Biomoléculas e metabolismo - Livro 1

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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.
Introdução
Enzimas são moléculas proteicas essenciais ao metabolismo dos seres vi-
vos, graças à sua capacidade de promover e acelerar reações químicas em 
nível celular. Essas proteínas envolvem-se com os processos metabólicos 
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 
favorável para a reação, ou seja, uma rota com energia de ativação 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 
cada substrato, em concentração mínima, mantendo inalterado o equilíbrio da 
reação. Alguns tipos de RNA podem também funcionar como biocatalisadores 
– 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 possuem uma pequena região denominada sítio ativo, que fun-
ciona como uma espécie de bolsa. Os aminoácidos de revestimento têm radicais 
formadores de uma estrutura tridimensional, complementar ao substrato. Ao se 
ligar com a substância certa, o sítio ativo forma o complexo 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).
Catálise enzimática2
A velocidade da reação química é proporcional ao número de moléculas no es-
tado ativado (de transição). Este estado é atingido devido ao choque intermolecular 
que pode ser acelerado quando se fornece calor ao sistema, ou quando se adiciona 
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).
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).
Energia
Coordenada de reação
Energia de 
ativação sem 
enzima
Energia de 
ativ. com 
enzima
Energia total 
liberada na 
reação
Sem enzima
Com 
enzima
Reagentes
p. ex.: C6H12O6 + O2
Produtos
CO2 + H2O
3Catálise enzimática
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.
Figura 2. Representação dos componentes de uma reação 
enzimática.
Fonte: Enzimas [2017]. 
Catálise enzimática4
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.
5Catálise enzimática
Os modelos de ligação da enzima ao substrato e 
os tipos de reações catalisadas
As enzimas funcionam de acordo com a reação química que ocorre no sítio 
ativo. Há dois modelos conhecidos de ligação entre enzima e 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, havendo quebras e novas ligações químicas entre a enzima 
e o substrato. No encaixe induzido, ocorrem alterações na 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.
Catálise enzimática6
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.
7Catálise enzimática
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