Enzimas

Prévia do material em texto

ENZIMAS
Prof. Dr. Anderson Garcia
Estrutura e mecanismos gerais de catálise 
1. O que são enzimas
2. Classes de enzimas e reações
3. Estrutura química das enzimas.
4. Como funcionam as enzimas
5. Influência de fatores físicos e químicos na atividade 
enzimática.
ROTEIRO DA AULA 
Observe o esquema abaixo:
Carboidrato (Sacarose)
Oxidação pelo seres 
vivos
Fornece energia
Vai se 
transformar 
em energia?
Um dia, quem 
sabe !
Reação que não ocorre 
expontâneamente, ou 
ocorre lentamente
Então, o que os seres vivos 
possuem que transforma 
rapidamente os carboidratos 
em energia utilizável para as 
reações biológicas?
ENZIMAS
1. O que são enzimas 
São, em grande maioria proteínas com atividade
catalítica, ou seja, “aceleram” reações biológicas que
em condições fisiológicas não aconteceriam ou
levariam muito tempo para acontecer.
Há também um grupo de enzimas não proteicas, como
alguns tipos de RNA.
Enzimas 
Enzimas são importantes e indispensáveis para a manutenção 
das reações metabólicas no organismo como a oxidação 
(degradação) e síntese de:
• Carboidratos.
• Lipídeos.
• Ácidos nucleicos.
• Vitaminas.
• Hormônios.
• Dentre outras.
Distúrbios ou alterações nas 
atividades enzimáticas 
podem levar ao mal 
funcionamento celular e do 
organismo.
Causada por um alelo defeituoso do gene que codifica a enzima 
hepática fenilalanina hidroxilase (PAH), que converte a 
fenilalanina contida nos alimentos no aminoácido tirosina. 
Nos afetados a enzima não consegue se ligar a fenilalanina que 
acumula-se no corpo e é convertida em ácido fenilpirúvico que 
interfere no desenvolvimento do sistema nervoso central, levando 
ao retardamento mental. 
Doença humana Fenilcetonúria (PKU) 
2. Classes de enzimas e reações
As enzimas são classificadas de acordo com uma das 6 reação que elas catalisam.
Um sistema de numeração constituído por quatro números foi desenvolvido pela Union of
Biochemistry and Molecular Biology (IUBMB) para caracterizar cada enzima, assim como a 
Enzyme Comission (E.C.)
Por exemplo: o E.C. da enzima ATP: glicose-fosfotransferase é 2.7.1.1, onde: 
Primeiro número: (2) indica o número da classe (Transferase)
Segundo número: (7) indica a subclasse (fosfotransferase)
Terceiro número: (1) indica uma fosfotransferase que tem um grupo hidroxila como
Aceptor
Quarto número: (1) D-glicose como o aceptor do grupo fosforil.
Então o nome sistemático das enzimas inclui: 
O nome do substrato + a reação catalisada pela enzima + o sulfixo “ase”.
Ex: Álcool desidrogenase E.C. 1.1.1.1 (enzima que oxida um álcool à aldeído)
Substrato: Álcool
Reação: oxidação-redução (desidrogenases) 
3. Estrutura química das enzimas
A atividade catalítica de uma enzima depende da integridade de sua conformação 
nativa (estrutura tridimensional), dependo da enzima há necessidade de co-fatores e 
coenzimas.
As enzimas são compostas por:
• Uma parte proteica.
Dependente ou não de grupos 
prostéticos. Quando a enzima necessitar 
de grupos prostéticos para exercer sua 
atividade catalítica, a parte proteica é 
chamada de apoenzima. Somente quando 
a enzima estiver com seus grupos 
prostéticos ligados à parte proteica ela é 
ativa e então chamada de holoenzima´.
• Grupos prostéticos:
Além da parte proteica, muitas enzimas 
requerem grupos adicionais como:
Co-fatores: íons metálicos (Fe2+, Mg2+, 
Mn2+ ou Zn2+)
Coenzimas (derivados de vitaminas): 
molécula orgânica ou metalorgânica. 
Exemplo: NAD, FAD, Lipoato, Biotina, 
entre outros.
• Sítio catalítico ou sítio ativo:
Local da enzima onde irá ocorrer a 
transformação do substrato em produto. No 
sítio catalítico estão situados resíduos de 
aminoácidos específicos ou uma coenzima, ou 
ambos para cada tipo de reação a ser 
catalisada.
É a enzima cataliticamente ativa
4. Como funcionam as enzimas
Algumas reações químicas não acontecem espontaneamente devido ao alto grau de 
ativação ou barreira de ativação ou ainda calor específico que é a energia de ativação 
para que esta reação aconteça e é desfavorável do ponto de vista termodinâmico.
• Energia de ativação ou
barreira energética
É a quantidade de energia que é preciso 
para transformar os reagentes em 
produtos. Geralmente expresso na 
forma de ΔG (energia livre de Gibbs).
• Estado de transição ou
complexo ativado
Forma molecular intermediária entre o 
reagente e o produto, existe somente no 
alto da barreira energética. É altamente
instável.
As enzimas atuam diminuindo a barreira de ativação 
necessária para que o(s) reagente(s) ou substrato(s)
sejam transformados em produto(s). 
Desta maneira, elas 
alteram a velocidade 
da reação, fazendo 
com que ocorra mais 
rápido do que uma 
reação não catalisada.
Enzimas não são 
consumidas na 
reação
Atualmente o mecanismo de ação das enzimas são propostos por dois modelos de 
catálise:
A) O substrato é complementar ao sítio ativo (modelo chave e fechadura). 
Entretanto, a hipótese da “chave e fechadura” pode ser enganadora quando 
aplicada à catálise enzimática. Uma enzima totalmente complementar ao seu 
substrato seria uma enzima muito pobre, como se pode demonstrar.
B) Modelo do ajuste induzido. A enzima sofre modificações para se ajustar 
ao substrato, sendo o sítio ativo complementar ao estado de transição e não 
ao substrato em si (modelo mais atualmente aceito). 
Enzima hexoquinase se 
ajustando ao seu 
substrato, a glicose (em 
vermelho)
As reações químicas ocorrem entre substratos e grupos 
funcionais da enzima como: 
• cadeias específicas de aminoácidos;
• íons metálicos
• coenzimas.
Algumas enzimas podem-se ligar covalentemente ao 
substrato, mas a maioria das enzimas utilizam as 
ligações ou interações fracas entre os grupos 
funcionais no sítio ativo e o substrato, essas ligações 
liberam energia livre para a catálise enzimática.
As enzimas são altamente seletivas.
Enzimas são altamente específicas ao seus substratos e ao seu estereoisômero.
Uma enzima que hidrolisa a maltose, 
não hidrolisa a celobiose.
Uma enzima que catalisa o 
estereoisômero L, não catalisa o D
Catálise enzimática
Uma reação catalisada por enzimas ocorre da seguinte maneira
Enzima 
substrato 
Complexo enzima/substrato 
(estado de transição) 
Complexo enzima/produto
Produto 
Enzima 
Tipos de reações catalíticas no sítio ativo das enzimas
• Catálise geral acidobásica.
O termo catálise geral acidobásica refere-se à transferência de prótons mediada por 
alguma outra molécula que não água. A maioria das enzimas utiliza este tipo de 
catálise
Algumas cadeias laterais de aminoácidos 
podem assumir o papel de agentes doadores 
e aceptores de prótons. Esses grupos podem 
estar posicionados precisamente no sítio ativo 
da enzima de modo a possibilitar a 
transferência de prótons, proporcionando um 
aumento de velocidade da ordem de 102 a 
105.
• Catálise covalente. 
Na catálise covalente há a formação de uma ligação covalente transitória entre a 
enzima e o substrato. Considere a hidrólise de uma ligação entre os grupos A e B:
Na presença de um catalisador covalente (enzima com grupo nucleofílico X:), a reação 
torna-se:
• Catálise por íons metálicos.
Metais, tanto ligados firmemente à enzima quanto tomados da solução juntamente 
com o substrato, podem participar na catálise de várias maneiras.
• Interações iônicas entre metais ligados a enzimas e substratos podem ajudar a 
orientar o substrato para a reação ou estabilizar estados de transição carregados. 
Esse tipo de uso de interações fracas entre metais e substratos é similar a alguns 
dos usos da energia de ligação enzima-substrato descritos anteriormente.
• Os metais também podem ser mediadores de reações de oxidorredução por 
mudanças reversíveis no estado de oxidação do íon metálico. Aproximadamente 
um terço de todas as enzimas conhecidas necessita de um ou mais íons metálicos 
para a atividade catalítica.
5. Influência de fatores físicos e químicos na 
atividade enzimática.
Fatores que afetam a atividade enzimática:1. Condições do meio que afetam estabilidade protéica
• pH
• temperatura
2. Tempo da reação
3. Concentração dos reagentes
• a enzima
• o substrato
• co-fatore(s)
%
 a
ti
vi
d
ad
e
 e
n
zi
m
át
ic
a 
m
áx
im
a
1. Fatores que afetam a estabilidade proteica das enzimas
• Variações de pH: pH ótimo
O pH ótimo de uma enzima reflete 
variações no estado de ionização de 
resíduos de aminoácidos do sítio 
ativo. A enzima está pelo menos 
parcialmente desnaturada em pHs
afastados do pH ótimo. Quando o 
substrato é uma molécula ionizável, 
o pH ótimo da enzima também 
reflete o seu estado de ionização .
pH ótimo=1,5 pH ótimo=6,8 pH ótimo=9,9
1. Fatores que afetam a estabilidade proteica das enzimas
• Variações de temperatura: temperatura ótima
100-
50-
0-
%
 a
ti
vi
d
ad
e
 e
n
zi
m
át
ic
a 
m
áx
im
a
Temperatura 
ótima
Desnaturação 
térmica da proteína
Pouca energia 
para a reação 
acontecer Ao contrário da curva em 
forma de sino no caso da 
atividade enzimática versus
pH, a enzima só está 
desnaturada em temperaturas 
acima da temperatura ótima.
2. Tempo da reação
3. Concentração:
• da enzima
• do substrato 
• de co-fatore(s)
tempo
co
n
ce
n
tr
aç
ãoA [substrato] cai na mesma razão em que a 
[produto] aumenta em função do tempo.
A enzima existe sob duas formas: enzima livre E e 
complexo enzima-substrato ES. No início da reação, 
a [E] livre cai e a do complexo [ES] aumenta e 
atinge um máximo, em que não há mais [E] livre no 
meio. Nessa situação (indicada no retângulo cinza), 
diz-se que a enzima está saturada (só existe no 
complexo ES). A velocidade da reação é a máxima.
O gráfico abaixo ilustra como as 
concentrações de E, S e P variam ao longo do 
tempo da reação.