Baixe Apostila sobre enzimas e outras Notas de estudo em PDF para Nutrição, somente na Docsity! JULIANA RIBEIRO MARIOTTO ESTÁGIO DE DOCÊNCIA Enzimas JULHO 2006 ENZIMAS 1 Conceito Enzimas são catalisadores biológicos, formados por longas cadeias de moléculas pequenas, chamadas de aminoácidos. São, portanto, um tipo de proteína com atividade catalítica, sendo encontradas na natureza em todos os seres vivos. Sua função é viabilizar a atividade das células, quebrando moléculas ou juntando-as para formar novos compostos. A singularidade desses compostos decorre do elevado grau de especificidade ao substrato em condições moderadas, sob as quais atuam. Algumas enzimas são específicas para determinado tipo de ligação química, como por exemplo, a capacidade da c.-amilase de romper unicamente as ligações a-1,4 das moléculas de amido. Outras são específicas para um tipo particular de isômeros ópticos, como a oxidação da B-D-glicose pela glicose oxidase. “Toda a enzima é uma proteína, mas nem toda proteína é uma enzima”. 2 Características das Enzimas e São produtos naturais biológicos; e Apresentam um alto grau de especificidade; e Reações baratas e seguras; e Possuem mecanismo de “turnover”, desempenhando a mesma função consecutivamente, sem serem consumidas no processo; e São altamente eficientes, acelerando a velocidade das reações de 10% a 10!! vezes; e São econômicas, reduzindo a energia de ativação necessária para a reação catalisada; e Não são tóxicas. 3 Proteínas Exceto um grupo de moléculas de RNA com propriedades catalíticas (ribozimas), todas as enzimas são proteínas. A atividade catalítica depende da sua conformação protéica nativa, sendo esta perdida quando a enzima é desnaturada ou dissociada em subunidades. 4.2 Estrutura secundária Dois tipos diferentes de organização regular, chamadas estruturas secundárias, são encontradas nas enzimas. A cadeia peptídica pode ter segmentos organizados em a-hélice, sendo formada e estabilizada por pontes de hidrogênio estabelecidas entre o átomo de nitrogênio e o átomo de oxigênio (Figura 3). Cada ligação peptídica oferece os elementos para a formação da ponte de hidrogênio: um átomo de hidrogênio covalentemente ligado ao nitrogênio e o oxigênio, preso ao carbono por uma dupla ligação. A ligação por ponte de hidrogênio é estabelecida entre os átomos constituintes de uma ligação peptídica qualquer e os átomos da quarta ligação peptídica subsegiente, que a volta da hélice aproximou da primeira. Cada ponte de hidrogênio é uma ligação fraca, mas o grande número dessas interações confere muita estabilidade à estrutura que mantêm. (Figura 4). uk so o — c— Figura 3. Ponte de hidrogênio, formada com os elementos da ligação peptídica. Figura 4. Esquema da a.-hélice, estabilizada por pontes de hidrogênio. A folha B-pregueada é formada por um arranjo paralelo de dois ou mais segmentos de cadeias peptídicas, mantidas por pontes de hidrogênio formadas pelos mesmos elementos que constituem as pontes de hidrogênio da a-hélice (Figura 5). Nesse caso a ponte de hidrogênio une dois segmentos distintos da cadeia protéica. Figura 5. Esquema da folha B-pregueada, estabilizada por pontes de hidrogênio. As enzimas apresentam, em sua conformação espacial, as duas estruturas secundárias; parte da cadeia está organizada em ct-hélice e parte em folha B-pregueada. Aparecem também regiões de conformação irregular, conectando os segmentos com arranjo definido (Figura 6). a-hélice pregueada Figura 6. Estrutura da lisozima, indicando segmentos em a.-hélice, segmentos em folha B-pregueada e regiões sem estrutura regular. 4.3 Estrutura terciária Esta estrutura descreve a conformação tridimensional que a molécula protéica assume em solução, explicando o dobramento da cadeia peptídica com os enrolamentos, dobras e voltas que a compõem e que a levam a uma forma geral globular. As ligações químicas que estabelecem e mantêm a estrutura terciária são formadas sempre entre os grupos R dos aminoácidos. Estes grupos R podem ser divididos em dois tipos: apolares (hidrofóbicos) e polares. Como a água é um solvente polar, os grupos R apolares tendem a aproximar-se uns dos outros, excluindo a água, situando-se no interior da molécula, enquanto os grupos polares voltam-se para a superfície. Essa localização dos grupos R constitui uma força poderosa de dobramento da cadeia polipeptídica. Outras forças devem ser consideradas. Grupos R com carga elétrica positiva fazem ligações eletrostáticas com grupos R com carga negativa. Outras forças importantes são as pontes de hidrogênio, formadas entre grupos R. Ao contrário das pontes de hidrogênio da estrutura secundária, estas não apresentam qualquer padrão regular, pois a localização dos grupos R, capazes de oferecer os elementos para a formação da ponte de hidrogênio, estão distribuídos irregularmente ao longo da cadeia peptídica segundo a estrutura primária da enzima. As interações responsáveis pela estrutura tridimensional das enzimas são todas forças fracas. Mas pode ser encontrada também uma ligação covalente fazendo parte das ligações que mantêm a estrutura terciária: são as pontes dissulfeto, ou pontes S-S, formadas pela oxidação de dois grupos —SH, cada um dos quais presente na cadeia lateral de um resíduo de cisteína, o único aminoácido a apresentar -SH no grupo R. Designa-se resíduo de aminoácido à fração da molécula de aminoácido efetivamente inserida na cadeia protéica. A Figura 7 mostra as principais ligações da estrutura terciária. Obs: A forma espacial da enzima, responsável pela sua função, é resultado indireto de sua estrutura primária. Exemplo: ATP + D-glicose ——» ADP + D-glicose-6-fosfato O nome sistemático formal da enzima que catalisa a reação é ATP:glicose fosfotransferase, indicando que ela catalisa a transferência de um grupo fosfato do ATP para a glicose. O seu número na classificação enzimática é 2.7.1.1; o primeiro dígito (2) denota o nome da classe (transferase); o segundo dígito (7) a subclasse (fosfotransferase); o terceiro dígito (1), fosfotransferases que trabalham com um grupo hidroxila como receptor; e o quarto dígito (1), indica ser a D-glicose o receptor do grupo fosfato. Quando o nome sistemático de uma enzima é muito longo ou de uso difícil, um nome trivial pode ser usado, no exemplo este nome é hexoquinase. 6 Ação catalítica O primeiro ponto a considerar é a grande diferença de tamanho entre a enzima e seus substratos. Um exemplo numérico: a enzima uréase, que catalisa a reação de hidrólise da uréia tem peso molecular aproximado de 500.000 dáltons, enquanto a uréia tem peso molecular de 60 e a água de 18. O investimento energético para a síntese de uma molécula protéica tão grande justifica-se pela obtenção de uma estrutura muito precisa, com reentrâncias de forma apropriada e com grupos químicos localizados em posições exatas para servir à catalise. Para que esta seja exercida, os reagentes, chamados de substratos, devem ligar-se à molécula da enzima em uma região específica, chamada sítio ativo. O sítio ativo é uma cavidade com forma definida, aberta na superfície da molécula globular da enzima, constituída por grupos R de aminoácidos. Essa forma do sítio ativo confere especificidade à catalise enzimática: para ser reconhecida como substrato uma molécula deve ter a forma adequada para acomodar-se no sítio ativo e os grupos químicos capazes de estabelecer ligações com os grupos R ali presentes (Figura 9). E+S= ES=P+E o o P Ze Figura 9. Esquema da ligação do substrato no sítio ativo. 6.1 Modelos enzima e substrato Emil Fischer propôs, em 1894, que as enzimas se ajustavam como o modelo “chave e fechadura”, isto é, eram estruturalmente complementares em tamanho, forma e natureza química a seus substratos (Figura 10). o. o O (6-6 Figura 10. Modelo chave-fechadura. Uma enzima completamente complementar a seu substrato seria pouco eficiente. A aproximação e a ligação do substrato à enzima altera o balanço de forças responsáveis pela manutenção da estrutura tridimensional da enzima, amoldando sua forma à forma do substrato e fazendo-a adquirir uma nova conformação, ideal para a catálise (Koshland, 1958, modelo do encaixe induzido). A conformação dos substratos também é tensionada e distorcida, aproximando-se da conformação do estado de transição (Figura 11). É esse conjunto de mecanismos que torna a catálise enzimática tão eficiente. Sítio Ativo Conformação do estado de transição Figura 11. Esquema do modelo de encaixe induzido. 7 Velocidade das reações Uma reação enzimática simples pode ser escrita assim: E+SS EST PE E+P E, S e P representam a enzima, o substrato e o produto. ES e EP são complexos da molécula da enzima com o substrato e com o produto, respectivamente. A função de um catalisador é aumentar a velocidade de uma reação, não afetando o equilíbrio da reação. Qualquer reação pode ser descrita por um diagrama de coordenadas da reação (Figura 12), sendo esta uma representação gráfica do curso energético da reação. A energia nos sistemas biológicos é descrita em termos da energia livre G. Em sua forma normal estável ou nível basal, qualquer molécula (S ou P) contém uma quantidade característica de energia livre. -» Energia de ativação sem enzima Energia de ativação com enzima Energia Diferença entre s a energia livre - dese P Caminho da Reação Figura 12. Diagrama de coordenadas da reação. O equilíbrio entre S e P reflete a diferença em energia livre dos seus estados basais. No exemplo da Figura 12, a energia livre do estado basal de P é menor que aquela de S, assim AG” para a reação é negativa, e o equilíbrio favorece P. Um equilíbrio favorável não significa que a conversão S —> P seja rápida. Existe uma barreira energética entre S e P que representa as transformações necessárias para que a reação ocorra em uma direção ou outra (“colina” de energia na Figura 12). Para sofrer a reação, as moléculas precisam superar esta barreira e, portanto, precisam ser elevadas a um nível superior de energia. No topo da colina da energia está um ponto no qual a queda para o estado de S ou P é igualmente provável (caminho morro abaixo), sendo este ponto chamado de estado de transição. A diferença entre os níveis de energia do estado basal e o estado de transição é chamada de energia de ativação (4G**). A energia de ativação pode ser diminuída pela adição de um catalisador, que aumenta a velocidade das reações pela diminuição das energias de ativação.