CEDERJ - Bioquímica: Enzimas II

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MÓDULO 4 - AULA 21 Enzimas I: o sítio ativo das enzimas

Enzimas I O sítio ativo das enzimas

Objetivos

Na aula passada, você aprendeu que as enzimas são catalisadores biológicos. Elas são capazes de aumentar a velocidade de uma reação em muitas ordens de grandeza em condições compatíveis com a vida. Nesta aula, você vai entender que o funcionamento das enzimas deve-se à presença de uma região específica na enzima capaz de se ligar ao substrato, o sítio ativo. Você vai conhecer também como as interações moleculares estão envolvidas na interação da enzima com seu substrato e como estas interações podem ser alteradas.

Pré-requisitos

Para acompanhar bem esta aula, você deve se lembrar de como as proteínas se organizam no espaço, adquirindo sua estrutura tridimensional. Você deve saber também quais forças garantem a estabilidade desta estrutura e como ela pode ser modificada por diferentes fatores externos.

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Enzimas I: o sítio ativo das enzimas BIOQUÍMICA IQUÍMICA I

O sítio ativo

O bom funcionamento das enzimas, ou seja, sua capacidade de diminuir enormemente a energia de ativação de uma reação, depende da sua interação com a molécula de substrato. Esta interação ocorre graças à presença, na estrutura das enzimas, de uma porção bastante particular: o sítio ativo.

Mas o que é o sítio ativo? O sítio ativo é uma pequena porção da enzima formada a partir do enovelamento na sua estrutura terciária. Ele apresenta resíduos de aminoácidos, cujas cadeias laterais são capazes de interagir com o reagente, que passaremos a chamar a partir desse momento de substrato (Figura 21.1). Desta forma, as reações enzimáticas dependem da formação de um complexo entre a enzima e seu substrato. A existência deste complexo foi proposta pela primeira vez em 1880, por Adolphe Wurtz.

Por volta de 1930, em seu tratado intitulado "Enzimas", J. B. S. Haldane sugeriu que interações fracas entre a enzima e seu substrato seriam responsáveis pela distorção desta molécula, levando à catálise da reação. Como veremos mais à frente, já no início do século X, Haldane foi capaz de propor corretamente como as enzimas funcionavam.

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Interações entre as enzimas e seus substratos - especificidade

De que forma as enzimas reconhecem seus substratos e catalisam sua transformação em determinado produto?

O substrato se liga ao sítio ativo da enzima com grande especificidade. Em 1894, Emil Fisher observou que as enzimas glicolíticas distinguiam estereoisômeros de açúcares. Esta observação levou este pesquisador a propor a hipótese da chave e fechadura, na qual a especificidade da enzima (fechadura) por seu substrato (chave) era decorrente da complementaridade geométrica de suas formas (Figura 21.1).

Figura 21.1: Desenho esquemático de uma enzima e seu substrato complementar. Aula_21C.p656/25/2004, 8:38 AM17

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Esta idéia pressupõe a existência de interações moleculares específicas entre as superfícies da enzima e seu substrato, o que é uma concepção bastante importante na bioquímica. Entretanto, a hipótese da chave e fechadura não explica exatamente a grande capacidade catalítica das enzimas. Vamos entender isso, observando o esquema mostrado na Figura 21.2. A reação imaginária nela representada é a quebra de um cilindro em duas partes. Para que isso ocorra, o cilindro deve ser inicialmente dobrado. Este é o estado de transição desta reação!

Figura 21.2: Esquema de uma reação imaginária sem catalisador (a), com um catalisador com sítio ativo complementar ao substrato (b) e com catalisador com sítio ativo complementar ao estado de transição (c). Ao lado, vemos os diagramas de energia referentes a cada reação.

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Se imaginamos uma enzima cujo sítio ativo é complementar ao substrato, ou seja, se no nosso exemplo o cilindro se ajusta perfeitamente ao sítio da enzima, o que vai ocorrer é que o cilindro não vai se dobrar, e conseqüentemente, não vai se quebrar. O produto da reação não vai ser formado! Esta enzima estabiliza o substrato, impedindo que a reação ocorra.

A noção que se tem hoje sobre o funcionamento das enzimas foi inicialmente proposta por Haldene, em 1930, e posteriormente elaborada por Linus Pauling, em 1946. O sítio ativo deve ser complementar ao estado de transição e não ao substrato. Assim, quando o substrato se liga à enzima, a interação entre as duas moléculas favorece a formação do estado de transição.

É claro que o sítio ativo deve também ser capaz de interagir com o substrato, ou com parte dele, para que o complexo enzima-substrato se forme. Na verdade, o que ocorre é que inicialmente algumas interações fracas são formadas entre a enzima e o substrato, tornando possível a ligação destas duas moléculas. Uma série de outras interações são formadas, favorecendo a distorção da molécula do substrato, e, enfim, a formação do produto.

As interações moleculares envolvidas na ligação enzima-substrato são da mesma natureza daquelas que mantêm a ESTRUTURA TRIDIMENSIONAL das proteínas, ou seja, pontes de hidrogênio, interações eletrostáticas, interações hidrofóbicas e interações de van der Waals. Este é um dos motivos pelos quais as enzimas são tão grandes. Os grupos funcionais envolvidos nestas interações devem estar precisamente localizados para garantir a eficiência do processo catalítico.

Algumas vezes, a primeira interação da enzima com seu substrato resulta em uma série de mudanças na estrutura tridimensional da enzima. Isso se deve, justamente, às várias interações formadas durante a ligação do substrato ao sítio ativo da enzima, que alteram outras interações responsáveis pela estabilização da conformação da enzima.

As mudanças conformacionais sofridas pela enzima levam à acomodação de grupos funcionais específicos em posições apropriadas, facilitando a interação com o substrato. Além disso, permitem a formação de outras interações fracas necessárias ao estado de transição e, conseqüentemente, favorecem a reação. Este processo é conhecido como ajuste induzido e foi proposto por Daniel Koshland, em 1958. Um bom exemplo da ocorrência do ajuste induzido é o caso da HEXOCINASE, enzima que catalisa a conversão de glicose em glicose-6-fosfato, o primeiro passo da via de utilização de glicose pelas células. Esta enzima foi cristalizada e teve sua estrutura tridimensional determinada na ausência e na presença de seu substrato, a glicose.

Você vai aprender mais sobre a HEXOCINASE e sobre seu papel na utilização de glicose pelas células através da via glicolítica na disciplina Bioquímica I.

Para ESTRUTURA TRIDIMENSIONAL, retorne às aulas de Proteínas, se desejar.

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Fatores que podem interferir nas reações enzimáticas

Como discutimos até agora, a formação do sítio ativo e sua interação com a molécula de substrato dependem das interações que mantêm a estrutura tridimensional da enzima. Assim sendo, tente imaginar alguns fatores que poderiam interferir no funcionamento das enzimas, com base nos seus conhecimentos acerca da estrutura de proteínas adquiridos nas aulas passadas.

Vários fatores podem afetar a atividade das enzimas em conseqüência da sua capacidade de desnaturar proteínas, ou seja, por sua capacidade de produzir distúrbios extensos na estrutura tridimensional da enzima. A desnaturação de enzimas pode se dar por aquecimento, variações de pH, presença de solventes orgânicos, detergentes ou moléculas como uréia ou guanidina. Todas estas condições levam ao rompimento das interações não-covalentes entre os resíduos de aminoácidos, presentes na enzima, responsáveis por sua estrutura e pela geometria dos grupos funcionais presentes no sítio ativo.

Solventes orgânicos, como, por exemplo, o etanol, e detergentes perturbam a estrutura da enzima por favorecerem a exposição das regiões apolares, normalmente mantidas no interior da estrutura da proteína, ao meio externo. Isso altera dramaticamente a estrutura da enzima e de seu sítio ativo, de forma que a atividade catalítica é perdida.

Outros agentes desnaturantes, como a uréia ou a guanidina, são ótimos formadores de pontes de hidrogênio. Como pontes de hidrogênio são importantes para manter a ESTRUTURA NATIVA das proteínas, estas substâncias promovem a sua desnaturação.

ESTRUTURA NATIVA ou estado nativo (N) você já viu na aula 14.

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Efeito do pH

As enzimas apresentam um pH ótimo, no qual sua atividade é máxima. Em pHs maiores ou menores, sua atividade diminui. Isso ocorre porque as cadeias laterais de alguns aminoácidos apresentam grupos protonáveis, ou seja, grupos que podem ser protonados ou desprotonados em função do pH do meio. Estes grupos podem fazer parte do sítio ativo, influenciando diretamente a ligação do substrato, ou podem ser importantes para a estabilização da estrutura da enzima como um todo, indiretamente influenciando no sítio ativo. Além disso, variações de pH também podem causar mudanças de ionização do substrato, afetando sua ligação à enzima.

A faixa de pH na qual a enzima funciona melhor pode fornecer pistas sobre que aminoácidos estão envolvidos na sua atividade. Mudanças de atividade em pHs próximos a 7.0 devem ser decorrentes da titulação de resíduos de His, enquanto mudanças de atividade em pHs mais básicos (em torno de 9.0) refletem a titulação de Arg e Lis e, em pHs mais ácidos (próximo a 3.0), resultam da titulação de Glu ou Asp.

Veja na Figura 21.3, o efeito do pH sobre a atividade de duas enzimas: a pepsina e a glicose-6-fosfatase.

Figura 21.3: Efeito do pH sobre a atividade da pepsina (a) e da glicose-6-fosfatase (b). Aula_21C.p656/25/2004, 8:38 AM21

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