Enzimas

As enzimas são proteínas especializadas em catalisar reações biológicas, ou seja aumentam a velocidade de uma reação química sem interferir no processo. Elas estão associadas a biomoléculas, devido as suas extraordinária especificidade e poder catalítico.
 

História das Enzimas

O nome enzima provém de "in yeasts", no qual suspeitava-se que as catálises biológicas estavam envolvidas com a fermentação do açúcar em álcool.

A primeira descoberta foi feita por Payen e Persoz em 1833, quando encontraram uma substância termolábil no precipitado do álcool, extrato de malte, que convertia amido em açúcar, mais tarde denominada amilase.

Pasteur em 1860 postulou que as enzimas estão associadas à estrutura e a vida da célula.

A enzima foi primeiramente isolada na forma cristalina, mas isto foi compreendido melhor quando Summer em 1926 isolou urease de feijão e evidenciou que estes cristais consistem em proteínas.

Hoje 2000 diferentes enzimas são conhecidas, nas quais muitas são isoladas na forma pura homogenizada e 200 na forma cristalizada.

NATUREZA E ESTRUTURA DAS ENZIMAS

Todas as enzimas são proteínas, mas nem todas as proteínas são enzimas !

As enzimas – catalisadores - reação química - venha a ocorrer dentro dos limites das temperaturas biológicas.

Como uma proteína a enzima apresenta - aminoácidos.

Algumas proteínas: Ex: ribonucleases, quimiotripsina e tripsina - apenas de aminoácidos.

Aminoácidos + componentes orgânicos e inorgânicos: proteínas conjugadas (Ex: peroxidase e a catalase = conjugada - porfirina férrica como cofator).

As ligações peptídicas que ligam cadeias lineares de aminoácidos caracterizam a estrutura primária das proteínas.

OBS:

Muitas enzimas são compostas de uma cadeia polipeptídica simples. Este é caso de enzimas como a ribonuclease, lisosima, tripsina,pepsina e algumas alfa amilases. Ao contrário, existe um grande número de enzimas que são compostas por mais de uma cadeia peptídica. A enzima lactato-desidrogenase é composta por quatro cadeias polipeptídicas. A repetição das cadeias polipeptídicas na construção de uma macromolécula de proteína caracteriza a estruturação quaternária que esta pode assumir.

NOMENCLATURA E CLASSIFICAÇÃO DAS ENZIMAS:

Sufixo ase ao nome do substrato (chamada de Nome Recomendado), ou seja, a molécula na qual a enzima exerce sua ação catalítica.

Ex: urease catalisa a hidrólise da uréia em amônia e CO2

arginase catalisa a hidrólise da arginina em ornitina e uréia

fosfatase catalisa a hidrólise de ésteres de fosfato.

Proposta uma classificação sistemática: Seis Classes principais.

Classificação das Enzimas Segundo a Comissão de Enzimas

1. Oxido-redutases (reações de oxidação-redução ou transferência de elétrons – Desidrogenases e Oxidases)

2.Transferases (transferem grupos funcionais como amina, fosfato, acil, carboxil – Quinases e Transaminases)

3.Hidrolases (reações de hidrólise de ligação covalente - Peptidases)

4.Liases (catalisam a quebra de ligações covalentes e a remoção de moléculas de água, amônia e gás carbônico – Dehidratases e Descarboxilases)

5.Isomerases (reações de interconversão entre isômeros óticos ou geométricos - Epimerases)

6.Ligases (catalisam reações de formação de novas moléculas a partir da ligação entre duas pré-existentes, sempre às custas de energia - Sintetases) 

CINÉTICA DA CATÁLISE ENZIMÁTICA

No gráfico acima podemos observar o efeito da concentração do substrato na taxa de uma reação catalisada por uma enzima.

Enzima saturada com o substrato.

Todas as enzimas apresentam o efeito da saturação, porém variando consideravelmente no que diz respeito à concentração requerida para produzi-lo. Esse efeito de saturação levou alguns pesquisadores a estabelecerem a hipótese de que enzima e substrato reagem reversívelmente para formar um complexo, passo essencial na catálise de uma reação.

1913- teoria da ação e cinética enzimática - L. Michaelis e M. L. Menten:

Enzima + Substrato  « [EnzimaSsubstrato] -> Enzima + Produto

Equação que nos permite demonstrar como a velocidade de uma reação varia em função da concentração do substrato:

V0 =

 -Velocidade (V0)

-Velocidade máxima (Vmax)

-Concentração inicial de substrato com a constante de Michaelis-Menten (Km). O Km de um substrato é a concentração do substrato na qual a velocidade inicial de reação equivale à metade da velocidade máxima. Para reações que envolvem um substrato é expressa em moles por litro e é independente da concentração da enzima.

O quadro abaixo relaciona algumas enzimas e seus respectivos Km.

Enzima	Substrato	Km  (mM)
Catalase	H2O2	25
Hoxoquinase	Glicose Frutose	0,15 1,5
Quimiotripsina	N-benzoltirosinamida N-formiltirosinamida N-acetiltirosianamida Gliciltirosinamida	2,5 12,0 32 122
Anidrase carbônica	HCO3-	9,0
Glutamato desidrogenase	Glutamato a-cetoglutarato NH4+ NADox NADred	0,12 2,0 57 0,025 0,018
Aspartato amininotransferase	Aspartato a-cetoglutarato Oxalacetato Glutamato	0,9 0,1 0,04 4,0

Pode-se observar pelo quadro apresentado que os valores de Km não são fixos e podem variar com a estrutura do substrato, com o pH e com a temperatura. Para enzimas que atuam em mais de um substrato, cada substrato tem um Km característico.

MECANISMO DA AÇÃO ENZIMÁTICA

Enzima como catalisador

O princípio de catalisador é diminuir a energia de ativação.

Enzima + uma molécula de substrato (região específica: sítio de ligação).

Em 1894 Emil Fischer propôs o modelo chave: 

Tanto a enzima quanto o substrato sofrem conformação para o encaixe. A enzima não aceita simplesmente o substrato, o substrato é distorcido para conformação exata do estado de transição, denominado encaixe por indução, proposto por Koshland (1958).

A enzima também encontra o lado específico da cadeia posicionando no lugar exato da ligação no processo catalítico, muitas vezes o lado da cadeia pode ser básico ou ácido promovendo a adição ou remoção de prótons. Em outras circunstâncias a enzima se agrupa a um íon metálico na posição correta para a ocorrência da catálise.

Ao completar a reação catalítica a enzima libera o produto e retorna a forma original. O processo ocorre em duas etapas:

(1)        S + E > ou <    ES*      (etapa reversível)

(2)        ES        >       E + P     (etapa irreversível)

* complexo enzima-substrato

Inibição Enzimática

Muitos tipos de moléculas inibem as enzimas e podem agir de várias formas. A principal distinção é entre inibição reversível e inibição irreversível

A forma que envolve ligações não-covalentes é reversível, através da remoção do inibidor. Em alguns casos as ligações não-covalentes podem ser irreversíveis sob diferentes condições fisiológicas.

Já a inibição irreversível, a ligação molecular é covalente. São geralmente encontrados em reações que apresentam toxinas específicas.

Inibição Reversível

Existem vários modos que estão envolvidos com ligação não covalente, eles diferenciam quanto ao mecanismo pelo qual diminuem a atividade enzimática e como eles afetam na cinética da reação.

Inibição Reversível Competitiva

Uma molécula apresenta estrutura semelhante ao substrato da enzima que se liga para realizar a catálise, ela poderá aceitar esta molécula no seu local de ligação, mas não pode levar ao processo catalítico, pois ocupando o sítio ativo do substrato correto. Portanto o inibidor compete pelo mesmo local do substrato.

O efeito da reação modifica o Km, mas não altera a velocidade.

Inibidor Reversível não Competitivo

Ocorre quando um molécula ou íon pode se ligar em um segundo local na superfície enzimática (não no sítio ativo). Isto pode distorcer a enzima tornando o processo catalítico ineficiente.

O inibidor não competitivo pode ser uma molécula que não se assemelha com o substrato, mas apresenta uma grande afinidade com a enzima. É o mecanismo inverso do inibidor competitivo, porque inibe a ligação do complexo ES e não da enzima livre.

O efeito da reação modifica a velocidade e o Km permanece constante.

Inibição Irreversível

Algumas substâncias se ligam covalentemente às enzimas deixando-as inativas. Na maioria dos casos a substância reage com o grupo funcional no sítio ativo bloqueando o local do substrato, deixando a enzima catalíticamente inativa.

Inibidores irreversíveis podem ser extremamente seletivos pois são semelhantes ao substrato. São muito utilizados como resíduos, os quais apresentam grupos de átomos que se configuram semelhantemente ao estado de transição que se ligam ao substrato.

Cofatores

Para alguns tipos de processos biológicos, apenas a cadeia protéica não é suficiente, por isso a proteína requer uma molécula denominada cofator a qual pode ser uma pequena molécula orgânica, denominada coenzima ou um íon metálico.

Os cofatores  são geralmente estáveis em temperatura alta. A catálise ativa enzima-cofator é denominada holoenzima, quando o cofator é removido, se mantém a proteína, a qual é catabolicamente inativa e é denominada apoenzima.

Coenzimas

A molécula orgânica que se liga às enzimas para ativar uma reação, é denominada coenzima, cada tipo apresenta uma função química particular, algumas são agentes oxi-redutoras, outras transferidoras etc.

Exemplo:

Coenzima: dinucleotídeo nicotinamida de adenina (NAD+).

Muitas coenzimas são fortemente relacionadas com vitaminas. As vitaminas são moléculas orgânicas essenciais para o processo biológico em organismos superiores e não podem ser  sintetizados por eles mesmos. Portanto estas coenzimas são essenciais aos processos metabólicos vitais dos organismos superiores.