Research into Enzims

ENZIMAS

São proteínas globulares Prof Cristiane Bioquímica

ENZIMAS - APLICAÇÕES 1- Alvos para ação de medicamentos. Exemplo: Antiinflamatórios → diclofenaco (inibidor da ciclooxigenase) 2- Defeitos nas enzimas constituintes do organismo podem causar patologias. Ex: Fenilcetonúria 3- Aplicações clínicas: Ex= medida da atividade da creatinina quinase (CK) no plasma como diagnóstico de infarto do miocárdio 4- Aplicações na indústria: • medicamentos: Fibrase® • alimentícia: amilases, proteases, lipases • sabões: lipases, amilases •tratamento de efluentes: lipases

ENZIMAS As células do nosso corpo são como fábricas Centenas de reações químicas acontecem nas nossas células a cada segundo

Todas essas reações são catalisadas por enzimas

ENZIMAS Todas as enzimas são proteínas Exceto uma classe pequena de RNA com capacidade catalítica chamados de ribozimas Enzimas tem função de acelerar as reações das nossas células

ENZIMAS  Elas não podem tornar possíveis reações termodinamicamente impossíveis  As enzimas não são consumidas nem modificadas durante as reações  São específicas para a reação que catalisa  Possuem especificidade pelo substrato

ENZIMAS  Durante um exercício físico a atividade das enzimas vão aumentando de forma gradativa  Durante um exercício explosivo pode aumentar mais de 100 vezes sua atividade em comparação com o repouso

Cofatores: qualquer molécula não proteica que participa da catálise enzimática Coenzima  é um cofator orgânico que auxilia a enzima no ato catalítico (em geral transferência de grupos) Pode estar ou não ligada covalentemente à proteína Quando está ligada covalentemente constitui, adicionalmente, um grupo prostético Coenzima Tiamina pirofosfato Nicotinamida adenina dinucleotídeo Flavina adenina dinucleotídeo Coenzima A Piridoxal fosfato Vitamina B12 Biotina Tetrahidrofolato

Grupo que transfere

Ligação na enzima

Exemplo

Aldeídos Íons hidreto (H)

Não-covalente Não-covalente

Piruvato desidrogenase Álcool desidrogenase

Átomos de hidrogênio Grupos acila Grupos amina Átomos de H e grupos alquila CO2 Unidades de carbono

Covalente

Succinato desidrogenase

Não-covalente Covalente Não-covalente

Acetil CoA carboxilase Aspartato aminotransferase Metil-malonil CoA mutase

Covalente Covalente

Proprionil-CoA carboxilase Timidilato sintase

Cofatores metálicos Íons metálicos estão ligados às enzimas: a) através de interações iônicas b) através de valências de coordenação Funções: 1) Participar de reações de óxido-redução 2) Auxiliar na catálise propriamente dita 3) Facilitar a ligação do substrato

Exemplos: Íon metálico 2+

Fe

ou F

Cu2+ Zn2+ Mg2+ Mn2+ K+ Ni2+ Mo Se

3+

Enzima Citocromo oxidase Catalase Peroxidase Citocromo oxidase Anidrase carbônica DNA polimerase Álcool desidrogenase Hexoquinase Glicose 6-fosfatase Piruvato quinase Arginase Piruvato quinase Urease Nitrato redutase Glutation peroxidase

ENZIMAS • Substrato: composto que se liga a enzima para ocorrer a reação • Sítio ativo: onde se liga o substrato Substrato interage com a enzima por ligações fracas e pode fazer transitoriamen te ligações covalentes

As coenzimas estão no sítio ativo Para ocorrer uma reação o substrato no sítio ativo faz interação com os radicais dos aminoácidos e com os cofatores

Enzimas aceleram as reações diminuindo a energia de ativação (energia necessária para que a reação ocorra) Energia de ativação – é a energia necessária para que o substrato atinja o estado energético para ser convertido em produto!

 Enzimas aumentam a velocidade de reação em 109 a 1020 vezes.  Sem enzima a digestão de uma reação poderia levar 50 anos

Energia de ativação – é a energia necessária para que o substrato atinja o estado energético para ser convertido em produto!

Como as enzimas diminuem a Energia de Ativação? As interações entre a Enzima e o Substrato são estabilizadas pelas mesmas forças que a estrutura proteica

Interação Iônica Interação hidrofóbica Ligações de hidrogênio

A energia derivada da interação enzima-substrato é chamada

“Energia de Ligação”

A Energia de Ligação é a maior fonte de energia usada pelas enzimas para baixar a energia de ativação!

RESUMO • Depende da integridade das suas conformações nativas. • As estruturas primárias, secundárias, terciárias e quartenárias. • Se uma proteína for desnaturada ou dissociada das suas subunidades. • Algumas proteínas fazem suas funções catalíticas usando só seus resíduos de aa. • Algumas precisam de algo a mais além dos aa: – Cofator – se for ligado covalentemente = grupo próstético • Inorgânico: íons • Orgânicos: coenzima (carregadores de grupos funcionais) • Enzima + cofator = holoenzima • A reação ocorre em um bolsão = sítio ativo – Ligação complexo enzima substrato

As enzimas alteram a velocidade da reação, não o equilíbrio

• Catalisadores aumentam a velocidade das reações por diminuírem as energias de ativação. • Energia de ativação = energia necessária para alinhar os grupos, formar cargas transitórias, rearranjo de ligações... • A enzima não é gasta no processo. • Enzimas organizam e controlam as reações. • A velocidade de uma reação é determinado por uma constante de velocidade e pela concentração do reagente: – Equação da velocidade: V= k [S] – k = constante que reflete a probabilidade de que a reação ocorra

Mecanismos de ação das enzimas • Modelo da chave-fechadura

• Modelo do ajuste induzido

Classificação das enzimas As enzimas podem ser classificadas em 6 grupos principais de acordo com o tipo de reação que eles catalisam:

1- Oxidorredutases: catalisam oxidações e reduções 2- Transferases: catalisam a transferência de grupos de átomos, tais como de uma molécula para outra 3- Hidrolases: catalisam reações de hidrólise 4- Liases: catalisam a adição de dois grupos à dupla ligação ou a remoção de dois grupos de átomos adjacentes para formar uma dupla ligação 5- Isomerases: catalisam reações de isomerização 6- Ligases: (ou sintetases) catalisam a ligação de duas moléculas

Classificação sistemática das enzimas de acordo com a Comissão de Enzimas E.C.

1 1.1 1.1.1 1.1.3

1.2 1.2.3

1.3 1.3.1

2 2.1 2.1.1 2.1.2 2.1.3

2.2 2.3 2.4 2.6 2.6.1

2.7 2.7.1

Nome sistemático e subclassses

5 5.1

Oxidorredutases (reações de óxido-redução) Agindo sobre o grupo CHOH de doadores Com NAD+ ou NADP+ como aceptores Com O2 como aceptor

Agindo sobre o grupo =C=O de doadores Com O2 como aceptor

Agindo sobre o grupo CHCH de doadores Com NAD+ ou NADP+ como aceptores

Transferases (transferência grupos funcionais) Transferência de grupos C1

de

5.1.3

5.2 6 6.1 6.1.1 6.2 6.3 6.4 6.4.1

Isomerases (reações de isomerização) Racemases epimerases Agindo sobre carboidratos

Isomerases cis-trans Ligases (formação de clivagem de ATP) Formação de ligações CO Ligases aminoácido-RNA Formação de ligações CS Formação de ligações CN Formação de ligações CC Carboxilases

3.1.1

4 4.1 4.2 4.3

com

Metiltransferases Hidroximetiltransferases e formiltransferases Carboxiltransferases e carbamoiltransferases

Transferência de resíduos aldeídicos cetônicos Aciltransferases Glicosiltransferases Transferência de grupos contendo N Aminotransferases Transferência de grupos contendo P

ou

Lactato desidrogenase: Grupos Número CH-OH específico

EC 1.1.1.27

Com um grupo alcoólico como aceptor

3 3.1

ligações

Hidrolases (reações de hidrólise) Quebra de ligações éster Hidrolases de ésteres carboxílicos

Liases (adição a duplas ligações) Liases C=C Liases C=O Liases C=N

Óxidoredutase

NAD+dependente

Nome sistemático: L-lactato: NAD+ oxidorredutase

Fatores que influenciam na

Atividades enzimáticas

1- Concentração da enzima e do substrato – Se aumenta a concentração da enzima a atividade aumenta – Se aumenta a concentração de substrato a atividade aumenta até saturar

Fatores que influenciam na

Atividades enzimáticas

2- Temperatura – Afeta a atividade porque muda a conformação – Conforme aumenta temperatura aumenta a atividade da enzima até um pH ótimo depois disso começa a diminuir – Cada enzima tem um pH ótimo

Fatores que influenciam na

Atividades enzimáticas

3- pH – Cada enzima tem seu pH ótimo

Cinética enzimática • Cinética é o estudo da velocidade das reações químicas. Para entender o mecanismo de uma enzima é preciso determinar a velocidade da reação. • Podemos medir a velocidade inicial (V0) pois essa não sofre influência do produto. • Podemos determinar a quantidade de substrato ou produto no final da reação

Equação de Michaelis-Menten

Vo = velocidade inicial Vmáx = velocidade máxima [S] = concentração de substrato KM = concentração do substrato onde se tem metade da Vmáx

Transformação algébrica da equação de Michaelis-Menten, equação de Lineweaver-Burk (duplo-recíproco)

Outros conceitos A dosagem de uma enzima pode ser obtida pela medida de sua atividade. A atividade enzimática é expressa em Unidades Internacionais (U). Uma Unidade Internacional é a quantidade de enzima capaz de formar 1µmol de produto por minuto em condições ótimas de medida especificadas para cada caso. A atividade especifica é expressa em massa por unidade de tempo dividida pela quantidade de proteína em miligramas (µmol/minuto.mg). A atividade molecular, ou constante catalítica (Kcat), ou número de renovação (turnover), da enzima é o número de moléculas de substrato que uma única molécula de enzima é capaz de transformar por unidade de tempo (segundo-1).

ALTERAÇÃO DAS ATIVIDADES ENZIMÁTICAS

 Ativação: qualquer processo que aumenta a atividade  Inibição: qualquer processo que diminui a atividade  Inibição irreversíveis: causada em geral por agentes (inibidores) que reagem covalentemente com a enzima. Ex: Compostos organofosforados, Penicilinas e Ácido acetilsalicílico

ALTERAÇÃO DAS ATIVIDADES ENZIMÁTICAS  Inibição reversíveis: os inibidores ligam-se à enzima através de interações não-covalentes Inibidores Competitivos: se ligam no mesmo lugar que o substrato, competem pelo sítio ativo Inibidores não competitivos: se ligam a uma outra parte da enzima, e alteram a forma da enzima de forma que ela não consegue fazer a catálise

Enzimas reguladoras são enzimas especiais, cuja atividade pode ser regulada por agentes diferentes do substrato Numa via metabólica há pelo menos uma enzima reguladora, que responde positiva ou negativamente a diversos agentes

A  B  C  D  P E1

E2

E3

E4

No esquema acima, por exemplo, a enzima E1 pode ser inibida por P, o produto final da via e ativada por X, um agente regulador que também exerce alguma função metabólica relacionado à via

Sua atividade é alterada pela adição de um grupo químico, fosfato, por exemplo Esta alteração é catalisada por outra enzima Em geral estas enzimas seguem cinética Michaeliana

Sua atividade é regulada por ligação reversível de agentes moduladores (efetores) Sua cinética é complexa e não pode ser descrita pela equação de MichaelisMenten

Interações alostéricas são interações cooperativas que ocorrem quando a ligação de um ligante num sítio específico da proteína é influenciado pela ligação de outro ligante (efetor ou modulador) num sítio chamado sítio alostérico (que pode coincidir com o sítio ativo)