Aula5 enzimas e-receptores

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BioLab – www.iq.ufrgs.br/biolab/

Prof. Gustavo Pozza Silveira Introdução a Química Medicinal

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INTRODUÇÃO A QUÍMICA

MEDICINAL

Prof. Gustavo Pozza Silveira [email protected]

Sala 201A – Bloco E

mailto:[email protected]

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Enzimas – catalisador natural da vida.

Receptores – sistama de comunicação natural da vida.

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3

Estrutura e função de enzimas

• Proteinas globulares agem como catalisadores do corpo.

• Aumentam a velocidade reacional para que a mesma atinja o equilíbrio.

• Diminuem a energia de ativação reacional.

Examplo:

LDH = Lactate dehydrogenase (enzyme)

NADH2 = Nicotinamide adenosine dinucleotide (reducing agent & cofactor)

Pyruvic acid = Substrate

LDH

Pyruvic acid Lactic acid

H3CC

C

O

O HO

C O

CH3C

H

NADH2 NAD+++

OH OH

4



4

Diminui a energia de ativação de uma reação:

Act.

energy

Transition state

SEM ENZIMA

Product

Starting

material

Energia

COM ENZIMA

Product

Starting

material

Energia

∆G

New

transition

state

∆G

Act.

energy

Enzimas diminuem a energia de ativação reacional, mas DG

permanece o mesmo.

Estrutura e função de enzimas

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5

Métodos de catálise enzimática

• Promovem uma superfície reacional (o sítio ativo)

• Promovem o ambiente adequado para reação environment (hidrofóbico).

• Aproximam os reagentes.

• Posicionam reagentes corretamente para reação (confôrmeros).

• Enfraquecem ligações nos reagentes.

• Promovem catálise ácida / basica.

• Intensificam grupos nucleofílicos.

Estrutura e funcionamento de enzimas

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6

Sitio ativo

• Cavidades ou hidrofóbicas na superfície enzimática.

• Aceitam reagentes (substratos e cofatores)

• Contem aminoácidos que:

- Ligam-se a reagentes (substratos and cofactores).

- Catalisam a reação.

ENZYME

Active site Active site

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7

Notas:

• Sítio ativo está próximo do formato correto para interação com o substrato.

• Ligação altera o formato da enzima (prenchimento induzido).

• Força de ligação com o substrato é aumentada devido a indução.

• Ligação envolve forças intermoleculares entre grupos funcionais do substrato e

do sítio ativo.

Prenchimento induzido.

Induced fit

Substrate

S

Ligação do substrato

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8


• Ionic

• H-bonding

• van der Waals

Forças ligantes

Examplo

S

Enzyme

Active site

vdw

interaction

ionic

bond

H-bond

Phe

Ser

O H

Asp

CO2

9



9

H3C

C

C

O

O

O

• Ionic

• H-bonding

• van der Waals

Examplo - Binding of pyruvic acid in LDH

H-Bond

Possible interactions vdw-interactions

O

H

H3N

H3C

C

C

O

O

O

Ionic bond

H-Bond

H3C

C

C

O

O

O

van der Waals

H3C

C

C

O

O

O

Ionic

H3C

C

C

O

O

O

Ligação do substrato Forças ligantes

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10

Lactate dehydrogenase is a safety valve in our pipeline of energy production.

Most of the time, our cells break down glucose completely, releasing the carbon

atoms as carbon dioxide and the hydrogen atoms as water. This requires a lot of

oxygen. If the flow of oxygen is not sufficient, however, the pipeline of energy

production gets stopped up at the end of glycolysis. Lactate dehydrogenase is

the way that cells solve this problem, at least temporarily.

During sprints or other over-exertions, there isn't enough oxygen to go around. In

this case, our cells use glycolysis as their primary source of energy, As part of

glycolysis, hydrogen from glucose is placed on NAD+ to form NADH. Normally,

these hydrogen atoms are then transferred to oxygen to form water. If oxygen

isn't available, the NADH builds up and there isn't enough NAD+ to continue

using glycolysis to make ATP. That's where lactate dehydrogenase steps in: it

combines pyruvate and NADH, producing lactic acid and NAD+. The NAD+ can

then be recycled to do another round of glycolysis.

Lactato dehydrogenase

http://www.rcsb.org/pdb/static.do?p=education_discussion/molecule_of_the_month/pdb50_1.html

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Ligantes: NADH (cofator) e ácido pirúvico (substato).

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12


Ligantes: NADH (cofator) e ácido pirúvico (substato).

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13

• Indução do molde correto – Sítio ativo é alterado para maximizar ligações

intermoleculares.

Forças de ligação

Intermolecular bonds not optimum

length for maximum bonding

Intermolecular bond lengths optimised

Susceptible bonds in substrate

strained

Susceptible bonds in substrate more

easily broken

S Phe

Ser O

H

Asp

CO2 Induced

fit

S Phe

Ser

O H

Asp

CO2


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14


Example - Binding of pyruvic acid in LDH

O

H

H3N

H3C

C

C

O

O

O

O

O

O

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15

Example - Binding of pyruvic acid in LDH

O

H

H3N

p bond

weakened

H3C

C

C

O

O

O


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16

Mecanismo de catálise

• Histidine

Catálise ácido/base

Residos nucleofílicos

NNH

+H

-H NNH

H

Non-ionised

Acts as a basic catalyst

(proton 'sink')

Ionised

Acts as an acid catalyst

(proton source)

H3N CO2

OH

H

L-Serine

H3N CO2

SH

H

L-Cysteine

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17


O H

S e r

X

Substrate

O

Ser

H2O

O H

Ser

H O Product

Serina agindo como nucleófilo

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18

Mechanism for chymotrypsin

Catalytic triad of serine, histidine and aspartate

Chymotrypsin

N N O H

H

O O

S e r H i s A s p

.. :

:


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19


P r o t e i n N H

C

O

P r o t e i n

: :

Chymotrypsin

N N O H

H

O O

S e r H i s A s p

.. :

:


20



20


O

ProteinNHC

O

Protein

: :

:Chymotrypsin

N N H

H

O O

S e r H i s A s p

: :


21



21


NO

ProteinNHC

O

Protein

: :

:

:

H

Chymotrypsin

N H

O O

S e r H i s A s p

: :


22



22


O

C

:

OProtein

: :

H

O

H

:

:

Chymotrypsin

N N H

O O

S e r H i s A s p

: :

:


23



23


O

HO

C

O

Protein

: :

:

H

Chymotrypsin

N N H

O O

S e r H i s A s p

: :

:


24



24


:N

O

O

C

O

Protein

: :

:

H

::

H

Chymotrypsin

N H

O O

S e r H i s A s p

: :


25



25


OH

C

O

Protein

: :

Chymotrypsin

N N O H

H

O O

S e r H i s A s p

.. :

:


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26


NNOH

Cprotein

HO O

Ser His Asp

OH

O

: :..

NNO H

proteinNHC

O

protein

HO O

Ser His Asp

:

..:

:

:

NNO H

proteinNHC

O

protein

HO O

Ser His Asp

:

:

:

:

..

NNO

proteinNHC

O

protein

HO O

Ser His Asp

H

:

:

:..

:NN

O

C

O

HO O

Ser His Asp

:

: ::

:proteinO

H H

: :

NNO

C

O

protein

HO O

Ser His Asp

O

H

H

: ::

: :..

..

NNO

C

O

protein

HO O

Ser His Asp

OH

H: :

: :..

..

..

Mecanismos de catálise

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27

Processo completo de catálise enzimática

S

E

ES

P

E

EP

P

E

E + P

E

S

E + S

E

Notes:

• Interaçõs lingantes devem ser fortes o suficiente para manter o substrato preso

o tempo necessário para que a reação ocorra.

• Porém, as interações devem ser fracas o suficiente para permitir que o substrato

deixe o sítio ativo após a catálise.

• Esse antagonismo deve ser seriamente levado em consideração!

• O planejamento de moléculas que liguem-se fortemente ao sítio ativo poderá

bloqueá-lo permanentemente!

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• Many enzymes are regulated by agents within the cell

• Regulation may enhance or inhibit the enzyme

• The products of some enzymes may act as inhibitors

• Usually bind to a binding site called an allosteric binding site

Example

Phosphorylase a

Glucose-1-phosphate

HO

O

H

H

HO

H

O

OHHH

OH

P

OH

O

HO

O

O

H

H

HO

H

OH

OHHH

OH

Glycogen

n

N

NN

N

NH2

O

OHOH

HH

HH

OPO

O

O

AMP

Regulando o funcionamento de enzimas

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ACTIVE SITE (open)

ENZYME Enzyme

• Inhibitor binds reversibly to an allosteric binding site

• Intermolecular bonds are formed

• Induced fit alters the shape of the enzyme

• Active site is distorted and is not recognised by the substrate

• Increasing substrate concentration does not reverse inhibition

• Inhibitor is not similar in structure to the substrate

Allosteric

binding site

Active site

(open) ENZYME Enzyme

Induced

fit

Active site

unrecognisable

Allosteric

inhibitor


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Notes

• Enzymes with allosteric sites are often at the start of a biosynthetic pathway

• Enzyme is controlled by the final product of the pathway

• Final product binds to the allosteric site and switches off enzyme

P’’’ P’’ P’

Biosynthetic pathway

Feedback control Inhibition

P S

(open) ENZYME Enzyme


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Forma ativa Forma inativa - alóstero

Some bacteria obtain most of their energy by conversion of glucose into

lactose. This process is called fermentation. The bacterial lactose

dehydrogenase shown here is an allosteric enzyme. Binding of fructose 1,6-

bisphosphate, one of the molecules formed in the early steps of glycolysis,

causes the enzyme to change into an active shape.

ALÓSTEROS – LACTATO DEHYDROGENASE

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ALÓSTEROS – LACTATO DEHYDROGENASE

Cloranfenicol liga-se na porção que seria ocupada pela frutose 1,6-bifosfato

impedindo a formação alostérica que leva a forma ativa da enzima.

The protozoan parasites that cause malaria are thought to rely on glycolysis

for most of their energy during part of their cycle of infection.

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Protein

kinase

Cell


• External signals can regulate the activity of enzymes (e.g. neurotransmitters or

hormones)

• Chemical messenger initiates a signal cascade which activates enzymes called

protein kinases

• Protein kinases phosphorylate target enzymes to affect activity

Example

Adrenaline

Signal

cascade

Phosphorylase b

(inactive)

Phosphorylase a

(active)

Glycogen Glucose-1-phosphate

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