Enzimas: Proteínas Catalisadoras

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Disciplina Bioquímica Geral
Professora Jamile Fabbrin Gonçalves
1º) Definição de enzimas;
2º) Propriedades das enzimas;
3º) Funcionamento das enzimas;
4º) Cinética enzimática;
5º) Inibições enzimáticas;
6º) Enzimas reguladoras.
As enzimas: a mais admirável e altamente 
especializada das proteínas!!!
• Em geral, TODAS as reações químicas no organismo são mediadas
por enzimas, as quais são catalisadoras que aumentam a velocidade
das reações, sem sofrer alteração no processo global.
• As enzimas são centrais em TODOS os processos
bioquímicos. Atuando em sequências organizadas,
elas catalisam as centenas de reações que
degradam passo a passo as moléculas dos
nutrientes, conservam e transformam energia
química e sintetizam as macromoléculas biológicas
a partir dos precursores simples.
• Por meio da ação das enzimas reguladoras, as vias metabólicas são
altamente coordenadas para produzir uma interação harmoniosa entre
as muitas atividades necessárias para manter a vida.
O estudo das enzimas possui imensa importância prática!
• As medidas das atividades das enzimas no plasma sanguíneo,
• Em algumas doenças, especialmente, as doenças
genéticas hereditárias, pode haver deficiência ou mesmo a
total ausência de uma ou mais enzimas;
• Para outras condições de doença, a atividade excessiva de
uma enzima pode ser a causa;
• As medidas das atividades das enzimas no plasma sanguíneo,
eritrócitos, ou amostras de tecidos são muito importantes no diagnóstico
de certas doenças. Ex.: AST/ALT elevadas → em geral, problemas
hepáticos;
• Muitas drogas exercem seus efeitos biológicos por meio das interações
com enzimas;
• E, as enzimas não são importantes somente na medicina, mas também
na indústria química, no processamento de alimentos e na agricultura!!!
A maioria das enzimas são proteínas
• Com exceção de um grupo de RNA catalítico, TODAS as enzimas são
proteínas;
• A atividade catalítica da enzima depende da integridade de sua
conformação nativa. Por exemplo, se a enzima for desnaturada ouconformação nativa. Por exemplo, se a enzima for desnaturada ou
dissociada em suas subunidades (aminoácidos) a atividade catalítica
é perdida;
• As enzimas, como outras proteínas, possuem pesos moleculares
diversos que variam de cerca de 12.000 a 1 milhão.
1) Co-fator: Algumas enzimas requerem a presença de um co-fator, ou
seja, de um componente químico adicional podendo ser um ou mais íons
inorgânicos.
HOLOENZIMAS: enzimas requerem outros grupos químicos 
além dos seus resíduos de aminoácidos para a sua atividade
2) Coenzimas: Algumas enzimas requerem a presença de uma
coenzima, ou seja, de um complexo orgânico ou molécula
metalorgânica.
• As coenzimas atuam como
transportadoras transitórias de
grupos funcionais específicos;
• Muitas são derivadas de
vitaminas, nutrientes orgânicos
requeridos em pequenas
quantidades na dieta.
• Algumas enzimas requerem tanto uma coenzima quanto um ou mais
íons metálicos para a sua atividade;
• Uma coenzima ou co-fator que seja ligado muito forte ou
covalentemente à enzima é chamado de GRUPO PROSTÉTICO;
• A porção protéica de tal enzima é denominada de APOENZIMA ou
APOPROTEÍNA;
• Uma enzima cataliticamente ativa completa, juntamente com sua
coenzima ligada e/ou co-fator é chamada de HOLOENZIMA.coenzima ligada e/ou co-fator é chamada de HOLOENZIMA.
ENZIMA ATIVA!!!
• As enzimas são catalisadores protéicos que aumentam a velocidade
de uma reação química e não são consumidos durante a reação que
catalisam.
Propriedades das enzimas
A) SÍTIO ATIVO
• É uma região específica em forma de fenda ou bolso o qual contém
cadeias laterais de aminoácidos que criam uma superfície
tridimensional complementar ao substrato;tridimensional complementar ao substrato;
• O sítio ativo liga o substrato formando um complexo enzima-
substrato (ES);
• O complexo ES é convertido em enzima-produto (EP) que
posteriormente se dissocia em enzima e produto.
Ligação de um substrato a uma enzima no sitio ativo.
B) EFICIÊNCIA CATALÍTICA
• As reações catalisadas por enzimas são, em sua maioria, altamente
eficientes, desde 103 até 108 vezes mais rápidas que reações
não-catalisadas;
• Tipicamente, cada molécula de enzima é capaz de transformar de
100 a 1000 moléculas de substrato em produto por segundo;
• O número de moléculas de substrato convertidas em moléculas de
produto por uma molécula de enzima em um segundo é chamado
de número de renovação (turnover) ou Kcat;
C) ESPECIFICIDADE
• As enzimas são altamente específicas, interagindo com um ou
alguns poucos substratos e catalisando apenas um tipo de reação
química;
D) REGULAÇÃO ENZIMÁTICA
• A atividade enzimática pode ser regulada, isto é, as enzimas podem• A atividade enzimática pode ser regulada, isto é, as enzimas podem
ser inibidas ou ativadas, a fim de que a velocidade de formação do
produto responda às necessidades da célula;
Regulação alostérica
Regulação por ligação covalente reversível
Regulação por clivagem proteolítica
E) LOCALIZAÇÃO DENTRO DA CÉLULA
• Muitas enzimas estão localizadas em
organelas específicas dentro da célula;
• Essa compartimentalização serve para
isolar o substrato ou o produto da
reação de outras reações competitivas
e garante o meio favorável para a
reação e organiza as milhares de
enzimas presentes na célula em vias
definidas.
As enzimas são classificadas pelas 
reações que catalisam 
• Os nomes de enzimas mais frequentemente utilizados
têm sufixo “ase” adicionado ao nome do substrato da
reação (ex.: urease→hidrólise da uréia) ou à descrição da
ação realizada (ex.: DNA polimerase→polimerização dos
nucleotídeos para formar o DNA).nucleotídeos para formar o DNA).
• E.C. (número de determinada enzima na Comissão de Enzimas).
Ex.: hexoquinase (E.C. 2.7.1.1.)
Ex.: hexoquinase (E.C. 2.7.1.1.)
ATP :glicose fosfotransferase
=
Classe: transferase
Subclasse: fosfotransferase
Fosfotransferase com um grupo Hidroxila como receptor
D-glicose como o grupo receptor da fosforila
E.C 2.7.1.1
Como as enzimas funcionam?
A) Alterações de energia que ocorrem durante a reação
• Praticamente todas as reações químicas
têm uma barreira de energia separando
os reagentes dos produtos a qual é
denominada ENERGIA DE ATIVAÇÃO;
→ Energia requerida para o alinhamento dos
grupos que reagem, a formação de cargasgrupos que reagem, a formação de cargas
transitórias instáveis, os rearranjos de ligações
e outras transformações requeridas para a
reação prosseguir em qualquer direção!!!
• Energia de ativação: é a diferença entre a
energia dos reagentes e a energia de um
intermediário de alta energia (T*) que
ocorre durante a formação do produto;
• Para as moléculas reagirem, elas devem
conter energia suficiente para superar a
barreira de energia do estado de transição.
Em geral, quanto menor a energia livre de
ativação, mais rápida é a velocidade da
reação.
→ A velocidade é aumentada por
certo aumento de TEMPERATURA
(agito molecular)!!!
• Uma enzima permite que uma reação ocorra
RAPIDAMENTE nas condições normais da
célula (condições isotérmicas e pH quase
neutro) → Uma enzima atua diminuindo a
energia de ativação devido à formação de
um complexo com o substrato que causa
mudanças conformacionais e facilita a
geração do produto!!!
(agito molecular)!!!
• A enzima NÃO altera a energia
livre do sistema e, assim sendo,
NÃO ALTERA O EQUILÍBRIO
TERMODINÂMICO DA REAÇÃO,
ou seja, a reação obedece a
mudanças de energia livre do
sistema sendo realizada caso
seja energeticamente possível.
∆G < 1 NEGATIVA Ocorre de forma direta
∆G = 1 ZERO Está no equilíbrio
∆G > 1 POSITIVA Ocorre de forma inversa
B) Química do sítio ativo
• O sítio ativo NÃO é um receptáculo passivo para a
ligação do substrato, mas sim uma máquina
molecular complexa, empregando uma diversidade
de mecanismos químicos para facilitar a conversão
do substrato em produto;
• O sítio ativo frequentemente atua como um molde• O sítio ativo frequentemente atua como um molde
molecular flexível que se liga ao substrato em umaestrutura geométrica similar ao estado de transição
da molécula → A ENZIMA ESTABILIZA O
SUBSTRATO EM SEU ESTADO DE TRANSIÇÃO
(LIGAÇÃO NÃO-COVALENTES!), AUMENTANDO
MUITO A CONCENTRAÇÃO DO INTERMEDIÁRIO
REATIVO QUE PODE SER CONVERTIDO NO
PRODUTO, ACELERANDO A REAÇÃO.
Modelo chave-fechadura
Interações Fracas entre a Enzima e o Substrato 
são otimizadas no estado de transição
• O requerimento de interações fracas para impulsionar a
catálise é uma razão por que as enzimas são tão grandes,
pois elas devem oferecer grupos funcionais para as
interações iônicas, pontes de hidrogênio e outras,
posicionando esses grupos para que a energia de ativaçãoposicionando esses grupos para que a energia de ativação
seja otimizada no estado de transição;
• A enzima não será capaz de interagir com outras
moléculas que não estão arranjadas de maneira a formar
interações especificas com o seu sitio ativo, neste caso o
substrato é pobre para a enzima.
• Parte da força diretiva para ligar um
substrato polar (reagente) a uma
superfície polar complementar de
uma enzima é o aumento da
ENTROPIA à medida que a enzimaENTROPIA à medida que a enzima
desloca as moléculas de água
ordenadas do substrato.
MUITAS ENZIMAS CATALISAM REAÇÕES 
COM DOIS OU MAIS SUBSTRATOS
hexoquinase
• Na maior parte das reações duas ou mais moléculas de
substratos diferentes ligam-se à enzima e participam na
reação;
• As reações enzimáticas com dois ou mais substratos
usualmente envolvem a transferência de um átomo ou
grupo funcional de um substrato a outro.
• Essas reações seguem um de vários caminhos:
Os 3 principais fatores que afetam a 
velocidade da reação
1) Temperatura
• A velocidade da reação aumenta com a temperatura devido ao
aumento da interação entre as moléculas (agitação molecular).
Entretanto, um elevação maior da temperatura diminui a velocidade
da reação como resultado da desnaturação protéica da enzima.
→ A temperatura ótima para a maioria das
enzimas animais está entre 35 e 40ºC,
porém as enzimas das bactérias
termófilas, encontradas em fontes de
água quente, apresentam temperatura
ótima em torno de 70ºC.
2) pH
1) Efeito do pH sobre a ionização do sítio ativo: o processo catalítico
geralmente requer que a enzima e o substrato tenham determinados
grupos químicos em estado ionizado ou não-ionizado.
Ex.: a atividade catalítica pode exigir que um grupo amino da enzima esteja na
forma protonada (-NH3+), mas em pH alcalino, esse grupo não está
protonado e, assim a velocidade da reação diminui.
• A concentração de H+ afeta a velocidade da reação
basicamente de duas maneiras:
2) Efeito do pH sobre a desnaturação
enzimática: valores extremos de pH também
podem levar à desnaturação da enzima.
→ O pH ÓTIMO VARIA DE ACORDO COM A
ENZIMA. Ex.: a pepsina é uma enzima digestiva
do estômago apresentando atividade máxima em
pH 2, enquanto outras enzimas desnaturam em
pH tão ácido.
3) Substrato
• Em geral, em baixas concentrações
de substrato, a velocidade da reação
é proporcional à concentração do
substrato;
• A maioria das enzimas exibe uma
cinética de Michaelis-Menten, onde
CURVA 
HIPERBÓLICAcinética de Michaelis-Menten, onde
obtêm-se um platô na velocidade da
reação devido a altas concentrações
de substrato refletindo a
SATURAÇÃO, pelo substrato, de
todos os sítios ativos disponíveis nas
moléculas enzimáticas presentes.
enzimas regulatórias do 
tipo alostéricas!!! ≠
HIPERBÓLICA
CINÉTICA ENZIMÁTICA
• A velocidade da reação enzimática, expressa como velocidade inicial
(V0), aumenta com o incremento na concentração de substrato (S),
quando é mantido constante o número de moléculas enzimáticas.
• Esse aumento continua até um
ponto em que é atingida aponto em que é atingida a
velocidade máxima de uma
reação (Vmáx) → Este ponto
representa o ponto de
SATURAÇÃO da enzima, isto é,
quando todos os sítios ativos
disponíveis nas moléculas
enzimáticas presentes estão
ocupados pelo substrato.
CURVA HIPERBÓLICA
• Em 1913, os pesquisadores Michaelis e Menten
deduziram uma equação que retrata a relação
entre a concentração de substrato e a velocidade
da reação → Equação de Michaelis-Menten.
**
• A constante de Michaelis-Menten (Km)
é definida como a concentração de
substrato necessária para atingir
metade da Vmáx.
• O Km, de modo geral, representa o grau de afinidade que a
enzima tem por seu substrato (o significado atual de Km depende
de aspectos específicos do mecanismo de reação como o número e as
velocidades relativas das etapas individuais da reação);
• O valor de Km é pode variar grandemente de enzima para enzima, e
mesmo para diferentes substratos da mesma enzima.
hexoquinase
Apresenta maior 
afinidade pela glicose 
que pelo ATP
EQUAÇÃO DE LINEWEAVER-BURKE 
ou equação de duplos-recíprocos
• Torna linear a equação de
Michaelis-Menten (hiperbólica)
→ é muito utilizada para calcular
Km e Vmáx, assim como para
determinar o mecanismo de
ação de inibidores enzimáticos.*
INIBIÇÃO ENZIMÁTICA
• Os inibidores enzimáticos são agentes moleculares que interferem
com a catálise, diminuindo ou parando as reações enzimáticas;
• Os inibidores enzimáticos estão entre os agentes farmacêuticos mais
utilizados (ex.: aspirina).
INIBIÇÃO 
ENZIMÁTICA
1) REVERSÍVEL
2) IRREVERSÍVEL
1A)COMPETITIVA
1B)NÃO-COMPETITIVA
1) Inibição enzimática REVERSÍVEL
• Os inibidores reversíveis ligam-se às enzimas por meio de ligações
NÃO-COVALENTES, de modo que a diluição do complexo enzima-
inibidor resulta na dissociação do inibidor reversivelmente ligado e na
recuperação da atividade enzimática.
COMPETITIVA NÃO-COMPETITIVA
INIBIÇÃO REVERSÍVEL
1A) Inibição enzimática REVERSÍVEL COMPETIVIVA
• Esse tipo de inibição ocorre quando o
INIBIDOR LIGA-SE REVERSIVELMENTE AO
MESMO SÍTIO ATIVO QUE O SUBSTRATO
OCUPARIA e, dessa forma, compete com o
substrato por esse sítio devido a sua
similaridade estrutural;
ES
• Este tipo de inibição é
revertida quando suficiente
quantidade do substrato
desloca o inibidor do sítio
ativo.
• O complexo EI
não gera nenhum
produto;
Ex.: Estatinas → grupo de
drogas anti-lipidêmicas que
inibe competitivamente o
primeiro passo da síntese do
colesterol.
ES
EI
E
1B) Inibição enzimática REVERSÍVEL NÃO-COMPETITIVA
• Esse tipo de inibição ocorre quando o INIBIDOR E O SUBSTRATO
LIGAM-SE A SÍTIOS DIFERENTES NA ENZIMA e, dessa forma, não
competem pelo mesmo sítio. Este tipo de inibidor pode ligar-se tanto
à enzima livre (E) quanto ao complexo ES;
• A união do inibidor à enzima induz uma
mudança conformacional na enzima,
reduzindo a taxa de formação do
ESE
reduzindo a taxa de formação do
complexo ES e/ou reduzindo a taxa de
degradação de ES para formar o produto;
• Este tipo de inibidor não bloqueia a união
do complexo ES. Entretanto, ES não forma
nenhum produto enquanto o inibidor
estiver unido à enzima → este tipo de
inibição não pode ser revertido com o
aumento da concentração de substrato.
Ex.: alguns moduladores
de enzimas alostéricas!
EI ESI
2) Inibição enzimática IRREVERSÍVEL
• Os inibidores irreversíveis são aqueles que se ligam de forma
COVALENTE com a enzima ou DESTROEM UM GRUPO FUNCIONAL
ESSENCIAL para a atividade da enzima, ou aqueles que formam uma
LIGAÇÃO NÃO-COVALENTE PARTICULARMENTE ESTÁVEL com a enzima.
Ex.:COMPOSTOS ORGANOFOSFORADOS,
os quais são frequentemente usados
como antiparasitários nos animais
domésticos. Estes compostos inibem a
AChE
domésticos. Estes compostos inibem a
enzima acetilcolinesterase (AChE)
(responsável pela hidrólise do
neurotransmissor acetilcolina) causando
efeitos neurotóxicos.
***Organofosforados também inibem
outras enzimas que possuem serina no
sítio ativo. Ex.: tripsina, elastase,
fosfoglicomutase e quimotripsina.
• No metabolismo celular, grupos de enzimas trabalham juntas em
vias sequenciais para realizar um certo processo metabólico;
• Nessas reações o PRODUTO da reação de uma enzima torna-se o
SUBSTRATO da próxima enzima;
ENZIMAS REGULADORAS
SUBSTRATO da próxima enzima;
• Essas enzimas reguladoras aumentam ou diminuem sua atividadeem
resposta a certos sinais celulares;
• Dessa forma elas ajustam a velocidade das reações, permitindo que a
célula alcance suas necessidades energéticas e de biomoléculas
requeridas no crescimento e reparo celular.
A B C D E F
E1 E2 E3 E4 E5
1) Enzimas alostéricas: funcionam por meio da ligação de
compostos reguladores não-covalentes e reversíveis,
chamados MODULADORES ou EFETORES ALOSTÉRICOS,
que são geralmente metabólitos pequenos ou co-fatores;
As enzimas reguladoras são 
moduladas de várias maneiras
2) Enzimas reguladas por modificação covalente reversível;
3) Enzimas são ativadas quando segmentos peptídicos são
removidos por clivagem proteolítica -> reação irreversível.
Regulação alostérica
Regulação por ligação covalente reversível
Regulação por clivagem proteolítica
• Enzimas alostéricas apresentam alterações de conformação
induzidas pela ligação de um ou mais moduladores
-> interconvertem formas mais ativas e menos ativas.
• Moduladores podem ser: ***Inibitórios
1) As enzimas alostéricas sofrem alterações de 
conformação em resposta à ligação de moduladores
• Moduladores podem ser: ***Inibitórios
***Estimuladores
• Enzimas Homotrópicas: o modulador é o próprio
substrato;
• Enzimas Heterotrópicas: o modulador é uma molécula
outra que o substrato.
CONFORMAÇÃO molecular: o arranjo espacial dos grupos
substituintes, SEM quebrar nenhuma ligação, são livres para
assumir posições diferentes no espaço devido à liberdade de
rotação em volta das ligações simples. Ex.: Etano (C-C).
Relembrando...
Forma 
elipsada
Forma 
escalonada
A interconversão das duas 
formas de etano ocorre milhões 
de vezes por segundo!
Subunidade reguladora
Subunidade catalitica
Sitio regulador com alta especificidade
pelo modulador
Muda a conformação
• Diferenças estruturais -> além do sítio ativo, as enzimas alostéricas
possuem um ou mais sítios alostéricos para a ligação do modulador
(nas enzimas homotrópicas o sítio ativo e o sítio regulador são os
mesmos);
• As enzimas reguladoras são geralmente MAIORES e MAIS COMPLEXAS
que as enzimas não-alostéricas (a maioria possui duas ou mais
subunidades).
As propriedades das enzimas alostéricas são 
distintas das enzimas não-reguladoras simples:
subunidades).
Ligação 
com o 
modulador
Aspartato transcarbamilase
• Em algumas vias metabólicas, a
enzima reguladora é especificamente
inibida pelo produto final da via toda
a vez que a [produto] exceder os
requerimentos celulares;
Em muitas vias uma etapa reguladora é 
catalisada por uma enzima alostérica:
requerimentos celulares;
• Quando a reação da enzima
reguladora é diminuída, todas as
enzimas subseqüentes operam em
velocidades reduzidas à medida que
seus substratos são depletados;
• As enzimas alostéricas não exibem saturação com o substrato
quando a [S] for alta;
• Produzem uma curva de saturação sigmóide e não hiperbólica.
Enzimas alostéricas são reguladas 
As propriedades cinéticas das enzimas alostéricas 
divergem do comportamento de Michaelis e Menten:
Enzimas alostéricas são reguladas 
pelas necessidades celulares
Relembrando...
[S] >> [E]
Saturação
As enzimas que seguem o comportamento
de uma curva hiperbólica são ditas
seguirem a cinética de Michaelis e Menten.
Por quê ocorre a alteração de curva 
hiperbólica para sigmóide?
Vo aumenta 
A curva torna-se sigmóide
porque, no exemplo, o S atua
como modulador positivo (um
ativador) à as subunidades
[S] = [modulador]
[S] aumentada
ativador) à as subunidades
atuam cooperativamente à o
S se liga tanto ao sitio ativo
quanto ao sitio regulador à
alterando a conformação da
enzima à aumentando a
afinidade da ligação do S das
moléculas subseqüentes do
substrato.
Fosforila
Grupos que modulam a atividade de enzimas covalentemente:
A fosforilação é o 
tipo mais comum de 
modificação 
reguladora!!!
2) Algumas enzimas reguladoras sofrem 
modificação covalente reversível
Adenina
Uridila
Metila
ADP-ribosila
Grupos fosforila afetam a estrutura e a atividade 
catalítica das proteínas
*** Ligação de grupos fosforilas a resíduos 
de aminoácidos de uma proteína
*** Remoção de grupos fosforilas de resíduos 
de aminoácidos de uma proteína
proteínas quinases
proteínas fosfatases
• Exemplo de regulação pela fosforilação:
Glicogênio fosforilase
Glicogênio fosforilase ocorre em duas formas:
• Fosforilase a (mais ativa) → fosforilada
• Fosforilase b (menos ativa) → desfosforilada
• Para algumas enzimas, um precursor inativo chamado
zimogênio é clivado para formar a enzima ativa;
• Esse tipo de reação é irreversível;
2) Algumas enzimas são reguladas pela clivagem 
proteolítica de um precursor enzimático
• Esse tipo de reação é irreversível;
• A clivagem específica induz a alterações na conformação da
enzima expondo seu sitio ativo;
• Muitas enzimas proteolíticas tripsina e quimotripsina são um
exemplo clássico de zimogênios e suas formas de ativação.
• Exemplo de zimogênio: Quimotripsinogênio -> Quimotripsina
As mudanças na estrutura primária que acompanham a 
conversão do quimotripsinogênio em quimotripsina provocam 
mudanças na estrutura terciária -> FUNÇÃO DIFERENTE!
Zimogênio
Enzima ativa
• Outros exemplos de zimogênios
Os mecanismos reguladores estudados até agora durante esta 
aula modificam a ATIVIDADEATIVIDADE das moléculas enzimáticas 
existentes. Entretanto, as células também podem regular a 
QUANTIDADEQUANTIDADE de enzima presente!
Indução e repressão da síntese de enzimas
• O aumento (indução) ou a diminuição (repressão) da síntese da 
enzima leva a uma alteração na população total de sítios ativos, mas 
a eficiência das moléculas preexistentes da enzima não é afetada!
***Exemplo: níveis elevados de
insulina, resultantes de altos níveis
de glicose no sangue, levam a um
aumento na síntese de enzimas-aumento na síntese de enzimas-
chave do metabolismo da glicose.
O consumo regular de refeições
ricas em carboidratos determinam
um aumento nas quantidades de
glicoquinase, fosfofrutoquinase e
piruvato quinase no fígado!
Resposta dos mecanismos reguladores ->
diferentes escalas de tempo -> diferentes
sensibilidades em relação às variações das
condições externas!
• Exemplo: Glicogênio fosforilase
Enzima muito importante na regulação do 
metabolismo de carboidratos
Algumas enzimas reguladoras usam vários 
mecanismos reguladores
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Qual é a vantagem de tal complexidade na 
regulação das atividades enzimáticas???
• A energia química é usada economicamente, parcelada em
várias vias metabólicas ditadas pela necessidade celular;
• A disponibilidade de catalisadores poderosos (enzimas), cada
um específico para uma certa reação, torna a regulação dessas
reações possíveis.
Esta regulação por sua vez da origem a uma 
sinfonia complexa altamente regulada
VIDA