enzimas regulatorias

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Enzimas regulatórias no controle do metabolismo1 
 
1. Introdução 
 
A regulação do metabolismo é fundamental para que um organismo possa responder de 
modo rápido e eficiente a variações das condições ambientais, alimentares ou ainda a 
condições adversas como traumas e patologias. 
As enzimas são em sua maioria proteínas. Possuem alta especificidade, podendo ter 
atividade intra ou extracelular. As enzimas são catalisadores das reações bioquímicas, isto é, 
atuam tornando possível uma nova reação com energia de ativação menor. Geralmente elas 
aumentam a velocidade da reação por um fator de 105 a 1017. Isso significa que simplesmente 
com a sua presença, e sem serem consumidas durante o processo, conseguem acelerar reações 
bioquímicas. As enzimas são sintetizadas por células vivas e atuam em quase todas as reações 
químicas do metabolismo dos organismos vivos e também estão presentes em vários 
alimentos. 
A regulação metabólica é feita pela modulação de enzimas regulatórias em processos 
metabólicos chaves, de tal modo que se possa ativar ou inibir reações químicas específicas 
para cada situação resultando em respostas biológicas adequadas. Para garantir a eficiência 
necessária, o organismo lança mão de vários tipos de regulação enzimática que podem ocorrer 
simultaneamente. A atividade enzimática pode depender da presença de determinadas 
moléculas, os cofatores, que podem participar diretamente ou não da reação. Diversos outros 
fatores também podem afetar a atividade enzimática, dentre eles a temperatura, o pH, a 
concentração da enzima, do substrato e os inibidores. 
 
2. Cinética enzimática 
 
A cinética de uma enzima é estudada avaliando-se a quantidade de produto 
formado ou a quantidade de substrato consumido por unidade de tempo. Uma reação 
enzimática pode ser expressa pela seguinte equação: 
E + S [ES] E + P 
 
1 Gomes, C.W.C. Enzimas regulatórias no controle do metabolismo. Seminário apresentado na disciplina 
Bioquímica do Tecido Animal, Programa de Pós-Graduação em Ciências Veterinárias, Universidade Federal do 
Rio Grande do Sul, 2014. 10 p. 
 
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Onde: 
E = enzima 
S = substrato 
P = produto 
ES = complexo enzima/substrato 
A velocidade de uma reação enzimática depende das concentrações de enzima e 
de substrato. A velocidade inicial aumenta com o incremento na concentração do 
substrato, quando é mantida constante a concentração da enzima. Esse aumento 
continua até o ponto em que se obtém a velocidade máxima, onde se tem a saturação 
da enzima. A partir desse ponto a velocidade da reação é mantida constante. 
Michaelis e Menten, em 1913, propuseram um modelo de reação enzimática 
para apenas um substrato. A partir deste modelo, foi desenvolvida uma equação que 
permite demonstrar como a velocidade de uma reação varia com a variação da 
concentração do substrato. Esta equação pode ser expressa graficamente, e representa 
o efeito da concentração de substrato sobre a velocidade de reação enzimática (Figura 
1). Michaelis e Menten deduziram uma constante (KM) que é indicadora da 
velocidade da reação e consequentemente do grau de afinidade que a enzima tem pelo 
substrato. A constante de Michaelis-Menten (KM) é definida como a concentração de 
substrato necessária para que metade da velocidade máxima da reação seja atingida. O 
KM de um substrato para uma enzima específica é característico, e fornece um 
parâmetro de especificidade deste substrato em relação à enzima. Quanto menor o 
KM, maior a especificidade, e quanto maior o KM , menor a especificidade. 
Equação de Michaelis e Menten: 
 
Onde: V0 = velocidade inicial 
 Vmax = velocidade máxima 
 Km = constante de Michaelis-Menten 
 [S] = concentração do substrato (em mol/L) 
 
 
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Figura 1. Gráfico da equação de Michaelis-Menten. 
 
 
As enzimas alostéricas mostram relações entre velocidade inicial e concentração 
de substrato que diferem do comportamento enzimático do tipo Michaelis-Menten. 
Elas exibem saturação quando a concentração do substrato é suficientemente alta, mas 
algumas enzimas alostéricas, quando a velocidade inicial é colocada em gráfico 
contra a concentração do substrato, resultam em uma curva de saturação sigmóide e 
não uma curva hiperbólica. Na curva de saturação sigmóide (Figura 2) verifica-se 
uma valor da concentração de substrato no qual a velocidade inicial é metade da 
velocidade máxima, mas que não é designado como KM. 
 
 
 
Figura 2. Curva sigmóide de uma enzima alostérica. 
 
 
O comportamento da cinética sigmóide em geral reflete interações cooperativas 
entre subunidades protéicas. Mudanças na estrutura de uma subunidade são 
convertidas em mudanças estruturais nas subunidades adjacentes, um efeito mediado 
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por interações não covalentes. As enzimas alostéricas mostram diferentes respostas 
em suas curvas de variação da atividade em função da concentração do substrato 
porque algumas possuem moduladores inibidores, outras moduladores ativadores e 
várias possuem os dois tipos. 
 
3. Enzimas regulatórias 
 
No metabolismo celular, grupos de enzimas trabalham juntos em sequência para 
conduzir um dado processo metabólico. Nestes sistemas enzimáticos, o produto da 
reação de uma enzima torna-se o substrato da próxima enzima. Cada via metabólica 
possui uma ou mais enzimas com maior efeito no ritmo geral do processo, as enzimas 
regulatórias. Estas enzimas exibem atividade catalítica reduzida ou aumentada, em 
resposta a certos sinais, controlam a velocidade das reações e assim o ritmo de todo o 
processo metabólico, permitindo à célula adaptar-se de acordo com as necessidades. 
 
Enzimas alostéricas 
 
Enzimas alostéricas são enzimas que contem uma região separada daquela em 
que se liga o substrato, na qual pequenas moléculas regulatórias podem se ligar e 
modificar a atividade catalítica destas enzimas. As modificações no sítio catalítico 
podem diminuir ou acelerar a velocidade da reação. Muitas enzimas alostéricas estão 
localizadas em um ponto de ramificação, ou próximo a ele, em uma via metabólica, 
influenciando no direcionamento de substratos para uma ou outra via disponível. 
Essas enzimas não seguem a cinética de Michaelis-Menten. Sua curva de saturação é 
sigmóide, assim como a de qualquer proteína alostérica. Normalmente estas enzimas 
são inibidas pelo produto final da via metabólica (inibição por feedback). Muitas 
enzimas alostéricas respondem a múltiplos efetores que interferem na velocidade 
máxima e na constante de Michaelis-Menten. 
 
Modificação covalente e outros 
 
Algumas enzimas tem suas atividades catalíticas regulada por modificações 
covalentes em um ou mais dos resíduos de aminoácidos da molécula da enzima. Essas 
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sofrem processos reversíveis de fosforilação (adição de um grupo fosfato), adenilação 
(adição de um AMP), uridilação (adição de um UMP), ADP-ribosilação (adição de 
ADP-ribose), metilação (adição de um grupo metila), entre outros. A modificação de 
uma enzima faz com que um novo resíduo de aminoácido com propriedades 
diferentes seja introduzido na enzima. A introdução de uma carga pode alterar as 
propriedades locais da enzima e introduzir uma mudança na conformação. 
Normalmente essas mudanças são substanciais e podem ser críticas para a função da 
enzima alterada. Um exemplo frequente é a transferência de um grupo fosfato, 
proveniente do ATP, para a enzima alvo. Naturalmente a presença dos grupos fosfato 
acarreta mudança da conformação espacial da enzima, com duas consequências 
possíveis: nova conformação cataliticamente inativa ou formação de umsítio ativo 
funcional. Assim quando várias enzimas são fosforiladas simultaneamente, o 
metabolismo é drasticamente alterado. 
Também existem regulações enzimáticas através de proteínas que se unem as 
enzimas para inibir ou estimular sua atividade; e clivagem proteolítica de certas 
enzimas como indução da sua atividade. A necessidade e presença de cofatores 
enzimáticos também atua na regulação da atividade catalítica. 
 
4. Inibidores enzimáticos 
 
Os inibidores de enzimas são moléculas que interferem com a catálise, 
diminuindo ou interrompendo as reações enzimáticas. Eles se ligam as enzimas, 
temporária ou definitivamente, impedindo que elas se liguem ao substrato. Muitos 
tipos de moléculas inibem as enzimas, incluindo drogas e agentes tóxicos, e podem 
agir de várias formas. A atividade de inibição enzimática atua como um mecanismo 
de controle dos sistemas biológicos. 
 
Inibidores reversíveis 
 
A inibição reversível é caracterizada por uma rápida dissociação do complexo 
enzima-inibidor (Figura 3). Existem dois tipos de inibição reversível, a competitiva e 
a não competitiva. 
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O inibidor competitivo assemelha estruturalmente ao substrato e liga-se ao sítio 
ativo da enzima, impedindo assim o substrato de se ligar ao mesmo local. Muitos 
inibidores competitivos tem estrutura similar à estrutura do substrato. Entretanto 
faltam grupos químicos no inibidor que possam dar continuidade a reação, fazendo 
com que sua presença apenas gere uma competição com as moléculas do substrato. 
Um inibidor competitivo diminui a taxa de catálise por reduzir a proporção de 
moléculas de enzima ligadas a um substrato. Em qualquer concentração do inibidor, a 
inibição competitiva pode ser diminuída através do aumento da concentração de 
substrato. Sob estas condições, o substrato compete com o inibidor pelo sítio ativo. 
Na inibição competitiva, uma enzima pode ligar-se ao substrato ou ao inibidor, mas 
não ambos. O complexo enzima-inibidor não gera nenhum produto. 
Na inibição reversível não competitiva, o inibidor e o substrato podem 
simultaneamente ligar-se a uma molécula de enzima em diferentes locais de ligação. 
Um inibidor não-competitivo se liga a um local diferente do sítio ativo da enzima, 
pois não há semelhança estrutural entre ele e o substrato. Age induzindo uma 
mudança conformacional na enzima, diminuindo a taxa de formação do complexo 
enzima-substrato ou reduzindo a taxa de degradação desse complexo para formar o 
produto. Enquanto a enzima estiver ligada ao inibidor, nenhum produto será formado. 
A inibição não competitiva, em contraste com a inibição competitiva, não pode ser 
superada pelo aumento da concentração de substrato. Na prática, a inibição não 
competitiva é observada apenas em enzimas com dois ou mais substratos. 
 
 
Figura 3. Modelos de inibidores reversíveis. 
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Inibidores irreversíveis 
 
Na inibição enzimática irreversível há uma ligação covalente com a enzima, 
causando uma modificação definitiva no sítio de ligação ou no sítio catalítico da 
enzima, formando complexos inativos. Também pode atuar destruindo um grupo 
funcional da enzima que é essencial pra sua atividade ou formando uma associação 
não covalente estável. 
 
5. Controle do metabolismo 
 
O crescimento e a sobrevivência da célula dependem do uso eficiente dos 
recursos. Esta eficiência é possível graças às enzimas regulatórias. As células 
precisam alterar continuamente seu ritmo e atividade metabólica de acordo com suas 
necessidades e condições. Na maioria dos sistemas multienzimáticos, a primeira 
enzima da sequência é a regulatória. Isso torna o controle do processo mais efetivo, 
pois a catálise das primeiras reações da sequência que leva até um produto 
desnecessário desvia a energia e os metabólitos para processos mais importantes. 
A atividade das enzimas regulatórias ocorre de várias formas. As enzimas 
alostéricas funcionam através de ligações não covalentes e reversíveis. Outras 
enzimas são reguladas por modificação reversível de sua polaridade. Ambas as 
classes de enzimas regulatórias costumam ser subunidades de proteínas e, em alguns 
casos, o sítio regulatório e o sítio ativo encontram-se em subunidades separadas. 
Algumas enzimas são estimuladas ou inibidas quando estão ligadas por proteínas 
regulatórias. Outras são ativadas quando segmentos de peptídeos são removidos por 
clivagem proteolítica, que é irreversível. Estes mecanismos ocorrem em processos 
fisiológicos como digestão, coagulação sanguínea, atividade hormonal e visão. 
 
Controle fisiológico 
 
Em alguns sistemas multienzimáticos, a enzima regulatória é especificamente 
inibida pelo produto final da rota metabólica. Quando a velocidade da atividade de tal 
enzima é reduzida, todas as enzimas subsequentes trabalham em ritmo mais lento, 
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uma vez que seus substratos estão esgotados. A taxa de produção do produto final é 
equilibrada com as necessidades da célula. Este tipo de regulação chama-se inibição 
feedback. Este é um exemplo na conversão do aminoácido L-treonina em L-
isoleucina, catalisada por uma sequência de cinco enzimas. 
Em outra classe importante de enzimas regulatórias, a atividade é regulada por 
mudança de polaridade, através de grupos reguladores como fosforil, adenilil, uridilil, 
metil e grupos de adenosina difosfato ribosil. Fosforilação é a adição de um grupo 
fosfato (PO4) a uma proteína ou outra molécula. A fosforilação é um dos principais 
participantes nos mecanismos de regulação das proteínas, de um terço a metade de 
todas as proteínas em células eucarióticas são fosforiladas. Esta forma de controle 
regulatório é essencial em um grande número de vias regulatórias. Um exemplo 
importante deste controle enzimático por fosforilação ocorre na glicogênio-
fosforilase, enzima responsável por uma das etapas da glicogenólise, nos músculos e 
no fígado. A fosforilase como enzima alostérica tem metabólitos reguladores que a 
fosforilam ou a desfosforilam, que são realizados por duas enzimas, fosforilase-
quinase e fosforilase-fosfatase. Essas enzimas são reguladas pela adrenalina, glucagon 
e insulina, e, portanto, esses elementos contribuem no controle da glicogenólise. Um 
exemplo de enzima regulada por metilação é a proteína aceptora de metilas da 
quimiotaxia de bactérias. Essa proteína é parte de um sistema que permite as bactérias 
de irem em direção de um atraente ou se afastarem de um repelente químico. O agente 
metilante é a S-adenosilmetionina. 
Certas enzimas, cujo local de ação é extracelular, são sintetizadas na forma de 
precursores inativos, chamado zimogênios. Para que um zimogênio se torne ativo é 
preciso que ocorra hidrólise de determinadas ligações peptídicas, com a consequente 
remoção de um segmento da cadeia e nova reestruturação espacial, onde aparecerá um 
sítio ativo funcional. Várias enzimas proteolíticas são sintetizadas e armazenadas 
como zimogênios, transformadas em enzimas somente fora destas células e no local 
onde exercerão atividade digestiva. Muitas enzimas proteolíticas são reguladas desta 
forma, por clivagem proteolítica. Quimotripsina e tripsina são inicialmente 
sintetizadas como quimotripsinogênio e tripsinogênio. 
A glutamina é a doadora do grupo amina para a formação de vários produtos e 
também funciona como um estoque de amônia nos animais. A glutamina sintetase de 
mamíferos é ativada por α-cetoglutarato, o produto da desaminação oxidativa do 
glutamato. Este controle previne a acumulação da amônia produzida pela reação. A 
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glutamina sintetase bacteriana tem um controle muito mais elaborado. Nove 
inibidores alostéricos por feedback (histidina, triptofano, carbamil-fosfato, 
glicosamino-6-fosfato,AMP e CTP), cada um com seu sítio de ligação, controlam a 
atividade da enzima. A glutamina sintetase é covalentemente modificada por 
adenilação de um resíduo específico de tirosina, aumentando sua susceptibilidade à 
inibição por feedback, ou seja, a enzima fica menos ativa. 
 
Controle farmacológico 
 
Alguns fármacos atuam como inibidores catalíticos. Antimicrobianos beta-
lactâmicos, como a penicilina e amoxicilina, atuam através de ligação covalente 
modificando a enzima transpeptidase, impedindo a síntese da parede celular das 
bactérias. O ácido acetilsalicílico tem ação parecida. Inibe diretamente a atividade da 
enzima cicloxigenase (COX) para diminuir a formação dos precursores das 
prostaglandinas e dos tromboxanos a partir do ácido araquidónico, reduzindo a 
produção de sintomas inflamatórios. 
Outros fármacos como captopril, enalapril e lisinopril agem inibindo as enzimas 
conversoras de angiotensina (ECA). Essas drogas diminuem a pressão sanguínea por 
bloquear a enzima que cliva a angiotensina I para formar a angiotensina II, um 
potente vasoconstritor. 
 
6. Conclusão 
 
A regulação do metabolismo é fundamental para que um organismo possa se 
adaptar as variações fisiológicas e patológicas. As células precisam alterar 
continuamente seu ritmo e atividade metabólica de acordo com suas necessidades e 
condições. Essa regulação é feita pela modulação de enzimas regulatórias em 
processos metabólicos chaves, resultando em respostas biológicas adequadas. Para 
garantir a eficiência necessária, o organismo lança mão de vários tipos de regulação 
enzimática que podem ocorrer simultaneamente. Além do controle fisiológico, 
diversos fármacos podem atuar de maneira semelhante, na tentativa de controlar e 
evitar reações indesejáveis. 
 
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Referências 
 
GONZÁLEZ, F.H.D.; SILVA, S.C. Introdução à bioquímica veterinária. 2ª edição. Porto Alegre: 
Editora da Universidade Federal do Rio Grande do Sul. 2006. 
HARVEY, R.A. Bioquímica ilustrada. 5º Ed. Porto Alegre: Artmed, 2012. 
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NELSON, D.L.; COX, M. M.Princípios de Bioquímica de Lehninger. 5º Ed. Porto Alegre: Artmed, 
2011.