Catálise enzimática

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Catálise enzimática
Apresentação
Enzimas são moléculas proteicas essenciais no metabolismo dos seres vivos, graças à sua capacidade de promover e acelerar reações químicas em nível celular. Essas proteínas se envolvem com os processos metabólicos essenciais à manutenção da vida. No entanto, dada sua especificidade de ação, o uso de enzimas tem sido cada vez mais explorado em nível industrial, seja na área médica, alimentícia ou química. Nessa Unidade de Aprendizagem, você vai estudar os mecanismos de ação das enzimas e as características gerais da catálise enzimática. Você verá a importância das enzimas que agem como catalisadores, aumentando a velocidade das reações.
Bons estudos.
Ao final desta Unidade de Aprendizagem, você deve apresentar os seguintes aprendizados:
• Identificar os componentes de uma reação enzimática.
• Reconhecer os principais mecanismos de catálise das enzimas.
• Indicar os modelos de ligação da enzima ao substrato e os tipos de reações catalisadas.
Desafio
A história da produção da cerveja surgiu há milhares de anos, provavelmente do contato da água com cereais, desencadeando a fermentação. No Brasil, a estimativa da chegada da bebida foi no século XVIII, quando a família real a trouxe para a nova colônia.
A fabricação da cerveja acontece em condições de baixo teor de oxigênio (hipóxia) ou anaeróbias (sem oxigênio).
Uma levedura chamada Saccharomyces cerevisiae consegue converter o piruvato, produzido a partir de carboidratos, em etanol e CO2, em um processo chamado de fermentação etanólica.
Acompanhe na imagem como se dá esse processo.
Diante de tal contexto, descreva o que é necessário para que a levedura consiga transformar o açúcar em álcool, considerando as reações enzimáticas que acontecem nas leveduras na produção da cerveja.
Infográfico
Grande parte das reações do corpo humano são aceleradas por enzimas, chamadas de biocatalisadores. Elas influenciam na velocidade dos processos sem serem consumidas ou modificadas. Elas não são alteradas no processo químico, mas garantem que os processos fisiológicos ocorram de modo ordenado, garantindo a homeostasia do organismo.
As enzimas são específicas, elas só funcionam com o seu substrato determinado, em concentração mínima, mantendo inalterado o equilíbrio da reação.
Acompanhe no Infográfico a seguir as características da enzima e o modelo de ligação.
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Conteúdo do livro
As enzimas são específicas, elas só funcionam com o seu substrato determinado, em concentração mínima, e mantendo inalterado o equilíbrio da reação.
As enzimas podem ser nomeadas de acordo com o substrato ou com a reação e elas possuem propriedades, tais como o sítio ativo. Toda reação que ocorre em presença de um catalisador, como é o caso das reações enzimáticas, é considerada uma catálise.
Para compreender melhor, leia o capítulo Catálise enzimática, parte do livro Bioquímica geral – base teórica desta Unidade de Aprendizagem.
Boa leitura!
BIOQUÍMICA GERAL
Rodrigo Binkowski de Andrade
Catálise enzimática
Objetivos de aprendizagem Ao final deste texto, você deve apresentar os seguintes aprendizados:
�Identificar os componentes de uma reação enzimática. �Reconhecer os principais mecanismos de catálise das enzimas. �Indicar os modelos de ligação da enzima ao substrato e os tipos de
reações catalisadas.
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essenciais à manutenção da vida. No entanto, dada a sua especificidade de ação, o uso de enzimas tem sido cada vez mais explorado em nível industrial, seja na área médica, alimentícia ou química.
Neste texto, você vai estudar os mecanismos de ação das enzimas e as características gerais da catálise enzimática. Você também verá a importância das enzimas que agem como catalisadores, aumentando a velocidade das reações.
Os componentes de uma reação enzimática
As enzimas são proteínas biocatalisadoras que regulam a velocidade de todos os processos fisiológicos; não são alteradas no processo químico. Elas garantem que os processos fisiológicos ocorram de modo ordenado, garantindo a homeos-tasia do organismo. As enzimas fornecem uma rota alternativa energicamente favorávelpara areação, ou seja, umarotacomenergiadeativação menor. Elas podem reduzir a energia de ativação, mas não alteram o equilíbrio da reação. Grande parte das reações do corpo humano é acelerada por enzimas cha-madas de biocatalisadores, que influenciam na velocidade dos processos sem serem consumidas ou modificadas. As enzimas são específicas para
	
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cadasubstrato, emconcentraçãomínima,mantendoinalteradooequilíbrio da reação.Alguns tipos deRNA podemtambémfuncionarcomobiocatalisadores – são as chamadas ribozimas, menos comuns, entretanto.
Em relação à nomenclatura, as enzimas podem ser nomeadas de acordo com o substrato ou com a reação, adicionando-se o sufixo “ase”. Por exemplo, sacarase e lactato desidrogenase. Algumas têm nomes particulares, como a tripsina. Existe também a nomenclatura internacional, que afere nomes bem específicos a partir de seis classes principais de enzimas, por exemplo, D-gliceraldeído 3-fosfato: NAD oxirredutase.
As enzimas possuemumapequenaregiãodenominadasítio ativo, que fun-ciona como uma espécie de bolsa. Os aminoácidos de revestimento têm radicais formadores deuma estruturatridimensional, complementar ao substrato. Ao se ligarcomasubstânciacerta,osítioativoformaocomplexo enzima-substrato (ES), convertido em enzima-produto (EP) gradativamente. A eficiência cata-lítica, denominada número de renovação (turnover), determina a quantidade de moléculas de substrato convertidas em produto por mol de enzimas em um segundo, representando, dessa maneira, a eficiência do catalisador.
As enzimas são altamente específicas, catalisando somente determinado tipo de reação. Algumas enzimas necessitam de cofatores, elementos não protéicos necessários para sua atividade. Há dois tipos de cofatores: os ativa-dores, geralmente íons metálicos (por exemplo, Zn2+ e Fe2+) e as coenzimas, moléculas orgânicas frequentemente derivadas de vitaminas. Voltaremos aos cofatores mais adiante neste texto. O conjunto enzima-cofator é denominado holoenzima; já o termo apoenzima se refere à unidade enzimática proteica pura. Denomina-se grupo prostético as coenzimas que não se dissociam da parte proteica da enzima.
A catálise é toda reação que ocorre em presença de um catalisador, como é o caso das reações enzimáticas. Para se entender o mecanismo de ação das enzimas é necessário que se saiba o que vem a ser um catalisador. O catalisa-dor é toda substância capaz de modificar a velocidade de uma reação sem ser nela consumido ou aparecer entre os produtos. Para que ocorra uma reação, as moléculas dos reagentes (R), também chamados de substratos, precisam obter uma energia extra chamada de energia de ativação. Essa energia de ativação faz com que as moléculas atinjam um estado ativado (R*) mais rico em energia, no qual uma ligação pode ser formada ou quebrada gerando o produto (P) (Figura 1).
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Com
p. ex.: C
H O + O
Energia
Sem enzima
Energia de ativação sem
enzima
Energia de ativ. com
enzima
Reagentes	Energia total
6 12 6	2 enzima	liberada na
Produtos
CO2 + H2O
Coordenada de reação
Figura 1. Representação da energia de ativação necessária para a enzima catalisar a transformação de substrato em produto, linha preta no gráfico, e como ocorre a reação sem a presença de uma enzima (linha cinza).
Fonte: Activacao energia cinética enzimatica (2007).
A velocidade da reação química é proporcional aonúmero de moléculas no es-tado ativado (de transição). Esteestado é atingidodevido ao choqueintermolecular quepodeser acelerado quando sefornece calor ao sistema, ou quando seadiciona um catalisador. O catalisador é capaz de se combinar com os reagentes formando um composto intermediário de menor energia. Assim, a barreira energética a ser transposta é diminuída, os produtos são formados e o catalisador livre é regenerado. As enzimas catalisam as reações porque reduzem o nível da energia de
ativação.
Nas reações catalisadas por enzimas estão envolvidos os seguintes compo-nentes: enzima (E), substrato (S), complexo enzima-substrato (ES) e produto – composto formado pela transformação do substrato (Figura 2).
	
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Figura 2. Representação dos componentes de uma reação enzimática.
Fonte: Enzimas [2017].
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Principais mecanismos de catálise das enzimas
Durante a catálise enzimática, a enzima liga-se ao substrato formando o chamado complexo enzima-substrato (ES), um intermediário transitório que desaparece quando o substrato é transformado em produto. A enzima se une ao substrato através de uma pequena parte de sua molécula denominada centro ativo. Uma enzima pode ter um ou mais centros ativos. Há diferentes tipos de ligações entre enzima e substrato: ligações iônicas, ligações hidrofóbicas, ligações covalentes, pontes de hidrogênio e forças de Van der Walls. Para que a reação enzimática se realize é necessário que o centro ativo da enzima se ajuste perfeitamente ao substrato para permitir trocas de elétrons, prótons e grupamentos. Durante uma reação enzimática, o substrato vai desaparecendo e o produto vai aumentando de concentração até que a reação chegue ao estado de equilíbrio. Quando a velocidade de formação do complexo ES for igual à velocidade de decomposição, a reação atinge o estado estacionário, também chamado equilíbrio dinâmico. As enzimas catalisam as reações nos dois sentidos – o que denomina-se reversibilidade da ação enzimática –, mas não modificam o estado de equilíbrio.
Certas enzimas, quando tratadas de modo a se tornarem proteínas puras, perdem a capacidade de catalisar reações. Von Euler denominou cofatores as substâncias não proteicas necessárias à atividade de algumas enzimas (ver o box Fique atento). As enzimas que necessitam de cofator para apresentarem atividade biológica sãocompostas por duas partes:
a) a parte proteica denominada apoenzima;
b) a parte não proteica, que recebe o nome de cofator.
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Como vimos anteriormente, a união cataliticamente ativa (apoenzima + cofator) é chamada holoenzima. Os cofatores, ao contrário da apoenzima, são dialisáveis e termoestáveis; são compostos não coloidais e de peso molecular baixo. Os cofatores orgânicos recebem o nome de coenzimas, e os inorgânicos são chamados ativadores.
Os ativadores são íons inorgânicos que condicionam a ação catalítica das enzimas. A grande maioria dos ativadores é constituída por cátions, entre os quais Na+, K , Mg2+, Ca2+, Zn2+, Mn2+, Fe2+, Co2+, etc. Em vários casos, os íons metálicos podem ser substituídos por outros. A fosfoglicomutase, por exemplo, é ativada tanto por Mg2+ quanto por Mn2+. Algumas enzimas, como as alfa-amilases animais, são ativadas por ânion cloreto (Cl−).+
Por sua vez, as coenzimas são cofatores orgânicos, muitas delas derivadas de vitaminas hidrossolúveis, que tomam parte da reação enzimática como transportadores de hidrogênio ou de um grupo químico. Uma única coenzima pode formar, com diversas enzimas, proteínas conjugadas. Este é o caso do NAD, que é coenzima de um grande número de desidrogenases. As coenzimas não realizam a ação, somente determinam o modo como a enzima total age, seja transportando hidrogênio, seja transportando grupos químicos. A ação da catálise é feita pela parte proteica da holoenzima. Como vimos antes, quando a coenzima está fortemente ligada à proteína e não pode ser dialisada, recebe o nome de grupo prostético.
Você já se perguntou qual a importância do ácido ascórbico (vitamina C) para a síntese do colágeno? Quais são as implicações à saúde devido à sua ausência?
O ácido ascórbico (vitamina C) é requerido pelas enzimas que catalisam as reações de hidroxilação das porções terminais do pró-colágeno, atuando como coenzima. A carência nutricional de vitamina C pode, portanto, tornar essas reações deficientes, de forma que a formação de ligações de hidrogênio entre as cadeias de colágeno seja reduzida, o que diminui a resistência à tensão. Esse quadro leva a uma fragilidade capilar, provocando sangramentos, hematomas e outros sintomas característicos da doença escorbuto.
	
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Os modelos de ligação da enzima ao substrato eos tipos de reações catalisadas
As enzimas funcionam de acordo com a reação química que ocorre no sítio ativo. Hádois modelos conhecidos de ligação entreenzimae substrato: chave--fechadura e encaixe induzido. No primeiro, a enzima encaixa-se perfeitamente ao seu substrato no sítio ativo, de forma que nenhuma outra molécula possa iniciar a reação com esta enzima. Já no modelo encaixe induzido ocorrem pequenas variações,havendoquebras enovas ligações químicas entreaenzima e o substrato. No encaixe induzido, ocorrem alteraçõesna estrutura da enzima para otimizar a energia de ligação que está sendo formada.
As enzimas podem ser distinguidas em seis classes: oxidorredutases, transferases, hidrolases, liases, isomerases e ligases. As oxidorredutases rea-lizam a transferência de elétrons; por exemplo, a lactato desidrogenase. Já as transferases participam nas transferências de grupos químicos, como a reação catalisada pela alanina aminotransferase (ALT), que transfere o grupamento amino. As hidrolases participam das reações de hidrólise; por exemplo, a lactase. As liases adicionam ou removem elementos (como água, amônia e dióxido de carbono) por meio da formação ou quebra de ligações duplas; por exemplo, a fumarase, enzima do ciclo de Krebs. Já as isomerases realizam a transferência de grupos dentro da mesma molécula para formar isômeros, portanto são extremamente específicas. Por fim, as ligases catalisam ligações pelo acoplamento da clivagem do ATP; por exemplo, a piruvato carboxilase.
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Você verá como ocorre a catálise enzimática e os fatores que afetam a atividade dessas moléculas (ENZYMES, 2008). Para aplicar os conhecimentos adquiridos neste texto, acesse o seguinte link:
https://goo.gl/7aEHJX
ACTIVACAO Energia Cinetica Enzimatica. Wikimedia Commons, San Francisco, 2007. Disponível em: <https://commons.m.wikimedia.org/wiki/File:Activacao_energia_ci-netica_enzimatica.png#mw-jump-to-license>. Acesso em: 8 set. 2017.
ENZIMAS. Bioquímica online – Biomoléculas, [2017]. Disponível em: <https://sites. google.com/site/bioqufal/enzimas>. Acesso em: 8 set. 2017.
ENZYMES. Kscience, 2008. Disponível em: <http://www.kscience.co.uk/animations/ anim_2.htm>. Acesso em: 8 set. 2017.
Leituras recomendadas
MURRAY, R. K. et al. Bioquímica Ilustrada de Harper (Lange). 29. ed. Porto Alegre: Mc-Graw Hill, 2013.
NELSON, D. L.; COX, M. M. Princípios de bioquímica de Lehninger. 6. ed. Porto Alegre: GrupoA, 2014.
Conteúdo:
Dica do professor
Durante a catálise enzimática, a enzima liga-se ao substrato formando o chamado complexo enzima – substrato (ES), um intermediário transitório que desaparece quando o substrato é transformado em produto. Há diferentes tipos de ligações que podem participar da união de uma enzima com o substrato.
Para que a reação enzimática se realize é necessário que o centro ativo da enzima se ajuste perfeitamente ao substrato. Estas trocas sempre ocorrem entre a enzima (catalisador) e o substrato.
Acompanhe no vídeo a seguir um breve histórico sobre o início deste estudo e as características principais da catálise enzimática.
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Exercícios
1)	Sobre as enzimas, é correto afirmar que:
A)	São moléculas lipossolúveis.B)	São constituídas por moléculas de glicose.
C)	São, na maioria das vezes, proteínas por natureza.
D)	Não têm uma especificidade elevada.
E)	A eficiência da enzima é baixa em comparação a reações espontâneas.
2)	Quais são os componentes gerais de uma reação enzimática simples?
A)	Enzima e produto.
B)	Substrato e produto.
C)	Enzima e substrato.
D)	Enzima, substrato e produto.
E)	Somente o produto.
3)	Sobre a ligação da enzima ao seu substrato, é correto afirmar que:
A)	Existem quatro modelos propostos aceitos.
B)	O modelo chave-fechadura é o modelo mais bem aceito, pois permite gerar uma grande variedade de produtos.
C)	O modelo encaixe-induzido se baseia na complementaridade geométrica entre a enzima e o substrato
D)	Existem dois modelos propostos: chave-fechadura e encaixe-induzido. Entretanto, nenhum desses modelos é eficiente.
E)	O modelo encaixe-induzido permite uma grande flexibilidade entre a enzima e o substrato para que possam reagir e gerar o produto
4)	Sobre os cofatores, é correto afirmar que:
A)	São exclusivamente derivados de vitaminas.
B)	Existem dois grupos de cofatores: íons inorgânicos (p.ex., ferro, selênio, magnésio) e coenzimas (derivadas de vitaminas).
C)	Todas as enzimas necessitam de cofatores.
D)	Os cofatores são opcionais nas reações enzimáticas, pois as enzimas podem funcionar na sua atividade máxima sem elas.
E)	A falta de uma coenzima, derivada de vitaminas não é capaz de gerar uma deficiência no indivíduo
5)	Em relação à classificação das enzimas, assinale a alternativa correta:
A)	Existem mais de 2 mil classes de enzimas.
B)	Essas classificações somente dificultam a identificação das enzimas.
C)	As isomerases são um ótimo exemplo para demonstrar a especificidade das enzimas.
D)	Para a ação das hidrolases é necessário uma molécula de ATP.
E)	As ligases realizam reações de transferências de grupos químicos.
Na prática
Você já realizou um exame de sangue para verificar como está seu fígado?
O fígado possui diversas funções no nosso corpo: auxilia na digestão, armazena certas vitaminas, produz fatores de coagulação, possui estoque de glicogênio, entre outras funções.
Quando o indivíduo está com alguma doença que afeta esse órgão, seu funcionamento fica prejudicado. Por exemplo, hepatites virais, cirrose e carcinomas hepáticos são enfermidades que causam lesão celular no hepatócito, a principal célula do fígado.
Acompanhe na imagem um exemplo de enzima que auxilia no diagnóstico de uma determinada patologia.
Usando esse princípio de lesão tecidual, outras enzimas podem ser úteis no diagnóstico clínico, como, por exemplo, no infarto do miocárdio.
Saiba +
Para ampliar o seu conhecimento a respeito desse assunto, veja abaixo as sugestões do professor:
Enzimas
No link a seguir você terá acesso a um vídeo que explica, de forma didática, a descrição da reação enzimática, coordenação de uma catálise enzimática, determinação da velocidade e equilíbrio enzimático, mecanismos de catálise, bem como, a influência do pH e a temperatura.
Aponte a câmera para o código e acesse o link do conteúdo ou clique no código para acessar.
Rodwell, Victor; Bender, David; Botham, Kathleen; Kennelly, Peter; Weil, Anthony. Bioquímica Ilustrada de Harper. 30ed. Artmed; 2016.
Aprofunde o seu conhecimento sobre a abrangência e os objetivos da análise da cinética enzimática, atividade necessária para manter a homeostasia, com o capítulo Enzimas: cinética deste livro:
	
	Conteúdo interativo disponível na plataforma de ensino!
	
	
	
	
	
	
	
	
Nelson, David L.; Cox, Michael M. Princípios de Bioquímica de Lehninger. 6a Ed. Artmed; 2014
Este livro traz a relevância da bioquímica nos mecanismos moleculares das doenças, enfocando seu papel fundamental nos avanços da saúde e no bem-estar humano e incorporando os mais recentes avanços científicos. Você pode focar a leitura na Parte I, Capítulo 6, que fala sobre as enzimas.
	
	Conteúdo interativo disponível na plataforma de ensino!