Universidade Federal de Santa Catarina

EnzimasEnzimas

Estágio de DocênciaJuliana Ribeiro Mariotto

Histórico

Atividade catalítica: processos de fermentação Atividade catalítica: processos de fermentação de suco de uva, fabricação de pães e queijos.de suco de uva, fabricação de pães e queijos.

Catálise biológica (século XIX)Catálise biológica (século XIX)• Digestão da carne Digestão da carne secreções do estômago; secreções do estômago;• Conversão do amido em açúcares Conversão do amido em açúcares saliva e saliva e

extratos vegetais.extratos vegetais.

HistóricoHistórico

Louis Pasteur (50)Louis Pasteur (50)• Açúcar Açúcar álcool catalisada por “fermentos”; álcool catalisada por “fermentos”;• Fermentos = Enzimas Fermentos = Enzimas separáveis da estrutura separáveis da estrutura

das células de levedo.das células de levedo.

Eduard Buchner (1897)Eduard Buchner (1897)• Extratos de levedos Extratos de levedos açúcar até álcool açúcar até álcool

enzimas funcionavam mesmo quando enzimas funcionavam mesmo quando removidas da estrutura celular.removidas da estrutura celular.

HistóricoHistórico

James Summer (1926)James Summer (1926)• Isolou e cristalizou a urease Isolou e cristalizou a urease avanço nas avanço nas

propriedades específicas das enzimas;propriedades específicas das enzimas;• Cristais de urease Cristais de urease proteínas; proteínas;• Todas as enzimas são proteínas.Todas as enzimas são proteínas.

John Northrop e seus colegas (30)John Northrop e seus colegas (30)• Cristalizaram a pepsina e tripsina bovinas Cristalizaram a pepsina e tripsina bovinas

proteínas.proteínas.

HistóricoHistórico

J. B. Haldane (30)J. B. Haldane (30)• Tratado intitulado “Enzimas”;Tratado intitulado “Enzimas”;• Ligações fracas entre enzima e substrato Ligações fracas entre enzima e substrato

distorce a molécula do substrato e catalisa a distorce a molécula do substrato e catalisa a reação.reação.

Século XXSéculo XX• Pesquisas Pesquisas reações do metabolismo celular; reações do metabolismo celular;• Purificação, elucidação da estrutura molecular, Purificação, elucidação da estrutura molecular,

mecanismo químico e compreensão geral.mecanismo químico e compreensão geral.

ConceitoConceito

Catalisadores biológicos: longas cadeias de Catalisadores biológicos: longas cadeias de moléculas pequenas moléculas pequenas aminoácidos; aminoácidos;

Função: viabilizar a atividade das células, Função: viabilizar a atividade das células, quebrando e juntando moléculas;quebrando e juntando moléculas;

Elevado grau de especificidade ao substrato;Elevado grau de especificidade ao substrato;

Específicas: ligações químicas e isômeros Específicas: ligações químicas e isômeros ópticos.ópticos.

CaracterísticasCaracterísticas

Produtos naturais biológicos;Produtos naturais biológicos;

Alto grau de especificidade;Alto grau de especificidade;

Reações baratas e seguras;Reações baratas e seguras;

Mecanismo “Mecanismo “turnoverturnover”: desempenha funções ”: desempenha funções consecutivas;consecutivas;

Altamente eficientes: aceleram a velocidade das reações Altamente eficientes: aceleram a velocidade das reações 10 1088 a 10 a 101111 vezes; vezes;

Econômicas: reduz a energia de ativação.Econômicas: reduz a energia de ativação.

Enzimas e ProteínasEnzimas e Proteínas

Grupo de moléculas de RNA (ribozimas) com Grupo de moléculas de RNA (ribozimas) com propriedades catalíticas = propriedades catalíticas = NÃO são proteínas; são proteínas;

Atividade catalíticaAtividade catalítica• Integridade da conformação protéica nativa;Integridade da conformação protéica nativa;• Perda da atividade = desnaturação e Perda da atividade = desnaturação e

dissociação em subunidades.dissociação em subunidades.

Enzimas e ProteínasEnzimas e Proteínas

Aminoácidos: Aminoácidos: • Átomo de carbono ligado a uma carboxila, grupo Átomo de carbono ligado a uma carboxila, grupo

amino e um atómo de hidrogênio;amino e um atómo de hidrogênio;• Grupo R específica para cada aminoácido Grupo R específica para cada aminoácido

propriedades particulares.propriedades particulares.

Enzimas e ProteínasEnzimas e Proteínas

Enzimas Ativas Resíduos de aminoácidos

Cofatores Íons metálicos: Fe2+, Mg2+, Mn2+

Coenzimas: moléculas orgânicas complexas

Holoenzimas

Grupo prostético: coenzima ou íon metálico covalentemente ligada à parte protéica.

CoenzimasCoenzimas

Aceptores/doadores de atómos ou grupos Aceptores/doadores de atómos ou grupos funcionais;funcionais;

Catálise: coenzima + substrato = alojados no Catálise: coenzima + substrato = alojados no centro ativo;centro ativo;

Reação modifica/restaura: enzimas diferentes e Reação modifica/restaura: enzimas diferentes e específicas específicas precede a ligação do substrato; precede a ligação do substrato;

Encontra-se covalentemente ligada à enzima ou Encontra-se covalentemente ligada à enzima ou é uma molécula “livre”.é uma molécula “livre”.

CoenzimasCoenzimas

Componente orgânico Componente orgânico não sintetizado pelos não sintetizado pelos animais superioresanimais superiores

VitaminasCompostos orgânicos indispensáveis

Pequenas quantidades precursores de coenzimas

Hidrossolúveis

CoenzimasLipossolúveis

Estrutura PrimáriaEstrutura Primária

Ligação peptídica: grupo Ligação peptídica: grupo -carboxila e grupo -carboxila e grupo --amino;amino;

Grupos no radical R: Grupos no radical R: NUNCANUNCA participam da participam da ligação peptídica;ligação peptídica;

Número de aminoácidos e ordem que se Número de aminoácidos e ordem que se encontram caracteriza uma enzima.encontram caracteriza uma enzima.

Estrutura SecundáriaEstrutura Secundária

-hélice: formada e estabilizada por pontes de -hélice: formada e estabilizada por pontes de hidrogênio hidrogênio nitrogênio e oxigênio;nitrogênio e oxigênio;

Ponte de hidrogênioPonte de hidrogênio• Ligação fraca Ligação fraca grande número conferem grande número conferem

estabilidade à estrutura.estabilidade à estrutura.

Estrutura SecundáriaEstrutura Secundária

Ponte de Hidrogênio:• Átomos de uma ligação peptídica com os átomos da quarta ligação subseqüente;• Paralelamente ao eixo da hélice.

Estrutura SecundáriaEstrutura Secundária

Folha Folha -pregueada-pregueada• Arranjo paralelo de 2 ou Arranjo paralelo de 2 ou

mais segmentos de mais segmentos de cadeias peptídicas;cadeias peptídicas;

• Pontes de hidrogênio: Pontes de hidrogênio: une 2 segmentos une 2 segmentos distintos da cadeia distintos da cadeia protéica.protéica.

Estrutura SecundáriaEstrutura Secundária

Conformação espacial: Conformação espacial: -hélice, f-hélice, folha olha --pregueada e regiões de conformações pregueada e regiões de conformações irregulares.irregulares.

Estrutura TerciáriaEstrutura Terciária

Conformação tridimensional em solução;Conformação tridimensional em solução;

Explica o dobramento da cadeia Explica o dobramento da cadeia forma geral forma geral globular;globular;

Ligações químicas: formadas entre grupos R Ligações químicas: formadas entre grupos R dos aminoácidos;dos aminoácidos;

Interações hidrofóbicas = dobramento da cadeia Interações hidrofóbicas = dobramento da cadeia polipeptídica.polipeptídica.

Estrutura TerciáriaEstrutura Terciária

Ligação salina ou iônica: grupos R (+) fazem Ligação salina ou iônica: grupos R (+) fazem ligações eletrostáticas com grupos R (-);ligações eletrostáticas com grupos R (-);

Pontes de hidrogênio: não apresentam padrão Pontes de hidrogênio: não apresentam padrão regular;regular;

Pontes dissulfeto (S-S): oxidação de 2 grupos Pontes dissulfeto (S-S): oxidação de 2 grupos -SH -SH cadeia lateral de um resíduo de cisteína; cadeia lateral de um resíduo de cisteína;

Forma espacial Forma espacial responsável pela função responsável pela função estrutura primária.estrutura primária.

Estrutura TerciáriaEstrutura Terciária

Principais ligações da estrutura terciária.Principais ligações da estrutura terciária.

Estrutura QuaternáriaEstrutura Quaternária

Organização presente nas proteínas;Organização presente nas proteínas;

Quantos?Quantos?

Quais? Monômeros associadosQuais? Monômeros associados

Como?Como?

Forças = estrutura terciária Forças = estrutura terciária EXCETOEXCETO pontes pontes dissulfetos.dissulfetos.

Estrutura QuaternáriaEstrutura Quaternária

Estrutura quartenária da hemoglobina: 4 cadeias polipeptídicas.

Classificação e NomenclaturaClassificação e Nomenclatura

Adição do sufixo “ase” ao nome do substrato, à Adição do sufixo “ase” ao nome do substrato, à palavra ou frase que descreve sua atividade;palavra ou frase que descreve sua atividade;

Comissão de Enzimas Comissão de Enzimas IUB IUB• Número classificatório de 4 dígitos Número classificatório de 4 dígitos

identificando a reação.identificando a reação.

1º = 6 classes que a enzima pertence1º = 6 classes que a enzima pertence2º = tipo de ligação que a enzima atua2º = tipo de ligação que a enzima atua3º = subclassificação do tipo de ligação3º = subclassificação do tipo de ligação

4º = número de série4º = número de série

Classificação e NomenclaturaClassificação e Nomenclatura

Principais classes das enzimasPrincipais classes das enzimas

Oxidorredutases Oxidorredutases reações de oxidação-redução reações de oxidação-redução ou transferência de elétronsou transferência de elétrons

(CH – OH, C = O, C = O-, CH – NH(CH – OH, C = O, C = O-, CH – NH2, 2, CH – NH-, NADH, NADPH)CH – NH-, NADH, NADPH)

Transferases Transferases transferem grupos funcionais transferem grupos funcionais entre moléculasentre moléculas

(Grupos: com um carbono, aldeído ou cetona, acil, glicosil, fosfatos, enxofre(Grupos: com um carbono, aldeído ou cetona, acil, glicosil, fosfatos, enxofre))

Hidrolases Hidrolases reações de hidrólise reações de hidrólise(Ésteres, ligações glicosídicas, ligações peptídicas, outras ligações C-N, (Ésteres, ligações glicosídicas, ligações peptídicas, outras ligações C-N,

anidridos ácidos)anidridos ácidos)

Classificação e NomenclaturaClassificação e Nomenclatura Principais classes das enzimasPrincipais classes das enzimas

Liases Liases catalisam a quebra de ligações catalisam a quebra de ligações covalentes e a remoção de moléculas de água, covalentes e a remoção de moléculas de água, amônia e gás carbônicoamônia e gás carbônico

(=C=C=, =C=O, =C=N-)(=C=C=, =C=O, =C=N-)

Isomerases Isomerases transferência de grupos dentro da transferência de grupos dentro da mesma molécula para formar isômerosmesma molécula para formar isômeros

(racemases)(racemases)

Ligases Ligases catalisam reações de formação de catalisam reações de formação de novas moléculas a partir da ligação entre duas novas moléculas a partir da ligação entre duas pré-existentes, sempre às custas de energiapré-existentes, sempre às custas de energia

(C-O, C-S, C-N, C-C)(C-O, C-S, C-N, C-C)

Classificação e NomenclaturaClassificação e Nomenclatura

ExemploExemploATP + D-glicose ADP + D-glicose-6-fosfatoATP + D-glicose ADP + D-glicose-6-fosfato

Nome formal Nome formal ATP: glicose fosfotransferase ATP: glicose fosfotransferase

Número Número 2.7.1.1 2.7.1.1

1º = transferase1º = transferase

2º = fosfotransferase2º = fosfotransferase

3º = fosfotransferases 3º = fosfotransferases grupo hidroxila como receptor grupo hidroxila como receptor

4º = D-glicose receptor do grupo fosfato4º = D-glicose receptor do grupo fosfato

Trivial: HEXOQUINASE

Ação CatalíticaAção Catalítica

tamanho tamanho enzima e substrato; enzima e substrato;

Sítio ativo: região específica da superfície Sítio ativo: região específica da superfície • Constituída por grupos R de aminoácidos;Constituída por grupos R de aminoácidos;• Especificidade à catalise enzimática.Especificidade à catalise enzimática.

Modelos Enzima e SubstratoModelos Enzima e Substrato

Emil Fischer (1894): “chave e fechadura”Emil Fischer (1894): “chave e fechadura”• Enzimas eram complementares ao tamanho, Enzimas eram complementares ao tamanho,

forma e natureza química do substrato;forma e natureza química do substrato;

““Chave e fechadura” Chave e fechadura” pouco eficiente! pouco eficiente!

Modelos Enzima e SubstratoModelos Enzima e Substrato

Koshland (1958): encaixe induzidoKoshland (1958): encaixe induzido• Altera o balanço de forças Altera o balanço de forças nova conformação; nova conformação;• Substrato: conformação tensionada e distorcida.Substrato: conformação tensionada e distorcida.

Velocidade das ReaçõesVelocidade das Reações

E + S ES EP E + PE + S ES EP E + P

Catalisador: Catalisador: velocidade da reação velocidade da reação NÃONÃO afetam o equilíbrio.afetam o equilíbrio.

Diagrama de coordenadas da reação:Diagrama de coordenadas da reação:

Atividade EnzimáticaAtividade Enzimática

Medida da atividade Medida da atividade velocidade da reação; velocidade da reação;

DosagemDosagem• Amostra + Amostra + concentrações de substrato; concentrações de substrato;• Velocidade da reação Velocidade da reação Unidades Unidades

Internacionais (Internacionais (UU););• UU = quantidade de enzima capaz de formar 1 = quantidade de enzima capaz de formar 1

mol de P por minuto em condições ótimas;mol de P por minuto em condições ótimas;• Atividade específica = Atividade específica = UU mg de proteínamg de proteína