Enzimas - BIOQUÍMICA LEHNINGER

Prévia do material em texto

Leonan José e Benhur Almeida – T5 
ENZIMAS – RESUMO LEHNINGER 
São 2 os processos necessários à vida: 
autorreplicação e metabolismo. Sem metabolismo, não 
há fonte de energia para os processos vitais. Nós usamos 
a sacarose como fonte de energia, mas, se a reação para 
obtenção de energia não for catalisada, ela não 
acontecerá no tempo que deve acontecer. Esses 
catalisadores são as enzimas. 
 
A MAIORIA DAS ENZIMAS É PROTEÍNA 
Exceto por um pequeno grupo de moléculas de RNA, 
todas as enzimas são proteínas. Sua função está 
diretamente relacionada com sua estrutura (se mudar a 
estrutura, se for desnaturada, dissociada, etc., ela perde 
a atividade catalítica). 
Algumas são autossuficientes – apenas com seus 
aminoácidos, já exercem suas funções. Outras, precisam 
de um cofator, que pode ser de 2 tipos: 
→ Um íon inorgânico 
→ Uma coenzima orgânica 
(Algumas enzimas precisam dos dois para terem efeito) 
 Essa coenzima orgânica age como carreador 
transitório de grupos específicos. Elas vêm das vitaminas. 
 
Coenzima ou íon (ligado à enzima) = grupo prostético. 
Enzima + grupo prostético = holoenzima (enzima ativa) 
Quando inativa = zimógeno 
Parte proteica da enzima = apoenzima ou apoproteína 
 
AS ENZIMAS SÃO CLASSIFICADAS SEGUNDO AS 
REAÇÕES QUE CATALISAM 
Muitas são assim: substrato + ase. Lipase, uréase, DNA-
polimerase. Mas muitas têm nomes iguais e outros 
nomes não relacionados ao substrato, então, 
padronizaram tudo com o número E. C., do inglês 
Enzyme Commission), no qual o primeiro número indica 
o nome da classe e o segundo número, a subclasse da 
enzima, etc. 
 Existem 6 classes de enzimas. Todas as enzimas 
são classificadas dentro dessas 6 classes. 
 
Classe, Nome da classe e Tipo de reação catalisada 
1, OXIDORREDUTASES: Transferência de elétrons 
2, TRANSFERASES: Transferência de grupos 
3, HIDROLASES: Hidrólise (transferência de grupos 
funcionais para a água) 
4, LIASES: Clivagem de C–C, C–O, C–N ou outras ligações 
por eliminação, rompimento de ligações duplas ou anéis, 
ou adição de grupos a ligações duplas. 
5, ISOMERASES Transferência de grupos dentro de uma 
mesma molécula produzindo formas isoméricas 
6, LIGASES: Formação de ligações C–C, C–S, C–O e C–N 
por reações de condensação acopladas à hidrólise de 
ATP ou cofatores similares. 
(Não precisa decorar essa tabela, é bom ter apenas caso 
precise para algo) 
 
COMO AS ENZIMAS FUNCIONAM 
Todas as reações no nosso corpo precisam ser 
catalisadas. Para isso, as reações ocorrem em bolsões 
das enzimas chamado de sítio ativo. A molécula que se 
liga ao sítio ativo e recebe a ação da enzima é chamada 
de substrato. 
 
AS ENZIMAS ALTERAM A VELOCIDADE DA REAÇÃO, 
NÃO O EQUILÍBRIO 
 
 A função do catalisador é aumentar a velocidade 
da reação. A catálise não afeta o equilíbrio da reação. 
Podemos representar qualquer reação em um diagrama 
de coordenadas (figura acima). Esse diagrama 
representa a variação de energia durante a reação. Essa 
energia é chamada de energia livre = G. O ponto de 
partida para análise gráfica se chama estado 
fundamental. 
 
 
CONVENÇÃO-CHAVE: ΔG = variação de energia livre 
padrão (temperatura de 298 K; pressão de 1 atm; pH 7). 
Ou seja, independente de qual enzima e de qual 
substrato, para cada reação, há um ΔG. 
 
 Para que a reação ocorra, as moléculas devem 
vencer essa barreira energética que se apresenta na 
frente delas (a curva do gráfico) e atingir o topo mais 
alto. Ao chegarem no topo, estarão num momento 
crítico, onde a probabilidade de ir para frente (para o 
ponto P) ou para trás (para o ponto S) é a mesma, isso se 
chama estado de transição = momento molecular 
transitório em que eventos (quebra/formação de 
ligação, etc.) tem a mesma probabilidade de ocorrer 
tanto para formar novamente substrato como para 
formar produto. 
 
 A diferença entre o nível basal e o ponto mais 
alto do gráfico é a energia de ativação, ΔG ‡. A 
VELOCIDADE da reação depende dessa energia – quanto 
maior, mais lenta é a reação. Os catalizadores 
aumentam a velocidade da reação porque diminuem a 
energia de ativação. O papel da enzima é de acelerar a 
reação, mas ela não é gasta durante esse processo. Ela 
fica de boas. 
Leonan José e Benhur Almeida – T5 
 As reações podem ter várias etapas antes de 
chegar ao produto final. Tudo aquilo que é formado e 
consumido nessa fase transitória é chamado de 
intermediário da reação. 
 Considerando que a reações podem ter várias 
etapas e que a altura do gráfico delimita a velocidade da 
reação, a velocidade final da reação é determinada pela 
etapa com maior energia de ativação (curva mais alta do 
gráfico). Essa etapa é chamada de etapa limitante da 
velocidade. 
 
POUCOS PRINCÍPIOS SÃO SUFICIENTES PARA EXPLICAR 
O PODER CATALÍTICO E A ESPECIFICIDADE DAS ENZIMAS 
As enzimas são catalizadoras extraordinários, 
conseguem diminuir a energia de ativação de substratos 
específicos como ninguém. Mas por quê? A explicação 
para isso tem duas partes. 
 Primeiramente, sabemos que a enzima pode 
formar ligações covalentes transitórias com o substrato 
e essas ligações diminuem a energia de ativação porque 
são uma via alternativa de baixa energia. 
 Segundamente, sabemos que a enzima também 
pode fazer ligações não covalentes. O que distingue as 
enzimas dos outros catalizadores é a formação do 
complexo ES específico. Quando esse complexo é 
formado, a interação entre substrato e enzima acontece 
por ligações não covalentes, incluindo ligações de 
hidrogênio e interações hidrofóbicas e iônicas. Essas 
interações são fracas e liberam uma quantidade de 
energia livre, que é chamada de energia de ligação, ΔGB 
= principal fonte de energia livre usada pelas enzimas 
para diminuir a energia de ativação. Mas como a enzimas 
usam essa energia da ligação não covalente? 
1. As interações fracas são otimizadas quando a 
reação está passando pelo estado de transição 
(ponto mais alto do gráfico). Isso porque os sítios 
ativos das enzimas são complementares não ao 
próprio substrato, mas ao estado no qual aquele 
substrato se encontra – ou seja, o sítio ativo é 
complementar ao estado de transição pelo qual 
o substrato está passando 
2. Essa energia livre ajuda tanto na especificidade 
quanto na catálise. 
 
Vamos discutir cada um desses princípios agora: 
 
1. AS INTERAÇÕES FRACAS ENTRE ENZIMA E 
SUBSTRATO SÃO OTIMIZADAS NO ESTADO DE 
TRANSIÇÃO 
A primeira ideia que se teve para explicar como as 
enzimas utilizam a energia de ligação para diminuírem a 
energia de ativação foi a de que as enzimas são 
estruturalmente complementares a seu substrato, se 
encaixando no modelo chave-fechadura. Mas isso não 
funciona muito bem. 
 Por exemplo, vamos imaginar um substrato na 
forma de um bastão. Para obter o produto (um bastão 
quebrado), é preciso entorta-lo até quebrar. Imagine 
também duas enzimas para quebrar esse bastão: 1ª) 
uma complementar a ele (que se encaixa perfeitamente 
ao bastão parado) e 2ª) outra complementar ao estado 
de transição (com espaço para o bastão ser entortado). 
O sítio ativo dessas duas “bastonases” são bolsões 
delimitados por imãs. 
 Com a primeira enzima (modelo chave-
fechadura), o bastão não consegue atingir o estado de 
transição, pois não tem espaço para dobrar. Uma enzima 
desse tipo impede a reação, porque deixa o substrato 
estabilizado ao invés de deixa-lo desestabilizado. 
 
Logo, para serem capazes de catalisar uma 
reação, as enzimas devem ser complementares ao 
estado de transição da reação (segunda enzima), ou seja, 
complementares ao bastão se dobrando. Isso significa 
que as interações ótimas entre substratos e enzimas só 
ocorrem no estado de transição. 
Para começar, o bastão se liga à “bastonase”, 
mas apenas uma certa quantidade das interações 
possíveis é feita, ou seja, o bastão está tocando apenas 
parte do sítio ativo. Então, é preciso usar um pouco de 
energia para dobrar o bastão, mas essa energia gasta 
será “paga” pela energia de ligação que se forma entre 
enzima e substrato quando obastão atinge o estado de 
transição, em outras palavras, quando ele se dobra, ele 
desprende uma energia que será usada para compensar 
parcialmente a energia gasta para fazê-lo se curvar. 
Esse pagamento resulta em diminuição na energia de 
ativação (a altura do gráfico diminui) e, logo, aumento 
na velocidade da reação. Aqui, ocorreu catálise. 
 
As interações fracas formadas apenas no estado de 
transição são as que mais contribuem para a catálise. 
 
2. A ENERGIA DE LIGAÇÃO AJUDA TANTO NA 
CATÁLISE QUANDO NA ESPECIFICIDADE 
Existe uma equação que prova que a velocidade da 
reação e a energia de ativação (ΔG‡) são inversamente 
Leonan José e Benhur Almeida – T5 
proporcionais. A partir dela, é possível mostrar também 
que a energia de ativação deve ser diminuída em 5,7 
kJ/mol para acelerar uma reação. A energia que é 
disponibilizada pela formação de uma única ligação fraca 
é de 4 a 30 kJ/mol. Ou seja, temos energia de sobra para 
“pagar” a energia de ativação. Tendo uma grande 
diminuição na energia de ativação, há um grande 
aumento na velocidade da reação. 
 Essa mesma energia de ligação também dá às 
enzimas a sua especificidade = capacidade de distinguir 
entre substratos e moléculas competidoras. O princípio 
da ligação entre enzima e substrato é que as duas façam 
várias interações fracas de modo a diminuir a energia de 
ligação. Uma vez que o sítio ativo de uma enzima tiver 
grupos funcionais organizados ao ponto de fazer ótimas 
interações fracas com um substrato, ela só vai querer se 
ligar àquele substrato, pois nenhuma outra molécula se 
ligara a ela com tamanha intensidade. É, praticamente, a 
especificidade do amor. 
 Por exemplo, se um determinado substrato 
possui uma hidroxila, essa hidroxila vai fazer ligação de 
hidrogênio com um resíduo específico de ácido 
glutâmico de uma enzima. Qualquer molécula que não 
tiver um grupo hidroxila naquela determinada posição 
será um substrato ruim para essa enzima. 
 Se, por acaso, alguma molécula tiver um grupo 
funcional extra para o qual a enzima não tenha um sítio 
de ligação, essa molécula automaticamente será retirada 
da enzima. Ou seja, a especificidade deriva das diversas 
interações fracas entre enzima e a molécula específica 
do substrato. 
 
GRUPOS CATALÍTICOS ESPECÍFICOS CONTRIBUEM 
PARA A CATÁLISE 
Já sabemos que as enzimas são ótimas catalizadoras 
porque diminuem a energia de ativação. Elas fazem isso 
realizando ligações não covalentes (formando o 
complexo ES e utilizando a energia de ligação), mas 
também são capazes de realizar ligações covalentes, 
pelos quais diminuem a energia de ativação utilizando 
vários mecanismos, incluindo I) catálise geral 
acidobásica, II) catálise covalente e III) catálise por íons 
metálicos. 
 
I) CATÁLISE GERAL ACIDOBÁSICA: a transferência 
de prótons é a reação mais comum em bioquímica. 
Geralmente, nas reações, antes que o produto seja 
formado, ocorre a formação de um intermediário. De um 
modo geral, para fazer o trânsito de prótons, as reações 
podem utilizar apenas água ou podem utilizar 
ácidos/bases. 
Se utilizarmos apenas água e ocorrer a troca de 
prótons entre o intermediário e a água mais rápido do 
que a quebra do intermediário, ele se estabilizará e a 
velocidade não será aumentada. 
 Se utilizarmos ácidos ou bases fortes e o 
intermediário quebrar-se mais rápido do que a troca de 
prótons entre intermediário e água, a velocidade da 
reação será aumentada. 
 
II) CATÁLISE COVALENTE: formação de uma ligação 
covalente transitória entre a enzima e o substrato que 
possui uma energia de ativação menor do que a reação 
não catalisada. 
 
III) CATÁLISE POR ÍONS METÁLICOS: podem ajudar 
de diversas formas. Metais ligados a enzimas podem 
ajudar os substratos na reação ou estabilizar estados de 
transição carregados. Essas interações são fracas e são 
parecidas com aquelas envolvendo energia de ligação 
 
A maioria das enzimas combina várias 
estratégias de catálise para proporcionar um aumento 
na velocidade das reações. 
 
CINÉTICA ENZIMÁTICA 
Estuda a velocidade das reações para entender o 
mecanismo das enzimas. 
 
A CONCENTRAÇÃO DO SUBSTRATO INFLUI NA 
VELOCIDADE DAS REAÇÕES CATALISADAS POR ENZIMAS 
Um fator-chave que afeta a velocidade das reações é a 
concentração de substrato, [S]. Mas isso é bem 
complicado de se medir, uma vez que a [S] muda durante 
a reação. Por isso, usa-se a velocidade inicial, V0. 
 
 Em baixas [S], V0 amenta junto com [S]. Em altas 
[S], V0 quase não se altera, pois atinge um platô que está 
próximo à velocidade máxima, Vmáx. 
 A [S] na qual V0 é metade da Vmáx é o Km, a 
constante de Michaelis. 
 
Vmáx = as concentrações do substrato e da enzima são 
iguais (e não a quantidade/número, mas sim a 
concentração).