Prof.Dr.Luis Carlos Figueira de Carvalho

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ENZIMOLOGIA

ENZIMOLOGIA

 

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Enzimas são, em sua grande maioria, proteínas especializadas em catalisar reações biológicas. Possuem uma grande importância para os organismos vivos, uma vez que seu poder catalítico é muito maior que o dos catalisadores sintetizados em laboratórios.

Catalisadores são substâncias que aumentam a velocidade de uma reação. Essas substânciasatuam combinando-se a outras substâncias, que sofrerão a catálise, originando um novo produto. No final da reação, há a formação desse produto sem a degradação do catalisador. No caso das enzimas, a substância catalisada chama-se substrato. Para serem substratos de uma mesma enzima, eles devem ter a mesma estrutura e a mesma suscetibilidade à ação catalítica da enzima.

Para entender o funcionamento das enzimas, devem-se conhecer dois conceitos: energia livre de ativação e estado de transição. Energia livre de ativação é a energia inicial necessária para que a reação ocorra. Estado de transição é o ponto da reação que possui a maior energia de ativação. Nesse ponto, a reação está no ponto máximo da barreira energética que separa os reagentese os produtos, fazendo com que a probabilidade de uma ligação química se rompa ou se forme seja muito elevada.

As enzimas atuam combinando-se aos substratos (ligação esta que ocorre no sítio ativo) para produzir um estado de transição que possui menor energia de ativação em relação ao estado de transição da reação não-catalisada. Quando a enzima se liga ao substrato, este último tem a sua forma modificada, fazendo com que seja gasto energia, de modo a diminuir a energia do estado de transição da reação catalisada, consequentemente fazendo com que ocorra uma diminuição na energia necessária para o término da reação.

Existem alguns modelos que tentam explicar a interação entre enzimas e substratos. Os três mais utilizados são:

·Modelo simples, onde enzima e substrato possuiriam cargas opostas, havendo a interação entre a enzima e o substrato de forma parcial. Formar-se-ia um estado de transição, onde a complementariedade entre as duas estruturas seria perfeita. Posteriormente, haveria a alteração completa do substrato, seguida da formação do produto e a regeneração da enzima;

·Modelo do ajuste induzido, que defende a alteração da conformação da enzima (a enzima se ajustaria ao substrato na sua presença) ;

·Modelo chave-fechadura, que prevê um encaixe perfeito do substrato no sítio de ligação.Esse último modelo não é muito útil para explicar a reação enzimática, pois haveria a formação de um estado de transição muito estável que precisaria de uma energia de ativação muito grande para separar enzima e o produto.

Algumas enzimas desempenham suas atividades sozinhas, outras necessitam de um ou mais componentes chamados cofatores, que geralmente são íons metálicos. Se estiver ligada a seu respectivo cofator, a enzima é chamada de holoenzima. Caso contrário é chamada de apoenzima.

Existem, além dos cofatores, as coenzimas, que são moléculas orgânicas que transportam grupos químicos de uma enzima para outra. Um exemplo é o NADH, que transporta um íon hidreto.

O estudo do mecanismo da combinação enzima-substrato chama-se cinética enzimática, e possui vital importância para a compreensão da atividade enzimática. Uma teoria geral foi desenvolvida por L.Michaelis e M.L.Menten, com o intuito de explicar os aspectos da cinética enzimática e inibição. A teoria de Michaelis-Menten considera que a enzima E liga-se ao substrato S, formando o complexo enzima-substrato ES (energia é gerada a partir da formação desse complexo, visto que ele é estável, liberando energia para o sistema), que é catalisado, formando o complexo enzima-produto EP, que por último se rompe formando o produto P e regenerando a enzima.

E + S ES -> EP E+P

Paralelamente a essa teoria, existe a equação de Michaelis-Menten, que é a equação da velocidade das reações catalisadas por enzimas que possuem apenas um substrato. Essa equação relaciona a velocidade inicial (velocidade na qual a concentração de produto em relação ao tempo é constante), a velocidade máxima e a concentração inicial de substrato, através de uma constante chamada Km (constante de Michaelis-Menten).Essa constante equivale à concentração de substrato onde a velocidade inicial da reação é igual à metade da velocidade máxima.

Equação de Michaelis-Menten:

 

A catálise enzimática pode ter sua velocidade alterada por alguns fatores físico-químicos como:

·Temperatura -> quanto maior a temperatura, maior a velocidade da reação, até ser alcançada a temperatura ótima; acima desta temperatura a enzima começa a perder sua função, diminuindo a velocidade da catálise, até o momento em que torna-se inativa.

·pH -> as enzimas possuem um pH ótimo onde a distribuição das cargas é ideal para a catálise; acima deste pH ótimo a atividade enzimática diminui, visto que a enzima começa a perder sua função, até tornar-se inativa.

·Concentração de enzimas -> quanto maior for o número de enzimas catalisando a reação, mais rápido ela ocorrerá, até ser atingida a velocidade máxima.

·Concentração de substratos -> a velocidade da catálise aumenta quanto maior for a concentração de substrato, visto que há a formação de uma maior quantidade de produto por unidade de tempo.

·Concentração salina -> altera a solubilidade das enzimas através da força iônica. Quanto maior a força iônica, mais espécies se ligarão à molécula, aumentando a solubilidade da enzima. Se a solução supersaturar, há a precipitação da enzima, processo este que a inativa. Assim como no pH e na temperatura, há uma concentração salina ótima para o funcionamento das enzimas.

Algumas enzimas possuem propriedades que atribuem especificamente a elas papel regulador no metabolismo, sendo por isso chamadas enzimas reguladoras. Os dois principais tipos de enzimas reguladoras são: enzimas alostéricas, que funcionam através da ligação não-covalente de um metabólito regulador chamado modulador (que pode ser um ativador ou inibidor) a uma parte da enzima diferente do sítio ativo, e enzimas moduladas covalentemente, que são interconvertidas entre as formas ativas e inativas pela ação de outras enzimas.

Existem compostos na natureza que diminuem a atividade de uma enzima. São os chamados inibidores enzimáticos, que podem ter ação reversível ou irreversível. Os inibidores possuem afinidade maior com a enzima em relação ao substrato para que uma pequena dose de inibidor seja utilizada para atingir eficiência satisfatória.

Existem três diferentes tipos de inibidores: reversíveis, irreversíveis e alostéricos. Os inibidores reversíveis são divididos em: competitivos, não-competitivos, acompetitivos e mistos, onde:

·Os inibidores competitivos competem com o substrato pelo sítio ativo da enzima.

·Os inibidores não-competitivos ligam-se à enzima em um lugar diferente do sítio ativo do substrato. A ligação do inibidor nesse caso é independente.

·Os inibidores acompetitivos ligam-se ao complexo enzima-substrato, fazendo com que o inibidor interaja com a enzima e com o substrato, tornando dependente a ligação do inibidor.

·Inibidores mistos comportam-se ambiguamente. Eles possuem características de dois ou três tipos de inibidores citados anteriormente. Podem se ligar a qualquer parte da enzima.

Os inibidores irreversíveis ligam-se no sítio ativo da enzima com uma afinidade muito alta, impedindo a ligação do substrato. Quando o inibidor se separa da enzima, esta já está inativa, uma vez que a separação pode demorar de semanas a meses para correr.

Os inibidores alostéricos não se ligam ao sítio ativo do substrato. Possuem sítios específicos chamados sítios alostéricos. Quando se ligam a esse sítio, modificam a conformação da enzima, inibindo-a e, consequentemente, reduzem a velocidade da reação.

As enzimas são largamente utilizadas em indústrias, para a produção de antibióticos e produtos de limpeza, por exemplo. São utilizadas também em análises clínicas e na área de alimentos.

As enzimas possuem algumas desvantagens, como por exemplo, o seu preço, sua validade, que é menor que a de outros catalisadores, e o cuidado necessário para manuseá-las. São muito utilizadas, porém, pois possuem alta relação custo-benefício, visto que aumentam a velocidade das reações em torno de 106 vezes



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