Enzimas

Conceito, Propriedades e energia de activação

A actividade celular pode ser considerada como um conjunto de reacções químicas que designamos, no seu conjunto, por metabolismo celular. As reacções metabólicas são tantas e muito diversificadas. Esse conjunto de processos bioquímicos (de oxidação e síntese de macromoléculas nas células), só é possível devido a intervenção de catalisadores bioquímicos – as Enzimas são proteínas especializadas que funcionam na aceleração de reacções químicas.

Embora alguns RNA sejam capazes de intervir cataliticamente na sua própria duplicação, todas as enzimas são proteínas, concretamente, proteínas globulares.

As enzimas possuem as propriedades dos catalisadores químicos:

• Baixam a energia de activação necessária a reacção.
• Todas possuem natureza proteica, o que lhes confere especificidade muito elevada.
• A sua actividade pode ser sujeita ao controlo (o que é da maior importância na regulação do metabolismo).

Equação geral de uma reacção enzimática:

E + S ↔ ES → E + P

E – enzima; S – Substrato; ES – complexo enzima-substrato; P – produto.

Na sua qualidade de biocatalisadores as enzimas apenas catalisam reacções que sejam possíveis mesmo na sua ausência, não podendo de algum modo desencadear reacções que não sejam termodinamicamente viáveis.

Natureza e composição química das enzimas

As enzimas são proteínas globulares de grandes dimensões relativamente às moléculas do substrato. Podem ser inteiramente

• Grupos prostéticos: são compostos orgânicos não protéicos que se caracterizam por estarem permanentemente ligados (por ligações covalentes) à apoenzima. Ex.: FAD, NAD, FMN.
• Coenzima: são igualmente compostos orgânicos, mas que não têm uma ligação permanente a apoenzima; a ligação só ocorre durante a catálise enzimática. As coenzimas actuam frequentemente como transportadores de átomos ou electrões. Muitas vitaminas, o NAD⁺ e o NADP⁺ funcionam como coenzimas. A distinção entre grupo prostético e coenzima depende da força de ligação com a apoenzima.

• Iões metálicos: por exemplo o Ca²⁺, Mn²⁺ ou o Cu²⁺ actuam ao nível do centro activo, contribuindo para um melhor ajustamento do substrato a enzima.

Interacção Enzima-substrato:

• A ligação com o substrato dá-se em uma região pequena e bem definida da enzima, chamada centro activo (ou sítio activo);

• Uma molécula, para ser aceita como substrato, deve ter a forma espacial adequada para alojar-se no centro activo e grupos químicos capazes de estabelecer ligações com os radicais do centro activo.

• O centro activo é formado por resíduos de aminoácidos e constitui uma cavidade com forma definida, que permite à enzima “reconhecer” seu substrato;

Classificação das enzimas

1. Oxidorredutases

Catalisam reacções do tipo: AH₂ + B → BH₂ + A

Esta classe inclui todas enzimas que catalisam reacções de oxirredução, isto é, reacções em há transferência de electrões ou de átomos de hidrogénio de uma para outra molécula. O substrato oxidado é considerado dador de hidrogénio ou de electrões.

2. Transferases

As transferases são enzimas que transferem um grupo específico, por exemplo metilo ou glicosilo, de um composto (considerado dador) para outro composto (geralmente considerado aceitador).

Catalisam reacções do tipo: A–B + C → A–C + B (transferência do grupo A do composto B para composto C ou ruptura da ligação A – B por introdução de C).

3. Hidrolases

Catalisam reacções do tipo: AB + H₂O → AOH + BH

Estas enzimas catalisam reacções de hidrólise de diversos tipos de ligações, ou seja, o desdobramento de compostos (transformam polímeros em monómeros) actuando sobre ligações ésteres, glicosídicas, peptídicas e ligações C-N, por reacção com a água. Ex.: lipases, amilases e outras enzimas digestivas.

4. Liases

Liases são as enzimas que quebram as ligações C-C, C-O, C-N, C-S e outras, por mecanismos distintos da hidrólise ou oxidação. Distiguem-se das outras enzimas na medida em que num dos sentidos estão envolvidos dois substratos, e no outro sentido apenas um. Quando actuam sobre o substrato único ocorre a eliminação de uma molécula com formação de um resíduo insaturado.

As liases catalisam reacções do tipo: A-B → A + B

5. Isomerases

As isomerases catalisam modificações geométricas ou estruturais no interior de uma molécula, formando isómeros.

Catalisam reacções do tipo:  ABC ↔ ACB

6. Ligases (sintetases)

São as enzimas que catalisam a união de duas moléculas para formar um novo composto a custa de energia libertada pela hidrólise da ligação pirofosfato do ATP ou do outro trifosfato.

Equação geral duma ligação deste tipo: X + Y + ATP ↔ XY + ADP + Pi

Propriedades Físico-químicas das Enzimas

1)Inibição enzimática

Inibidor é qualquer composto que ao ligar-se à enzima, lhe reduz a actividade e diminui a velocidade da reacção. Os chamados inibidores reversíveis são reguladores (por inibição) da actividade enzimática, que provocam alterações irreversíveis nas enzimas sobre as quais actuam. A inibição enzimática pode ser de dois tipos: competitiva e não competitiva.

2)Especificidade Enzimática

Contrariamente aos catalisadores inorgânicos, que são universais, as enzimas são específicas relativamente ao substrato. O grau de especificidade das enzimas é variável. Há enzimas com especificidade absoluta, pois actuam simplesmente sobre uma substância ex.: a urease (actua sobre a ureia) e a amilase (que actua sobre o amido); e outras com especificidade relativa, visto actuarem sobre um grupo de substâncias ex.: as lipases (actuam sobres diversos lípidos), as proteases.

a) Mecanismos de actuação enzimática (interacção Enzima Substrato)

A compreensão da actividade enzimática pressupõe o conhecimento do mecanismo de ligação entre o substrato e a enzima, ligação essa que é essencial para a ocorrência da catálise. E com a finalidade de compreender a acção enzimática, os cientistas têm-se servido de modelos para explicar o mecanismo que permite a ligação de uma enzima ao respectivo substrato.

• Modelo de Fischer ou da Chave-fechadura

O modelo de Chave-fechadura, pressupõe que a enzima possui uma estrutura rígida e permanentte a qual se ajusta o substrato, do mesmo modo que uma chave se ajusta na respectiva fechadura.

O centro activo da enzima e o substrato terão formas complementares, havendo um encaixe perfeito entre as duas moléculas.

• Modelo de Koshland ou do Encaixe Induzido

Segundo este modelo, o centro activo da enzima não tem inicialmente uma forma complementar do substrato. É o próprio substrato que vai induzir uma alteração conformacional no centro activo, de modo a que este se possa ajustar correctamente a enzima.

b) Cinética enzimática (factores que influenciam a actividade enzimática)

A actividade catalíttica de uma enzima por unidade tempo, ou seja, a quantidade de produtos da reacção formada por unidade de tempo, designa-se normalmente por velocidade de catálise ou velocidade da reacção enzimática.

Factores que Influenciam a Actividade Enzimática

A actividade catalítica das enzimas pode ser influenciada por vários factores como:

temperatura, concentração da enzima e do substrato, efectores e cofactores.

a) Concentração da Enzima

A velocidade da reacção enzimática é directamente proporcional a concentração da enzima, desde que haja sempre substrato disponível. A velocidade inicial da reacção enzimática é proporcinal à concentração de enzima.

b) Variação da Velocidade da Reacção com a Concentração de Substrato

Determinada a velocidade de uma reacção enzimática para uma série crescente de concentrações do substrato [S], mantendo constante a concentração da enzima, verifica-se que a velocidade da reacção enzimática varia em função da [S].

c) Influência da Temperatura na Actividade Enzimática

A velocidade de uma reacção enzimática aumenta com a temperatura até um determinado valor. A temperatura para qual a actividade enzimática é máxima designa-se por temperatura óptima (temperatura crítica). Temperaturas baixas ou muito elevadas dificultam a acção enzimática, podendo as altas temperaturas destruir a enzima por desnaturação da proteína enzimática.

d) Influência de pH nas Reacções Enzimáticas

O pH do meio influencia a velocidade de reacção enzimática de várias formas.

• Os valores extremos de pH modificam irreversivelmente a estrutura da enzima, quer devido à desnaturação da proteína, quer à possibilidade de modificação da ligação entre a apoenzima e cofactor.
• Em grande número de casos o pH modifica o estado de ionização dos substratos.
• Uma variação de pH influencia na reacção enzima-substrato e na catálise, em particular devido a modificação do estado de ionização dos aminoácidos de centro activo.

e) Influência de Efectores na actividade Enzimática

Efectores enzimáticos são compostos químicos que modificam a catálise enzimática actuando como inibidores ou activadores.

Enquanto os activadores orientam os grupos catalíticos presentes no centro activo da enzima, facilitando a formação enzima-substrato e acelerando, assim, a reacção, os inibidores alteram a velocidade da reacção.

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