Enzimas metabolismo energético, Notas de aula de Enzimas e Metabolismo

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Catalise enzimática

Prof. Henning Ulrich

Enzimas: como atuam?

• catalisadores
• classificação
• especificidade e mecanismos de ação
• regulação enzimática
• inibidores e aplicações

Teoria da catálise

No equilíbrio da reação, as velocidades das reações se igualam: v 1 = v- 1

• concentrações de todos os reagentes não se alteram mais
  • pode se dizer que a reação terminou Catalisador acelera as velocidades de ambos os lados da reação
• o ponto do equilíbrio é atingido mais rápido
• o ponto do equilíbrio não se altera , ou seja [reagentes] e de [produtos] no “final” da reação” são as mesmas da reação não catalisada
• termodinâmica da reação não se altera Catalisador não é consumido na reação pode atuar em [ ] baixas

A + B C

v 1 v- 1 Considere as reações:

Equilíbrio químico

• As enzimas realizam, muitas vezes, as reações nos dois sentidos
• A concentração de substratos e produtos é o que define a velocidade das reações
• Poder catalítico das enzimas vem da energia livre liberada na formação de ligações fracas quando da interação enzima- substrato - Interações fracas entre ES são otimizadas no estado de transição

Um Catalisador diminui a barreira energética criando percursos alternativos da reação para formação do estado de transição. Energia de ativação ou barreira energética: quantidade de energia que é preciso fornercer aos reagentes para a reação ocorrer Estado de transição ou complexo ativado: forma molecular inter- mediária entre o reagente e o produto, existe somente no alto da barreira energética. É altamente instável.

Progresso da reação

E

ner

g

ia

Estado de transição Reação não catalisada Reação catalisada Energia de ativação Substrato (S) Produto (P)

Teoria da catálise

O gráfico mostra a variação de energia ao longo de uma reação.

Bastonase

• Pauling (1946):

Enzima deve ser

complementar ao

Estado de

transição (ET) ,

não ao substrato

• ET não é forma

estável

• Interações fracas

entre a enzima e o

substrato

propulsionam a

catálise

enzimática

• Necessidade de

múltiplas

interações fracas

explica pq alguns

prots são tão

grandes

Estabiliza

o

substrato

Por que a catálise por enzimas é mais eficiente?

1) Aumento da concentração dos reagentes na superfície da enzima: “ atração” dos reagentes para interação com a enzima). 2) Orientação correta dos reagentes (substratos) : parte da energia de ativação representa o posicionamento adequado dos reagentes para que haja contacto entre os átomos corretos. O sitio ativo da enzima favorece o posicionamento correto dosreagentes. 3) Aumento da reatividade dos reagentes: as cadeias laterais (R) dos aminoácidos da enzima ou co- fatores e coenzimas podem interagir diretamente com os substratos, dando-lhes carga elétrica ou polarizando-os, tornando-os quimicamente mais reativos, ou ainda cedendo ou transferindo certas funções químicas. 4) Indução de deformação física no substrato , por contacto com as cadeias laterais (R) dos aminoácidos das enzimas, que desestabilizam a molécula do substrato e facilitam o rompimento de laços covalentes rápido rápido Muito rápido Sem catálise Catálise^ ácida^ Catálise básica Catálise ácido-básica lento Cadeias laterais de aminoácidos no sítio ativo de uma enzima hidrolítica Água, um dos substratos A hidrólise não enzimática de uma ligação peptídica é lenta e requer condições drásticas de pH e temperatura

Enzima

holozima Grupo prostético metal cofator coenzima Coenzima Reação com Vitamina Biocitina Coenzima A CO 2 Grupos acil H e grupos alquil óxido-redução óxido-redução Grupos aminos Grupos aldeídos unidades C Biotina Ác. Pantotênico Coenzima B12 Vitamina B FAD, FMN Riboflavina NAD, NADP Niacina Fosfato de piridoxal Piridoxina Pirofosfato Tiamina Tiamina Tetrahidrofolato (^) Ácido fólico Algumas proteínas, enzimas em especial, contêm em sua molécula uma porção não proteica, que é essencial para atividade biológica. Distinção entre cofator e coenzima depende da força de ligação com a apoproteína. Ex: o NAD+^ pode ser cofator de uma enzima (ligação fraca) e ser coenzima de outra (ligação forte). O mesmo ocorre com as metais. Apoenzima parte proteica

ativa

inativa

Grupo Prostético Coenzimas participam do ciclo catalítico das enzimas recebendo ou fornecendo grupos químicos para a reação

Formas rígidas Emil Fisher, na década de 1950, propôs o modelo chave-fechadura para expli- car o reconhecimento (especificidade) do substrato pela enzima. Nesse modelo, o sítio ativo da enzima é pre-formado e tem a forma complementar à molécula do Substrato, de modo que outras moléculas não teriam acesso a ela. No entanto, o modelo chave-fechadura não explica a interação das enzimas com inibidores e análogos dos substratos. Na década de 1970, Daniel Kosland propôs o modelo de encaixe induzido , no qual o contacto com a molécula do substrato induz mudanças conformacio- nais na enzima, que otimizam as intera- ções com os resíduos do sítio ativo. Esse é o modelo aceito hoje em dia.

Enzimas são específicas para o reconhecimento de seus substratos.

Modelo Chave-Fechadura Modelo Chave-Fechadura E e S se deformam, para otimizar o encaixe

Grupos catalíticos

• Catálise geral ácido-base
  • Transferência de prótons
• Catálise covalente
  • Formação de lig. covalente

transitória entre E e S

• Ativação do substrato
• Catálise por íons metálicos
• Estabilizam estados de transição
• 1/3 das enzimas conhecidas usam íons

metálicos nas reações catalíticas

• Enzimas muitas vezes usam as três estratégias de catálise em conjunto -- quimiotripsina

Mutarrotação de glicose catalisada pela

mutarotase

Mecanismo de ação da quimotripsina,

um exemplo típico de uma serino proteinase

O H+^ é transferido da His- 57 para o substrato. A ligação susceptível é clivada, e parte do substrato fica ligado covalentemente àenzima A H 2 O entra no sítio ativo e forma uma ponte de H+^ com a His- 57 A H 2 O transfere H+ para a His- 57 e – OH para o substrato, formando umsegundo estado detransição tetraédrico Ligação a ser hidrolisada Enzima interage com substratos aromátcos Tríade catalítica Ser – His - Asp A Ser- 195 transfere H+^ para His-57 formandoum estado de transição tetraédrico com o substrato. O Asp- 102 estabiliza o próton na His- 57 fazendo uma ligação iônica O H+ é transferido daHis- 57 de volta para a Ser-195. A outra porção do substratoé liberada da enzima, que retorna ao estadoinicial

% atividade enzimática máxima

Fatores que controlam a atividade enzimática :

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,

Fatores que controlam a atividade enzimática :

1. Fatores que afetam a estabilidade proteica das enzimas

• Variações de pH: pH ótimo
• Variações de temperatura: temperatura ótima 100 - 50 - 0 - % atividade enzimática máxima 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.