Enzimas: Catalisadores Biológicos

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08/09/2011
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BIOQUÍMICA 
ENZIMAS
Prof. Dra. Ana Carolina S. Siquieroli
Instituto de Genética e Bioquímica
 Conteúdo de Enzimas:
 Conceito de catalisadores biológicos, substrato, sítio 
ativo, co-fatores, coenzimas, vitaminas
 Cinética enzimática: Equação de Michaelis-Menten, 
conceito de Km, Vm, Kcat, Kcat/Km
 Tipos de catálise enzimática
 Inibidores enzimáticos
 Regulação enzimática
BIOQUÍMICA I - MEDICINA
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 Enzimas são um grupo de
substâncias orgânicas de
natureza normalmente protéica
* com atividade intra ou
extracelular e que têm funções
catalisadoras, catalisando
reações químicas que, sem a
sua presença, dificilmente
aconteceriam.
 * RNAs também podem atuar como enzimas,
chamadas ribozimas
Enzimas - Catalisadores Biológicos
 Catalisador é toda e qualquer substância que 
acelera uma reação, diminuindo a energia de 
ativação, diminuindo a energia do complexo ativado, 
sem ser consumido, durante o processo. 
 Um catalisador normalmente promove um caminho 
(mecanismo) molecular diferente para a reação. 
Enzimas - Catalisadores Biológicos
CO2 + H20
Energia
enzimas
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 As enzimas promovem o abaixamento da energia de 
ativação necessária para que se dê uma reação 
química, resultando no aumento da velocidade da 
reação e possibilitando o metabolismo dos seres 
vivos. 
 A capacidade catalítica das enzimas torna-as 
adequadas para aplicações industriais, como na 
indústria farmacêutica ou na alimentar.
Enzimas - Catalisadores Biológicos
 Apresentam uma eficiência catalítica extraordinária:
 Tem um alto grau de especificidade por seu substrato
 Aceleram as reações químicas de maneira formidável
 Funcionam em soluções aquosas, sob condições muito 
suaves de temperatura e ph.
ENZIMAS
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 São fundamentais para qualquer processo biológico
 Agindo em sequências organizadas elas:
 catalizam centenas de reações sucessivas 
 pelas quais as moléculas nutrientes são degradadas, 
 a energia química é conservada e transformada 
 as macromoléculas biológicas são sintetizadas a partir 
de moléculas precussoras livres.
 Não são consumidas durante a reação
ENZIMAS
E E ++ SS EE ++ PP
ENZIMAS
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 Importância prática:
 Em algumas doenças ocorre uma deficiência ou mesmo
ausência total de uma ou mais enzimas
 Ou até mesmo pode ocorrer excessiva atividade de uma
enzima
 Quantificação da atividade de algumas enzimas no 
plasma sanguíneo, eritrócitos ou amostras de tecido
são importantes no diagnóstico de várias doenças.
 Muitas drogas exercem seu efeito biológico por meio
de interações com as enzimas.
ENZIMAS
 Fenilcetonúria: doença causada pela incapacidade 
do organismo em produzir a enzima fenilananina-4-
monoxigenase, que converte o aminoácido 
fenilalanina em tirosina. 
 Como resultado da falta da enzima, ocorre o acúmulo da 
fenilalanina, que pode causar danos ao sistema nervoso. 
 Esse é um dos motivos pelos quais os fenilcetonúricos 
devem ingerir quantidades mínimas do aminoácido 
fenilananina
 A doença pode ser detectada ainda cedo com a 
realização do teste do pezinho. 
ENZIMAS
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 As enzimas foram descobertas no século XIX, por Pasteur, que 
concluiu que a fermentação do açúcar em álcool pela levedura é 
catalisada por fermentos. Ele postulou que esses fermentos eram 
inseparáveis da estrutura das células vivas do levedo. 
 Em 1878, Wilhelm Kühne empregou pela primeira vez o termo 
"enzima" para descrever este fermento, 
 Em 1897, Eduard Buchner descobriu que os extratos de levedo 
podiam fermentar o açúcar até álcool e provou que as enzimas 
envolvidas na fermentação continuavam funcionando mesmo 
quando removidas das células vivas. Esta descoberta valeu-lhe o 
premio Nobel de Química em 1907.
ENZIMAS - Histórico
 Restava determinar qual a natureza das enzimas. Em 1926, James 
B. Sumner purificou e cristalizou a urease, mostrando tratar-se de 
uma proteína pura, e fez o mesmo, em 1937, para a catalase. 
 A prova final foi feita por Northrop e Stanley em 1930, com o 
estudo de três enzimas digestivas, a pepsina, a tripsina e a 
quimotripsina, pelo que receberam o Prémio Nobel da Química em 
1946.
ENZIMAS - Histórico
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 As enzimas são proteínas, e podem ter tamanhos 
variados
 A atividade das enzimas são determinadas pela sua 
estrutura quaternária.
ENZIMAS - Estrutura
 As enzimas exibem uma elevada especificidade
 Emil Fischer (1894): alto grau de especificidade das 
enzimas originou o modelo Chave-Fechadura, que 
considera que a enzima possui sitio ativo 
complementar ao substrato. 
ENZIMAS – Modelo Chave-fechadura
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 Em 1958, Daniel Koshland sugeriu uma modificação 
ao modelo de chave-fechadura: 
 uma vez que as enzimas exibem estruturas flexíveis, elas 
podem alterar a sua forma de maneira continuada 
através de interações com o substrato, enquanto esse 
mesmo substrato vai interagindo com a enzima.
ENZIMAS – Modelo de Encaixe Induzido
 A maioria das enzimas são maiores do que o 
substrato sobre o qual atuam, e só uma pequena 
porção da enzima (cerca de 3-4 aminoácidos) está 
envolvida na catálise.
 A região que contém estes resíduos catalíticos, que 
se liga-se ao substrato e que desempenha a reação, 
é denominada de sítio ativo. 
ENZIMAS - Estrutura
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 sítio ativos, ou sítios catalíticos:
 consistem basicamente em “encaixes”, onde se ligarão 
sustâncias específicas chamadas substratos que são os 
reagentes em uma reação biológica. 
 Note que o sítio ativo das enzimas geralmente é 
específico para somente um tipo de substrato, liga-
se somente a ele, e não a várias outras moléculas 
distintas
sítio ativo
Ligação de um substrato ao sítio ativo de uma enzima, devido à complementaridade entre ambos. STRYER, et al., 2002.
ENZIMAS - Estrutura
 As enzimas também podem ter sítios onde se ligam co-
fatores, que são necessários às reações catalíticas. 
 Várias enzimas consistem apenas da cadeia 
polipeptídica, todavia, outras requerem a ligação desses 
co-fatores para que possam funcionar (tornarem-se 
ativas) exercendo seu papel de catalisadoras biológicas. 
 O co-fator é então a porção não protéica da enzima. Nos 
casos em que há a necessidade de co-fatores, a parte 
protéica da enzima, inativa, é chamada apoenzima, e ao 
conjunto apoenzima mais o co-fator, sendo este conjunto 
ativo, dá-se o nome holoenzima.
ENZIMAS - Estrutura
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Estrutura Estrutura 
EnzimáticaEnzimática
Apoenzima ou
Apoproteína
Holoenzima
Co-fatorProteína
Pode ser:
• íon inorgânico
• molécula orgânica
Coenzima
ENZIMAS 
 De forma geral, os co-fatores mais comum são:
 Íons metálicos, como:
 o Cu+2, Mg+2, Zn+2, Fe+2, Fe+3 
 Vitaminas. 
 Neste caso, quando o co-fator é outra molécula orgânica, 
dá-se a ele o nome de coenzima.
ENZIMAS 
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 As coenzimas são pequenas moléculas que transportam grupos 
químicos de uma enzima para outra.
 Alguns destes compostos químicos, como a riboflavina, a tiamina e o 
ácido fólico, são vitaminas, compostos que não são sintetizados no 
organismo e que têm de ser assimilados através da dieta. 
 Os grupos químicos transportados incluem o íon hidreto (H-) 
transportado pelo NAD ou NADP+, o grupo acetil transportado pela 
coenzima A, os grupos metil transportados pelo ácido fólico 
 As coenzimas sofrem regeneração e as suas concentrações são 
mantidas a um nível estável dentro da célula. 
 Por exemplo, o NADPH é regenerado através da via das pentoses-fosfato
ENZIMAS 
 Algumas enzimas também podem ter sítios de 
ligações para pequenas moléculas, que são 
produtos ou substratos, diretos ou indiretos, da 
reação catalisada. 
 Estas ligações servem para aumentar ou diminuir a 
atividade da enzima, providenciando um meio de 
regulação por feedback.
ENZIMAS
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 A atividade enzimática é influenciada por:
 pH;
 temperatura;
 concentraçãodas enzimas;
 concentração dos substratos;
 presença de inibidores.
ENZIMAS
 Temperatura: o aumento da temperatura pode elevar 
a velocidade da reação catalisada até certo ponto, 
chamado de temperatura ótima para a ação da 
enzima
 Isso se deve ao fato de que aumenta o grau de agitação 
das moléculas, e com isso, o número de colisões 
eficazes entre elas, resultando em reações químicas. 
 A partir desse ponto, o aumento da temperatura 
começa a desnaturar a enzima, sendo que a perda 
da estrutura tridimensional faz com que ela perca 
sua capacidade catalítica.
ENZIMAS
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ENZIMAS
 pH: meios muito ácidos ou muito alcalinos também 
podem afetar a atividade enzimática ao desnaturá-la. 
 De forma geral, as enzimas atuam em faixas de pH, o 
chamado pH ótimo, de acordo com a localização celular 
ou o órgão. 
 Fora da faixa de pH ótimo, a atividade da enzima decai 
drasticamente. 
 Por exemplo, enzimas como a pepsina, presente no suco 
gástrico, atuam em meios ácidos, ao passo que as enzimas 
dos sucos pancreático e entérico atuam em meios alcalinos.
ENZIMAS
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ENZIMAS
vo
[S]
• Concentração dos substratos:
ENZIMAS
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Estudo dirigido
 1.Diferencie catalisadores químicos e biológicos. Discutir as vantagens da presença 
de enzimas nos seres vivos.
 2. Defina sítio ativo (ou centro ativo) de uma enzima.
 3. Qual é o significado do termo “saturação da enzima” e qual a sua relação com a 
velocidade máxima?
 4. O que são holoenzimas, apoenzimas, cofatores e coenzimas? Qual a relação entre 
as vitaminas e as coenzimas?
 5. Definir faixa de pH ótimo para a enzima.
 6. Faça uma distinção entre os modelos chave-fechadura e ajuste-induzido para a 
ligação do substrato a uma enzima.
 A cinética enzimática analiza a velocidade da reação 
e suas alterações
 A concentração do substrato afeta a velocidade das 
reações catalisadas por enzimas?
CINÉTICA ENZIMÁTICA
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CINÉTICA ENZIMÁTICA
v
e
lo
c
id
a
d
e
 i
n
ic
ia
l 
V
o
[S]
Vmáx
½ Vmáx
Km
 Efeito em Vo provocado pela 
variação da concentração do 
substrato [S] quando a 
concentração da enzima é 
mantida constante
 Em altas concentrações de S, 
Vo aumenta cada vez menos 
em resposta aos aumentos da 
[S].
 Finalmente atinge-se um 
patamar que é a Velocidade 
máxima (Vmáx)
 A combinação de uma enzima com o seu substrato 
para formar o complexo ES é um passo obrigatório 
na catálise enzimática:
 Em uma segunda etapa lenta, o complexo ES se 
quebra liberando a enzima livre e o produto da 
reação:
 Como esta etapa é mais lenta, ela limita a velocidade 
da reação, ou seja a velocidade é proporcional a [ES]
CINÉTICA ENZIMÁTICA
K1
K2
K-1
K-2
 E + S ES
 ES E + P
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 Em qualquer instante da reação enzimática existe:
 Em baixas [S] a maior parte da ezima está na forma E
 Desta maneira, a velocidade da reação será proporcional 
a [S]
 A Vmáx será atingida quando quando praticamente 
todas as moléculas da enzima estiverem na forma ES
CINÉTICA ENZIMÁTICA
E livre: E E livre: E E ligada a S: ESE ligada a S: ES
 Nestas condições a enzima está SATURADA com 
seu substrato e a velocidade da reação não 
aumenta mais com novos aumentos da [S].
 Em seguida, o complexo ES transforma-se no 
produto P e a enzima é liberada para catalisar a 
transformação de outra molécula de substrato.
CINÉTICA ENZIMÁTICA
 ES E + P
K2
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CINÉTICA ENZIMÁTICA
v
e
lo
c
id
a
d
e
 i
n
ic
ia
l 
V
o
[S]
Vmáx
½ Vmáx
Km
 A curva que expressa a 
relação entre [S] e Vo tem a 
forma de uma hipérbole 
retangular 
 Que pode ser expressa 
matematicamente pela 
equação de Michaelis-Menten
 Derivaram sua equação 
partindo da hipótese básica 
de que o passo limitante da 
velocidade nas reações 
enzimáticas seria a quebra do 
complexo ES para formar P + 
E livre
CINÉTICA ENZIMÁTICA
 A equação de Michaelis-Menten:
 Termos importantes:
 [S] – concentração do substrato
 Vo – velocidade inicial
 Vmáx – velocidade máxima 
 Km – constante de Michaelis
 K – constante de velocidade da reação
Vo = Vmáx[S]
Km + [S]
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 Uma importante relação numérica emerge da 
equação de Michaelis-Menten no caso especial em 
que Vo é exatamente a metade de Vmáx:
 Dividindo por Vmáx:
CINÉTICA ENZIMÁTICA
Vmáx = Vmáx[S]
2 Km + [S]
1 = [S]
2 Km + [S] Km + [S] = 2 [S]
Km = [S] quando Vo = ½ Vmáx
CINÉTICA ENZIMÁTICA
v
e
lo
c
id
a
d
e
 i
n
ic
ia
l 
V
o
[S]
Vmáx
½ Vmáx
Km
 Isto representa uma definição prática e muito útil para Km –
constante de Michaelis
 O Km é equivalente à concentração do substrato onde Vo é igual 
à metade de Vmáx
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CINÉTICA ENZIMÁTICA
Kcat também é chamada de número de renovação e 
é equivalente ao número de moléculas do substrato
convertidas em produto por uma única molécula da
enzima, em uma dada unidade de tempo, quando a 
enzima está saturada pelo substrato.
 Os parâmetros Kcat e Km, em conjunto permitem avaliar a eficiência 
catalítica das enzimas
 Deve-se analisar a relação Kcat/Km para as duas reações , também 
denominada constante específica
 Relação Kcat/Km fornece uma boa noção quanto à eficiência 
catalítica da enzima, uma vez que relaciona a “rapidez da enzima” 
com sua afinidade pelo substrato. 
 Em termos práticos, quanto maior o valor da relação Kcat/Km maior 
será a eficiência catalítica. 
CINÉTICA ENZIMÁTICA
Vo = Kcat
Km 
[Et] [S]
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 Catálise ácido-base geral: 
 Refere-se a transferência de prótons mediadas por outra 
classe de moléculas
 Catálise covalente:
 É formada uma ligação covalente transitória entre a 
enzima e o substrato
 Catálise por íons metálicos:
 Metais firmemente ligados à molécula da enzima 
participam na catálise 
TIPOS DE CATÁLISE
 A atividade enzimática pode ser reduzida por grande 
número de substâncias – inibidores
 Os inibidores podem ser constituintes normais das 
células ou substâncias estranhas ao organismo
 Sua presença provoca alterações significativas no 
metabolismo – reguladores importantes
INIBIDORES ENZIMÁTICOS
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 Clínica:
 A possibilidade de inibir reações enzimáticas é um 
campo aberto para aplicações farmacológicas
 Muitos medicamentos utilizam-se deste princípio
 Ex: sulfonamidas – no combate a infecções bacterianas
 Inibição de uma enzima bacteriana
INIBIDORES ENZIMÁTICOS
 Meio ambiente:
 Combate a insetos
 Inibidores enzimáticos
 Acetilcolinesterases – inibidores de acetilcolina (SN)
 Detritos industriais
INIBIDORES ENZIMÁTICOS
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INIBIDORES ENZIMÁTICOS
Inibidores EnzimáticosInibidores Enzimáticos
IrreversíveisIrreversíveis ReversíveisReversíveis
Competitivos Não-competitivos
 Reagem quimicamente com as enzimas, levando a 
uma inativação praticamente definitiva 
 Tóxico para os organismos:
 Devido à sua irreversibilidade da sua ligação às enzimas
 Devido à sua inespecificidade
 Ligam-se aos aminoácido serina ou cisteína, frequentes na 
estrutura de quase todas as proteínas – portanto capaz de 
inativar qualquer enzima
INIBIDORES ENZIMÁTICOS
IrreversíveisIrreversíveis
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 Clínica:
 Inibidores irreversíveis com propriedades 
terapêuticas:
 Aspirina (ácido acetil-salicílico) – antiinflamatório, 
antipirético e analgésico
 Inibe uma enzima da via de síntese da prostaglandinas e 
consequentemente ocorre uma atenuação de reações 
inflamatórias
INIBIDORES ENZIMÁTICOS
 Competem com o substrato pelo mesmo centro
ativo da enzima
 Certas moléculas por apresentarem configuração
espacial semelhante à do substrato, são capazes de 
ligarem-se ao centro ativo da enzima
 E formarem um complexo enzima-inibidor, semelhante ao
complexo enzima-substrato (ES)
INIBIDORES ENZIMÁTICOS
ReversíveisReversíveis
Competitivos
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 Quando umamolécula de enzima é liberada, irá se associar a 
novas moléculas de inibidores ou de substrato
 com uma probabilidade que dependerá de suas
concentrações relativas
 e das afinidades relativas entre a enzima e o substrato e a 
enzima e o inibidor
 Inibidores competitivos: muda o Km, mas não interfere na 
Vmax.
INIBIDORES ENZIMÁTICOS
 E + Ic EIc
 Clínica: 
 Os inibidores competitivos tem largo emprego 
terapêutico:
 AZT – inibidor de DNA polimerase (transcriptase reversa) 
– necessária para a replicação do vírus HIV
 Quimioterapia de tumores
INIBIDORES ENZIMÁTICOS
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 Não possuem qualquer semelhança estrutural com o 
substrato da reação que inibem
 Seu efeito é provocado pela ligação à radicais que não
pertencem ao centro catalítico da enzima
 Esta ligação altera a estrutura enzimática a tal ponto que
invibializa a catálise
 Se ligam a cadeia lateral de um aminoácido de forma 
bastante inespecífica
ReversíveisReversíveis
Não-competitivos
INIBIDORES ENZIMÁTICOS
 São exemplos de inibidores não competitivo:
 Metais pesados como Hg2+, Pb2+ e Ag+ que reagem 
com o grupo SH das proteínas
 Como são pouco específicos, a ingestão direta ou 
indireta (alimentação) é extremamente tóxica
 Inibidores não-competitivos: muda o Vmax, mas não 
interfere no Km. 
INIBIDORES ENZIMÁTICOS
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 Mecanismos:
 1. Controle da disponibilidade de enzimas
 Exercido sobre as velocidades de síntese e degradação das 
enzimas, que determinam sua concentração celular
 2. Controle da atividade da enzima
 Efetuado por mudanças estruturais da molécula enzimática, 
provocada pela ligação de compostos ou grupos à cadeia
polipeptídica e que modificam a velocidade de catálise
 Regulação alostérica – ligação não covalente
 Modificação covalente – ligação covalente
REGULAÇÃO ENZIMÁTICA
 O alvo da regulação alostérica e covalente são 
certas enzimas-chave
 Presentes nas vias metabólicas – enzimas 
reguladoras:
 Determinam a velocidade de toda a sequência de 
reações da qual participa
 Pois catalisa a reação mais lenta ou a reação limitante da 
velocidade 
 Em muitos sistemas multienzimáticos, a primeira enzima 
da sequência é uma enzima reguladora
REGULAÇÃO ENZIMÁTICA
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 Existem duas classes de enzimas reguladoras:
 As enzimas alostéricas:
 Funcionam por meio da ligação não-covalente reversíveis de 
compostos reguladores chamados reguladores alostéricos
 Geralmente são pequenos metabólicos ou co-fatores
 As enzimas reguladas por uma modificação covalente
reversíveis
 Ambas as classes apresentam subunidades múltiplas
 Sítios catalíticos e sítios reguladores estão em
subunidades separadas
REGULAÇÃO ENZIMÁTICA
 Certas enzimas, cujo local de ação é extracelular
(plasma, trato digestivo) 
 São sintetizadas na forma de precussores inativos –
zimogênios
 Para se tornar ativo é necessário que ocorra a 
hidólise de determinadas ligações peptídicas
 Adquirem outra conformação - ativos
ZimogênioZimogênio
REGULAÇÃO ENZIMÁTICA
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 Pepsinogênio – origina a pepsina na cavidade 
gástrica pela remoçào de 42 aa, sob a ação de íons 
H+
 Tripsinogênio e quimotripsinogênio, de origem 
pancreática são transformados em tripsina e 
quimotripsina no intestino delgado
REGULAÇÃO ENZIMÁTICA
Estudo dirigido
 1. Numa reação enzimática, todo o sítio ativo está saturado com moléculas de 
substrato em concentração 10 mM. O que acontece com a velocidade da reação 
quando a concentração de substrato for 30 mM?
 2. Escrever a equação de Michaelis-Menten e substituir V0 por ½ Vmax e definir o Km.
 3. A hexoquinase é uma enzima que catalisa a reação de fosforilação da glicose e da 
frutose no carbono 6, com valores de Km de 0,05 mM e 1,5 mM, respectivamente. 
Qual é o substrato que a hexoquinase apresenta maior afinidade?
 4. Uma enzima foi testada frente a 3 diferentes substratos (A, B e C). Com base nos 
parâmetros cinéticos encontrados (tabela a baixo), qual foi o substrato que a enzima 
transformou com maior eficiência?
 5. Diferencie inibidores competitivos de inibidores não competitivos. Na prática, como 
é possível distingui-los?
 6. Explique o mecanismo de controle por ativação de zimogênios. Muitas enzimas 
pancreáticas, como a tripsina e quimotripsina, são secretadas na forma de 
tripsinogênio e quimotripsinogênio. O que aconteceria com o pâncreas caso esses 
enzimas não fossem secretadas na forma de zimogênios?

Substrato Km (mM) Kcat (seg
-1
) Kcat/Km (mM
-1
 seg
-1
) 
A 15 0,14 
B 30 0,06 
C 25 2,80