CEDERJ - Bioquímica: Enzimas I

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MÓDULO 4 - AULA 20 Enzimas I

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Enzimas I Introdução às enzimas

Objetivos

Nas últimas aulas, você aprendeu o que são proteínas e quais são as funções desempenhadas por estas importantes biomoléculas. Agora, vamos explorar mais a fundo uma destas funções: vamos conhecer as enzimas e entender como elas funcionam. Começaremos com um breve histórico da enzimologia. Em seguida, vamos aprender como as enzimas são classificadas, para finalmente entendermos como elas são capazes de diminuir a energia de ativação de uma reação química.

Pré-requisitos

Para acompanhar bem esta aula, você deve ter em mente os conteúdos abordados nas aulas sobre as proteínas. Você deve também recordar o conceito de equilíbrio das reações químicas.

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Uma visão histórica da enzimologia

A história das enzimas começa junto com a própria história da bioquímica, a partir das primeiras investigações acerca da fermentação e da digestão. Vamos começar apontando alguns momentos importantes dessa história.

Podemos considerar que as primeiras observações relacionadas à atividade de enzimas datam do final do século XVIII, quando vários estudos demonstraram que secreções estomacais catalisavam a digestão da carne, o que sugeriu a existência dos catalisadores biológicos.

No início do século XIX, outras atividades biológicas começaram a ser demonstradas. Em 1810, Joseph Gay-Lussac determinou que a decomposição do açúcar pelas leveduras resultava em etanol e CO2. Alguns anos depois, Jacob Berzelius mostrou que o extrato de malte conhecido como diastase catalisava a hidrólise do amido de forma muito mais eficiente do que o ácido sulfúrico.

Até este momento, não se tinha idéia de quais componentes biológicos estavam envolvidos com estas atividades. A dificuldade de se reproduzir, em laboratório, diversas reações bioquímicas levou Pasteur a propor, na metade do século XIX, que a fermentação ocorreria somente em células vivas, que possuiriam uma “força vital” responsável pelas transformações observadas. Esta visão, chamada vitalismo, prevaleceu por vários anos.

Entretanto, com o passar do tempo, surgiu uma nova corrente de pensamento, e nela pregava-se que os processos biológicos ocorriam pela ação de substâncias químicas presentes nas células conhecidas como fermentos.

Em 1878, Frederich Wilhelm Kuhne nomeou como enzimas (do grego en - dentro + zyme - levedura) estes fermentos, enfatizando que não eram as leveduras que catalisavam as reações da fermentação, mas sim algo presente dentro delas. Esta teoria foi definitivamente comprovada quando Eduard Buchner, em 1897, mostrou que extratos de leveduras que não continham células inteiras catalisavam a produção de etanol a partir de glicose.

Mas qual seria a natureza química dessas enzimas? Esta pergunta começou a ser respondida em 1926, quando James Sumner iso- lou e cristalizou a urease, enzima que catalisa a hidrólise da uréia em NH3 e CO2. Ele descobriu que os cristais de urease eram constituídos inteiramente de proteína, e pos- tulou que todas as enzimas eram proteínas. Entretanto, a proposta de Sumner só se tornou amplamente aceita durante a década de 30, quando John Northrop e Moses Kunitz cristalizaram a pepsina, a tripsina e outras enzimas digestivas, mostrando que todas elas também eram proteínas, e mais ainda, que havia uma relação direta entre sua atividade enzimática e a quantidade de proteína presente no cristal.

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Durante a segunda metade do século X, com o desenvolvimento de técnicas modernas de separação e análise, milhares de enzimas foram purificadas e caracterizadas, tendo suas estruturas elucidadas e seus mecanismos de ação determinados. Com exceção de uma pequena classe de RNAs com atividade catalítica, as enzimas, em sua grande maioria, são de fato proteínas. Como marcos históricos desses avanços podemos citar a primeira determinação da seqüência completa de aminoácidos de uma enzima, a ribonuclease pancreática bovina, em 1963, e a determinação por difração de raios X da estrutura da lisozima da clara de ovo, em 1965.

Classificação das enzimas

Praticamente todas as reações que ocorrem nos organismos vivos são catalisadas por enzimas. O estudo das reações do metabolismo, desde o início do século X, resultou na descoberta de um número enorme de enzimas, que foram nomeadas de acordo com sua função. Entretanto, com o aumento do número de enzimas e o uso de uma terminologia não sistemática para nomeá-las, algumas enzimas passaram a ter mais de um nome, enquanto outras enzimas diferentes eram conhecidas pelo mesmo nome. Com isso, a sua nomenclatura foi sistematizada a partir de 1961. Esta classificação será importante, principalmente, durante a disciplina de Bioquímica I, quando estudaremos as reações do metabolismo, e ela está baseada em uma divisão em seis classes, relacionada às reações que elas catalisam:

1. óxido-redutases: catalisam reações de óxido-redução, ou seja a transferência de elétrons; 2. transferases: catalisam a transferência de grupos entre moléculas; 3. hidrolases: catalisam reações de hidrólise; 4. liases: catalisam a remoção não hidrolítica de grupos, formando ligações duplas; 5. isomerases: catalisam reações de isomerização; 6. ligases: catalisam a formação de uma ligação química por condensação e concomitante quebra de um nucleosídeo trifosfatado.

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Como as enzimas funcionam?

As enzimas diferem dos catalisadores químicos em vários aspectos importantes: - as velocidades das reações catalisadas pelas enzimas são geralmente de 106 a 1012 vezes maiores do que as das reações não catalisadas, e pelo menos várias ordens de grandeza maiores do que aquelas catalisadas por catalisadores químicos; - as condições nas quais as reações catalisadas por enzimas ocorrem são mais compatíveis com a vida - temperaturas abaixo de 100oC, pressão atmosférica e pH neutro, enquanto a catálise química geralmente requer temperaturas e pressões elevadas, além de pHs extremos; - as reações enzimáticas apresentam alta especificidade e dificilmente resultam na formação de outros produtos; - as reações enzimáticas podem ser reguladas por substâncias diferentes de seus substratos. Os mecanismos regulatórios incluem controle alostérico, modificação covalente ou variações nas quantidades de enzima sintetizada, como veremos nas aulas de Bioquímica I.

As enzimas possibilitam diversas reações biológicas criando um ambiente específico e energeticamente favorável à determinada reação, por exemplo, estabilizando um intermediário instável ou promovendo a aproximação de duas ou mais moléculas na orientação precisa requerida para que a reação ocorra.

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Estado de transição e energia de ativação

Em uma reação química, um arranjo estável de átomos (ou seja, a molécula do substrato) é convertido em um outro arranjo estável de átomos (ou seja, a molécula do produto da reação). Para que esta mudança aconteça, é necessário que os átomos que formam o substrato sofram uma reorganização, passando por um arranjo instável, conhecido como estado de transição (Figura 20.1). Para entender como as enzimas funcionam, é importante distinguir entre o equilíbrio da reação e a velocidade da reação. Os catalisadores funcionam aumentando a velocidade das reações, não alterando seu equilíbrio. Inicialmente falaremos a respeito do equilíbrio de reações químicas.

O diagrama apresentado na figura 20.1 mostra as variações de energia em uma determinada reação (conversão de S para P). O equilíbrio entre S e P reflete a diferença entre as energias livres de cada estado. No exemplo mostrado na figura 20.1, a energia livre de P é menor do que a de S, de forma que a variação de energia livre (∆G*) da reação é negativa, e o equilíbrio favorece a formação de P. Entretanto, embora o equilíbrio da reação favoreça a formação de P, isso não quer dizer que a conversão de S em P irá ocorrer em um tempo mensurável. A velocidade com que a reação irá ocorrer depende de um parâmetro completamente diferente. Existe uma barreira energética entre S e P, relacionada à formação do estado de transição, que pode envolver alinhamento de grupos reativos, formação de cargas instáveis, rearranjo de ligações etc. A diferença de energia entre o arranjo atômico do substrato e o do estado de transição é chamada energia de ativação. É este parâmetro que determinará a velocidade de uma reação: quanto maior a energia de ativação, mais lenta será a reação. Uma reação pode ser acelerada, por exemplo, aumentando-se a temperatura, o que aumenta o número de moléculas com energia suficiente para ultrapassar esta barreira energética.

Figura 20.1: Diagrama de energia de uma reação química.

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Figura 20.2: Diagrama de energia comparando uma reação catalisada e uma não catalisada.

Uma outra possibilidade é justamente aonde entram as enzimas! Um catalisador funciona diminuindo a energia de ativação, e aumentando, desta forma a velocidade da reação (Figura 20.2).

Mas, de que forma isso ocorre? Para responder esta pergunta precisamos entender um pouco mais sobre as interações entre as enzimas e seus substratos. Este será o tema da nossa próxima aula.

Resumo

Nesta aula você aprendeu que a natureza química da maior parte das enzimas é protéica. Viu também que as enzimas diferem dos catalisadores químicos em vários aspectos, tais como: são mais eficientes no que diz respeito à capacidade de aumentar a velocidade da reação; funcionam em condições de temperatura, pressão e pH compatíveis com a vida; são altamente específicas e também podem ser reguladas. Finalmente, você aprendeu que as enzimas diminuem a energia de ativação de uma reação.

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Exercícios

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