Texto enzimas com estudo dirigido

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Capitulo 8 - Enzimas 
 
 Para manter sua sobrevivência, as células e os organismos por elas constituídos, 
necessitam da ocorrência de uma série de reações químicas que levam à formação de produtos 
específicos em tempo coerente com as necessidades celulares. Diferentemente das reações 
realizadas ïn vitro (tubo de ensaio), na célula não se pode esperar o encontro ao acaso dos 
reagentes para a formação dos produtos e nem se pode aumentar a velocidade das reações pelo 
aumento da temperatura, visto que, a estrutura tridimensional das biomoléculas, depende de 
interações não covalentes que se rompem com a alteração neste parâmetro. 
Os problemas citados acima são superados pelo uso de catalisadores especiais que são 
produzidos pelas próprias células de acordo com as necessidades do organismo e que 
apresentam sua atividade modulável. Estes catalisadores biológicos são as enzimas, tipos 
especiais de proteínas que aceleram em várias vezes a velocidade de uma reação gerando os 
produtos necessários à célula em tempo certo. Resumidamente, as enzimas são catalisadores 
biológicos, que em transformações químicas apresentam enorme poder catalítico, e alta 
especificidade, sendo suas ações reguladas. 
Apesar de pertencerem ao grupo das proteínas, as enzimas serão abordadas neste 
momento, por se tratar de moléculas fundamentais no estudo do metabolismo que se segue. 
 
- Reações químicas 
 
Uma reação química é um processo no qual uma molécula é convertida a outra, pela 
remoção ou adição de átomos e/ou no qual o arranjo dos átomos em uma ou mais moléculas é 
alterado, por uma mudança nas ligações químicas. 
As substâncias iniciais em uma reação são denominadas reagentes, e numa reação 
catalisada por enzimas, estes são chamados substratos. As substâncias resultantes da 
transformação são os produtos. 
As equações químicas são o meio para se descrever uma reação. Nos seres vivos e em 
especial no corpo humano, verifica-se a ocorrência de reações irreversíveis e reversíveis. 
 
 
 
 As reações irreversíveis são aquelas que se processam em um único sentido, enquanto 
as reversíveis ocorrem simultaneamente nos dois sentidos. Quando as velocidades em ambos 
sentidos se igualam dizemos que o sistema atingiu o equilíbrio químico. 
Um parâmetro importante para suprir as necessidades dos organismos vivos é a 
velocidade da reação. Esta pode ser entendida como a quantidade de produto formado por 
unidade de tempo. Como dito anteriormente as células não podem depender do encontro ao 
acaso dos substratos para a formação dos produtos, visto que estes devem surgir no momento 
certo. Para que sejam supridas as necessidades de produtos específicos em tempo certo existem 
nas células moléculas agindo como catalisadores. 
Catalisadores são substâncias capazes de acelerar uma reação, aumentando sua velocidade. As 
enzimas exercem nos organismos vivos este papel. Em uma reação reversível, os catalisadores 
influenciam igualmente a reação direta e a inversa. 
 Embora cada célula realize milhares de reações químicas, cada uma delas catalisadas 
por enzimas específicas, todas elas pertencem a uma de cinco categorias específicas: 
1. Transferência de grupos funcionais – um grupo funcional é transferido de uma molécula 
para outra 
2. Oxidações e reduções – reações que envolvem transferência de elétrons. Uma molécula 
pode ser oxidada pela adição de oxigênio ou pela perda de hidrogênios. 
3. Rearranjo - Reações que rearranjam a estrutura de ligações ao redor de um ou mais 
átomos de carbono 
4. Clivagem - reações que formam ou quebram ligações carbono-carbono 
5. Condensação - reações nas quais duas moléculas condensam-se ocorrendo à exclusão 
de uma molécula de água. 
 
 
- Características das enzimas 
 As enzimas pertencem ao grupo das proteínas e como tal, apresentam todas as 
características estudadas anteriormente para este grupo de biomoléculas. Estas moléculas 
apresentam uma estrutura tridimensional que é dependente da estrutura primária (seqüência de 
aminoácidos em uma cadeia polipeptídica), e que se altera no momento em que sua função é 
A + B C + D
realizada, são formadas por cadeias polipeptídicas, que por sua vez dependem das ligações 
peptídicas entre os aminoácidos. 
 Uma característica diferencial das enzimas é o fato de possuírem em sua estrutura 
tridimensional uma região específica, geralmente em forma de um bolsão, chamada sítio ativo 
ou sítio catalítico; que possui resíduos de aminoácidos que participam do processo de catálise 
(aminoácidos catalíticos), auxiliando na feitura ou na ruptura de ligações, o que pode ocorrer 
de várias maneiras, liberando em seguida o produto da reação (figura 8.1). 
 O sítio ativo da enzima é o local onde o substrato ou os substratos (reagentes) se ligam 
por complementariedade de forma (modelo chave – fechadura), através de ligações não 
covalentes ou por ambos fatores. 
As enzimas são altamente específicas tanto para as reações catalisadas quanto para o 
reconhecimento dos substratos. Uma enzima catalisa uma só reação química ou um conjunto 
de reações intimamente relacionadas, isto é, reconhece sempre o(s) mesmo(s) tipo(s) de 
substrato(s) e geram sempre o(s) mesmo(s) produto(s). 
Como é um catalisador a enzima não é gasta durante a reação química sendo, portanto 
reutilizada na catálise da mesma reação várias vezes, antes de ser degradada pelos processos 
normais de degradação de proteínas existentes nas células, visto que cada uma destas possui 
uma vida média. 
Quando se trata de uma reação reversível a enzima acelera a reação direta e sua reversão 
multiplicando as velocidades precisamente pelo mesmo fator, facilitando assim o alcance do 
estado de equilíbrio. 
Algumas enzimas apresentam uma região diferente do sítio ativo, onde determinadas 
moléculas se ligam e agem como reguladores da atividade enzimática, este sítio na molécula é 
chamado de sítio alostérico e as moléculas que ligam-se a ele podem ser ativadores alostéricos, 
facilitando a ação da enzima ou inibidores alostéricos, dificultando a ação da enzima. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 8.1 - O sítio ativo é uma pequena região de complementariedade com o substrato, dentro da estrutura global 
da enzima (Internet – trabalhar) 
 
- Nomenclatura 
 
As enzimas apresentam três tipos de nomenclatura, a recomendada, a usual e a 
sistemática. A nomenclatura recomendada é mais curta e é utilizada no dia a dia de quem 
trabalha com enzimas. Utiliza o sufixo "ase" para caracterizar a enzima, como por exemplo: 
Urease, Hexoquinase, Peptidase. A nomenclatura usual utiliza nomes que são consagrados pelo 
uso, como tripsina, pepsina e ptialina. 
O nome sistemático é mais complexo, nos dá informações precisas sobre a função 
metabólica da enzima e o sufixo “ase” é unido a uma descrição da reação catalisada. Ex: ATP-
Glicose-Fosfo-Transferase. Neste tipo de nomeclatura as enzimas são divididas em seis classes 
principais descritas abaixo: 
- Oxidorredutases – desidrogenases e oxidases – Catalisam reações de oxi-redução 
(transferência de elétrons) 
- Transferases – quinases e transaminases – Catalisam reações de transferência de 
grupamentos. 
- Hidrolases – peptidases – catalisam reações de hidrólise de ligações covalentes. 
- Liases – dehidratases e descarboxilases – Catalisam a quebra de ligações entre 
carbonos e a retirada de água, CO2 e amônia. 
- Isomerases – epimerases – catalisam reações de conversão entre isômeros. 
- Ligases – sintetases – catalisam a formação de uma molécula a partir de duas já 
existente, sempre às custas da hidrólise ATP. 
- Mecanismo catalítico das enzimas 
Chama-se mecanismo catalítico, o meio pelo qual a enzima consegue realizar sua 
função, isto é, como a enzima auxilia no aumento da velocidade da reação. 
De uma forma geral as enzimas facilitam o encontro dos substratos num posicionamento 
correto ou quando se trata de um só substrato o posiciona de talforma que a transformação 
química ocorra rapidamente (posicionamento ótimo). A reação ocorre através da formação 
de um complexo enzima – substrato e posterior formação e liberação do produto (figura 
8.2). 
 
 
 
E + S ES P + E
 
 
Figura 8.2 – O substrato é posicionado no sitio ativo da enzima formando o complexo enzima- substrato e a seguir 
o produto é liberado. 
 
Em termos químicos, a enzima trabalha diminuindo a barreira de ativação, que 
conceitualmente pode ser vista como a energia que deve ser fornecida para iniciar uma reação 
que então prosseguirá com a liberação de energia, energia necessária para se alcançar o estado 
de transição (um estado intermediário entre reagentes e produtos – estado de mais alta energia) 
ou como, a quantidade de energia necessária para o arranjo correto dos átomos para produzir 
os produtos (figura 8.3). 
 
 
 
 
Figura 8.3 - Diminuição da barreira de ativação em uma reação catalisada. ∆G 
= diferença de energia entre produtos e reagentes. 
 
 A enzima ao levar ao posicionamento ótimo dos substratos em seu sítio ativo, por meio 
da interação entre os aminoácidos catalíticos e os grupos químicos presentes nos substratos 
leva a altas velocidades de reação. Na verdade a enzima trabalha de modo a encontrar um 
caminho alternativo, onde menor quantidade de energia é necessária para que a reação ocorra. 
Além da catálise enzimática por meio da orientação e do posicionamento, existe 
também, a catálise ácido-base que envolve transferência de prótons (íons de hidrogênio) no 
interior do sítio ativo; a catálise covalente, que envolve a ligação covalente temporária entre 
enzima-substrato; catálise por íons metálicos, que requer a presença de íons metálicos para 
atividade catalítica; e a catálise por ligação preferencial ao estado de transição o que gera 
rapidamente o produto. 
 
- Enzimas e co-fatores 
 
Muitas enzimas para realizarem sua função necessitam de grupos químicos específicos 
associados à molécula. Estes grupos químicos são conhecidos como co-fatores, que podem se 
encontrar sempre ligados à enzima fazendo parte da estrutura da mesma ou se reunirem a 
mesma somente no momento da catálise. Alguns co-fatores são íons metálicos (cofatores 
inorgânicos) e outros são denominados coenzimas, um composto orgânico formado geralmente 
a partir das vitaminas oriundas da dieta e que se encontram alojados no sítio ativo da enzima 
juntamente com o substrato, agindo como um transportador de grupos recebendo-os quando 
são retirados de um substrato em uma reação e fornecendo-os em outras reações (figura 8.4) 
. 
 
 
Figura 8.4 – Os cofatores orgânicos (Coenzima A, vitaminas) ou inorgânicos (íons: Zn
+2
, Mg+
2
, Ni+
2
, 
Mn+
2
, K+, Ca+
2
) são componentes essenciais no mecanismo catalítico de algumas enzimas. 
 
- Fatores que afetam a atividade de uma enzima 
 
A capacidade que uma enzima tem de realizar sua função de catalisador biológico 
depende de alguns fatores do meio no qual a enzima se encontra, podendo ser ressaltado como 
principais a temperatura e pH (figura 8.5). Para entender como estes fatores influenciam na 
atividade enzimática, torna-se importante relembrar a estreita interação existente para as 
biomoléculas, referente à estrutura e a função. Qualquer fator que influencie na estrutura 
tridimensional de uma biomolécula provavelmente influenciará em sua capacidade de realizar 
a sua função. 
Cada tipo de enzima possui um valor de pH e de temperatura ótimos para agir, algumas 
se tornam ativas em meio ácido, outras só conseguem atuar como catalisadores em meio neutro. 
As enzimas que agem intracelularmente e as que atuam no plasma, têm sua atividade ótima em 
pH neutro isto é, próximo de sete, já as enzimas que agem no estômago possuem pH ótimo, em 
torno de dois. Qualquer alteração no valor de pH do meio altera também o grau de ionização 
dos grupos funcionais dos aminoácidos (não envolvidos na formação de ligações peptídicas), 
o que modifica a capacidade dos mesmos se ligarem através das interações não covalentes, 
conseqüentemente ocorre alteração na estrutura tridimensional que será refletida na capacidade 
da enzima de realizar sua função. 
A variação da temperatura tanto acima, quanto abaixo da temperatura ótima para 
atuação da enzima, também pode levar a prejuízos na sua atividade, isto por quê um aumento 
acentuado da temperatura pode romper as ligações fracas (não-covalentes) responsáveis pela 
estrutura tridimensional da enzima, podendo levar à desnaturação e à perda da capacidade de 
realizar sua função, em baixas temperaturas a formação do complexo enzima-substrato também 
está prejudicada devido menor movimentação das moléculas envolvidas. 
 
Figura 8.5 – Fatores que afetam a velocidade de uma reação 
catalisada por enzimas. Todas as enzimas apresentam pH e temperatura ótima para exercer sua atividade. 
 
 A concentração da enzima também afeta a reação enzimática. O aumento da 
concentração da enzima pode levar a um aumento da velocidade da reação. A velocidade de 
reação é diretamente proporcional a [E], considerando que o substrato está sempre em maior 
quantidade. O substrato também influencia a reação, quanto mais substrato estiver no meio, 
maior será a velocidade da reação, até um certo limite onde é alcançada a velocidade 
máxima. (Figura 8.6). 
 
 
Figura 8.6 - Influência das concentrações da enzima e do substrato na reação enzimática. Km representa a 
concentração de substrato onde se atinge metade da velocidade máxima e é denominada 
constante de Michaelis – Menten. 
 
Regulação da atividade enzimática 
As enzimas apresentam concentração e atividade moduláveis. Pelo fato de serem 
proteínas, podem ter sua concentração alterada de acordo com a necessidade celular através do 
aumento ou da diminuição no grau de sua síntese ou de sua degradação, fator este que se mostra 
como uma vantagem em relação aos catalisadores inorgânicos. 
As células não possuem uma grande quantidade de enzimas do mesmo tipo e mesmo as 
existentes se encontram em alguns momentos na forma ativa e em outros na forma inativa. Os 
mecanismos envolvidos na ativação e na inativação de determinadas enzimas permitem a 
regulação precisa da formação de certos compostos nas células somente nos momentos em que 
isto se faz necessário. 
Os principais meios de regular a atividade enzimática são a regulação alostérica, 
modificação covalente e formação de zimogênios. 
A regulação alostérica consiste na ligação de moléculas reguladoras a sítios alostéricos 
(sítios diferentes do sítio ativo). Os reguladores alostéricos podem ativar (reguladores 
positivos) ou inibir (reguladores negativos) determinadas enzimas. A enzima que catalisa a 
primeira etapa em uma via de biossíntese é geralmente inibida pelo produto final, este tipo de 
controle enzimático é chamado de retroinibição. 
A modificação covalente, como por exemplo, a fixação de um radical fosforila é outro 
meio de regulação enzimática que é revertido pela hidrólise da ligação ester-fosfato. 
Algumas enzimas são sintetizadas na forma de um precursor inativo, que é ativado na 
hora e local fisiologicamente apropriado; os precursores sem atividade biológica são chamados 
zimogênios. 
 
- Cinética da catálise enzimática 
 
 A cinética enzimática é a parte da enzimologia que estuda a velocidade das reações 
enzimáticas bem como os fatores que a influenciam. Em geral estes estudos são desenvolvidos 
“in vitro”e levam a informações sobre o funcionamento das enzimas no interior das células. 
Pode-se ter uma idéia de como as enzimas funcionam através da velocidade da reação, 
esta é medida pela quantidade de produto formado por unidade de tempo, sendo descrita em 
micromoles de produto formado por minuto. 
O pH e a temperatura são fatores que alteram a velocidade de uma reação catalisada 
enzimaticamente e que se devem à natureza protéica das enzimas sendo já discutidos 
anteriormente.A velocidade de uma reação também é influenciada pela concentração de enzimas e de 
substrato. A velocidade aumenta com o aumento da concentração de substrato até atingir uma 
velocidade máxima (Vmáx), que é a velocidade na qual ocorre a saturação de todos os sítios 
de ligação disponíveis nas enzimas (figura 8.7). A concentração de substrato onde se atinge 
metade da velocidade máxima é denominada constante de Michaelis - Menten (Km), e reflete 
a afinidade da enzima para um substrato específico. 
A equação de Michaelis-Menten descreve como a velocidade de reação varia com a 
concentração de substrato 
 
 
 
 
 
v0= velocidade inicial 
Vmax= é a velocidade quando toda enzima está ligada ao substrato 
 [S]= concentração do substrato para uma certa velocidade 
Km= é a constante de Michaelis - Menten 
 
Significado de Km: 
Km: é específico para cada enzima 
Mede a [S] na qual metade da enzima está complexada 
Mede a velocidade de formação e quebra do ES: alto Km indica fraca ligação 
 
 
Figura 8.7 – Variação da velocidade de uma reação catalisada enzimáticamente em função do aumento da 
concentração de substrato. O Km indica a concentração de substrato onde é alcançada metade da velocidade 
máxima. Este parâmetro indica a afinidade da enzima pelo substrato. 
-Inibidores enzimáticos 
Existem compostos que agem como inibidores da atividade enzimática impedindo ou 
atrapalhando as enzimas de realizarem sua função. Estas moléculas inibidoras podem ser 
constituintes normais da célula, assumindo então um papel regulador importante ou podem ser 
substâncias estranhas ao organismo, levando a alterações significativas no metabolismo 
celular. 
Os inibidores enzimáticos podem ser irreversíveis (reagem covalentemente com as 
enzimas) ou reversíveis (se ligam às enzimas por meio de interações não covalentes), sendo os 
últimos classificados como competitivos (competem pelo sítio ativo com o substrato) e não 
competitivos (se ligam a um local da enzima diferente do sítio ativo - sítio alostérico) (figura 
8.8). 
 
 
 
Figura 8.8 - Inibição enzimática reversível: A) Competitiva. O inibidor se liga reversivelmente ao mesmo sítio de 
ligação do substrato, impedindo a ligação do substrato. B) Não-competitiva. O inibidor e o substrato ligam-se à 
enzima em sítios diferentes. Este tipo de inibição depende apenas da concentração do inibidor. 
Os inibidores competitivos podem ter seu efeito diminuído pelo aumento da concentração 
de substrato, enquanto o mesmo não ocorre quando há presença de um inibidor não 
competitivo. Na presença de um inibidor competitivo a velocidade máxima será alcançada em 
maiores concentrações de substrato, portanto este tipo de inibidor altera o Km da reação (Figura 
8.9).O efeito é revertido aumentando-se a concentração de substrato. Este tipo de inibição 
depende das concentrações de substrato e de inibidor. Vmax não é alterado e o Km é alterado. 
 
Figura 8.9: Efeito do inibidor competitivo sobre a 
velocidade máxima. 
 
 
 
 
 
 
Na presença de um inibidor não competitivo a velocidade máxima não será alcançada 
mesmo que se aumente a concentração de substrato, portanto, a presença do inibidor não 
competitivo altera a velocidade máxima da reação (Figura 8.10). O inibidor e substrato ligam-
se à enzima em sítios diferentes. Este tipo de inibição depende apenas da concentração do 
inibidor. Vmax é alterado. 
 
 
Figura 8.10: Efeito do inibidor não 
competitivo sobre a velocidade máxima. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Exercícios de fixação – Enzimas 
1. Conceitue enzimas e descreva seu mecanismo de ação. 
2. Conceitue: - sitio ativo, sítio alostérico e substrato 
3. Descreva a nomeclatura utilizada para identificação das enzimas 
4. Explique o que é o número de renovação de uma enzima (rotatividade) 
5. Conceitue retroinibição 
6. Descreva o que é e como pode ser calculada a velocidade de uma reação. 
7. Explique os mecanismos de regulação enzimática. 
8. Dê o significado de Km e Vmáx. 
9. Conceitue, cite exemplos e mostre graficamente, inibidores competitivos e não 
competitivos.