Enzimas: Catalisadores Biológicos

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- São duas as condições fundamentais para haver vida. 
Primeiro, o organismo deve ser capaz de se autorreplicar; 
segundo, ele deve ser capaz de catalisar reações 
químicas com eficiência e seletividade. Sem catálise, as 
reações químicas poderão não ocorrer na escala de 
tempo adequada e então não podem sustentar a vida; 
- Catálise é o aumento da velocidade de uma reação, 
devido à adição de uma substância (catalisador); sendo 
assim, a catálise pode ser simplesmente definida como a 
ação do catalisador. Essa substância, que geralmente está 
presente em pequenas quantidades, pode ser 
recuperada ao final da reação, não sendo consumida no 
processo. Por sua vez, as enzimas consistem nos 
catalisadores biológicos, as quais participam das reações 
bioquímicas; 
Em algumas doenças, especialmente nas doenças 
genéticas hereditárias, pode haver uma deficiência ou 
mesmo ausência total de uma ou mais enzimas. Outras 
doenças podem ser causadas pela atividade excessiva de 
determinada enzima. A determinação de enzimas no 
plasma sanguíneo, nas hemácias ou em amostras de 
tecidos é importante no diagnóstico de certas 
enfermidades. Além disso, muitos medicamentos agem 
por interação com enzimas; 
- Durante muito tempo, admitiu-se que todos os 
catalisadores biológicos fossem proteínas. No início da 
década de 1980, entretanto, verificou-se que moléculas 
de RNA catalisavam reações químicas celulares 
(ribozimas) e comportam-se de forma semelhante às 
proteínas enzimáticas; 
- A maioria das enzimas necessita da associação com um 
componente químico adicional denominado cofator, que 
pode ser um ou mais íons inorgânicos ou uma molécula 
orgânica ou metalorgânica complexa, denominada 
coenzima. As coenzimas agem como aceptores de 
átomos ou grupos funcionais do substrato em uma dada 
reação e como doadores destes mesmos grupos ao 
participarem de outra reação e, por isto, diz-se que as 
coenzimas são carreadoras transitórias de grupos 
funcionais específicos; 
As coenzimas são um tipo de cofator; 
Apoenzima + cofator = holoenzima; 
 
 
 
- Às vezes, a mesma enzima tem dois ou mais nomes, ou 
duas enzimas têm o mesmo nome. Devido a essa 
ambiguidade e também ao número cada vez maior de 
enzimas que são descobertas, foi adotado um sistema de 
nomenclatura e classificação de enzimas. Esse sistema 
divide as enzimas em seis classes, cada uma com 
subclasses, com base nos tipos de reações que catalisam; 
- O nome aceito ou o recomendado é conveniente para o 
uso cotidiano e geralmente foi o primeiro nome adotado. 
O nome sistemático é usado para minimizar a ambiguidade. 
Ele é formado pelo nome do(s) substrato(s) da enzima, 
seguido por uma palavra terminando em -ase, que 
especifica o tipo de reação que a enzima catalisa, de 
acordo com o grupo de classificação principal. Por 
exemplo, a glicose-fosfotransferase catalisa a 
transferência de um grupo fosforribosil do ATP para a 
glicose; 
- As oxidorredutases catalisam transferências de 
elétrons (íons hidrido ou átomos de H). Ex.: a lactato-
desidrogenase converte piruvato em lactato ou vice-
versa; 
- As transferases catalisam reações de transferência 
de grupos. Ex.: a nucleotideo monofosfato cinase adiciona 
um grupo de fósforo ao ANP, gerando ADP; 
- As hidrolases catalisam reações de hidrólise 
(transferência de grupos funcionais para a água). Ex.: a 
quimiotripsina insere água na ligação peptídica, 
quebrando-a para degradar as proteínas do bolo 
alimentar; 
- As liases catalisam clivagens 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. Ex.: 
a fumarase retira H de carbonos vizinhos, formando uma 
ligação dupla (no clico de Krebs); 
- As isomerases catalisam transferências de grupos 
dentro de uma mesma molécula, produzindo formas 
isoméricas. Ex.: a triose fosfato isomerase está presenta 
na via glicolítica e transforma gliceraldeído-3-fosfato em 
dihidroxiacetonafosfato (são isômeros); 
- As ligases catalisam a formação de ligações C-C, C-S, 
C-O e C-N por reações de condensação acopladas à 
hidrólise de ATP ou cofatores similares. Ex.: a aminoacil-
tRNA sintetase liga o aminoácido ao RNA transportador 
correspondente; 
- As enzimas têm um alto grau de especificidade para os 
seus respectivos substratos, aceleram as reações 
químicas e atuam em soluções aquosas sob condições 
suaves de temperatura e pH; 
- A propriedade característica das reações catalisadas 
por enzimas é que a reação ocorre confinada em um 
bolsão da enzima denominado sítio ativo (ou sítio 
catalítico). A molécula que liga no sítio ativo e sobre a qual 
a enzima age é denominada substrato. O contorno da 
superfície do sítio ativo é delimitado por resíduos de 
aminoácidos com grupos nas cadeias laterais que ligam o 
substrato e que catalisam a sua transformação química; 
- As forças não covalentes por meio das quais os 
substratos e outras moléculas ligam-se às enzimas são, 
em caráter, similares às forças que determinam a 
própria conformação das proteínas: ambas envolvem 
interações de van der Waals, eletrostáticas, hidrofóbicas 
e ligações de hidrogênio; 
- De uma maneira geral, um sítio de ligação de um 
substrato consiste em uma reentrância ou fenda na 
superfície da molécula de enzima que é, na sua estrutura, 
complementar ao substrato (complementaridade 
geométrica). Além disso, os aminoácidos que formam o 
sítio ativo estão organizados de tal modo que interagem 
especificamente com o substrato de uma maneira que 
envolve atração (complementaridade eletrônica); 
- As moléculas que diferirem do substrato quanto à 
forma ou à distribuição dos grupos funcionais não se 
ligarão produtivamente à enzima, isto é, elas não 
formarão complexos enzima-substrato que levem à 
formação de produtos; 
- O sítio de ligação ao substrato, de acordo com a 
hipótese chave e fechadura, já existe mesmo na 
ausência de ligação do substrato ou pode, como é sugerido 
pela hipótese do ajuste induzido, formar-se sobre o 
substrato à medida que ele se liga à enzima; 
 
- Toda enzima tem uma constante de velocidade que é 
utilizada para vários processos relacionados à atividade 
enzimática. É dada pela concentração do produto dividido 
pela concentração do reagente, ou pela constante da 
reação "forward" pela constante da reação reversa; 
 
- Uma reação enzimática simples pode ser escrita como: 
E + S ⇌ ES ⇌ EP ⇌ E + P onde E, S e P representam 
enzima, substrato e produto, respectivamente. ES e EP 
são complexos transitórios da enzima com o substrato e 
com o produto; 
- Para entender a catálise, deve-se primeiro avaliar a 
importância de distinguir entre o equilíbrio e a velocidade 
de uma reação. A função do catalisador é aumentar a 
velocidade da reação. A catálise não afeta o equilíbrio da 
reação. Qualquer reação, como S ⇌ P, pode ser descrita 
por um diagrama de coordenadas da reação, que 
representa a variação de energia durante a reação. A 
energia é descrita nos sistemas biológicos, em termos de 
energia livre, G. 
 
- O eixo horizontal (coordenada da reação) reflete as 
mudanças químicas progressivas (p. ex., quebra ou 
formação da ligação) à medida que S é convertido em P. 
O ponto de partida tanto da reação direta quanto da 
reação reversa é denominado estado fundamental. O 
equilíbrio entre S e P reflete a diferença entre as 
energias livres dos seus estados fundamentais. A energia 
livre do estado fundamental de P é menor do que a de S, 
e então ΔG’° para a reação é negativa (reação 
exergônica) e o equilíbrio favorece mais P que S; 
- A posição e a direção do equilíbrio não são afetadas 
pelos catalisadores. O topo da curva de energia é um 
ponto a partir do qual o decaimento para o estado S ou 
para o estado P tem a mesma probabilidade de ocorrer 
(nos dois casos a curva é descendente). Isso é 
denominado estado de transição. O estado de transição 
não é uma forma química com alguma estabilidade 
significativa e não deve ser confundido comos 
intermediários da reação (como ES ou EP); 
 
- A diferença entre os níveis energéticos do estado basal 
e do estado de transição é a energia de ativação, ΔG‡. 
A velocidade da reação reflete essa energia de ativação: 
uma energia de ativação maior corresponde a uma 
reação mais lenta. A velocidade da reação pode aumentar 
pela elevação da temperatura e/ou da pressão, o que 
aumenta o número de moléculas com energia suficiente 
para suplantar a barreira energética. Alternativamente, 
a energia de ativação pode ser diminuída pela adição de 
um catalisador. Os catalisadores aumentam a velocidade 
das reações por diminuírem as energias de ativação; 
O papel da enzima é acelerar a interconversão entre S 
e P. A enzima não é gasta no processo e o ponto de 
equilíbrio não é afetado. Entretanto, a reação atinge o 
equilíbrio muito mais rapidamente quando a enzima 
apropriada estiver presente, pois a velocidade da reação 
é aumentada; 
Qual é a fonte de energia para a grande diminuição nas 
energias de ativação de reações específicas? 
- Primeiramente, baseia-se no rearranjo de ligações 
covalentes durante a reação catalisada pela enzima. 
Muitos tipos de reações químicas ocorrem entre 
substratos e grupos funcionais da enzima. Grupos 
funcionais catalíticos na enzima podem formar ligações 
covalentes transitórias com um substrato e ativá-lo para 
a reação, ou um grupo pode ser transitoriamente 
transferido do substrato para a enzima. Geralmente, 
essas reações ocorrem apenas no sítio ativo da enzima. 
Interações covalentes entre enzimas e substratos 
diminuem a energia de ativação, acelerando a reação, por 
fornecerem condições para que a reação ocorra por 
uma via alternativa de baixa energia; 
- Segundamente, fundamenta-se em interações não 
covalentes entre enzima e substrato. É importante 
lembrar que interações fracas não covalentes ajudam a 
estabilizar a estrutura das proteínas e as interações 
proteína-proteína. Essas mesmas interações são cruciais 
para a formação de complexos entre proteínas e 
moléculas pequenas, incluindo os substratos de enzimas. 
A formação de cada interação fraca no complexo ES é 
acompanhada pela liberação de uma pequena quantidade 
de energia livre que estabiliza a interação. Ela é 
denominada energia de ligação, ΔGB, e é a principal 
fonte de energia livre utilizada pelas enzimas para a 
diminuição da energia de ativação das reações; 
As interações fracas entre enzima e substrato são 
otimizadas no estado de transição; 
- Para poder catalisar reações, as enzimas devem ser 
complementares ao estado de transição da reação (os 
sítios ativos das enzimas não são complementares aos 
substratos em si, mas aos estados de transição pelos 
quais os substratos passam ao serem convertidos em 
produtos). Isso significa que interações ótimas entre 
substratos e enzimas só ocorrem no estado de transição; 
Proposta de uma enzima imaginária (bastonase) que catalisa a 
quebra de um bastão metálico; 
- O substrato ligado deve ter aumento na energia livre 
para atingir o estado de transição. Esse aumento 
necessário para tensionar o bastão em uma curvatura e 
quebrar parcialmente a conformação é 
compensado/"pago" pelas interações (energia de ligação) 
que se formam entre a enzima e o substrato no estado 
de transição. Assim, catalisam a quebra do bastão. Esse 
“pagamento de energia” traduz-se em diminuição efetiva 
na E.A. e aumento na velocidade da reação; 
- As enzimas reais agem segundo um princípio análogo. 
No complexo ES há a formação de interações fracas, 
mas a completa complementaridade entre o substrato e 
a enzima ocorre apenas quando o substrato estiver no 
estado de transição. Esta hipótese do ajuste da enzima 
ao substrato na sua conformação de transição é 
chamada de hipótese do ajuste induzido. A energia livre 
(energia de ligação) liberada durante a formação dessas 
interações compensa parcialmente a energia necessária 
para atingir o topo da curva de energia; 
 
Papel da energia de ligação na catálise; 
- Consiste em se observar a velocidade da reação e sua 
alteração com modificações nos parâmetros dos 
elementos envolvidos; 
- pH do meio: para a maioria das enzimas existe um 
valor de pH no qual a sua atividade é máxima - a velocidade 
da reação diminui à medida que o pH se afasta desse valor 
ótimo. Ele é característico para cada enzima, mas, com 
frequência, está próximo do pH neutro. Este pH ótimo 
decorre do número e tipo de grupos ionizáveis que uma 
enzima apresenta e da sequência em que estão 
organizados, ou seja, depende de sua estrutura primária; 
- Temperatura: a elevação da temperatura aumenta a 
velocidade somente enquanto a enzima conservar sua 
estrutura nativa. Acima de 50 - 55°C, a maioria das 
enzimas são desnaturadas, acarretando a perda do 
poder de catálise. Entre 0°C e 50°C, vive a grande maioria 
dos seres vivos; 
- A concentração do substrato (S) é um dos fatores 
que afeta a velocidade de reações enzimáticas. Porém, 
devido a sua degradação ao longo do tempo, costuma-se 
usar a velocidade inicial (V0) como parâmetro. O aumento 
inicial na concentração de substrato é acompanhado por 
aumento na velocidade da reação. Considerando-se a 
concentração de enzima constante, seu ponto de 
saturação (quando é tido que todas as moléculas de 
enzima estão na forma de complexo ES) aproxima-se 
com o aumento da velocidade de reação e, uma vez 
alcançado, aumentos na concentração de substrato não 
mais influenciam na velocidade de reação, determinando 
a velocidade máxima dessa enzima; 
 
- Em determinado instante de uma reação catalisada por 
enzima, a enzima existe em duas formas, na forma livre 
ou não combinada (E) na forma combinada (ES). Em baixa 
(S), a maior parte da enzima está na forma não 
combinada E. Assim, a velocidade é proporcional à (S) 
porque o equilíbrio da equação é deslocado na direção da 
formação de mais ES à medida que (S) aumenta. A 
velocidade inicial máxima de uma reação catalisada (Vmáx) 
ocorre quando quase toda a enzima estiver presente 
como complexo ES e (E) é desprezível. Nessas condições, 
a enzima está “saturada” com o substrato, e então um 
incremento de (S) não produz efeito na velocidade. Essa 
condição ocorre quando (S) for alta o suficiente para que 
essencialmente toda a enzima livre se converta na forma 
ES. Após o rompimento do complexo ES, fornecendo 
produto (P), a enzima fica livre para catalisar a reação 
de mais uma molécula do substrato (e sob condições 
saturantes segue fazendo isso rapidamente); 
Equação de Michaelis-Menten 
- É derivada da hipótese básica desses pesquisadores de 
que, nas reações enzimáticas, uma 2ª etapa mais lenta 
de quebra do complexo ES é limitante da velocidade de 
formação do produto/velocidade da reação total. Sendo 
assim, a velocidade total deve ser proporcional à 
concentração das espécies (ES) que reagem na 2ª etapa; 
- A equação relaciona (S), V0 e Vmáx através da 
constante de Michaelis-Menten (Km). Essa 
constante expressa a relação entre as concentrações 
reais no estado estacionário (de equilíbrio), quando a taxa 
de formação do ES é semelhante à de liberação de 
produto e enzima livre. Equivale à concentração de 
substrato na qual a enzima atua com Vmáx/2 e é um 
indicador da afinidade entre enzima e substrato; 
 
- As enzimas que seguem a lógica da equação de 
Michaelis-Menten são chamadas de enzimas 
Michaelianas. Elas possuem apenas um sítio-ativo e sua 
cinética depende somente da presença ou não do 
substrato no meio. As enzimas que possuem mais de um 
sítio-ativo são chamadas de enzimas não-Michaelianas ou 
alostéricas. Elas não obedecem a equação de Michaelis-
Menten. Os sítios adicionais são sítios reguladores, 
chamados de alostéricos. A cinética destas enzimas é 
modulada a partir da ligação de uma substância (um 
neurotransmissor, um hormônio, um mensageiro 
intracelular, etc.) ao sítio alostérico, atuando na 
dependência desta ligação, além da própria presença do 
substrato. Por conta disso,sua curva de cinética não 
segue o padrão da curva acima, assemelha-se a um S; 
Recordando o conceito de que o Km é a concentração do 
substrato necessária para que a enzima atinja a metade 
de sua Vmáx de reação, podemos observar num gráfico 
Velocidade x Substrato, que quanto menor o Km, menor 
a quantidade de substrato necessária para atingir esta 
velocidade, o que denota maior afinidade da enzima em 
questão com seu substrato. Ou seja, quanto menor o Km 
de uma enzima, maior é sua afinidade com seu substrato; 
 
 
- A grandeza Vmáx também varia muito entre enzimas 
diferentes. Se uma enzima reage pelo mecanismo de duas 
etapas de Michaelis-Menten, então Vmáx= k2(Et), onde 
k2 é a etapa limitante da velocidade. Entretanto, o 
número de etapas da reação e a identidade das etapas 
limitantes da velocidade podem variar de acordo com a 
enzima. Por exemplo, considere a situação bem comum 
na qual a liberação do produto, EP > E + P, é a etapa 
limitante da velocidade. No início da reação (quando P é 
baixo), a reação total pode ser descrita pelo esquema: 
 
- Nesse caso, na saturação, a maior parte da enzima 
está na forma EP e Vmáx = k3(Et). Isso é útil para definir 
uma constante de velocidade mais geral, Kcat, para 
descrever a etapa limitante de qualquer reação catalisada 
por enzimas na saturação. Se a reação tiver várias 
etapas e uma delas for claramente a etapa limitante da 
velocidade, Kcat equivale à constante de velocidade dessa 
etapa limitante; 
- A constante Kcat também é chamada de número de 
renovação ("turnover"), sendo, quando a enzima estiver 
saturada com o substrato, equivalente ao número de 
moléculas de substrato convertidas em produto por 
unidade de tempo por uma única molécula de enzima. Os 
parâmetros kcat e Km possibilitam que se avalie a 
eficiência cinética das enzimas, porém, duas enzimas que 
catalisam reações diferentes podem ter o mesmo Kcat, 
mas as velocidades das suas reações não catalisadas 
podem ser diferentes entre si e, portanto, o aumento de 
velocidade propiciado por cada enzima deve ser muito 
diferente. A melhor maneira de comparar as eficiências 
catalíticas de enzimas diferentes, ou o número de vezes 
que diferentes substratos são catalisados por uma 
mesma enzima, é comparar a relação kcat/Km para as 
duas reações. Esse parâmetro, algumas vezes 
denominado constante de especificidade, é a constante 
de velocidade para a conversão de E + S em E + P; 
 
Número máximo de reações por segundo (Kcat) de algumas 
enzimas. A anidrase carbônica atinge a “perfeição catalítica” 
(velocidade altíssima); 
Reações bissubstrato 
- Foi visto como (S) afeta a velocidade uma reação 
enzimática simples (S > P) com apenas uma molécula de 
substrato. Na maioria das reações enzimáticas, 
entretanto, duas ou mais moléculas de substratos 
diferentes ligam-se à enzima e participam da reação. Por 
exemplo, na reação catalisada pela hexocinase, os 
substratos são moléculas de ATP e glicose e os produtos 
são ADP e glicose-6-fosfato e a hexocinase tem um Km 
característico para cada um dos seus substratos; 
- As velocidades dessas reações de bissubstrato também 
podem ser analisadas pela abordagem de Michaelis-
Menten. As reações enzimáticas com dois substratos 
geralmente envolvem a transferência de um átomo de 
um grupo funcional de um substrato para o outro. Essas 
reações ocorrem por vários mecanismos diferentes. Em 
alguns casos, ambos os substratos se ligam à enzima 
simultaneamente em algum ponto do curso da reação, 
formando um complexo não covalente ternário. Os 
substratos ligam-se segundo uma sequência aleatória ou 
em uma sequência com ordem específica. Em outros 
casos, o primeiro substrato é convertido em um produto 
que se dissocia antes que o segundo substrato se ligue, 
de modo que não há formação de um complexo ternário. 
Um exemplo desse último caso é o mecanismo de pingue-
pongue ou deslocamento duplo. A cinética de estado 
estacionário geralmente ajuda a distinguir entre essas 
possibilidades; 
 
 
Estado pré-estacionário 
- Logo que a enzima é misturada com um grande excesso 
de substrato, há um período inicial, o estado pré-
estacionário, durante o qual a concentração de ES 
aumenta. Normalmente, esse período é muito curto para 
ser observado com facilidade, demora apenas 
microssegundos. A reação rapidamente atinge o estado 
estacionário no qual ES (e as concentrações de qualquer 
outro intermediário) permanece constante ao longo do 
tempo.A determinação de V0 geralmente reflete o 
estado estacionário. Isto é, a velocidade da formação de 
ES é igual à velocidade da quebra de ES. Isso é chamado 
de hipótese do estado estacionário; 
Mudanças na concentração de participantes em reação catalisada 
por enzima: substrato e enzima livre diminuem, produto e complexo 
enzima-substrato aumentam, até chegar ao estado estacionário; 
- A atividade enzimática pode ser diminuída pela ação de 
substâncias, genericamente chamadas de inibidores. 
Algumas delas são constituintes normais das células, 
outras são estranhas aos organismos. Os inibidores 
enzimáticos encontrados nas células que cumprem um 
papel regulador importante são designados alostéricos. 
Como estes inibidores são produzidos pelas próprias 
células, a variação de sua concentração é um recurso 
por elas largamente empregado no controle da velocidade 
das reações. Além disso, muitos remédios ou venenos 
atuam inibindo a ação de enzimas. Podem agir de forma 
reversível (competitivos e não-competitivos ou 
irreversível, dependendo da estabilidade de sua ligação 
com a molécula de enzima; 
- Inibidores reversíveis competitivos: têm forma 
semelhante ao substrato e ligam-se ao sítio ativo da 
enzima. Quando presentes no meio, irão competir com o 
substrato pela ligação com o sítio ativo enzimático para 
produzir um complexo enzimainibidor (EIC) que jamais gera 
produto, diminuindo assim a concentração do complexo ES 
no composto e a atividade enzimática proporcional à 
fração de enzima ligada ao inibidor. Atua diminuindo a 
afinidade da enzima com o seu substrato. Pode-se 
minimizar o efeito desses inibidores através da adição de 
substrato: a velocidade máxima da reação será idêntica à 
velocidade máxima da reação na ausência do inibidor, mas 
só será obtida com concentrações de substrato maiores 
do que as da reação não inibida; 
 
O metotrexato é um medicamento utilizado para o tratamento do 
câncer e que inibe a síntese da timina; 
- Inibidores reversíveis não-competitivos: não 
têm qualquer semelhança estrutural com o substrato da 
reação que inibem. Seu efeito é provocado por ligação a 
grupamentos que não pertencem ao centro ativo, como 
a cadeia lateral de um aminoácido. Essa ligação altera a 
estrutura enzimática a tal ponto que inviabiliza a catálise 
e inativa a enzima independentemente de o substrato 
estar presente. Com isso, existe a formação de 
complexos ES, EI e EIS (enzima-inibidor-substrato), 
incapaz de gerar produto. Assim, o aumento de substrato 
não é capaz de aumentar a velocidade, mas não afeta 
sua afinidade aparente com o substrato. A ação desses 
inibidores é bastante inespecífica, podendo o mesmo 
inibidor atuar sobre um grande número de enzimas (ao 
contrário do que ocorre com os inibidores competitivos); 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
- Inibidores irreversíveis: agem combinando-se de 
modo estável com a molécula de enzima ou destruindo 
parte essencial para a sua atuação, levando a uma 
inativação praticamente definitiva. Por diminuir o número 
de moléculas disponíveis para a reação, gera redução da 
Vmáx e manutenção de Km; 
A diferença entre os inibidores reversíveis não 
competitivos e os inibidores irreversíveis é que, no caso 
dos irreversíveis, uma molécula enzimática ligada ao 
inibidor está definitivamente inativada, enquanto nos 
outros, uma molécula de enzima que em um instante está 
ligada ao inibidor (inativa) pode encontrar-se livre (ativa) 
em um momento seguinte;