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: * Tripsina e pepsina – proteases

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 baseado no mecanismo de reação

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 4° dígito - indica o substrato

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 2.8.grupos contendo enxofre

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. =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

Outras formas de classificar atuam no interior da célula sintetizam o material celular Enzimas intracelulares realizam reações catabólicas que suprem as necessidades energéticas da célula. atuam fora da célula Enzimas extracelulares executando as alterações necessárias à penetração dos nutrientes para o interior das células.

Outras formas de classificar Agem dentro das moléculas Endoenzimas 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. Exoenzimas

Outras formas de classificar Enzimas habituais ou constitutivas As células sempre as sintetizam As células só as sintetizam quando estão na presença do substrato da enzima Enzimas indutivas Enzimas que têm a mesma função, ou seja, catalisam uma mesma reação, porém apresentam estruturas diferentes Isoenzimas

Propriedades Gerais Diferenças entre enzimas e catalisadores químicos Velocidade de reação mais rápida: 106 a 1012x > que as não catalisadas, e são varias ordens de magnitude > do que as reações catalisadas quimicamente.

Propriedades Gerais Diferenças entre enzimas e catalisadores químicos Maior especificidade da reação Grau de especificidade imensamente > em relação a identidade dos seus S e dos seus P Reações enzimáticas raramente produzem subprodutos. Estereoespecificidade: Agem em grupos funcionais específicos catalisando reações de forma estereoepecífica, formando somente um dos enantiômeros possíveis

Propriedades Gerais Condições reacionais mais brandas pH Temperatura Desnaturação

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

Mecanismo de Ação Modelo Chave-fechadura Emil Fischer em 1894 Relação estérica entre enzima e substrato

Mecanismo de Ação Modelo do ajuste induzido Koshland em 1958 Prevê um sítio de ligação não totalmente pré-formado, E e o S sofrem conformação para o encaixe.

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).

Mecanismo de Ação Conceitos Teoria da Colisão: As reações químicas acontecem quando ligações são quebradas ou formadas. Para isto átomos, íons e moléculas devem colidir. Todos os átomos, íons e moléculas estão em constante movimento e portanto colidindo constantemente. 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.

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 ∆G reação

Mecanismo de Ação ∆G: A diferença de energia entre produtos e reagentes Não depende da E.A. Energia de Ativação ∆G reação

Mecanismo de Ação Taxa de reação: A freqüência de colisões contendo energia suficiente para que a reação aconteça. taxa de reação: de T = o calor a freqüência das colisões e o n° de moléculas que atingem a E.A. Reagentes estão + concentrados = Dist. entre as moléculas menor.

Reações Catalisadas por Enzimas Energia de Ativação na ausência de enzima Não catalisada Catalisada Energia de Ativaçao na presença de enzima Energia do sistema (G) Reagentes ∆G reação Produtos Progresso da Reação

Reações Catalisadas por Enzimas Catalisador atua diminuindo a Energia de Ativação Energia 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

Reações Catalisadas por Enzimas Energia 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 Não altera : equilíbrio nem o ∆G

Reações Catalisadas por Enzimas Energia de Ativação na ausência de enzima Não catalisada Catalisada Energia de Ativaçao na presença de enzima Energia do sistema (G) Reagentes ∆G reação Produtos Progresso da Reação

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.

Reações Catalisadas por Enzimas Ex: Decomposição do H2O2 Catalase H2O2 H2O + O2 Condições da Reação Energia livre de Ativação KJ/mol Kcal/mol Velocidade Relativa 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

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. Atuam em pequenas concentrações

Reações Catalisadas por Enzimas 1 molécula de Catalase decompõe 5 000 000 de moléculas de H2O2 pH = 6,8 em 1 min Número de renovação = n° de moléculas de substrato convertidas em produto por uma única molécula de enzima em uma dada unidade de tempo.

Fatores que Influenciam a Ação Enzimática pH Temperatura Concentração da Enzima Concentração do Substrato

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 5,7

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

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.

Fatores que Influenciam a Ação Enzimática Concentração do Substrato Inicialmente a velocidade da reação é diretamente proporcional a [S].

Fatores que Influenciam a Ação Enzimática Concentração do Substrato A velocidade passa a ser constante porque não depende da [S]

Fatores que Influenciam a Ação Enzimática Concentração do Substrato A quantidade de reagente é o suficiente grande para saturar todos os sítios catalíticos enzimas.

Inibição enzimática Inibidores Substâncias que reduzem a atividade de uma enzima de forma a influenciar a ligação do substrato. Grande parte do arsenal farmacêutico (Por ex. tratamento da AIDS feito com drogas que inibem a atividade de certas enzimas virais.

Inibição enzimática Classificação: Irreversível Competitiva Reversível Não Competitiva

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).

Inibição Irreversível Ex: Inibição da enzima ciclo-oxigenase pelo acetilsalicilato Ciclo-oxigenase SÍNTESE Prostaglandinas Processo biológicos, ex. sensação de dor

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.

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.

Co-fatores Quase 1/3 das enzimas requerem um componente não protéico para sua atividade, denominado cofator Porção protéica APOENZIMA Cofator Íons metálicos HOLOENZIMA Moléculas orgânicas Coenzimas

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

Co-fatores Algumas enzimas que contêm ou necessitam de elementos inorgânicos como cofatores ENZIMA COFATOR PEROXIDASE Fe+2 ou Fe+3 CITOCROMO OXIDASE Cu+2 ÁLCOOL DESIDROGENASE Zn+2 HEXOQUINASE Mg+2 UREASE Ni+2

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 transportadoras de grupos químicos

Co-fatores - Coenzimas Transportadoras de hidrogênio

Co-fatores - Coenzimas Transportadoras de de grupos químicos

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.

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 organismos superiores).

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 a inibição por "feed-back”.

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. B C D E A Enzima a1 Enzima d Produto final Substrato inicial Enzima b Enzima c Mecanismos de controle Indução: A presença do substrato A induz a síntese da enzima a

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. 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 conveniente, a síntese de todas as enzimas é reprimida

Controle fino do metabolismo 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. Substrato inicial B C D E A Enzima a1 Enzima a2 Enzima a3 Enzima d Produto final Enzima b Enzima c Mecanismos de controle Cada isoenzimas pode ser regulada independentemente Controle fino do metabolismo

Comparação das enzimas com catalisadores químicos Característica Enzimas Catalisadores Químicos Especificidade ao substrato alta baixa Natureza da estrutura complexa Simples Sensibilidade à T e pH Baixa Condições de reação (T, P e pH) suaves drástica (geralmente) Custo de obtenção (isolamento e purificação) alto Moderado Natureza do processo batelada Contínuo Consumo de energia baixo Alto Formação de subprodutos Alta Separação catalisador/ produtos difícil/cara simples Atividade Catalítica (temperatura ambiente) Presença de cofatores sim não Estabilidade do preparado Energia de Ativação Velocidade de reação

Comparação das enzimas com catalisadores químicos Característica Enzimas Catalisadores Químicos Especificidade ao substrato alta baixa Natureza da estrutura complexa Simples Sensibilidade à T e pH Baixa Condições de reação (T, P e pH) suaves drástica (geralmente) Custo de obtenção (isolamento e purificação) alto Moderado Natureza do processo batelada Contínuo Consumo de energia baixo Alto Formação de subprodutos Alta Separação catalisador/ produtos difícil/cara simples Atividade Catalítica (temperatura ambiente) Presença de cofatores sim não Estabilidade do preparado Energia de Ativação Velocidade de reação

Comparação das enzimas com catalisadores químicos Característica Enzimas Catalisadores Químicos Especificidade ao substrato alta baixa Natureza da estrutura complexa Simples Sensibilidade à T e pH Baixa Condições de reação (T, P e pH) suaves drástica (geralmente) Custo de obtenção (isolamento e purificação) alto Moderado Natureza do processo batelada Contínuo Consumo de energia baixo Alto Formação de subprodutos Alta Separação catalisador/ produtos difícil/cara simples Atividade Catalítica (temperatura ambiente) Presença de cofatores sim não Estabilidade do preparado Energia de Ativação Velocidade de reação

Comparação das enzimas com catalisadores químicos Característica Enzimas Catalisadores Químicos Especificidade ao substrato alta baixa Natureza da estrutura complexa Simples Sensibilidade à T e pH Baixa Condições de reação (T, P e pH) suaves drástica (geralmente) Custo de obtenção (isolamento e purificação) alto Moderado Natureza do processo batelada Contínuo Consumo de energia baixo Alto Formação de subprodutos Alta Separação catalisador/ produtos difícil/cara simples Atividade Catalítica (temperatura ambiente) Presença de cofatores sim não Estabilidade do preparado Energia de Ativação Velocidade de reação

Referencias Bibliográficas AQUARONE, Eugênio; BORZANI, Walter; ALMEIDA LIMA, Urgel de; SCMIDELL, Willibaldo. Biotecnologia industrial. Volumes 1, 2, 3 e 4. CHAMPE, Pamela C. & HARVEY, Richard A. - Bioquímica Ilustrada. Artes Médicas. Porto Alegre, 1997. pp 126-131. LEHNINGER, Albert L; NELSON, David L.; COX, Michael M. Principios de bioquimica. 4. ed. São Paulo: Sarvier, 2006. STRYER, Lubert. Bioquímica. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan,1996. Capítulo 7 VOET, Donald; VOET, Judith G. Bioquímica. 3. ed. Porto Alegre: ARTMED, 2006. 1596p.