Enzimas - funcionamento, cinética, Michaelis-Menten, inibição e regulação

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enzimas
as enzimas são proteínas que promovem a catálise, com a exceção das ribozimas, algumas 
poucas moléculas de RNA catalíticas.
a atividade catalítica depende de sua conformação estrutural.
são classificadas e nomeadas segunda as reações que catalisam - adição do sufixo "-ase" ao 
nome dos respectivos substratos ou a uma palavra que descreve sua atividade.
são classificadas em 6 grupos principais, que possui seus subgrupos: oxidorredutases, 
transferases, hidrolases, liases, isomerases e ligases.
as enzimas são essenciais para o equilíbrio do metabolismo, uma vez que muitas das reações 
necessárias não ocorrem na velocidade necessária sem a catálise.
cofator: componente químico, podendo ser um ou mais íons inorgânicos, necessário para 
desempenhar algumas atividades que a enzima não seria capaz sozinha.
coenzima: molécula orgânica ou metalorgânica complexa que agem como carreadores 
transitórios de grupos funcionais específicos. a maioria é derivada de vitaminas.
grupo prostético: coenzima ou cofator que se ligue muito firmemente, ou mesmo 
covalentemente, a uma enzima.
funcionamento das enzimas
as reações catalisadas por enzimas ocorrem confinadas em um bolsão da enzima, o sítio 
ativo.
o contorno da superfície do sítio ativo é delimitado por resíduos de aminoácidos com grupos 
nas cadeias laterais que ligam o substrato, catalisando sua transformação química.
a união do substrato ao sítio ativo forma o complexo enzima-substrato.
as enzimas alteram a velocidade da reação, não seu equilíbrio.
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💡 reação enzimática: E + S ⇌ ES ⇌ EP ⇌ E + P
para identificar a variação de energia livre das reações, definiu-se condições padrões: 298 K 
de temperatura, pressão parcial de cada gás a 1 atm e concentração de cada reagente de 1 M.
estado fundamental: ponto de partida tanto da reação direta quanto da reversa, contribuição 
que uma molécula dá para a energia livre do sistema sob dadas condições.
é necessário a superação de uma barreira energética entre S e P para alinhas os grupos 
reagentes, formar as cargas instáveis transitórias, rearranjos de ligações e outros rearranjos 
necessários para que a reação ocorra em qualquer direção. a barreira de energia é essencial 
para a estabilidade das moléculas.
estado de transição: topo da curva de energia, ponto a partir do qual o decaimento para o 
estado S ou o estado P tem a mesma probabilidade de ocorrer - momento fugaz no qual 
ocorre quebra e formação de ligação.
energia de ativação (∆G‡): diferença entre os níveis de energia livre dos estados 
fundamental e de transição. quanto maior a energia de ativação, mais lenta a reação. ao 
elevar o nível de energia das moléculas, por meio de elevação de temperatura ou pressão, 
pode aumentar-se a velocidade da reação.
💡 os catalisadores, inclusive as enzimas, diminuem a energia de ativação, aumenta 
assim a velocidade da reação. a enzima não é gasta no processo e o ponto de 
equilíbrio não é afetado.
intermédios da reação: espécie molecular das etapas da reação que tenha uma vida química 
finita, como ES e EP.
etapa limitante da velocidade: ponto de maior energia no diagrama da interconversão entre S 
e P - quando uma reação tem várias etapas, a velocidade final é determinada pela etapa com 
a maior energia de ativação.
o equilíbrio da reação está ligado à variação de energia livre padrão da reação ∆G'°, e a 
velocidade da reação está ligada à energia de ativação ∆G‡. mesmo que a reação seja muito 
exergônica, ela pode ser lenta.
o equilíbrio pode ser descrito pela constante de equilíbrio (Keq) → K'eq = [P]/[S] → ∆G'° = 
-RTlnK'eq
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a velocidade da reação é determinada pela concentração dos reagentes e pela constante de 
velocidade (k) → V = k[S1][S2] 
k - constante de Boltzman h - constante de Planck
o aumento de velocidade conferido pelas enzimas situa-se na faixa de 5 a 17 ordens de 
magnitude - as ligações covalentes entre a enzima e o substrato ocorridas no sítio ativo 
diminuem a energia de ativação. 
as enzimas são altamente específicas - as ligações não covalentes são cruciais para a 
formação do complexo enzima-substrato, estabilizando-o. a força de cada interação fraca no 
complexo ES é acompanhada pela liberação de uma pequena quantidade de energia livre que 
estabiliza a interação.
energia de ligação (∆Gb): energia derivada da interação enzima-substrato, principal fonte de 
energia livre utilizada pelas enzimas para a diminuição da energia de ativação das reações.
💡 ou seja: muito do poder catalítico das enzimas provém basicamente da energia livre 
liberada na formação de muitas ligações fracas e interações entre a enzima e o 
substrato, contribuindo tanto para a especificidade quanto para a catálise.
emil fischer, 1894: propôs que as 
enzimas são estruturalmente 
complementares aos seus 
respectivos substratos, de modo a 
se encaixarem como uma chave se 
encaixa na fechadura.
no entanto, a enzima não pode ser 
perfeitamente complementar à 
forma do substrato, uma vez que 
dessa maneira o estabilizaria, ao 
invés de desestabilizá-lo. portanto, 
para catalisar reações, as enzimas 
devem ser complementares ao 
estado de transição da reação.
a energia livre (energia de ligação) liberada durante a formação de interações fracas no 
estado de transição, quando há complementariedade total entre enzima e substrato, 
compensa parcialmente a energia necessária para atingir o topo da curva de energia.
a soma de uma energia de ativação desfavorável (∆G‡ > 0) e de uma energia de ligação 
favorável (∆Gb < 0) resulta em uma energia de ativação líquida menor.
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reações catalisadas por enzimas são muito mais rápidas que os processos não catalisados, já 
que interações por meio de ligações fracas entre enzima e substrato fornecem uma 
substancial força propulsora para a catálise enzimática.
as enzimas são muito grandes pois devem fornecer grupos funcionais para a formação de 
muitas ligações fracas para impelir a catálise - é necessário uma superestrutura para manter 
os grupos interativos posicionados adequadamente e também evitar o colapso da cavidade 
(sítio ativo). isso explica também sua especificidade, já que só é ótima com o subtrato que 
completar todas as interações fracas durante o processo de transição.
a superação da barreira de energia:
1. redução de entropia: a ligação enzima-substrato diminui drasticamente as possibilidades 
de arranjo das moléculas, estabilizando o substrato na posição desejável para ocorrer a 
reação.
2. dessolvatação: interações enzima-substrato substituem a maioria das ligações de 
hidrogênio entre o substrato e as moléculas de água que são um impedimento para a 
reação. 
3. compensação termodinâmica: energia de ligação das interações fracas ajuda a 
compensar termodinamicamente uma variação de energia livre desfavorável associada 
com a distorção, redistribuição primária de elétrons, que o substrato deve sofrer para 
que a reação ocorra.
4. ajuste induzido: enzima também sofre uma mudança de conformação quando o 
substrato se liga a ela, induzindo várias interações fracas com o substrato. o ajuste serve 
para levar grupos funcionais específicos para uma posição apropriada para catalisar a 
reação.
💡 uma vez que o substrato esteja ligado à enzima, grupos funcionais catalíticos 
posicionados de modo apropriado ajudam no rompimento e formação de ligações por 
vários mecanismos. esses mecanismos geralmente envolvem uma interação 
transitória covalente com o substrato.
mecanismos de catálise:
catálise geral acidobásica:
refere-se a transferência de prótons mediada por alguma outra molécula que não água.
as cadeias laterais de vários aminoácidos podem ter papel como doadoras ou aceptoras 
de prótons.
catálise acidobásica específica: usa apenas H+ ou íons OH- presentes na água.
catálise covalente:
formação de uma ligação covalente transitória entre enzima e substrato.
a formação e quebra de um intermediário covalente pode criar um novo caminho com 
menor energia de ativação, catalisando assima reação.
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catálise por íons metálicos:
interações iônicas entre metais ligados a enzimas e substratos podem ajudar a orientar o 
substrato para a reação ou estabilizar estados de transição carregados.
cinética enzimática
a velocidade inicial aumenta à medida 
que a concentração do substrato aumenta
Leonor Michaelis e Maud Menten, em 
1913, postularam que a enzima 
primeiramente se combina de modo 
reversível com o substrato, formando o 
complexo ES em uma etapa reversível e 
relativamente rápida, que então é 
rompido em uma etapa mais lenta, 
fornecendo a enzima livre e o produto P.
a segunda reação limita a velocidade da reação total por ser mais lenta, logo a velocidade 
total dever ser proporcional à concentração das espécies que reagem na segunda etapa, 
ou seja, ES.
assim, a velocidade é proporcional a [S] por que o equilíbrio da equação é deslocado na 
direção da formação de mais ES à medida que [S] aumenta - quanto mais substrato, mais 
complexo ES é formado.
E + S ⇌ ES ⇌ E + P
a velocidade inicial máxima de uma reação catalisada ocorre quando quase toda a enzima 
estiver presente como complexo ES e [E] for muitíssimo baixa - a enzima está saturada com 
o substrato.
após o rompimento do complexo ES, formando o produto, a enzima fica livre para catalisar 
a reação de mais de uma molécula do substrato.
estado estacionário: [ES] permanece constante ao longo do tempo, uma vez que a enzima 
está saturada de substrato e a geração de P passa a ter a mesma velocidade na qual [S] é 
consumido. a determinação de Vo geralmente reflete o estado estacionário.
💡 relação entre a concentração do substrato e a velocidade da reação: 
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constante de Michaelis (Km): geralmente considerado indicador da afinidade da enzima pelo 
substrato. quanto menor seu valor, maior a afinidade. Km = [S] quando Vo = 1/2 Vmáx.
como incialmente [P] é desprezível, pode-se concluir que a reação só ocorre para um lado, 
logo:
k1 - constante de velocidade de formação
k-1 - constante de velocidade de quebra formando os reagentes
k2 - constante de velocidade de quebra formando os produtos
(k-1 + k2)/k1 = Km
como Vo é determinada pela quebra de ES → Vo = k2 [ES].
suposição do estado estacionário: velocidade de formação de ES é igual a velocidade de 
quebra de ES.
equação de Michaelis-Menten: 
 → →
equação de Lineweaver-Burk: forma o 
gráfico duplo-recíproco ao inverter a 
equação de Michaelis-Menten. o gráfico 
permite a determinação mais acurada de 
Vmáx.
kcat - descreve a etapa limitante de qualquer reação catalisadas por enzimas na saturação. 
também chamada de número de renovação (turnover) - quando a enzima estiver saturada 
com o substrato, ela é equivalente ao número de moléculas de substrato convertidas em 
produto por unidade de tempo por uma única molécula de enzima.
constante de especificidade: melhor maneira de comparar as eficiências catalíticas de 
enzimas diferentes ou o número de vezes que diferentes substratos são catalisados por uma 
 
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mesma enzima.
muitas enzimas catalisam reações com dois ou mais substratos. em geral, são reações nas 
quais um grupo é transferido de um substrato para outro ou um substrato é oxidado enquanto 
o outro é reduzido
as enzimas têm uma faixa de pH ótima 
na qual a atividade catalítica é máxima.
a mudança de pH pode protonar as 
cadeias laterais e alterar a conformação 
da enzima, prejudicando sua eficácia.
inibição enzimática
inibidores de enzimas são moléculas que interferem com a catálise, diminuindo ou 
interrompendo as reações enzimáticas - muito usadas como medicamento.
inibição reversível
inibição competitiva:
um inibidor competitivo compete 
com o substrato pelo sítio ativo da 
enzima - enquanto o inibidor estiver 
ocupando o sítio ativo, ele impede 
que o substrato se ligue à enzima.
muitos inibidores competitivos tem 
estruturas similares às do substrato.
formam um complexo EI, mas que 
não leva à catálise.
a ligação do inibidor não inativa a 
enzima, podendo voltar a reagir com 
o substrato com a dissociação do 
inibidor.
a competição pode ser deslocada a 
favor do substrato aumentando [S].
na presença de um inibidor 
competitivo, a equação de 
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Michaelis-Menten torna-se:
inibição incompetitiva:
o inibidor incompetitivo liga-se em 
um sítio distinto do sítio ativo do 
substrato e, ao contrário do inibidor 
competitivo, liga-se apenas ao 
complexo ES.
a equação de Michaelis-Menten altera-se 
para:
inibição mista:
há inibição de um sítio distinto do 
ativo. o inibidor pode se ligar tanto à 
enzima quanto a ES.
inibição irreversível
os inibidores irreversíveis ligam-se covalentemente com a enzima, destroem um grupo 
funcional essencial a sua atividade ou formam uma associação não covalente estável.
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inativadores suicidas: compostos relativamente não reativos até que se liguem ao sítio ativo 
de uma enzima específica. ao se ligar, passa pelas primeiras etapas químicas de uma reação 
enzimática, porém é convertido em um composto muito reativo que se combina 
irreversivelmente com a enzima. também são denominados inativadores com base no 
mecanismo, pois sequestram o mecanismo normal da reação para inativar a enzima. 
medicamentos usando esse tipo de inibidor são vantajosos pois podem apresentar poucos 
efeitos colaterais.
análogos do estado de transição: moléculas planejadas para se assemelharem o estado de 
transição, de modo a realizar ligação não covalente forte com a enzima. se ligam mais 
fortemente que o substrato pois se encaixam melhor no sítio ativo, formando mais interações 
fracas.
enzimas regulatórias
no metabolismo celular, grupos de enzimas trabalham conjuntamente em vias sequenciais 
para realizar um determinado processo metabólico, sendo o produto da reação de uma 
enzima o substrato da enzima seguinte.
enzimas regulatórias estão presentes nessas vias metabólicas, exercendo efeito na velocidade 
de toda a sequência de reações. a atividade catalítica dessas enzimas varia conforme 
determinados sinais.
esses ajustes permitem que as células atendam às necessidades de energia e das 
biomoléculas.
regulação alostérica
agem por meio de ligações reversíveis e 
não covalentes com compostos 
regulatórios, denominados moduladores 
alostéricos ou efetores alostéricos, que 
geralmente são metabólitos pequenos ou 
cofatores.
induz mudanças conformacionais nas 
enzimas, podendo ser inibitórias ou 
estimulatórias.
regulação homotrópica: regulação na 
qual o substrato e o modulador são a 
mesma molécula.
regulação heterotrópica: substrato e modulador são moléculas diferentes.
os moduladores alostéricos não são o mesmo que os inibidores incompetitivos ou mistos, 
pois são são mediadores de mudanças conformacionais entre formas ativas e inativas. além 
disso, o modulador alostérico é produzido e pela própria células, e não exógeno como os 
inibidores.
além do sítio ativo, as enzimas alostéricas têm um ou mais sítios regulatórios (alostéricos) 
para ligarem ao modulador, sendo cada um deles específico para seu modulador.
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enzimas alostéricas geralmente são maiores que as não alostéricas.
as propriedades cinéticas das enzimas alostéricas não seguem o comportamento de 
Michaelis-Menten - sua curva Vo x [S] geralmente é sigmoidal. isso ocorre por conta das 
interações cooperativas entre as subunidades proteicas.
regulação por modificações covalentes reversíveis
atividade é modulada por modificações covalentes em um ou mais dos resíduos de 
aminoácidos da molécula da enzima.
a modificação de um resíduo aminoácido de uma enzima faz, efetivamente, um novo resíduo 
aminoácido com propriedade diferentes ser introduzido na enzima.
a introdução de uma carga pode levar a mudança na conformação.
a introdução de um grupo hidrofóbicopode desencadear uma associação com uma 
membrana.
a fosforilação é o tipo mais comum de modificação regulatória - nas reações que eles 
catalisam, o grupo γ-fosforila derivado de um nucleosídeo trifosfato (geralmente ATP) é 
transferido para um determinado resíduo de Ser, Thr ou Tyr (às vezes His) da proteína-alvo. 
isso introduz um grupo carregado volumoso em uma região da proteína que é apenas 
moderadamente polar. os átomos de oxigênio podem formar ligações de hidrogênio com um 
ou mais grupos da proteína. as duas cargas negativas de uma cadeia lateral fosforilada 
também podem repelir resíduos carregados negativamente (Asp ou Glu) presentes nas 
redondezas. além disso, a fosforilação pode ter efeitos drásticos sobre a conformação da 
enzima dependendo do lugar que ocorre.
regulação por proteólise de precursores
um precursor inativo, denominado zimogênio, é hidrolisado, formando a enzima ativa.
muitas das enzimas proteolíticas (proteases) do estômago e do pâncreas são reguladas dessa 
maneira.
clivagens específicas provocam mudanças conformacionais que expõem o sítio ativo da 
enzima.
é um tipo de ativação irreversível.
regulação por feedback
também conhecido por retroalimentação.
ocorre nas vias metabólicas quando uma enzima regula a atividade da outra por resposta à 
quantidade de substrato disponível.