6_Enzimas

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Enzimas: conceito, 
funções e aplicações
Aurenívia Bonifácio
UFT - Gurupi
Enzimologia - o estudo das enzimas
Breve Histórico
"enzima" >> do Grego: "dentro", em; "zima", levedo)
Louis Pasteur
Sistemas vivos são dotados 
de uma força vital que lhes 
permite fugir das leis da 
natureza que regem a 
matéria inanimada.
Justus von Liebig
Os processos biológicos 
são provocados pela ação 
de substâncias químicas 
então denominadas de 
"fermentos".
Eduard Buchner
Mostrou que um extrato 
de levedura livre de 
células pode de fato 
executar a síntese de 
etanol a partir de glicose 
(fermentação alcoólica).
James Sumner
Cristalizou a Urease –
enzima que catalisa a 
hidrólise da ureia em NH3
and CO2 – e determinou a 
constituição como sendo de 
proteína.
Enzimas
Características gerais
- Catalisadores biológicos >> substâncias de 
origem biológica que aceleram reações químicas
“Toda enzima é uma proteína, 
mas nem toda proteína é uma enzima”
- Peso molecular variando de 12.000 
a mais que 1 milhão;
- Pode ou não possuir grupos adicionais:
Cofatores = íons metálicos;
Coenzimas = moléculas orgânicas.
Enzimas
Características gerais
- Altas taxas de reação
As enzimas podem acelerar
as reações numa ordem de
106 a 1012 vezes
- Condições de reação mais suaves
As enzimas conduzem suas reações em 
temperaturas abaixo de 100 °C, pressão 
atmosférica e em pH próximo ao neutro
- Grande especificidade de reação
As enzimas possuem grande especificidade 
com relação aos substratos 
- Capacidade de regulação
As enzimas possuem podem ser reguladas pelo controle alostérico,
modificações covalentes e variação na quantidade de enzimas sintetizadas
Especificidade enzima substrato
- Complementaridade geométrica
O substrato é complementar na forma 
com a enzima
- Complementaridade eletrônica
Os aminoácidos formam sítios de ligação que são
arranjados para atrair o substrato
- As enzimas são estereoespecíficas
As enzimas são especificas na ligação com o
substrato e nas suas reações Exemplos da ligação
enzima-substrato
Cofatores
Algumas enzimas requerem cofatores
Cu+2, Fe+3ou Zn+2
Forma oxidada da 
coenzima nicotinamida
Cofatores
Íons metálicos
Coenzimas
Co-substratos
Grupos prostéticos
Moléculas orgânicas
Agregadas 
transientemente 
à enzima
Permanentemen
te associadas à 
enzima
Enzima e suas partes
Cofator
Coenzima
Sítio catalítico
Holoenzima
Apoenzima
Complexo enzima 
ativa + cofator
Enzima inativa 
(sem cofator)
Classe Nome Tipo de reação catalisada
Classe 1 Oxidoredutases Reações de oxido-redução
Classe 2 Transferases Transferência de grupos funcionais
Classe 3 Hidrolases Reações de hidrólise
Classe 4 Liases Eliminação de grupos para formar duplas ligações
Classe 5 Isomerases Isomerização
Classe 6 Ligases Formação de ligações acoplado com hidrólise de ATP
Enzimas
Classificação
- De acordo com a natureza química de suas reações;
- “International Union of Biochemistry and Molecular Biology” (IUBMB)
Enzimas
Como as enzimas trabalham?
Reduzem a quantidade de energia de ativação necessária para a 
atividade enzimática acontecer.
 As enzimas realizam, muitas vezes, as 
reações nos dois sentidos 
 A concentração de substratos e 
produtos é o que define a velocidade 
das reações
 Poder catalítico das enzimas vem da 
energia livre liberada na formação 
de ligações fracas quando da interação 
enzima-substrato
 Interações fracas entre ES são 
otimizadas no estado de transição
Equilíbrio químico
Bastonase
 Pauling (1946): 
Enzima deve ser 
complementar ao 
Estado de 
transição (ET), 
não ao substrato
 ET não é forma 
estável
 Interações fracas 
entre a enzima e o 
substrato 
propulsionam a 
catálise enzimática
 Necessidade de 
múltiplas 
interações fracas 
explica pq algumas 
proteínas são tão 
grandes
Estabiliza o 
substrato
Enzimas
Reações em um passo e em dois passos
Reação em um passo
Reagentes  Produtos
Reação em dois passos
Reagentes  Produto intermediário  Produto final
Especificidade enzimática
• Deriva da formação de 
múltiplas interações fracas 
entre a enzima e a molécula 
do substrato específico
• Redução da entropia pela 
ligação
• Dessolvatação do substrato
• Ajuste induzido – a proteína 
também muda de 
conformação
Grupos catalíticos
-Catálise geral ácido-base
• Transferência de prótons
-Catálise covalente
• Formação de lig. covalente
transitória entre E e S
• -Ativação do substrato
-Catálise por íons metálicos
• -Estabilizam estados de transição
• -1/3 das enzimas conhecidas usam 
íons metálicos nas reações catalíticas
Enzimas muitas vezes usam as três 
estratégias de catálise em conjunto
Ex.: Quimiotripsina
Catálise ácido-básica
Catalise ácida >> Processo onde a transferência de prótons de um 
ácido baixa a energia livre do estado de transição da reação
Catálise básica >> Processo onde a abstração de prótons por uma 
base baixa a energia livre do estado de transição da reação
Catálise ácido-básica
Catalise ácida >> Processo 
onde a transferência de 
prótons de um ácido baixa a 
energia livre do estado de 
transição da reação
Catálise básica >> Processo 
onde a abstração de 
prótons por uma base baixa 
a energia livre do estado de 
transição da reação
Catálise covalente
A reação é acelerada através da formação de 
transitória de uma ligação covalente 
catalisador (enzima)- substrato.
A reação segue em três estágios:
1. A reação nucleofílica entre o catalisador e 
o substrato forma uma ligação covalente;
2. A retirada dos elétrons do centro de 
reação pelo catalisador eletrofílico;
3. A eliminação do catalisador.
Reação de hidrólise
Catálise com íons metálicos
Metaloenzimas – possuem como 
cofatores íons metálicos (Fe+2, 
Fe+3, Cu+2, Mn+2 ou Co+2)
Íons Na+, K+ ou Ca+2 >> 
estruturais
Íons Mg+2 e Zn+2 >> 
estrutural/catalítico
Catálise com íons metálicos
Os íons metálicos participam do 
processo catalítico de três formas:
1. Pela ligação ao substrato para 
orientá-lo apropriadamente para a 
reação;
2. Pela mediação das reações de 
oxidação-reação através de 
mudanças reversíveis no estado 
de oxidação do íon metálico;
3. Pela estabilização eletrostática 
ou proteção das cargas negativas.
Fatores que afetam a atividade enzimática
Temperatura
pH
Fatores que afetam a atividade enzimática
Concentração da 
enzima
Concentração do substrato
Cinética enzimática
Breve Histórico
Estuda a velocidade de reação e como ela se 
altera em resposta a modificações experimentais 
Postularam que as 
enzimas aumentam a 
velocidade da reação e 
não o equilíbrio da reação
Equação de 
Michaelis-Menten
Leonor Michaelis
1875-1949 
Maud Menten
1879-1960
Cinética enzimática
 Experimentos de mutagênese
sítio-dirigida permite que os 
pesquisadores investiguem o 
papel de cada aminoácido na 
função protéica
 A concentração do substrato [S]
influi na velocidade das reações 
catalisadas por enzimas
 Velocidade máxima é abstraída 
para concentrações excessivas de 
Substrato
 Constante de Michaelis
-kM = [S] correspondente a ½ Vmax; 
Constante de equilíbrio
K’eq = [S]
―[P]
Constante de equilíbrio está relacionada 
com energia livre padrão (ΔGꞌ○) 
ΔGꞌ○ = - RT lnK’eq
R = 8,135 J/mol.K
T = 298 K
ΔGꞌ○ negativo
A reação é favorável
ΔGꞌ○ positivo
A reação é desfavorável
Cinética enzimática
Estado basal
Estado de transição
Energia livre Energia de ativação
Condições padrão
298K (25°C); 1 atm
(101,3 Kpa); 1M de soluto
Reação
S  P
Energia de ativação
Energia necessária parao alinhamento dos grupos que 
reagem, formação de cargas transitórias, rearranjos de 
ligação e outras transformações requeridas.
A velocidade da 
reação é afetada 
pela energia de 
ativação
ΔGꞌ○
Velocidade da reação
A velocidade da reação (V) é determinada pela concentração 
do(s) reagente(s) e por uma constante de velocidade (k) 
Numa reação de 
primeira ordem:
V = k[S]
Depende apenas da 
concentração do substrato
Reação de primeira ordem
S  P
Numa reação de segunda 
ordem:
V = k[S1][S2]
Depende de dois compostos diferentes ou 
de duas moléculas do mesmo composto
Reação de segunda ordem
S1 + S2  P
k >> unidade: s-1
k >> unidade: M-1s-1
Velocidade da reação
A velocidade da reação (V) é determinada pela concentração 
do(s) reagente(s) e por uma constante de velocidade (k) 
Constante de Boltzann
k = KT e 
-ΔGǂ /RT
―
ɦ
Constante de Planck
ΔGǂ = - RT lnK’eq
A relação entre constante de 
velocidade (k) e energia de ativação 
(ΔGǂ) é inversa e exponencial
Para calcular a velocidade da reação...
Deve-se assumir que:
1. O primeiro passo da reação atinge o 
equilíbrio com a formação do complexo ES 
(Complexo Michaelis);
2. Estado estacionário - momento onde a 
concentração do ES permanece constante 
com o tempo.
Cinética do estado estacionário
Cinética do estado estacionário
Vmáx
É atingida quando toda a enzima 
se encontra como complexo ES 
e [E] for pequena.
A enzima está “saturada” de 
forma que aumentos na [S] não 
afetam a velocidade. 
Equação de Michaelis-Menten:
Vo = 
Vmáx[S]
Km + [S] 
[S] = substrato
Vo = velocidade inicial da reação
Km = constante de Michaelis
Equação de Michaelis-Menten
Vo = 
Vmáx[S]
Km + [S] 
[S]
Vo
Vo = ½ Vmáx
Vmáx
= 
Vmáx[S]
Km + [S] 
Vmáx
2
= 
[S]
Km + [S] 
1
2
= 2[S]Km + [S] Km = [S]
Quando o Vo é igual a metade do Vmáx >> o Km é igual a [S]
Km
Enzimas com cinética de Michaelis-Menten
exibem dependência hiperbólica de Vo em função da [S]
Diagrama do duplo recíproco
Inclinação da reta
Vo
Vo = 
Vmáx[S]
Km + [S] Vo Vmáx[S]
Km
=
1
+
[S]
1
Equação de 
Michaelis-Menten
Equação de 
Lineweaver-Burk
Permite a 
determinação 
mais acurada 
de Vmáx
Mecanismos de reação enzimática
Dois tipos:
1. Com formação do complexo ternário
aleatória ordenada
2. Sem a formação do complexo ternário
também chamada de ‘ping-pong’
Inibição enzimática
Inibidores enzimáticos
Agentes moleculares que interferem com a 
catálise, diminuindo ou parando a reação. 
Classes:
-Reversíveis
-Irreversíveis
Inibição competitiva
O inibidor compete com o substrato 
pelo sitio ativo da enzima.
Impede a ligação do substrato.
Pode ser revertida adicionando-se
mais substrato
Inibição incompetitiva
O inibidor não se combina com o 
enzima livre nem interfere com a 
ligação entre enzima e substrato; 
porém, combina-se com o complexo 
enzima-substrato para formar um 
complexo ESI inativo
Diminui a medida do Vmáx por um
fator α
Inibição mista
O inibidor pode se 
ligar tanto em E 
quanto em ES no 
sitio ativo
Inibição irreversível
O inibidor forma ligações 
covalentes com ou 
destroem o grupo 
funcional de uma enzima 
que é essencial para a sua 
atividade; ou forma uma 
associação covalente 
particularmente estável.
Inibidor suicida
sofre a primeira de muitas etapas 
da reação e é então convertido 
em um produto químico que 
quando liberado se combina 
irreversivelmente à enzima.
Exemplos de reações enzimáticas
• Hexocinase
• Enolase
• Proteases do HIV
A hexoquinase
• Sofre um ajuste induzido 
quando ligada ao substrato
• Fosforila um resíduo de 
glicose
• Primeiro passo da via 
glicolítica
A hexoquinase
• Adição de Xilose “engana” a enzima e faz com 
que ela fosforile a água
A enolase
• Realiza desidratação reversível 
de 2-fosfoglicertato a 
fosfoenolpiruvato
– Dímero com 436aa
• Catálise geral ácido base + 
estabilização do estado de 
transição
– Interações estabilizam 
intermediário (enolato)
– Ligações de H com outros aa’s do 
sítio ativo contribuem para o 
mecanismo geral
Os antivirais: o que é um vírus?
• Anatomia molecular viral
– Ácido nucléico envolto por uma capa protetora feita de 
proteínas (capsídeo)
– Uma única molécula de ácido nucléico de fita simples ou 
dupla (fita positiva ou negativa)
• Genomas compactos
– Contêm apenas as proteínas 
necessárias à replicação viral
– Genomas da ordem de Kb
Parasitismo intra-celular
• O vírus não tem metabolismo próprio
– Não é um organismo de vida-livre
– Parasita intra-celular obrigatório
• Forma de cristal
• Sequestra a maquinaria molecular da célula
– Mecanismo moleculares de 
produção preferencial dos 
genes virais (fator sigma 
próprio e específico)
Variedades virais
• Vírus de DNA
– Precisam chegar ao núcleo 
para serem primeiramente 
transcritos em RNA
• Vírus de RNA
– Podem atuar no citoplasma
• Vírus de RNA com 
transcrição reversa
– Acontece a transcrição reversa 
do RNA em DNA e o DNA é 
normalmente integrado ao 
genoma do hospedeiro
HIV
• SIDA: Síndrome da imunodeficiência humana
– Pandemia
– Matou 25 milhões de pessoas nos últimos 25 anos
• Retrovírus (lentivirus)
– 2 cópias de um RNA fita simples (fita +)
– Nove genes
– Capsídeo é formado por cerca de 2000 proteínas p24
• 0,6% da população humana está infectada
HIV
Micrografia eletrônica de varredura de HIV-1, em cor verde, 
saindo de um linfócito cultivado
AZT (azidotimidina)
• Mimetiza um nucleotídeo de timina
– Azida no lugar de hidroxila
• Prejudica a ação da transcriptase reversa
• Atrasa o desenvolvimento dos vírus, 
ainda que, aos poucos o vírus 
se torne resistente
Transcriptase reversa 
mutante passa a não 
reconhecer mais o AZT
Outros tratamentos
• Inibidores de protease
– Impedem a protease do HIV de clivar as proteínas produzindo 
componentes maduros
• Inibidores de integrase
– Impedem o vírus de integrar seu DNA no genoma do hospedeiro
• Inibidores de fusão
– Interferem nas proteínas gp120 e gp41 ou bloqueiam receptores 
celulares de ligação ao HIV
• Coquetel anti-AIDS
– dificulta a adaptação do vírus a várias frentes moleculares de 
ataque, diminui comprovadamente o número de vírus no 
sangue
Proteases do HIV
• O RNA do vírus é 
traduzido em grandes 
proteínas
 Essas proteínas 
precisam ser 
hidrolisadas em 
proteínas 
individuais do 
capsídeo
Proteases do HIV
• A protease do HIV é uma aspartil-protease
– 2 resíduos de Asp facilitam ataque da água à ligação peptídica
Enzimas regulatórias
• Possui atividade catalítica aumentada 
ou diminuída em resposta a certos 
sinais
– Ajustes na velocidade da via 
metabólica permite que as células se 
adaptem a condições em variação
• Tipos mais comuns
– Enzimas alostéricas (ligações 
reversíveis a compostos)
– Modificações covalentes
– Ativadas por remoção de segmentos 
peptídicos (irreversível)
• Subunidade regulatória é 
normalmente diferente da subunidade 
catalítica
Enzimas alostéricas
• Homotrópicas: o ativador é o próprio substrato 
(hemoglobina)
• Heterotrópicas: outro ativador
• Enzimas alostéricas
– Mais de um sítio regulatório
• Cada um específico para um regulador
• Aspartato-transcarbamoilase
– 12 cadeias polipeptídicas
– Azul: catalíticas
– Vermelho/Amarelo: regulatórias
Enzimas alostéricas são 
reguladoras
• ... de vias bioquímicas
• Normalmente são o primeiro passo da 
via– “economiza” a execução das outras 
reações
– Único passo de regulação da via
• Inibição por retroalimentação: São 
inibidas pelo produto do último passo
• Inibição alostérica heterotrópica
Regulação por modificações 
covalentes 
• 500 tipos diferentes Modificações pós-
traducionais covalentes já foram descritos
• Proteínas inteiras podem ser adicionados 
como a ubiquitina e a sumo
– Ubiquitinilação marca proteína para degradação
– Sumoilação é encontrada em proteínas nucleares
• Mudanças substanciais afetam de forma 
significativa a função da enzima
• Fosforilação é a mudança mais comum
– Podem haver vários sítios fosforiláveis
Proteólise de precursores
• Proteases não podem ser 
produzidas em estado ativo
– Do contrário destruiriam as 
proteínas celulares...
• Zimogênios são precursores 
das proteínases
– Só funcionam depois da 
ativação por proteínas 
– Ativação irreversível
• Mecanismo de produção de 
pró-proteínas ou pró-
enzimas