Processos catalíticos mediados por enzimas que contém metais Shriver e Atkins, cap 26

Catálise ácido-base

Pense: muitas reações catalisadas por ácidos ou bases requerem concentrações de H+ ou de OH- da ordem de 0,1 mol/L, ou maiores. Seria possível para as células empregar estes catalisadores convencionais em suas reações?

Pense: se a catálise ácido-base convencional não é possível nos sitemas biológicos, qual a outra alternativa para se acelerar uma determinada reação?

Ao diminuir a energia de ativação, os catalisadores permitem que a reação ocorra com maior facilidade (mais vezes em um espaço de tempo definido)

Revendo energia de ativação e as reações catalisadas

Enzimas que contém Zinco e a catálise ácido-base

Na maioria das enzimas que contém zinco (e apresentam capacidade de catálise ácido-base), o Zn está na forma Zn2+ e se coordena com 3 ligantes nitrogenados da proteína (normalmente histidinas) e água

Pense: Porque o Zn2+ aparece frequentemente em proteínas na estrutura com 4 ligantes (usualmente tetraédrico) e não octaédrico como os íons Fe2+ e Fe3+?

O metal Zn Fe >> 30 elétrons 1s2

2s2 2p6

3s2 3p6 3d10

4s2 4p0 No Zn2+ >> 3d10 4s0

Não há energia de estabilização pelo desdobramento de orbitais "d"

4 ligantes (tetraédrico) são melhor acomodados do que 6 (octaédrico) devido a ausência de estabilização de orbitais "d" e menor repulsão elétron-elétron

slide da aula 9 (dedos de Zn)

Mecanismo de ação "Zn-hidróxido"

Neste caso, a molécula de água complexada com o íon Zn2+ tem seu pka alterado em cerca de 3 unidades a menos

H2O H+ + OH- pKa = 7 H2O(coord.) H+ + OH- pKa 4

A alteração no pka da água significa, na prática, que ocorre a formação de íon hidróxido no sítio ativo da enzima. O íon OH- é um nucleófilo forte (base de Lewis eficiente para transferir elétrons), ou seja, um bom doador de elétrons e pode atacar, por exemplo , grupos carbonílicos

Mecanismo de ação "Zn-hidróxido"

H2O H+ + OH- pKa = 7 H2O(coord.) H+ + OH- pKa 4

Exemplo: Anidrase carbônica - enzima presente nas células vermelhas do sangue >>> fundamental para o transporte de CO2 (baixa solubilidade) na forma de HCO3

- (elevada solubilidade)

Em pH 7,0: CO2 + H2O H2CO3 HCO3

- + H+ K = 10-3 s-1 ANIDRASE CARBÔNICA CO2 + H2O H2CO3 HCO3

- + H+ K = 106 s-1

Note que há a participação dos ácidos glutâmico e do triptofano no sítio catalítico

Sítio catalítico da Anidrase carbônica - enzima fundamental para o transporte de CO2 na forma de HCO3

- CO2 se acopla ao sítio catalítico e o Carbono recebe a adição de OH-. Posteriormente, o HCO3

- deixa o sítio catalítico sendo substituído por água

Mecanismo de ação "Zn-carbonila"

Neste caso, a molécula de um substrato que contém um grupo carbonila se liga ao sítio catalítico com o íon Zn2+ , tornando a ligação C=O ainda mais polarizada e susceptível ao ataque de um nucleófilo fraco, como a água, por exemplo

Exemplo: a enzima carboxipeptidase - uma protease, pois catalisa a hidrólise de uma ligação peptídica (função amida)

Pense: Como seria a correspondente hidrólise de uma ligação peptídica catalisada por ácidos e não por enzimas. Consulte um livro de química orgânica se necessário. Faça um contraponto entre os dois tipos de reação

+

Hidrólise alcalina de proteínas 6 mol/L e 120oC: Porque a reação só ocorrem em condições severas

Fosfatase alcalina - hidrólise de ésteres orgânicos de fosfato (ex: ATP)

H2O

-CH2OH + HO-PO32-

Pense: porque o pH ótimo de ação desta fosfatase é na região alcalina (normalmente acima de 7,5)

Álcool desidrohenase - Uma enzima que oxida os álcoois a aldeídos, mas depende da redução simultânea de NAD+ à NADH (enzima comum no fígado)

CH3CH2OH + NAD+ CH3CHO + NADH + H+

Em leveduras, a álcool desidrogenase tem função de catálise inversa >> crucial na síntese de etanol durante a fermentação. A enzima converte acetaldeído em etanol, através da regeneração de NAD+

CH3CH2OH CH3CHO CH3COOH Acetyl-CoA 3H2O+2CO2

Álcool desidrohenase - Mecanismo de ação: Oxi-redução na molécula de NADH/NAD+

Álcool desidrohenase -Mecanismo de ação: No sítio catalítico contendo Zn2+, o álcool se coordena com o Zn2+, e a molécula de NAD se aproxima

HORSE LIVER ALCOHOL

DEHYDROGENASE COMPLEXED WITH

2,3,4,5,6-PENTA-FLUOROBENZYL

ALCOHOL AND NAD

Active site residues (His67,Cys174,Cys46)

shown as sticks (green);

Part of NAD shown as sticks (red);

Zn shown as sphere (magenta);

Atoms colored by atom type:

(carbon-gray/green/red, nitrogen-blue,

oxygen-firebrick, sulfur-orange, hydrogen-

white);

Zinc coordination shown as dashed lines

(yellow)

Mecanismo de ação: No sítio catalítico contendo Zn2+, antes do acoplamento do álcool a água substitui um ácido glutâmico. Logo a seguir o álcool se coordena com o Zn2+, e a molécula de NAD+ é reduzida a NADH

Enzimas de Magnésio (Mg2+): Exemplo: Rubisco (Ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase) - a enzima mais abundante na biosfera: catalisa a incorporação de CO2 em uma molécula de ribulose-1,5-difosfato

Existe em todas as plantas e é fundamental na fotossíntese

Consiste de 2 subunidades: cadeia longa (L, 55 kDa) e cadeia curta (S, 13 kDa) As cadeias se unem em 8 (4 dímeros) com uma massa molar aparente de 540 kDa

Parte orgânica da molécula de ribulose-1,3-difosfato

Substituição de 2 águas pelo enol e migração do proton da lisina

Mg2+ octaédrico na rubisco

Adição de água ao enol e CO2 à dupla, que abre. O intermediário desloca outra água

Quebra da ribulose com uma nova ligação C-C, (ribulose-CO2)

Próxima aula: Enzimas de Ferro - oxi-redução Shriver e Atkins, e cap. 26