Enzimas

(1)

(2)

Nomenclatura e classificação

das enzimas

Século XIX - poucas enzimas identificadas

 Adição do sufixo “ASE” ao nome do substrato:

* gorduras (lipo - grego) – LIPASE * amido (amylon - grego) – AMILASE

 Nomes arbitrários:

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Nomenclatura e classificação

das enzimas

Século XX -  quantidade de enzimas descritas

 Nomenclatura existente se tornou ineficaz

1955 - IUB - União Internacional de Bioquímica adotou um novo sistema de nomenclatura e classificação

 mais complexo

 sem ambigüidades

(4)

Nomenclatura e classificação

das enzimas

Cada enzima  código com 4 dígitos que caracteriza o tipo de reação catalisada:

 (E.C.- Enzime Comission)

 1° dígito – classe

 2° dígito – subclasse

 3° dígito - sub-subclasse

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Classificação das Enzimas

1. Oxido-redutases (Reações de oxidação/Redução)

1.1.atuando em CH-OH 1.2.atuando em C=O 1.3.atuando em C=O-1.4.atuando em CH-NH₂ 1.5.atuando em

CH-NH-1.6.atuando em NADH, NADPH

2.Transferases (Transferência de grupos) 2.1.grupos com um carbono

2.2.grupos aldeído ou cetona 2.3.grupos acil

2.4.grupos glicosil 2.7.grupos fosfatos

(6)

Classificação das Enzimas

3.Hidrolases (Reações de Hidrólise)

3.1.ésteres

3.2.ligações glicosídicas 3.4.ligações peptídicas 3.5.outras ligações C-N 3.6.anidridos ácidos

4.Liases (Adição ou remoção de grupos)

4.1. =C=C= 4.2. =C=O 4.3.

(7)

=C=N-Classificação das Enzimas

5.Isomerases (Transferência de grupos dentro da mesma

molécula, formação de isômeros)

5.1.racemases

5.2. Cis-Trans isomerases

5.3. Oxirredutases Intramoleculares

5.4. Transferases Intramoleculares (Mutases) 5.5. Liases Intramoleculares

6.Ligases (catalisam a ligação de duas moléculas com

hidrólise da ligação pirofosfato na molécula de ATP (ou uma semelhante, igualmente trifosfatada)

6.1. C-O 6.2. C-S 6.3. C-N 6.4. C-C

(8)

Classificação das Enzimas

1. Oxirredutases – Reações de oxidação/Redução Exemplo: Lactato desidrogenase

Redução Ác. Pirúvico à Ác. lático

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Classificação das Enzimas

Exemplo Hexoquinase

2. Transferases - Transferência de grupos

Tranferência do P do ATP para glicose

(10)

Classificação das Enzimas

3. Hidrolases - Reações de Hidrólise

Exemplo: Lactase

(11)

Classificação das Enzimas

4. Liases – Adição ou remoção de grupos (H₂O, NH₄+, CO₂).

Ex: Fumarase

(12)

Classificação das Enzimas

5. Isomerases – Transferência de grupos dentro da mesma

molécula, formação de isômeros

Interconversão reversível de dihidroxiacetona fosfato e D-gliceraldeido-3-fosfato

Exemplo: Triose Fosfato Isomerase

(13)

Classificação das Enzimas

6. Ligases – catalisam a ligação de duas moléculas com hidrólise da ligação pirofosfato na molécula de ATP (ou uma semelhante, igualmente trifosfatada)

Formadora de ligação C-C Exemplo: Piruvato carboxilase

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Classificação das Enzimas

ATP + D-Glicose _{ADP + D-Glicose-6-}_fosfato

Glicose fosfotransferase

2 - Classe - Transferase

Nome trivial: Hexoquinase

Exemplo:

(15)

Classificação das Enzimas

7 - Subclasse - Fosfotransferases

Exemplo:

(16)

Classificação das Enzimas

1 - Sub-subclasse - Fosfotransferase que utiliza grupo hidroxila como

receptor

Exemplo:

(17)

Classificação das Enzimas

1 - Sub-subclasse - Fosfotransferase que utiliza grupo hidroxila como

receptor

1 - Indica ser a D-glicose o receptor do grupo fosfato

Nome trivial: Hexoquinase

Exemplo:

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Outras formas de classificar

Enzimas intracelulares

atuam no interior da célula sintetizam o material celular realizam reações

catabólicas que suprem as necessidades energéticas da célula.

Enzimas extracelulares

atuam fora da célula

executando as alterações necessárias à penetração dos nutrientes para o

(19)

Outras formas de classificar

Endoenzimas

Exoenzimas

Agem dentro das moléculas Ex: endoamilases, que hidrolisam ligações glicosídicas ao acaso ao longo das cadeias de amilose

Agem nas extermidades das moléculas

Ex: exoamilases, que hidrolisam,sucessivamente, ligações glicosídicas a partir da extremidade não redutora das mesmas.

(20)

Outras formas de classificar

Enzimas habituais ou constitutivas

Enzimas indutivas

As células sempre as sintetizam

As células só as sintetizam quando estão na presença do substrato da enzima

Isoenzimas

Enzimas que têm a mesma função, ou seja, catalisam uma mesma

reação, porém apresentam estruturas diferentes

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Propriedades Gerais

Diferenças entre enzimas e catalisadores químicos

 Velocidade de reação mais rápida:

106 _{a 10}12_{x > que as não catalisadas,}

e são varias ordens de magnitude > do que as reações catalisadas quimicamente.

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Propriedades Gerais

Diferenças entre enzimas e catalisadores químicos

 Maior especificidade da reação

o Grau de especificidade imensamente > em relação a identidade dos seus S e dos seus P

o Reações enzimáticas raramente produzem subprodutos.

o Estereoespecificidade: Agem em grupos funcionais específicos catalisando reações de forma estereoepecífica, formando somente um dos enantiômeros possíveis

(23)

Propriedades Gerais

 Condições reacionais mais brandas

o pH

o Temperatura

(24)

Mecanismo de Ação

A reação enzimática ocorre em duas etapas:

E + S E S P + E

2 modelos:

 Modelo chave-fechadura  Modelo do ajuste induzido

(25)

Mecanismo de Ação

Modelo Chave-fechadura

 Emil Fischer em 1894

(26)

Mecanismo de Ação

Modelo do ajuste induzido

 Koshland em 1958

 Prevê um sítio de ligação não totalmente

pré-formado,

(27)

Mecanismo de Ação

Estudos por raio X indicam que os sítios de ligação aos substratos da maioria das enzimas são, em grande

parte, pré-formados, mas sofrem mudanças

conformacionais no momento da ligação do substrato (um fenômeno denominado ajuste induzido).

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Mecanismo de Ação

Conceitos

 Teoria da Colisão:

o As reações químicas acontecem quando ligações são quebradas ou formadas.

o Para isto átomos, íons e moléculas devem colidir.

o Todos os átomos, íons e moléculas estão em constante movimento e portanto colidindo constantemente.

o A energia transferida pelas partículas na colisão pode desorganizar suas estruturas eletrônicas o suficiente para que as ligações químicas sejam quebradas ou novas ligações se formem.

(29)

Mecanismo de Ação

Energia de ativação: Quantidade de en. requerida para

romper a configuração eletrônica estável de qualquer molécula específica para que os elétrons possam ser reorganizados.

Energia de Ativação

(30)

Mecanismo de Ação

∆G: A diferença de energia entre produtos e reagentes  Não depende da E.A.

Energia de Ativação

(31)

Mecanismo de Ação

Taxa de reação: A freqüência de colisões contendo

energia suficiente para que a reação aconteça.

 taxa de reação:

o de T = o calor a freqüência das colisões e o n° de moléculas que atingem a E.A.

o Reagentes estão + concentrados = Dist. entre as moléculas menor.

(32)

Reações Catalisadas por

Enzimas

En erg ia do sistema (G ) Progresso da Reação Energia de Ativaçao na presença de enzima Energia de Ativação na ausência de enzima ∆G reação Não catalisada Catalisada Reagentes Produtos

(33)

En e rg ia do sis tema (G) Progresso da Reação Energia de Ativaçao na presença de enzima Energia de Ativação na ausência de enzima ∆G reação Não catalisada Catalisada

Reações Catalisadas por

Enzimas

Reagentes

Produtos

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Reações Catalisadas por

Enzimas

En e rg ia do sis tema (G) Progresso da Reação Energia de Ativaçao na presença de enzima Energia de Ativação na ausência de enzima ∆G reação Não catalisada Catalisada

Não altera : equilíbrio nem o ∆G

Reagentes

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Reações Catalisadas por

Enzimas

En erg ia do sistema (G ) Progresso da Reação ΔG‡: Energia de Ativaçao na presença de enzima ΔG: Energia de Ativação na ausência de enzima ∆G reação Não catalisada Catalisada Reagentes Produtos

ΔΔGcat‡ = Eficiência Catalisador

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-Mecanismo de Ação

Enzimas atuam de diversas formas:

 Baixando a E.A., através da criação de um ambiente

no qual o estado de transição é estabilizado (ex., distorcendo a forma da molécula do S).

 Providenciando uma via alternativa (ex., reagindo

com o S formando um complexo ES, de existência impossível sem a presença da E).

 Reduzindo a variação da entropia da reação ao

orientar os S de forma correta para facilitar a reação. Na ausência de E, as moléculas colidem em todas as direções possíveis de forma aleatória.

(37)

Reações Catalisadas por

Enzimas

Ex: Decomposição do H₂O₂

H₂O₂ Catalase H₂O ₊ O₂

Condições da Reação Energia livre de Ativação

KJ/mol Kcal/mol VelocidadeRelativa

Sem catalisador Platina Enzima Catalase 75,2 18,0 48,9 11,7 23,0 5,5 1 2,77 x 104 6,51 x 108

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Reações Catalisadas por

Enzimas

Embora a enzima participe da seqüência da reação, ela não sofre nenhuma transformação.

 Poucas moléculas de E são capazes de catalisar a

conversão de milhares de moléculas de S a P.

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Reações Catalisadas por

Enzimas

Número de renovação = n° de moléculas de substrato

convertidas em produto por uma única molécula de enzima em uma dada unidade de tempo.

1 molécula de Catalase decompõe

5 000 000 de moléculas de H2O2

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Fatores que Influenciam a Ação

Enzimática

pH Temperatura Concentração da Enzima Concentração do Substrato

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Fatores que Influenciam a Ação

Enzimática

pH

 A ionização de aa pode provocar modificações na

conformação da enzima.

 O substrato pode ver-se afetado.

Pepsina pH ótimo 1,5 Tripsina pH ótimo 7,7

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Fatores que Influenciam a

Ação Enzimática

Temperatura

 temperatura dois efeitos ocorrem:

 A taxa de reação aumenta, como se observa na

maioria das reações químicas;

 A estabilidade da proteína decresce devido a

desativação térmica. • Enzima  temperatura ótima para que atinja sua atividade máxima

(43)

Fatores que Influenciam a

Ação Enzimática

Concentração da Enzima

 A velocidade máxima da reação é uma função da

quantidade de enzima disponível (existindo substrato em excesso).

Figura: Efeito da [ ] da enzima sobre a velocidade inicial (V0) com de substrato em excesso.

(44)

Fatores que Influenciam a

Ação Enzimática

Concentração do Substrato

Inicialmente a velocidade da reação é diretamente proporcional a [S].

(45)

Fatores que Influenciam a

Ação Enzimática

A velocidade passa a ser constante porque não

(46)

Fatores que Influenciam a

Ação Enzimática

A quantidade de reagente é o suficiente grande para saturar todos os sítios

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Inibição enzimática

Grande parte do arsenal farmacêutico

(Por ex. tratamento da AIDS feito com drogas que inibem a atividade de certas enzimas virais.

Inibidores

Substâncias que reduzem a

atividade de uma enzima de forma a influenciar a ligação do substrato.

(48)

Inibição enzimática

Classificação: Irreversível Reversível Competitiva Não Competitiva

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Inibição Irreversível

O inibidor liga-se tão fortemente à enzima que a dissociação é muito lenta.

Podem destruir grupos funcionais que são essenciais para a atividade enzimática.

A enzima não retoma a sua atividade normal.

Ex.: Inseticidas organofosforados na acetilcolinesterase (enzima importante na transmissão dos impulsos nervosos).

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Inibição Irreversível

Ex: Inibição da enzima ciclo-oxigenase pelo acetilsalicilato

Ciclo-oxigenase _SÍNTESE Prostaglandinas

(51)

Inibição Reversível

Competitiva

Uma substância que compete diretamente com o substrato pelo sitio de ligação de uma enzima.

Inibidor normalmente é semelhante ao substrato, de modo que se liga especificamente ao sitio ativo, mas difere do substrato por não poder reagir com ele.

O inibidor liga-se á enzima formando o complexo EI cataliticamente inativo.

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Inibição Reversível Não

Competitiva

O inibidor não competitivo pode ser uma molécula que não se assemelha com o substrato, mas apresenta uma grande afinidade com a enzima.

Esta ligação pode distorcer a enzima tornando o processo catalítico ineficiente.

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Co-fatores

Quase 1/3 das enzimas requerem um componente não protéico para sua atividade, denominado cofator

Porção protéica APOENZIMA Cofator HOLOENZIMA Íons metálicos Moléculas orgânicas Coenzimas

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Co-fatores

A natureza essencial de tais co-fatores explica por que razão os organismos necessitam de quantidades

diminutas de certos elementos nas suas dietas.

Isso também explica, os efeitos tóxicos de certos metais pesados (o Cd2+ e o Hg2+) que podem substituir o Zn2+ nos sítios ativos de certas enzimas

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Co-fatores

Algumas enzimas que contêm ou necessitam de elementos inorgânicos como cofatores

ENZIMA COFATOR PEROXIDASE Fe+2 _{ou Fe}+3 CATALASE CITOCROMO OXIDASE Cu+2 ÁLCOOL DESIDROGENASE Zn+2 HEXOQUINASE Mg+2 UREASE Ni+2

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Co-fatores - Coenzimas

Maioria deriva de vitaminas hidrossolúveis

 Muitos organismos não conseguem sintetizar certas

porções das coenzimas essenciais. Tais substâncias devem estar presentes na dieta desses organismos e são, portanto, chamadas de vitaminas.

Classificam-se em:

 transportadoras de hidrogênio

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Co-fatores - Coenzimas

Transportadoras de hidrogênio

Coenzima Abreviatura Reação catalisada

Origem Nicotinamida adenina

dinucleotídio

NAD+ Oxi-redução Niacina ou Vitamina B₃ Nicotinamida adenina

dinucleotídio fosfato

NADP+ Oxi-redução Niacina ou Vitamina B3

Flavina adenina dinucleotídio

FAD Oxi-redução Riboflavina ou Vitamina B2

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Co-fatores - Coenzimas

Transportadoras de de grupos químicos

Coenzima Abrev. Reação catalisada Origem

Coenzima A CoA-SH Transferência de grupo acil Pantotenato ou Vitamina B5 Biotina Transferência de CO₂ Biotina ou Vitamina H

Piridoxal fosfato PyF Transferência de grupo amino Piridoxina ou Vitamina B6 Metilcobalamina Transferência de unidades de carbono Cobalamina ou Vitamina B₁₂ Tetrahidrofolato THF Transferência de unidades de carbono Ácido fólico Tiamina pirofosfato TPP Transferência de grupo aldeído Tiamina ou Vitamina B₁

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Regulação da Atividade

Enzimática

Um organismo deve poder regular as atividades catalíticas de suas enzimas para que ele possa coordernar seus processos metabólicos, responder às mudanças no meio, crescer e diferenciar-se, tudo de maneira ordenada.

Há duas maneiras pelas quais isso pode ocorrer:

 Controle da disponibilidade da enzima.  Controle da atividade da enzima.

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Regulação da Atividade

Enzimática

Controle da disponibilidade da enzima.

 A quantidade de uma enzima em uma célula

depende velocidade de síntese

velocidade de degradação.

Cada uma dessas velocidades é diretamente controlada pela célula e esta sujeita a

mudanças drásticas em períodos que vão de minutos (em bactérias) até horas (em

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Regulação da Atividade

Enzimática

Controle da atividade da enzima.

 A atividade pode ser regulada por meio de

alterações estruturais que influenciem a afinidade da ligação do substrato à enzima.

 A afinidade de ligação do S a uma E pode, variar

também com a ligação de pequenas moléculas, chamadas efetores alostéricos que podem tanto aumentar como dimunuir a atividade.

 Um modelo muito comum de regulação alostérica é

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Regulação enzimática

Algumas enzimas podem ter suas atividades reguladas, atuando assim como moduladoras do metabolismo

celular. Esta modulação é essencial na coordenação dos inúmeros processos metabólicos pela célula.

Mecanismos de controle

Indução: A presença do substrato A induz a síntese da enzima a B C D _E A Enzima a₁ Enzima d Produto final Substrato inicial Enzima b Enzima c

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Regulação enzimática

B C D _E A Enzima a₁ Enzima d Produto final Substrato inicial Enzima b Enzima c Mecanismos de controle

Retroinibição: O produto final E, inibe a ação das enzimas a

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Regulação enzimática

B C D _E A Enzima a₁ Enzima d Produto final Substrato inicial Enzima b Enzima c Mecanismos de controle

Repressão catabólica: Caso haja um caminho mais

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Regulação enzimática

Substrato inicial

Mecanismos de controle

Cada isoenzimas pode ser regulada independentemente Controle fino do metabolismo

B C D _E A Enzima a₁ Enzima a₂ Enzima a₃ Enzima d Produto final Enzima b Enzima c