Capítulo 5: Enzimas - Conceitos e Características

Capítulo 5 Enzimas 1 Conceito As enzimas constituem um grupo especial de moléculas de proteínas Cerca de 2000 diferentes enzimas são conhecidas Sem elas a maioria das reações do organismo ocorreria lentamente demais para manter a vida São os catalisadores dos sistemas biológicos das reações químicas que ocorrem nos sistemas biológicos isto é aceleram a velocidade das reações do nosso corpo em milhões de vezes ou mais Como outros catalisadores a enzima se mostra inalterada depois que a reação ocorreu Quantidades muito pequenas delas são necessárias São proteínas em sua maioria com exceção das moléculas de RNA cataliticamente ativas 2 Características Possuem duas características marcantes a especificidade Em contraste com a maioria dos catalisadores as enzimas são altamente específicas Por exemplo elas podem identificar pequenas diferenças entre alfaglicose no amido e beta glicose na celulose pequenas diferenças entre os enantiômeros D e L de uma molécula o local de hidrólise catalisada pela trombina enzima que participa da coagulação sanguínea especificamente entre entre arginina e glicina neste caso a trombina é específica a peptídeos que contenham a ligação peptídica entre os aminoácidos arginina e glicina por encaixarse perfeitamente somente aí Esta especificidade é possível graças à complexa conformação tridimensional da molécula enzimática Cada enzima tem uma fenda especial na qual uma parte ou toda a molécula do reagente pode se adaptar A molécula do reagente que é alterada pela reação química catalisada pela enzima é chamada substrato A região especial da superfície da enzima que casa com ela é conhecida como sítio de ligação do substrato Quanto o substrato lá se fixa formase uma combinação temporária chamada complexo enzimasubstrato Quando o substrato se liga à enzima ele fica exposto ao sítio ativo local onde grupos funcionais da enzima podem agir sobre o substrato da enzima As enzimas na verdade aproximam substratos colocandoos numa orientação ótima a interação do substrato com a enzima induz a uma mudança na conformação da enzima Todos esses fatores reduzem a energia necessária para a reação ocorrer a energia de ativação como resultado a velocidade da reação aumenta b poder catalítico É o poder de acelerar reações às vezes a reação se dá 1 milhão de vezes mais rapidamente na presença da enzima 3 Regulação da ação enzimática a inibição por feedback inibição retroativa é quando o produto final inibe a enzima que catalisa a reação de sua própria síntese Tal inibição ocorre porque o produto final ligase à enzima num chamado centro regulador essa ligação altera a conformação da enzima alterando portanto sua função quando o nível de produto final cai mais moléculas de enzimas ficam livres portanto recuperam sua forma e voltam a ficar ativas b regulação por proteínas reguladoras essas proteínas reguladoras podem estimular ou inibir a ação enzimática é o caso da calmodulina que serve como sensor de cálcio em quase todas as células eucarióticas o cálcio ligase à calmodulina muda sua conformação convertendona de uma forma inativa para uma forma ativa a calmodulina ativada então ligase a muitas enzimas modificando suas atividades c regulação por modificação covalente muitas enzimas são controladas pela adição reversível de fosfatos à sua molécula enzimas que sintetizam e degradam o glicogênio e receptores do fator de crescimento são exemplos de enzimas reguladas desta maneira d regulação por ativação proteolítica algumas enzimas são sintetizadas numa forma inativa quando hidrólise de ligações peptídicas específicas elas tornamse ativas é o caso das enzimas digestivas 4 A catálise enzimática O poder catalítico das enzimas se deve ao seu poder de reunir substratos em posições favoráveis nos chamados complexos enzimasubstrato ou ES Os substratos ligamse a região específica da enzima chamada centro ativo ou sítio ativo A maioria das enzimas é altamente seletiva na sua ligação a substratos A uma concentração constante de enzima a velocidade de reação aumenta com o aumento da concentração do substrato até que seja alcançada uma velocidade máxima isto ocorre quando todos os centros ativos estão preenchidos centro ativo O centro ativo de uma enzima é a região que se liga aos substratos Ele contém os radicais de aminoácidos que participam na geração ou quebra de ligações esses radicais são chamados de grupamentos catalíticos O centro ativo ocupa uma parte relativamente pequena do volume total de uma enzima apesar das enzimas serem geralmente grandes com mais de 100 aminoácidos O centro ativo é tridimensional formado por grupamentos de diferentes partes da seqüência linear de aminoácidos As interações que ligam o substrato ao centro ativo de uma enzima são interações fracas nãocovalentes pontes de hidrogênio interações hidrófobas forças de Van der Waals ligações eletrostáticas e múltiplas numerosos átomos de enzima se aproximam de numerosos átomos de substrato daí a importância da enzima e do substrato terem formas complementares Os centros ativos são fendas ou frestas onde o substrato se encaixa por ter formato correspondente daí a metáfora chavefechadura cinética enzimática Vários fatores influenciam a atividade de uma enzima e portanto a velocidade da reação Por exemplo a velocidade da catálise V varia com a concentração do substrato S a uma concentração fixa da enzima V é quase linearmente a S enquanto S é pequena em S alta V é quase independente de S Há porém um limite quando a enzima E fica saturada fazendo com que a velocidade se estabilize num valor máximo Há o modelo de MichaelisMenten o qual explica as propriedades cinéticas de muitas enzimas ele se baseia na seguinte equação a uma enzima se combina com S para formar o complexo ES com uma constante de velocidade k1 b o complexo ES pode ter dois destinos ou se dissocia em E S com uma constante de velocidade k2 ou prossegue para formar o produto P com uma constante de velocidade k3 c o destino tomado por ES vai depender de fatores como afinidade entre E e S condições ambientais como pH temperatura etc Um aumento de temperatura geralmente aumenta a velocidade de reação em 13 vezes para cada aumento de 10º C Mas as enzimas têm uma temperatura ótima na qual sua atividade é máxima esta temperatura ótima está próxima da temperatura corporal normal 37º C Sendo proteínas as enzimas se desnaturam em temperaturas mais altas como 60º C ou acima hipotermia diminui a atividade enzimática A atividade enzimática depende também do pH do meio ela é máxima no pH ótimo que está freqüentemente entre 6 e 8 A partir dessa equação deduziuse que a velocidade V de formação do produto é dada por Essa é a Equação de MichaelisMenten onde Vmax velocidade onde E está totalmente saturada com S Km constante de MichaelisMenten correspondente à S na qual V Vmax2 5 Tipos de enzimas As enzimas recebem nomes com base em seus substratos ou tipo de reação que catalisam Na maioria dos casos os nomes terminam em ase Por exemplo lipase é uma enzima cujo substrato é um lipídio oxidase é uma enzima que catalisa uma reação que envolve oxidação de um substrato A tabela abaixo mostra que as enzimas são divididas em seis categorias principais categoria função exemplos oxirredutases catalisam reações de oxirredução desidrogenases oxidases peroxidases transferases catalisam a transferência de um grupo funcional glicosiltransferases aminotransferases fosfotransferases hidrolases catalisam hidrólise esterases glicosidases peptidases liases catalisam quebras ou formação de ligações duplas CC liases CO liases CN liases isomerases catalisam reações de isomerização epimerases Cistrans isomerases ligases catalisam a ligação entre um C e um O S N ou outro C CC ligase CO ligase O nome da enzima pode também indicar o quanto ela é específica Por exemplo a urease é uma enzima com apenas um substrato principal a uréia A hidrólise de moléculas relacionadas não é catalisada pela urease mesmo tendo estruturas semelhantes A maioria das enzimas são um tanto menos específicas elas catalisam certos tipos de reação como os exemplos da tabela acima Algumas agem em grupos específicos uma descarboxilase remove grupos carboxila uma metiltransferase transfere grupos metila Algumas enzimas necessitam de uma parte nãoproteica ou cofator para sua atividade se o cofator for uma molécula orgânica ele é chamado coenzima Muitas vitaminas têm função de atuar como coenzimas 6 Inibição da ação enzimática É importante porque serve como um dos principais mecanismos de controle em sistemas biológicos Muitos medicamentos e agentes tóxicos agem inibindo enzimas Pode ser reversível ou irreversível Um inibidor irreversível ligase muito fortemente à enzima covalentemente ou não em seu centro ativo assim este não está mais disponível para interagir com o substrato é o caso da penicilina que inibe irreversivelmente enzima essencial à síntese da parede celular bacteriana Os inseticidas organofosforados são neurotóxicos porque se combinam e inativam a acetilcolinesterase uma enzima necessária para o funcionamento do sistema nervoso Já um inibidor reversível ligase e rapidamente se dissocia da enzima Aqui observase apenas diminuição da velocidade da catálise Ele pode ser competitivo ou não competitivo O inibidor reversível competitivo tem estrutura semelhante à do substrato enquanto ele está ligado o substrato não pode ligarse ao centro ativo da enzima Isso é observado no caso de envenenamento por álcool metílico por exemplo quando se administra álcool etílico à vítima o álcool etílico compete com o álcool metílico pelo sítio ativo da enzima desidrogenase alcóolica impedindoa de agir e formar os metabólitos tóxicos do metanol como o formaldeído por exemplo As sulfas são outro exemplo de terapia baseada na inibição competitiva elas se assemelham ao ácido paminobenzóico precursor do ácido fólico impedindo a sua síntese e consequentemente o crescimento e reprodução das bactérias Na maioria dos casos a droga inibe também a enzima do paciente porém como o agente invasor precisa se multiplicar rapidamente para sobreviver ele é mais afetado que o paciente é a toxicidade seletiva Já os inibidores reversíveis não competitivos se ligam reversivelmente a uma enzima num local diferente do sítio ativo modificandoa de tal modo que ela não possa realizar sua função Os exemplos mais comuns são os de íons de metais pesados Hg2 Ag Cu2 que se combinam com os grupos sulfidrila SH do aminoácido cisteína O íon cianeto CN atua como um veneno ligando se ao ferro e inibindo assim enzimas envolvidas na respiração