Fundamentos da Bioquímica II Aminoácidos Diferencia as propriedades físicoquímicas dos aminoácidos

Fundamentos da Bioquímica II

Aminoácidos

C O -O C H R NH3+ α

Na água: Zwitterion

C OH O C H R NH2 α Carboxila Amina Diferencia as propriedades físicoquímicas dos aminoácidos

Carbono: Aspectos estruturais: quiralidade

Aminoácidos

Não quiral (glicina) Quiral NH3 H COO-Cα H NH3 H COO- _Cα H NH3 H COO-Cα R NH3 H COO-Cα R L-aminoácido D-aminoácido

Aminoácidos com carga negativa

Aminoácidos polares sem carga elétrica

Aminoácidos hidrofóbicos

Aminoácidos hidrofóbicos

Peptídeos e Proteínas: Nomenclatura

Aminoácidos que formam parte de uma estrutura de um peptídeo ou de

uma proteína são denominados com terminação –ilao invés de –ina: alanil (aminoácido ligado) ao invés de alanina(aminoácido livre)

Os átomos que formam a ligação peptídica são chamados de grupo

funcional peptídico

Proteínas e peptídeos possuem duas extremidades: a carboxi-terminal

(grupo COOH livre) e a amino-terminal (grupo NH2 livre).

A convenção determina que os peptídeos e as proteínas sejam

denominadas começando pela extremidade amino-terminal: NH2-Gly-Ala-Trp-Phe-Cys-COOH

Peptídeos e Proteínas: Estrutura

Tamanho: 50 a 8000 AA Peso molecular: 6000 a 1x106_D,

a maioria possui menos que 2000AA (≤ 200.000D)

Cofatores
Oligossacarídeos (glicoproteínas)
Lipídeos (lipoproteínas)
Metais (metaloproteínas)

Muitas proteínas incluem componentes não-proteicos na estrutura:

grupos prostéticos:

Estrutura Secundária: Folha ββββ−−−−pregueada

Desnaturação

Perda irreversível da estrutura espacial da

proteína, causada pelo calor ou por influência

química

Peptídeos e Proteínas: Função

Enzimas:proteínas catalíticas, que viabilizam reações químicas com substratos e produtos nas condições físicoquímicas do interior das células.

Transporte:catalisam a passagem específica e controlada de compostos através das membranas da célula.

Armazenamento de nutrientes:alguns tecidos acumulam proteínas como reservas de aminoácidos.

Sistemas de locomoção:garantem o funcionamento dos mecanismos de deslocamento da célula ou do organismo.

Estruturais: garantem a estabilidade mecânica de formas biológicas.

Defesa ou ataque.

Regulação metabólica:controlam a atividade de genes
Comunicação: estabelecem a comunicação com outros

organismos da mesma espécie ou com organismos de outras espécies.

Peptídeos e proteínas podem assumir uma grande variedade de funções na célula:

Enzimas: Proteínas catalíticas

Oxidoredutases:reações de óxido-redução.

Transferases:transferência de grupos funcionais.

Hidrolases:reações de hidrólise.

Liases:eliminação de grupos funcionais para a formação de ligações duplas.

Isomerases: reações de isomerização

Ligases: formação de ligações químicas acopladas à hidrólise do ATP

6 classes

Catalisadores bioquímicos de importância fundamental para a vida. 99,99% das reações químicas da célula são catalisadas por enzimas.

A grande maioria das enzimas são proteínas, raríssimas reações são catalisadas por moléculas catalíticas de RNA.
Enzimas viabilizam reações químicas em condições brandas:

pH 7,0, solvente aquoso, temperatura ambiente, pressão atmosférica.

Enzimas: Especifidade da Reação

Enzimas reagem com subtratos

específicos:

⇒

⇒

⇒

⇒

Especificidade estérica

⇒

⇒

⇒

⇒

Especificidade geométrica

Enzimas: Redução da energia de ativação

Enzimas reduzem a energia de ativação principalmente pela estabilização do estado de transição TS: estado de transição ES: complexo enzima-substrato EP: complexo enzima-produto

Enzimas: Mecanismos de aumento da taxa de reação: Efeitos de proximidade e orientação

Reações entre moléculas fisicamente ligadas a uma enzima aumentam

drasticamente a probabilidade de colisão, comparado à probabilidade de colisão das mesmas moléculas em solução.

As moléculas que interagem não estão somente próximas umas das

outras nas enzimas, mas também orientadas de forma ótima para viabilizar a reação.

Reação bimolecular,elevada energia de ativação, taxa de

reação reduzida Reação unimolecular, elevada

probabilidade de contato acelera taxa de reação

Mobilidade reduzida dos grupos químicos os mantém

em uma orientação relativa ótima para a reação

Enzimas: Mecanismos de aumento da taxa de reação: Estabilização do estado de transição

⇒Mecanismo mais importante de aceleração das taxas de reação ⇒anticorpos catalíticos

Enzimas: Mecanismos de aumento da taxa de reação: Induced Fit

⇒ ⇒ ⇒

⇒Alteração da conformação da enzima após acoplamento do

substrato

Acoplamento de uma molécula de glicose à hexocinase: exclusão de água

Enzimas: Mecanismos de aumento da taxa de

reação:

Catálise eletrostática

Quando o substrato se liga na enzima, a água é geralmente excluída do ponto de contato.

Isto reduz a constante dielétrica no ponto de contato entre o substrato e a enzima, facilitando interações eletrostáticas entre a enzima e o substrato

Protege os grupos funcionais da ação da água

Se a água participar da reação enzimática, o seu acesso ao sítio ativo será controlado

Viabiliza a ação de grupos com caga elétrica da enzima na interação

Enzimas: Mecanismos de reação - Ácido-base

⇒ ⇒⇒

⇒ Hidrólise de ligações ésteres ou peptídicas, reações com grupos de fosfato, adição de grupos carbonila, etc.

⇒ ⇒⇒

⇒ A enzima evita a formação de intermediários com carga elétrica instáveis durante a reação através da disponibilização de grupos funcionais com localização apropriada para a ⇒

⇒⇒

⇒ Doação de prótons (ácido) ⇒ ⇒⇒ ⇒ Adsorção de prótons (base) ⇒ ⇒⇒

⇒ Os prótons trocados entre o

substrato e a enzma serão devolvidos à enzima no final da reação

Grupos funcionais da proteína que catalisam reações ácido-base: Imidazol(histidina),grupo amina αααα, grupo carboxila αααα, tiolda cisteína, carboxilas Rdo glutamato e do aspartato,εεε-aminaε da lisina,OH aromáticoda

tirosina,grupo guanidinada arginina

Enzimas: Catálise covalente

Intermediário da reação estabilizado por ligação covalente à enzima

Os grupos R da histidina, asparagina, lisina, cisteína e serina podem participar destas ligações atuando como nucleófilos
Modo principal de catálise das coenzimas piridoxal fosfato e

3 4

R2 N

H

H

Mecanismo químico da quimotripsina I

Mecanismo químico da quimotripsina II

Enzimas: Participação dos aminoácidos na catálise

⇒

⇒

⇒

⇒

Somente uma proporção muito pequena dos aminoácidos de enzimas participam da reação!

Enzimas: Catálise por íons metálicos

Íons metálicos atuam da seguinte maneira:
Garantir o acoplamento do substrato ao sítio ativo na orientação correta
Mediação de reações de óxido-redução

Estabilização de cargas eletrostáticas
Estabilização de cargas negativas

Metaloenzimas possuem íons de metais fortemente ligados: Fe+2_{, Fe}+3_{, Cu}+2_{, Zn}+2_{, or}

Mn+2

Enzimas ativadas por metais possuem íons metálicos acoplados por ligações fracas: Na+_{, K}+_{, Mg}+2_{, or Ca}+2

Alguns grupos prostéticos são complexos orgânicos com íons metálicos: hemina

histidina cisteína Fe2S2 hemina

Enzimas: cofatores

⇒ ⇒ ⇒

⇒ Moléculas orgânicas, geralmente derivadas de vitaminas, que

auxiliam na catálise e são indispensáveis para a atividade enzimática

⇒ ⇒ ⇒

⇒Cada cofator catalisa uma classe específica de reações ⇒cofatores podem ou não estar permanentemente ligados à enzima ⇒Se ligam perto do sítio ativo

Coenzima A: Transferência de acilas (C2) Vitamina: ácido pantotênico

Enzimas: cofatores

Cofatores de óxido-redução: Catalisam a transferência de elétrons

FAD (reduzido)FADH2

NAD(P) (oxidado) NAD(P)H2 (reduzido) NADP (Nicotina-adenina-dinucleotídeo-fosfato) NAD (Nicotina-adenina-dinucleotídeo) Niacina ou vitamina B3 FAD (Flavina-adenina-dinucleotídeo) Vitamina B2

Enzimas: cofatores

Cofatores de transaminação: Catalisam a transferência de grupos amina Piridoxalfosfato (vitamina B6)

Piridoxina Piridoxamina Piridoxal

Enzimas: cofatores

Cofatores de transcarboxilação: Catalisam a transferência de grupos carboxila

Biotina (vitamina biotina)

Biotina Biotina com grupo carboxílico

Enzimas: cofatores

Cofatores de transferência de grupos C1: Ácido tetrahidrofólico e derivados

Reações essenciais na síntese de serina,metionina, glicina, colina e purinas

vitamina: ácido fólico:

Enzimas: Efeito da temperatura e do pH na taxa de reação

Enzima pH ótimo Pepsina 1,5 Sucrase 6,2 Catalase 7,3 Arginase 9,0 Fosfatase alcalina 9,5

Cinética de Reações Enzimáticas – Lei de

Michaelis-Menten

No início :

P

<<<<

S

v

0

= k

2

[S]

Taxa de formação de E

S:

k

1

([

E

t

] – [E

S

]) [

S

]

Taxa de destruição de E

S:

k

-1

[E

S

] + k

2

[E

S

]

v

0

: velocidade inicial de reação

E

t

: concentração total da enzima

E

+

S

E

S

k

2

E

+ P

k

-2

k

1

k

-1

Para condições de estado estacionário da

reação enzimática ([E

S

] constante):

k

₁

([

E

_t

] – [E

S

]) [

S

] = k

_-1

[E

S

] + k

₂

[E

S

]

k

1

[

E

t

] [S] – k

1

[E

S

]) [

S

] = (k

-1

+ k

2

) [E

S

]

[E

S

] =

k

1

[

E

t

] [S]

k

₁

[

S

] + k

_-1

+ k

₂

K

M

=

k

2

+ k

-1

k

1

K

: constante de

Cinética de Reações Enzimáticas – Lei de

Michaelis-Menten

[E

S

] =

[

E

t

] [S]

K

_M

+ [

S

]

v

0

=

k

2

[

E

t

] [S]

K

M

+ [

S

]

v

0

=

V

max

[S]

K

M

+ [

S

]

Equação de Michaelis-Menten

Cinética de Reações Enzimáticas – Lei de

Michaelis-Menten

Cinética de Reações Enzimáticas – Significado do Km

Cinética de Reações Enzimáticas –

Constante catalítica Kcat

k

cat

=

V

max

[

Et

]

Quando a enzima está saturada com substrato, kcat é equivalente ao número total de moléculas do substrato transformada por unidade de tempo por cada sítio ativo

⇒ ⇒⇒

Cinética de Reações Enzimáticas –

Eficiência catalítica

EC é um indicador da eficiência catalítica de uma enzima
O limite superior do valor de EC é a taxa de difusão da molécula

na água (cerca de 109 _{M/s na água na temperatura ambiente}

EC

=

K

cat

K

_M

Em condições fisiológicas, [S] < K

M

Enzima Substrato Kcat(s-1) KM(M) Kcat/KM(M-1s-1)

Acetilcolinesterase acetilcolina 1,4x104 _9x10-5 _1,5x108 Anidrase carbônica CO2 1x106 1,2x10-2 8,3x107 HCO3- 4x105 2,6x10-2 1,5x107 Catalase H2O2 1x107 2,5x10-2 4X108 Fumarase fumarato 8x102 _5x10-6 _1,6x108 malato 9x102 _2,5x10-5 _3,6x107 Urease uréia 1x104 _2,5x10-2 _4x105

Cinética de Reações Enzimáticas –

Inibição da atividade enzimática

Inibição competitiva