Aula5-Enzimas

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Bioquímica I 
 
Curso Técnico em Química 
INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E 
TECNOLOGIA DO RIO DE JANEIRO 
CAMPUS RIO DE JANEIRO 
Prof. Dr. Marcio Martins Loureiro 
 
marcio.loureiro@ifrj.edu.br 
ENZIMAS 
Embora este processo químico seja termodinamicamente favorável ele é muito lento 
• Para que esta reação libere energia em uma escala de tempo útil para a vida, se 
faz necessário a presença de um catalisador 
 
• Catalisador é toda e qualquer substância que acelere uma reação química, 
diminuindo a energia de ativação, sem ser consumido no processo. 
 
• Os organismos catalisam reações químicas através das enzimas, que são as 
mais notáveis e especializadas proteínas, que atuam como catalisadores 
biológicos com alto grau de eficiência e especificidade 
+ O2 CO2 + H2O 
Energia 
ENZIMAS 
•Apresentam papel central em processos 
bioquímicos 
 
• Atuam em sequências ordenadas catalisando 
centenas de passos em cadeia, em vias metabólicas 
de catabolismo e anabolismo 
MARCOS HISTÓRICOS DA BIOQUÍMICA 
A maior parte da história da bioquímica é a história da 
pesquisa sobre enzimas. 
• A catálise biológica foi inicialmente reconhecida e descrita no 
final do Século XVIII, a partir de estudos sobre a digestão da 
carne por secreções estomacais, que sugeriram a existência de 
catalisadores biológicos. 
• Em 1810, Joseph Gay-Lussac determinou que a decomposição do 
açúcar pelas leveduras resultava em etanol e CO2 
• Em 1850, Louis Pasteur propôs que o processo de fermentação 
do açúcar por leveduras era catalisada por fermentos, os quais eram 
inseparáveis da estrutura de células vivas (Hipótese do Vitalismo) 
MARCOS HISTÓRICOS DA BIOQUÍMICA 
• Em 1878, Frederich Wilhelm Kuhne nomeou estes “fermentos” como 
enzimas (do grego, en – dentro e zyme – levedura) 
• Em 1897, Eduard Buchner descobriu que os extratos de levedura 
podiam fermentar o açúcar até álcool, provando que a fermentação era 
promovida era catalisada por moléculas que continuavam a funcionar, 
mesmo quando removidas as células. 
• Em 1926, James Sumner obteve o isolamento e a cristalização da 
Urease, e demonstrou que estes cristais consistiam uma proteína, o que 
o levou a postular que todas as enzimas são proteínas. Esta premissa 
só foi aceita em 1930, quando outros pesquisadores cristalizaram 
enzimas digestivas. 
• Entre 1926 e 1930, J.B.S Haldane, escreveu um tratado intitulado 
“Enzimas”, embora houvesse controvérsias sobre a natureza das 
enzimas. Neste tratado, Haldane fez a sugestão que as interações 
fracas entre enzima e substrato, poderiam ser usadas para distorcer a 
molécula (O cerne da compreensão atual de catálise enzimática). 
ENZIMAS 
•A regulação destas enzimas permite coordenar as vias metabólicas, para 
execução de várias atividades necessárias a manutenção da vida. 
 
G
L
I
C
Ó
L
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G
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 CONSIDERAÇÕES GERAIS SOBRE ENZIMAS 
• A maior parte das enzimas são proteínas, com exceção de um pequeno 
grupo de RNAs, que apresentam atividade catalítica (Ribozimas) 
 
•As reações catalisadas por enzimas apresentam velocidades de reação 
de 106 a 1012 vezes maior que as mesmas reações na ausência de um 
catalisador. 
 
• As reações catalisadas enzimaticamente acontecem em condições de 
temperatura, pressão e pH condizentes coma vida. 
 
• A atividade catalítica varia em resposta a concentrações de outras 
substâncias, substratos e produtos. 
 
• As reações enzimáticas são altamente específicas e raramente formam 
produtos secundários. 
 
•As enzimas apresentam maiores graus de especificidade que os 
catalisadores químicos. 
 
• As atividades catalíticas de uma enzima dependem da sua integridade e 
suas estruturas tridimensionais. 
 
COFATORES ENZIMÁTICOS 
• Algumas enzimas requerem um grupamento prostético chamado de cofator 
 
• Uma enzima pode fazer uso de 1 ou mais íons inorgânicos para promover uma 
determinada reação. 
Neste exemplo, o Mg2+ “esconde” as 
cargas negativas do grupamento 
fosforil do ATP, fazendo com que o 
átomo terminal de P, seja um alvo 
mais fácil ao ataque nucleofílico do 
grupamento -OH 
COENZIMAS 
• Algumas enzimas requerem um grupamento prostético chamado de coenzima, 
que consiste em moléculas orgânicas complexa ou uma molécula metalorgânica. 
 
• As coenzimas geralmente são derivados de vitaminas. 
APOENZIMAS X HOLOENZIMAS 
• Apoenzima (ou Apoproteína) = Parte proteica da Enzima 
 
• Holoenzima = Enzima completa e cataliticamente ativa 
NOMENCLATURA ENZIMÁTICA 
• Os parâmetros atuais para nomear uma enzima são: 
 
 
Nome do substrato + Sufixo ase 
Ex: Urease (catalisa hidrólise de uréia) 
 
 
Palavra ou frase que descreve sua atividade + Sufixo ase 
Ex: DNA polimerase (catalisa polimerização de nucleotídeos para síntese de DNA) 
 
 
 
• As primeiras enzimas descritas na literatura não obedecem esta 
padronização, devido a larga popularidade do seu nome original. Ex: 
Pepsina, Tripsina (Enzimas digestivas), Lisozima (lisa parede celular 
bacteriana). 
 
CLASSIFICAÇÃO DAS ENZIMAS 
CLASSIFICAÇÃO DAS ENZIMAS 
A partir de 1961, passaram a ser classificadas em 6 principais classes, 
de acordo com a natureza das reações químicas que catalisam. 
1- Óxido-Redutases: catalisam reações de óxido-redução, ou seja, transferência de 
elétrons (íons hidretos ou átomos de H) entre compostos. 
 
2- Transferases: catalisam transferências de grupos entre moléculas 
 
3- Hidrolases: catalisam reações de hidrólise (quebram moléculas utilizando água) 
4- Liases: catalisam a adição de grupamentos à ligações duplas, ou formação de 
ligações duplas por remoção de grupamentos 
CLASSIFICAÇÃO DAS ENZIMAS 
5- Isomerases: catalisam transferências de grupos dentro da molécula para formar 
isômeros (A molécula é reorganizada sem perder átomos) 
6- Ligases: catalisam a formação de uma ligação química entre 2 compostos, 
utilizando a energia da quebra de um nucleotídeo trifosfatado (Ex: ATP) 
simultaneamente. 
CLASSIFICAÇÃO DAS ENZIMAS 
A cada enzima é atribuído um nome sistemático (Indica a reação que ela catalisa) + 
um número classificatório de 4 dígitos (E.C Number / E.C = Enzyme Commission). 
Pela nomenclatura da enzima acima, podemos deduzir que ela catalisa a 
transferência de um grupo fosfato do ATP para a Glicose. 
E.C 2.7.1.1 
Primeiro dígito (2) = Indica o nome da classe da enzima (Transferase) 
Segundo Dígito (7)= Indica o nome da subclasse da enzima (Fosfotransferase) 
Terceiro Dígito (1) = Indica que esta enzima é uma fosfotransferase que apresenta 
um grupo hidroxila aceptor de fosfato 
Quarto dígito (1) = In dica que a D-glicose é o aceptor do grupo fosfato. 
ATP + D-Glicose ADP + D-Glicose-6-fosfato 
 ATP Glicose Fosfotransferase 
 
 E.C. 2.7.1.1 
ATP Glicose Fosfotransferase = Hexocinase (Nome Trivial) 
MECANISMO DE AÇÃO DAS ENZIMAS 
• As enzimas apresentam sítio ativo, que são cavidades 
favorecedoras de um ambiente específico, onde uma dada reação 
química é energeticamente mais favorável. 
 
• A molécula que se liga ao sítio ativo e sofre ação da enzima é 
chamada de substrato. 
 
• A superfície do sítio ativo apresenta resíduos de aminoácidos que 
se ligam ao substrato e catalisam a sua transformação. 
MECANISMO DE AÇÃO DAS ENZIMAS 
• As enzimas afetam a velocidade mas não o equilíbrio das reações 
• A energia nos sistemas biológicos é descrita em termos de energia 
livre “G” (energia útil) 
• O ponto de partida da curva (em 
qualquer direção) é conhecido comoestado fundamental e corresponde a 
contribuição de uma molécula (S ou 
P) para a energia livre do sistema em 
uma determinada condição 
ΔGo = Variação de energia livre padrão 
• Quando a energia contida no 
substrato for maior que a contida no 
produto, dizemos que a reação é 
favorável e, portanto, espontânea . 
ΔG’o = Variação de energia livre padrão bioquímico 
FUNDAMENTOS FÍSICOS 
O FATO DA REAÇÃO SER FAVORÁVEL E ESPONTÂNEA NÃO 
SIGNIFICA QUE ELA IRÁ OCORRER RAPIDAMENTE 
• Muitos processos são desfavoráveis no ambiente celular (formação 
de intermediários instáveis; colisão de uma ou mais moléculas em 
orientações adequadas) 
 
• A maioria das moléculas biológicas são bastante estáveis em 
solução aquosa, pH neutro e temperatura média. 
 
• Durante a conversão de um S em P, ocorre a formação de um 
composto intermediário com energia muito alta denominado Estado 
de Transição, que possui um arranjo mais energético dos seus 
átomos. 
Reação catalisada enzimaticamente 
vs não catalisada 
Reação catalisada 
enzimaticamente 
Um equilíbrio favorável não significa que a 
conversão S>P ocorra numa velocidade mensurável 
• Existe uma barreira energética entre S e P que representa a energia necessária 
para: 1- alinhamento dos grupos químicos reagentes; 2- formação de cargas 
transientes instáveis; 3- rearranjo de ligações químicas; 4- outras transformações 
necessárias para a ocorrência da reação. 
• No topo da “colina” de energia consiste no ponto no qual a passagem para o 
estado S ou P é igualmente provável (Estado de transição). 
 
• A velocidade de uma reação é reflexo da energia de ativação, onde uma energia 
de ativação alta corresponde a uma reação lenta. 
Energia de 
ativação 
ΔG‡ 
EQUILÍBRIO DE UMA REAÇÃO 
• O equilíbrio de uma reação está intrínsecamente ligado ao ΔG’o (variação de 
energia livre padrão). 
 
 
• A constante de equilíbrio (Keq) está diretamente relacionada com ΔG
’o, onde um 
grande valor negativo para ΔG’o reflete um equilíbrio de reação favorável. 
Da termodinâmica, a relação 
entre Keq e ΔG
’o pode ser 
descrita pela expressão: 
R = constante dos gases (8,315 J/mol.K). 
T = Temperatura absolulta (298K ou 25º C) 
• Um valor muito negativo de ΔG’o reflete um equilíbrio favorável, entretanto, isso 
não significa que ela vai ocorrer com alta velocidade. 
VELOCIDADE DE UMA REAÇÃO 
•A velocidade de uma reação está ligada ao ΔG‡ (Energia de ativação). 
 
•A velocidade de uma reação é determinada pela concentração do substratos e 
por uma constante de velocidade (K). 
 
• Para uma reação S↔P, temos: 
A velocidade da reação (V), representa a quantidade de S que reage por 
unidade de tempo, sendo expressa pela equação da velocidade 
• Nesta reação, a velocidade depende apenas da concentração de S (reação de 
primeira ordem) 
 
• K = constante de proporcionalidade que reflete a probabilidade de uma reação 
ocorrer em um dado conjunto de condições (pH, temperatura, etc.). Neste 
exemplo K é uma constante de velocidade de 1ª ordem e sua unidade é o 
recíproco do tempo, por exemplo s-1. 
 
• Se a reação tem um valor de k = 0,03 s-1 , qualitativamente podemos afirmar que 
3% do S será convertido em P em 1s. 
 
• Se k= 2,000 s-1 a reação estará terminada em uma pequena fração de segundo 
 
• A relação entre K e ΔG‡ é inversa e exponencial, ou seja, quanto menor for ΔG‡ 
maior será a velocidade da reação, e vice versa. 
FATORES FÍSICOS E TERMODINÂMICOS QUE CONTRIBUEM 
PARA ΔG‡ 
• A entropia (Liberdade de movimento) das moléculas em solução, que reduz a 
possibilidade de que elas reajam entre si. 
 
• A REDUÇÃO DA ENTROPIA é um claro benefício da interação Enzima-Substrato, 
pois o substrato será orientado apropriadamente no sítio ativo para reagir 
As enzimas aumentam a velocidade das 
reações através da redução da entropia 
FATORES FÍSICOS E TERMODINÂMICOS QUE CONTRIBUEM 
PARA ΔG‡ 
• A camada de solvatação das moléculas de água ligadas por ligações de 
hidrogênio que rodeiam e ajudam a estabilizar a maioria das biomoléculas em 
solução aquosa. 
 
• A formação de ligações fracas entre substrato e enzima resulta na 
DESSOLVATAÇÃO DO SUBSTRATO, ou seja, substituem a maioria das ligações 
de hidrogênio encontrados entre substrato e água. 
FATORES FÍSICOS E TERMODINÂMICOS QUE CONTRIBUEM 
PARA ΔG‡ 
• A DISTORÇÃO DO SUBSTRATO é um passo necessário para a ocorrência de 
algumas reações, onde ocorrem pequenas alterações na estrutura global da 
molécula. 
 
• A energia de ligação formada no estado de transição ajuda a compensar 
termodinamicamente qualquer distorção, principalmente a redistribuição de 
elétrons, de modo que o substrato deve sofrer reação. 
FATORES FÍSICOS E TERMODINÂMICOS QUE CONTRIBUEM 
PARA ΔG‡ 
• Necessidade de ALINHAMENTO APROPRIADO DOS GRUPOS FUNCIONAIS 
catalíticos das enzimas 
 
• As enzimas sofrem mudanças na sua conformação quando o substrato se liga a 
ela, induzindo múltiplas interações fracas com o substrato (Ajuste Induzido), o que 
aumenta sua capacidade catalítica. 
DESCOBERTA E EVOLUÇÃO DO CONCEITO DE COMPLEXO 
ENZIMA-SUBSTRATO 
• Em 1870, Charles Adolphe Wurtz, postulou que as enzimas 
formavam um composto insolúvel em água quando colocada na 
presença do seu substrato, sendo o primeiro pesquisador a levantar 
esta hipótese. 
• Em 1898, Emil Fischer, propôs o modelo chave-fechadura, onde 
postulou que assim como uma chave geralmente só abre uma 
fechadura, apenas uma enzima é capaz de transformar um 
determinado substrato em produto. 
DESCOBERTA E EVOLUÇÃO DO CONCEITO DE COMPLEXO 
ENZIMA-SUBSTRATO 
• Em 1958, Daniel Koshland, propôs um processo de reconhecimento 
dinâmico entre enzima e substrato, denominado como Ajuste 
Induzido, onde a primeira interação da enzima com seu substrato, 
resultaria em uma série de mudanças na estrutura tridimensional da 
enzima. 
Ajuste induzido na Hexocinase 
PODER CATALÍTICO E ESPECIFICIDADE DAS ENZIMAS 
• O aumento de velocidade que as enzimas conferem varia de 5 a 17 ordens de 
magnitude. 
• As enzimas discriminam facilmente subtratos que possuem estruturas muito 
semelhantes, logo aumentam a velocidade das reações de forma seletiva. 
 
• A fonte de energia para diminuição da energia de ativação da reação se dá através 
do rearranjo de ligações covalentes, durante a reação enzimática. 
 
• Substratos e grupos funcionais da enzima (Cadeias de AAs específicos, íons 
metálicos e coenzimas) formam ligações covalentes transitórias, o que ativa o 
substrato, ou um grupo é transitoriamente transferido do substrato para a enzima. 
 
• Interações não covalentes entre enzima e substrato fornecem a maior parte da 
energia livre necessária para diminuir a energia de ativação da reação (Energia de 
Ligação - ΔGB). 
AS INTERAÇÕES FRACAS ENTRE ENZIMA E SUBSTRATO 
SÃO OTIMIZADOS NO ESTADO DE TRANSIÇÃO 
• A hipótese “chave fechadura” é enganadora quando aplicada à catálise 
enzimática, pois uma enzima totalmente complementar ao substrato seria inútil. 
• Se o encaixe da enzima ao substrato for muito preciso, a enzima irá estabilizar o 
substrato ao invés de desestabilizá-lo, ou seja, irá formar um complexo de baixa 
energia, logo, não alcançará o estado de transição e o substrato não será 
convertido em produto. 
AS INTERAÇÕES FRACAS ENTRE ENZIMA E SUBSTRATO 
SÃO OTIMIZADOS NO ESTADO DE TRANSIÇÃO 
• Os sítios ativos das enzimas são complementares não propriamente aos 
substratos, e sim aos estados de transição pelos quais um substrato passa no 
decurso da sua conversão em produto. 
• As enzimas e algumas coenzimas são 
enormes quando comparadas ao substrato, 
pois é necessário estabelecermúltiplas 
interações fracas, logo, devem fornecer grupos 
funcionais para interações iônicas, ligações de 
hidrogênio e outras interações, posicionando 
precisamente estes grupos para otimizar a 
energia de ligação no estado de transição. 
A ENERGIA DE LIGAÇÃO CONTRIBUI PARA 
ESPECIFICIDADE DA REAÇÃO E CATÁLISE 
• A Energia de Ligação que favorece a catálise também dá as 
enzimas a sua especificidade, ou seja, a sua capacidade de 
discriminar entre um substrato e uma molécula competidora. 
 
• catálise e especificidade provem do mesmo fenômeno, pois o sítio 
ativo da enzima possui grupos funcionais otimizados para interagir 
com o substrato no seu estado de transição, logo, a mesma não 
consegue interagir com a mesma intensidade com outra molécula. 
GRUPOS CATALÍTICOS ESPECÍFICOS 
CONTRIBUEM PARA A CATÁLISE 
• Além da energia de ligação (ΔGB), outros mecanismos contribuem para a catálise 
enzimática 
 
•Grupos funcionais catalíticos posicionados de forma apropriada ajudam no 
rompimento e na formação de ligações por vários mecanismos, incluindo catálise-
geral ácido-básica, catálise covalente e catálise por íons metálicos. 
 
• Estes mecanismos geralmente envolvem uma interação transitória covalente com 
o substrato ou uma transferência de grupo do substrato ou para ele. 
• Ocorre a formação de 
intermediários carregados instáveis, 
que tendem a se quebrarem nas 
espécies reagentes que os 
constituem. 
 
• Estes intermediários são 
estabilizados pela transferência de 
prótons (1- Para Substratos; 2- Dos 
Substratos; ou 3- De Intermediários), 
para formar uma espécie que se 
transforma mais rapidamente em 
produtos. 
 
• Os catalisadores Ácido-Básicos 
utilizam apenas íons H+ (H3O+) ou 
OH- presentes na água. 
CATÁLISE GERAL ÁCIDO-BÁSICA 
CATÁLISE GERAL ÁCIDO-BÁSICA 
• Neste tipo de catálise ocorre a transferência de prótons mediada por moléculas de 
outras classes. 
•No sítio ativo das enzimas, algumas cadeias laterais de aminoácidos podem agir 
como doadores/aceptores de prótons, proporcionando um aumento da ordem de 
102 a 105 
CATÁLISE GERAL ÁCIDO-BÁSICA 
CATÁLISE COVALENTE 
• Neste tipo de catálise ocorre a formação de uma ligação covalente 
transitória entre a enzima e o substrato 
Considerando a hidrólise de uma ligação entre os grupos A e B 
A-B A + B 
 H2O 
 
A-B + X: A-X + B A+ X: + B 
 H2O 
 
Na presença de um catalisador covalente (uma enzima com um grupo 
nucleofílico X:), a reação torna-se: 
• A formação destes complexos covalentes, tornam necessário a 
realização de uma reação adicional, para regenerar a enzima livre. 
CATÁLISE COVALENTE 
Lisozima 
CATÁLISE POR ÍONS METÁLICOS 
• Metais, tanto ligados a enzima, quanto tomados da solução 
juntamente com o substrato, participam na catálise de várias 
maneiras. 
 
• Interações iônicas entre metais ligados a enzimas e substrato 
auxiliam na orientação do substrato ou na estabilização de estados 
de transição carregados. 
 
• Metais podem mediar reações de Óxido-Redução por mudanças 
reversíveis nos seus estados de oxidação. 
 
•Praticamente 1/3 de todas as enzimas conhecidas necessitam de 1 
ou mais íons metálicos para a atividade catalítica. 
CATÁLISE POR ÍONS METÁLICOS 
• Enzimas apresentam um pH ótimo ou uma faixa de pH, onde sua 
atividade é máxima. 
 
• Grupos protonáveis podem: 
 
 1- Fazer parte do sítio ativo, logo, uma mudança no seu grau de 
protonação, irá influenciar diretamente a ligação do substrato; 
 
2- Atuar na estabilização da estrutura da enzima como um todo, e 
indiretamente influenciar na estrutura do sítio ativo. 
A EFICIÊNCIA ENZIMÁTICA É 
DEPENDENTE DE pH 
• Aumento de temperatura provoca aumento na velocidade 
das reações. 
 
• Energia térmica é convertida em energia cinética para as 
moléculas. 
 
A EFICIÊNCIA ENZIMÁTICA É 
DEPENDENTE DE TEMPERATURA