse grupo funcional ou ainda se 
liga covalentemente à enzima. 
Atividade enzimática é afetada pelo pH:
Atividade enzimática é afetada pela temperatura:
Cofatores:
Íons inorgânicos ou coenzimas que agem como componentes químicos 
essenciais para a atividade de certas enzimas.
Cofatores:
Íons inorgânicos ou coenzimas que agem como componentes químicos 
essenciais para a atividade de certas enzimas.
Coenzimas: Moléculas complexas orgânicas ou metalo-orgânicas.
Íons inorgânicos:
Coenzimas:
Metabolismo: Alosteria e regulações
Uma via metabólica simples:
Mapa metabólico:
Vias metabólicas precisam ser reguladas:Vias metabólicas precisam ser reguladas:
Enzima regulatória: a que define a 
velocidade total da via
Modos de regular uma enzima:
1) Sítio alostérico,
2) Modificação covalente reversível,
3) Interação com proteínas regulatórias
4) Clivagem proteolítica
Sítio alostérico, modulação positiva:
Sítio alostérico, modulação negativa:
Sítio alostérico, modulação negativa:
Inibição retroativa
Modificação covalente reversível:
Fosforilações reguladoras:
glicogênio 
fosforilase
fosforilase
fosfatase
fosforilase
quinase
Clivagem proteolítica
Zimogênio: pró-enzima que precisa 
ser clivada para ser ativa.
Clivagem proteolítica
tripsina
quimotripsina
Tipos de Reações
Classificação das Enzimas: 
número EC
Classificação das Enzimas: número EC
Classificação das Enzimas: número EC
glicose + ATP glicose 6-fosfato + ADP
HK
EC 2.7.1.1
2: Transferase
7: de grupos contendo fósforo
1: com um grupo álcool como aceptor
1: sendo este uma hexose
Classificação das Enzimas: número EC
EC 5.3.1.9
5: Isomerase
3: de oxido-redução intramolecular
1: interconvertendo aldoses e cetoses
9: sendo a aldose uma glicose 6-fosfato
G6PI
Classificação das Enzimas: número EC
Ribozimas
Ribozimas são RNAs que possuem atividade catalítica!
Também são chamados Enzimas de RNA.
Ribozima foi descoberta em Tetrahymena thermophila, um 
protozoário, por Thomas Cech e colegas em 1982. Essa ribozima é
um intron do tipo I.
Introns I fazem auto splice (união), splice de outros RNAs e 
outras reações de transesterificação.
ribozima
Estrutura secundária e terciária de ribozimas:
Ribozima “hairpin”
Estrutura secundária e terciária de ribozimas:
Ribozima do tipo Intron I
Ribozimas artificiais:
Ribozimas naturais:
A maior parte das ribozimas encontradas na natureza atuam como 
catalizadores em reações do metabolismo de RNA.
Enzimas protéicas possuem atividade catalítica melhor do que 
ribozimas: 20 aminoácidos vs. ATCG.
Porque existem RNA catalizadores? Qual a importância deles?
Proteínas são melhores catalizadores...
Dogmas biológicos:
DNA RNA Proteína
Toda Enzima é uma proteína
Dogmas biológicos:
DNA RNA Proteína
Toda Enzima é uma proteínaNem
Dogmas biológicos:
DNA RNA Proteína
Toda Enzima é uma proteínaNem
Thomas Cech - Prêmio Nobel
RNA na evolução: Primeira molécula?
Hipótese do mundo do RNA
1) Apenas ribozimas
RNA na evolução: Primeira molécula?
2) Ribozimas com cofatores aa
3) Ribozimas com cofatores 2aa, 3aa
4) Ribozima encolhendo, 
enzima proteica aumentando
5) Enzima protéica com cofatores
nucleotídicos
RNA na evolução: Primeira molécula?
Last Universal Cellular Ancestor 
(Último Ancestral Celular Universal) 
Mundo das Ribonucleoproteínas (RNPs)
Química prébiótica
Mundo do RNA
Mundo das RNPs
Conclusão:
Enzimas: catalisadores biológicos (proteínas ou RNA),
RNAs como primeiras enzimas na evolução?
A Estrutura é importantes para catálise enzimática,
Sua cinética pode ser interpretada por equações,
Afetam a velocidade, não o equilíbrio das reações,
Possuem especificidade de substratos, 
Essenciais para a homeoestase,
Podem precisar de cofatores
São reguláveis

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