Introdução às Enzimas

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Enzimas 
Introdução 
Os estudos das enzimas tiveram 
início com o surgimento da bioquímica, 
procurando explicações sobre a digestão e 
fermentação no século XIX. Em 1878, o 
termo “enzima” foi utilizado para dizer que 
havia algo nas leveduras que fazia a 
catálise da fermentação alcoólica (síntese 
de etanol a partir de glicose). 
As enzimas são extremamente 
específicas e catalisam as reações 
químicas, tornando as mesmas muito mais 
rápidas e tornam também a vida possível. 
Histórico 
→ 1830: Jacob Berzelius mostra que um 
extrato de malte chamado de diástase 
(amilase atualmente) catalisa a 
hidrólise do amido com muita eficiência; 
→ 1860: Louis Pasteur supõe que “forças 
vitais” permitem a catálise de reações 
apenas nos sistemas vivos 
(fermentação por enzimas); 
→ 1897: Eduard Buchner obtém o extrato 
da levedura livre capaz de fazer a 
fermentação alcóolica; 
→ 1900: Friedrich Kühne cunha o termo 
enzima; 
→ 1926: James Summer cristaliza a 
primeira enzima, a uréase de feijão e 
prova que as enzimas são constituídas 
de proteínas. 
Conceito 
As enzimas são catalisadores 
biológicos com alto peso molecular, 
eficiência maior do que a de catalisadores 
químicos e são altamente específicas. A 
maioria das enzimas são proteínas, exceto 
algumas moléculas de RNA catalíticas. 
Elas funcionam em soluções aquosas e 
com temperatura e pH suaves, não 
alterando o equilíbrio químico das reações. 
Função 
As enzimas aumentam a velocidade 
das reações sem alterar a constante de 
equilíbrio. Portanto, elas diminuem a 
energia de ativação da reação (energia 
requerida para iniciar a reação), 
 
aumentando assim a velocidade das 
reações. 
As reações proporcionadas pelas 
enzimas ocorrem em um local denominado 
sitio ativo e a molécula sobre a qual a 
enzima age é chamada de substrato. 
O estado de transição é o topo da 
curva e um momento molecular transitório 
em que a probabilidade de o substrato ser 
novamente formado e a de formar o produto 
são as mesmas. 
Portanto, a energia de ativação 
pode ser entendida como a quantidade de 
energia livre requerida para levar os 
reagentes ao estado de transição ou 
também como a diferença entre os níveis 
energéticos do estado basal e do estado de 
transição. 
Reação Enzimática 
Uma reação enzimática pode ser 
escrita como: 
Onde E, S e P são enzima, substrato 
e produto, respectivamente. ES e EP são os 
complexos transitórios da reação. 
Percebe-se que a enzima é muito 
maior que seu substrato (E>S). 
A atividade enzimática é a 
dosagem de uma enzima expressa em 
unidades (U). 1U é a quantidade de 
enzimas capazes de formar 1mol de 
produto por minuto. 
O número de catálise é o número 
em mol de substrato que 1 mol de enzima 
catalisa por minuto e também o número em 
mol de produto produzido por 1 mol de 
enzima por minuto. 
Grupos Prostéticos 
Os grupos prostéticos, os cofatores 
e as coenzimas aumentam a capacidade de 
catalização das enzimas ao catalisarem 
reações de oxirredução ou promover a 
transferência de grupos. 
Os grupamentos prostéticos são 
incorporados na proteína por ligações 
covalentes ou ligações extremamente 
fortes, sendo constituídos principalmente 
de íons metálicos, que, ao se juntarem 
com as enzimas formam uma 
metaloenzima. Exemplo: grupo heme da 
hemoglobina. 
Eles facilitam a ligação com o 
substrato e a ligação com intermediários, 
além de atuarem como bases ou ácidos, 
tornando os substratos pobres ou ricos em 
elétrons. 
 Cofatores 
Os cofatores se ligam diretamente à 
enzima ou formam um completo cofator-
substrato de maneira transitória, estando 
presentes ao redor da enzima. 
São constituídos também por íons 
metálicos, e, enzimas que necessitam 
destes são chamadas de enzimas 
ativadas por metal. Portanto são 
inorgânicos. 
Coenzimas 
As coenzimas são transportadoras 
de substrato que estabilizam espécies 
muito reativas e depois facilitam o 
reconhecimento de grupos químicos. 
São derivados das vitaminas ou são 
as próprias vitaminas sendo, então, grupos 
orgânicos. 
O complexo enzima-coenzima é 
chamado de holoenzima. Uma enzima 
sem sua coenzima correspondente é 
chamada de apoenzima. 
Vitaminas e Coenzimas 
As vitaminas hidrossolúveis 
(vitaminas B principalmente) são 
componentes de muitas coenzimas. A 
nicotinamida (vitamina B3) é componente 
das coenzimas NAD e NADP. A riboflavina 
(vitamina B2) é componente do FAD e FMN. 
O ácido pantotênico (vitamina B5) compõe 
a coenzima A. Além disso as coenzimas 
podem ter grupos adenina, ribose e fosfato. 
As vitaminas sozinhas também 
podem atuar como coenzimas, como a 
tiamina (vitamina B1) que é coenzima das 
descarboxilases, o ácido fólico (vitamina 
B9), a cobalamina (vitamina B12) que é 
coenzima na transferência de grupos metil, 
o ácido ascórbico (vitamina C) que é 
coenzima de peptidases, a piridoxina 
(vitamina B6) que intervém na transferência 
de grupos amino e a biotina que é 
coenzima das enzimas transferases de 
grupos carboxila. 
Principais Coenzimas 
O NAD é uma das principais 
coenzimas das reações enzimáticas. 
A nicotinamida adenina 
dinucleotídeo (NAD) é uma coenzima que 
participa de reações de oxirredução. Ela é 
constituída de um anel de nicotinamida, um 
anel de adenina e dois grupos de açucares 
fosfatados unidos. Ela pode se reduzir a 
NADH+, ao receber elétrons e se oxidar a 
NAD ao doar seu elétron. 
 
O NADP é sintetizado a partir do 
NAD pela fosforilação no OH de um açúcar, 
usando ATP, sendo obtido na via das 
pentoses fosfato e servindo como agente 
redutor em vias biossintéticas redutivas. 
A FMN (flavina mononucleotídeo) e 
a FAD (flavina adenina dinucleotídeo) são 
coenzimas em reações de oxirredução no 
metabolismo energético que podem aceitar 
elétrons da coenzima NADH+. 
A CoA (coenzima A) é muito 
importante no metabolismo de lipídeos 
(ativação de ácidos graxos e transporte de 
grupamentos ácidos) e no Ciclo de Krebs, 
sendo composta de um grupo ADP, um 
grupo pantotenato e uma cisteína. 
Nomenclatura 
Antigamente, as enzimas eram 
nomeadas com o sufixo ase ligado ao nome 
de seus substratos (uréase, que catalisa a 
hidrólise da ureia) ou ligado a uma palavra 
que descreve sua catálise (DNA-
polimerase, que catalisa a polimerização de 
 
 
DNA). Essa é a nomenclatura 
recomendada. 
 Outros cientistas batizavam as 
enzimas como gostariam, como a enzima 
pepsina e a tripsina. Essa é a 
nomenclatura usual. 
Para evitar a ambiguidade e nomes 
iguais, o IUBMB (International Union of 
Biochemistry and Molecular Biology) criou 
um sistema de nomenclatura sistemática 
de enzimas de seis classes e várias 
subclasses com seu nome e número 
próprio. As seis classes são: 
→ Oxido-redutases: como as 
desidrogenases e oxidases; 
→ Transferases: catalisam a 
transferência de moléculas, como as 
fosfotransferases; 
→ Hidrolases: catalisam a clivagem 
hidrolítica, como as peptidases; 
→ Liases: catalisam a clivagem de 
ligações C-C, C-O, C-N e outras 
ligações covalentes, criando ligações 
duplas como as descarboxilases; 
Fosforilação desse grupo 
hidroxila cria o NADP 
→ Isomerases: catalisam alterações 
estruturais dentro da molécula, como 
as epimerases; 
→ Ligases: catalisam a ligação de duas 
moléculas com uso de energia, como 
as sintetases. 
Por exemplo, a ATP: glicose-
fosfotransferase catalisa a transferência de 
um grupo fosforil do ATP para a glicose. 
Seu número da E.C (Enzyme Commission) 
é 2.7.1.1, onde: 
→ O primeiro número (2) indica a classe 
(transferase); 
→ O segundo número (7) indica a 
subclasse (fosfotransferase); 
→ O terceiro número (1) indica uma 
fosfotransferase que tem um grupo 
álcool como aceptor do fosforil; 
→ O quarto número (1) indica a glicose 
como o aceptor do grupo fosforil. 
Seu nome mais comum e mais 
usado é hexocinase. 
Sítio Ativo e Sítio Alostérico 
O sítio ativo, além de ser o local de 
reconhecimento para o substrato, é 
também onde toda a transformação 
química ocorre. Dentro dele, os substratos 
estão próximos uns aos outrose alinhados 
com cofatores e grupos prostéticos. 
Além disso, o sítio ativo também 
protege o substrato da água e produz um 
ambiente propicio para a reação acontecer. 
Já o sítio alostérico tem como 
função modificar a estrutura da enzima para 
regular sua atividade enzimática. Essa 
regulação ocorre pelos moduladores. 
Moduladores positivos permitem a 
atividade enzimática, já os moduladores 
negativos alteram a conformação da 
enzima, impedindo sua catálise. 
Especificidade 
As enzimas podem ter três níveis de 
especificidade. 
Enzimas com especificidade baixa 
possuem relação com tipos de ligação, por 
exemplo, as peptidases atuam em todos os 
peptídeos e as lipases atuam na quebra de 
lipídeos. São mais comuns em enzimas 
degradativas, como as enzimas que 
quebram proteínas no intestino delgado 
(peptidases). 
Enzimas com especificidade 
intermediária possuem relação com 
grupos químicos, como as hexoses. As 
hexoquinases atuam em todos os 
açucares de seis carbonos. 
Enzimas com especificidade alta 
(absoluta), como as quimiotripsinas que 
são especificas para ligações peptídicas 
com radicais hidrofóbicos (Phe, Tyr, Trp) e 
as tripsinas que são especificas para 
ligações peptídicas com carga positiva 
(Arg, Lys). 
Teorias da Especificidade 
Enzimática 
O modelo chave e fechadura de 
Fischer propunha que as enzimas e 
substratos se interagiam, formando o 
complexo enzima-substrato (ES). Ele dizia 
que o complexo ES era formado por 
substratos extremamente específicos 
para o sítio ativo, possuindo a forma deste. 
Essa rigidez do substrato proposta 
por Fischer foi refutada por Daniel Koshland 
pelo modelo de ajuste induzido que 
propõe que os substratos ao se ligarem à 
enzima induzem uma alteração 
conformacional na enzima para “encaixar” 
no sítio ativo. A enzima induz alterações 
recíprocas em seus substratos, facilitando a 
formação dos produtos. 
Enzimas constitutivas não sofrem 
nenhum tipo de alteração conformacional 
induzido, ao contrário das enzimas 
induzidas. 
Cinética Enzimática 
A velocidade de uma reação química 
é expressa em termos de concentração de 
um dos reagentes ou de um produto em um 
dado intervalo de tempo. 
A cinética química estuda a 
velocidade das reações químicas. A 
cinética enzimática é peculiar, pois não é 
apenas uma reação química, como também 
uma reação bioquímica que depende de 
outros fatores que alteram sua velocidade, 
como o pH, a temperatura, a concentração 
de substrato [S] e a concentração de 
enzima [E]. 
Efeito do pH 
As enzimas têm um pH ótimo no qual 
a atividade catalítica é máxima. A maioria 
das enzimas intracelulares exibe atividade 
ótima em valores de pH entre 5 e 9. O 
aumento ou a diminuição do pH leva à 
desnaturação da enzima, pois as cadeias 
laterais dos aminoácidos podem funcionar 
como ácidos ou bases fracas que 
dependem de certo estado de ionização. 
Efeito da Temperatura 
A elevação da temperatura aumenta 
a velocidade das reações, por aumentar a 
energia cinética e a colisão das moléculas. 
Porém, existe um ponto em que a 
alta temperatura (ou mesmo a baixa) rompe 
as interações não covalentes que mantêm 
a estrutura tridimensional das proteínas, 
ocorrendo assim a desnaturação. 
Enzimas de seres humanos 
geralmente exibem estabilidade entre 45 a 
55°C. Enquanto microrganismos que 
residem em vulcões (termofílicos) podem 
ser estáveis a mais de 100°C. 
Concentração do Substrato 
Em uma reação típica, a enzima 
pode estar presente em quantidades 
minúsculas, enquanto [S] pode estar em 5 
ou 6 vezes mais quantidades. 
Em concentrações baixas de 
substrato, a V0 (velocidade inicial) aumenta 
quase linearmente com o aumento do [S]. 
Em altas concentrações de substrato, V0 
aumenta em pequenas quantidades em 
resposta ao aumento do [S] até atingir um 
valor máximo. Essa região de V0 tipo platô 
é chamada de velocidade máxima (Vmáx). 
Quando o aumento adicional na 
concentração de substrato falha em 
aumentar V0, diz-se que a enzima está 
saturada. Em um determinado momento, 
apenas as moléculas de [S] que estão 
combinadas com a enzima [ES], podem ser 
transformadas em produto [P]. 
Efeito da concentração de substrato 
A concentração do substrato na qual V0 é a metade 
de Vmax é o Km, a constante de Michaelis. Vale 
ressaltar que V0 depende unicamente da rapidez 
em que o produto se dissocia da enzima, de modo 
que ela possa se combinar com mais substrato 
 
Logo que a enzima é misturada com 
um excesso de substrato, há um período 
inicial (muito curto), o estado pré-
estacionário, durante o qual a 
concentração de ES aumenta. De maneira 
rápida, a reação atinge o estado 
estacionário no qual [ES] permanece 
constante ao longo do tempo. Geralmente, 
a determinação de V0 reflete o estado 
estacionário. 
A equação de Michaelis-Menten 
ilustra a relação entre a velocidade de 
reação inicial V0 e a concentração do 
substrato [S], mostrada graficamente: 
Lembrando que a constante de 
Michaelis-Menten (Km) é a concentração de 
substrato em que V0 é a metade de Vmáx 
atingível em determinada concentração de 
enzima. Portanto, ele expressa a maior ou 
menor afinidade da enzima pelo substrato, 
onde quanto menor o Km maior a afinidade 
da enzima pelo substrato. 
Concentração da Enzima 
De maneira lógica, quanto maior a 
quantidade de enzima maior a velocidade 
da reação, visto que as enzimas nunca vão 
se saturar de substrato caso fiquem 
aumentando em quantidade de maneira 
constante. 
Inibição Enzimática 
Um inibidor é uma substância que 
interfere na catálise de uma enzima, 
diminuindo ou interrompendo as reações. 
Um inibidor reversível pode ligar-se à 
enzima e depois ser liberado, deixando-a 
em sua condição original. Um inibidor 
irreversível reage com a enzima 
produzindo uma proteína que deixa de ser 
enzimaticamente ativa, de forma que ela 
não possa ser mais regenerada. 
Duas classes de inibidores 
reversíveis podem ser distintas, os 
inibidores competitivos e os não 
competitivos. 
Inibidores Competitivos 
Os inibidores competitivos 
competem com o substrato pelo sítio ativo 
da enzima. Desse modo, tendem a se 
assemelhar com o substrato. 
Os efeitos dos inibidores 
competitivos podem ser superados ao 
elevar-se a concentração do substrato. 
Vale ressaltar que o complexo EI (enzima-
inibidor) não leva à catálise. 
De maneira geral, um inibidor 
competitivo age ao diminuir o número de 
moléculas de enzima livres disponíveis 
para se ligar ao substrato. 
Aumentar [S] diminui a concentração 
do complexo EI e aumenta a velocidade da 
reação. A extensão em que [S] deve ser 
aumentada para superar o inibidor depende 
da concentração do inibidor, de sua 
afinidade pela enzima e da afinidade da 
enzima por seu substrato. 
Gráficos duplo-recíprocos são 
utilizados para avaliar as constantes de 
inibição. 
 
 
 
 
 
Gráficos de inibição competitiva simples 
 
Percebe-se que o inibidor 
competitivo não tem efeito sobre a Vmáx, 
porém eleva K’m., o Km do substrato. 
Portanto, quanto menor for o Ki (constante 
de Michaelis-Menten do inibidor), mais 
efetivo será o inibidor. 
Inibidores Não 
Competitivos 
Os inibidores não competitivos se 
ligam à enzima em um local diferente do 
sítio ativo (geralmente se ligam ao sítio 
alostérico, portanto a ligação do inibidor 
não afeta a ligação do substrato (a 
formação do complexo EIS é possível); 
como resultado da ligação ocorre uma 
mudança na estrutura da enzima 
especialmente em torno do sítio ativo. 
 
 
 
 
 
Embora o complexo enzima-inibidor 
ainda possa se ligar ao substrato, sua 
eficiência para transformar o substrato em 
produto, refletido por Vmáx torna-se 
diminuída. 
 
Gráficos de inibição não competitiva simples 
 
Percebe-se que o inibidor não 
competitivo não tem efeito sobre Km, porém 
ele diminui Vmáx. 
Inibidores Irreversíveis 
Esses inibidores agem de forma 
irreversível ao modificar quimicamente a 
enzima. Em geral, essas modificações 
envolvem fazer ou romper ligações 
covalentes ou ainda destruir um grupofuncional da enzima essencial para a 
catálise. Uma enzima que foi 
“envenenada” por esse inibidor permanece 
inibida mesmo depois da remoção de tal 
inibidor. 
Exemplos - Competitivos 
O primeiro exemplo de um inibidor 
competitivo é do glifosato, um herbicida 
que afeta uma enzima responsável pela via 
de biossíntese dos aminoácidos 
aromáticos. Tal inibidor auxiliou muito na 
produção da soja transgênica, visto que 
ela não é afetada pelo glifosato e, portanto, 
ervas daninhas que aparecerem em sua 
terra são mortas, exceto a soja. 
Outro exemplo é o amprenavir, um 
inibidor da protease do vírus HIV. 
Exemplos Não Competitivos 
Um bom exemplo de inibidor não 
competitivo é o chumbo, responsável for 
afetar a síntese do grupo heme. O chumbo 
inibe a porfobilinogênio sintase e a 
incorporação de Fe++ no agrupamento 
heme, resultando em níveis aumentados de 
ácido aminolevulínico e de coproporfirina 
na urina e protoporfirina nos eritrócitos. 
Exemplos Irreversíveis 
O cianeto, encontrado em 
“amêndoas amargas” reage com íons 
metálicos de enzimas (Fe, Zn, Cu, etc.), 
sendo um veneno mortal. 
O Disopropilfluorfosfato (DFP), 
feito sinteticamente, inibe enzimas com 
serina no centro ativo. 
O Sarin, também feito de maneira 
sintética (gás nervoso), inibe enzimas com 
serina no centro ativo. 
O N-tosil-L-fenilalaninacloro-metil 
cetona (TPCK), também sintético, reage 
com a His 57 da quimotripsina. 
A Fisostiqmina, encontrada em 
feijões Calabar, forma derivados de acil 
com a acetilcolinesterase. 
O paration, um inseticida sintético, 
inibe a acetilcolinesterase. 
A penicilina, proveniente de fungos 
do gênero Penicilium, inibe enzimas da 
síntese de parede celular em bactérias. 
Os organofosforados reagem com 
enzimas que possuem resíduos de serina 
no sítio ativo, entre elas a 
acetilcolinesterase. Ao ser inativada a 
acetilcolinesterase não pode mais 
decompor a acetilcolina, que se acumula 
nos receptores sinápticos, impedindo as 
transmissões nervosas que acarretam a 
morte por falência dos órgãos. 
Regulação da Atividade 
Enzimática 
A regulação da atividade enzimática 
pode ser realizada por diferentes fatores. 
O primeiro fator é o controle da 
síntese de enzimas. A síntese enzimática 
depende da presença de indutores, 
geralmente substratos, que estimulam a 
transcrição do gene que os codificam. Em 
contrapartida, o excesso de um metabólito 
pode impedir a síntese de sua enzima 
cognata por meio da repressão. A síntese 
de outras enzimas pode ser estimulada por 
fatores de transcrição, cuja atividade é 
controlada pela interação de hormônios ou 
outros sinais extracelulares. 
Outro fator que atua na regulação da 
atividade enzimática é a 
compartimentalização celular, ou seja, 
existem enzimas que atuam apenas em 
determinadas células ou regiões, como 
enzimas de mitocôndrias não atuam em 
cloroplastos, entre outros. 
Regulação por Controle 
Alostérico 
As enzimas alostéricas agem por 
meio de ligações reversíveis e não 
covalentes com compostos regulatórios 
denominados moduladores alostéricos, 
que geralmente são metabólitos ou 
cofatores. As mudanças conformacionais 
induzidas por esses moduladores 
interconvertem formas mais ativas 
(estabilizada por moduladores positivos) e 
formas menos ativas (estabilizada por 
moduladores negativos) da enzima. 
Moduladores de enzimas alostéricas 
podem ser inibitórios ou estimulatórios. 
Muitas vezes, o modulador é o próprio 
substrato e, nesse caso, as enzimas são 
denominadas homotrópicas. Quando o 
modulador é uma molécula diferente do 
substrato, diz-se que a enzima é 
heterotrópica. 
A ligação do ligante provoca 
mudanças na conformação da enzima que 
afetam a atividade subsequente de outros 
sítios de proteína. Além do sítio ativo, as 
enzimas alostéricas possuem os sítios 
alostéricos, para ligarem o modulador, 
sendo específico para cada um desses 
moduladores. Em enzimas homotrópicas, o 
sítio ativo e alostérico são os mesmos. 
Portanto, o sítio alostérico tem a 
função de “ligar e desligar” a enzima. 
A inibição por retroalimentação 
(feedback) é o processo pelo qual o produto 
final de uma via de biossíntese com 
múltiplas etapas se liga e inibe uma enzima 
que catalisa uma das etapas iniciais da via. 
Portanto, o produto final funciona como um 
modulador alostérico negativo, visto que 
impede a reação. Mas se o produto se 
esgotar, o mesmo funcionará como 
modulador positivo, pois irá promover a 
reativação da enzima. Por essa enzima ser 
regulada já no início da via, ocorrerá uma 
grande economia celular. 
Regulação por Modificação 
Covalente 
Em outra classe de enzimas 
regulatórias, a atividade é regulada por 
modificações covalentes. Geralmente, os 
grupos modificadores incluem fosforil, 
acetil, adenilil, uridilil, metl, amida, carboxil, 
hidroxila, sulfato, etc. Esses grupos são 
ligados e removidas às enzimas 
regulatórias por enzimas distintas. 
A introdução de uma carga, por 
exemplo, pode alterar as propriedades 
locais da enzima e introduzir uma mudança 
na conformação. Já a introdução de grupos 
hidrofóbicos pode desencadear uma 
associação com uma membrana. 
 
Regulação por Clivagem 
Proteolítica 
As interações alostéricas controlam 
as enzimas por mudanças reversíveis em 
suas estruturas, porém esse mecanismo 
não é o único disponível. Um zimogênio, 
um precursor inativo de uma enzima, pode 
ser irreversivelmente transformado em uma 
enzima ativa pela clivagem de ligações 
covalentes. 
As enzimas proteolíticas tripsina e 
quimiotripsina são exemplos clássicos de 
zimogênios. Suas moléculas de 
precursores inativos, o tripsinogênio e o 
quimiotripsinogênio, respectivamente, são 
formadas no pâncreas, onde provocariam 
danos se estivessem na sua forma ativa. No 
intestino delgado, onde suas propriedades 
digestivas são requeridas, eles são 
ativados por clivagem de ligações 
peptídicas específicas. 
Isoenzimas 
São aquelas enzimas que têm a 
mesma função, mas estão em diferentes 
tecidos. Por exemplo, enzimas que 
fosforilam glicose são várias, como a 
hexoquinase (maioria dos tecidos) e a 
glicoquinase (fígado).