UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DEPARTAMENTO DE QUÍMICA DQMC BIOQUÍMICA BIO0001 Enzimas Prof Karine P. Naidek Outubro/2016
Enzimas Enzimas são proteínas com atividade catalítica envolvidas em quase todas as reações químicas que mantém a homeostase animal. A natureza proteica torna as enzimas sensíveis à variação de ph e de temperatura. Cada enzima apresenta sua atividade máxima, em ph, temperatura e tempo específicos.
Propriedades Gerais Devido ao seu papel na manutenção da vida, o estudo da regulação farmacológica das enzimas tem se tornado um elemento chave no diagnóstico clínico e na terapêutica. As ribozimas constituem uma classe de catalisadores biológicos que, diferentemente das demais enzimas, não são moléculas proteicas. As ribozimas são moléculas de ácido ribonucleico (RNA) que catalisam reações de quebra das ligações fosfodiester de outras moléculas de RNA. As enzimas estão presentes em todos os tecidos e fluidos do corpo. Enquanto as enzimas intracelulares participam do conjunto de reações das diversas vias metabólicas, as enzimas presentes na membrana plasmática regulam as reações no interior das células em resposta aos sinais extracelulares. No sistema circulatório estão presentes as enzimas responsáveis pela regulação do processo de coagulação sanguínea.
Propriedades Gerais As enzimas, como todo catalisador, aceleram reações. Cada unidade da anidrase carbônica, por exemplo, é capaz de hidratar 105 moléculas de CO 2 por segundo. Isso representa uma velocidade de hidratação 107 vezes mais rápida do que a reação não catalisada. A supremacia das enzimas sobre os demais catalisadores está, sobretudo, na sua especificidade tanto para as reações que catalisam quanto para os reagentes substratos envolvidos nas reações. O grau de especificidade não é o mesmo para todas as enzimas, por isso é que embora a grande maioria das enzimas estejam envolvidas com uma única reação química, existem enzimas que participam de um conjunto de reações intimamente relacionadas.
Anidrase Carbônica
Aplicações Enzimas digestivas tais como a amilase, protease e lipase, reduzem os alimentos em componentes menores que são mais facilmente absorvidos no trato digestivo. As enzimas contribuem enormemente para inúmeras indústrias. Enzimas de processamento alimentar tais como a glucoamilase podem reduzir o alimento em glicose. Uma aplicação industrial é a produção de antibióticos em larga escala. Encontram-se também determinados tipos de enzimas em produtos de limpeza, para ajudar a digerir gorduras e proteínas presentes em nódoas. Também são usadas em investigação laboratorial e na medição de concentrações de substâncias com interesse clínico (Patologia Clínica, análises clínicas).
Histórico Era já sabido, entre o final do século XVII e início do século XVIII, que secreções estomacais eram capazes de digerir a carne; era também conhecida a conversão de amido a açúcares pela saliva e extratos vegetais. O mecanismo subjacente a estas transformações não era, no entanto, conhecido. As enzimas foram descobertas no século XIX, aparentemente por Pasteur, que concluiu que a fermentação do açúcar em álcool pela levedura é catalisada por fermentos. Ele postulou que esses fermentos (as enzimas) eram inseparáveis da estrutura das células vivas do levedo. Pasteur declarou que "a fermentação alcoólica é um ato correlacionado com a vida e organização das células do fermento, e não com a sua morte ou putrefação".
Histórico Em 1878, Wilhelm Kühne empregou pela primeira vez o termo "enzima" para descrever este fermento, usando a palavra grega ενζυμον, que significa "levedar". O termo passou a ser mais tarde usado apenas para as proteínas com capacidade catalítica, enquanto que o termo "fermento" se refere à atividade exercida por organismos vivos. Em 1897, Eduard Buchner descobriu que os extratos de levedo podiam fermentar o açúcar até álcool e provou que as enzimas envolvidas na fermentação continuavam funcionando mesmo quando removidas das células vivas. Esta descoberta valeu-lhe o prémio Nobel de Química em 1907.
Histórico Restava determinar qual a natureza das enzimas. Alguns afirmavam que as proteínas, associadas à atividade enzimática, apenas eram o suporte da verdadeira enzima, e, por si próprias, incapazes de catálise. Em 1926, James B. Sumner purificou e cristalizou a urease, mostrando tratar-se de uma proteína pura, e fez o mesmo, em 1937, para a catalase. A prova final foi feita por Northrop e Stanley em 1930, com o estudo de três enzimas digestivas, a pepsina, a tripsina e a quimotripsina, pelo que receberam o Prémio Nobel da Química em 1946. J.B.S. Haldane escreveu um tratado intitulado "Enzimas", onde continha a notável sugestão de que as interações por ligações fracas, entre a enzima e seu substrato, poderiam ser usadas para distorcer a molécula do substrato e catalisar a reação.
Histórico A cristalização de enzimas purificadas permitiu que as suas estruturas moleculares pudessem ser examinadas por cristalografia de raios X, o que aconteceu primeiro com a lisozima, uma enzima que ocorre na saliva, lágrimas e na clara de ovo e destrói a parede celular de bactérias, em 1965. Começaram assim a bioquímica e biologia estruturais, que se esforçam por compreender o funcionamento dos enzimas a nível atómico.
Estruturas e mecanismos As enzimas são proteínas, e podem ter um tamanho desde 62 resíduos de aminoácidos, como é o caso do monómero da enzima 4- oxalocrotonato tautomerase, até um tamanho de 2.500 resíduos, como é o caso da sintase de ácidos graxos. A atividade das enzimas são determinadas pela sua estrutura quaternária.
Estruturas e mecanismos A maioria das enzimas são maiores do que o substrato sobre o qual atuam, e só uma pequena porção da enzima (cerca de 3-4 aminoácidos) está envolvida na catálise. A região que contém estes resíduos catalíticos, que se liga-se ao substrato e que desempenha a reação, é denominada de sítio ativo. As enzimas também podem ter sítios onde se ligam cofatores, que são necessários às reações catalíticas. Algumas enzimas também podem ter sítios de ligações para pequenas moléculas, que são produtos ou substratos, diretos ou indiretos, da reação catalisada. Estas ligações servem para aumentar ou diminuir a atividade da enzima, providenciando um meio de regulação por feedback.
Nomenclatura A determinação do nome das enzimas é normatizada por um comitê especializado, o Nomenclature Committee of the International Union of Biochemistry and Molecular Biology (NC-IUBMB).
Nomenclatura
Especificidade As enzimas possuem normalmente uma alta especificidade em relação às reações que catalisam e aos substratos que estão envolvidos nessas reações. A forma complementar, carga e características hidrofílicas/hidrofóbicas, são responsáveis por esta especificidade. As enzimas exibem também elevados níveis de estereoespecificidade, regioseletividade e quimioseletividade Algumas das enzimas que apresentam maior especificidade e precisão, estão envolvidas na cópia e expressão do genoma. Estas enzimas possuem mecanismos de proof-reading (revisão). Um destes casos é a DNA polimerase, que catalisa uma reação num primeiro passo, para de seguida confirmar, num segundo passo, se o produto é o correto. Este processo em duas etapas resulta em médias de taxa de erro muito diminutas, na ordem de uma para cem milhões de reações, no caso de polimerases de mamíferos.
Especificidade Modelo chave-fechadura ( Não é mais utilizado ) As enzimas exibem uma elevada especificidade, e foi sugerido por Emil Fischer, em 1894, que esse fato era devido a que tanto as enzimas como os substratos apresentam formas geométricas complementares, fazendo com que encaixem de maneira precisa umas nos outros. Este processo é muitas vezes referido como modelo chave-fechadura. No entanto, apesar deste modelo explicar a especificidade das enzimas, falha em explicar a estabilização dos estados de transição que as enzimas exibem.
Especificidade Modelo do encaixe induzido Em 1958, Daniel Koshland sugeriu uma modificação ao modelo de chavefechadura: uma vez que as enzimas exibem estruturas flexíveis, o sítios ativo altera a sua forma de maneira continuada através de interações com o substrato, enquanto esse mesmo substrato vai interagindo com a enzima. Como resultado, o substrato não se liga simplesmente a um sítio ativo que é rígido. As cadeias laterais dos aminoácidos que formam o sítios ativo sofrem um reorientação de maneira a que as suas posições potenciem a ação catalítica da enzima. Em alguns casos, como nas glicosidases, a molécula de substrato também sofre alterações de conformação à medida que vai se aproximando do sítio ativo. O sítio ativo continua a sofrer modificações até que o substrato esteja completamente ligado e é neste momento em que a conformação final e a carga são determinadas.
Especificidade
Mecanismos As enzimas atuam de diversas formas, todas elas baixando o valor de ΔG : Baixando a energia de ativação, através da criação de um ambiente no qual o estado de transição é estabilizado (por exemplo, distorcendo a forma da molécula do substrato - a enzima distorce o substrato, gastando energia neste passo, de modo a baixar a energia do estado de transição da reação catalisada, resultando numa diminuição global da energia requerida para completar a reação). Providenciando uma via alternativa (por exemplo, reagindo com o substrato formando um complexo enzima-substrato, de existência impossível sem a presença da enzima). Reduzindo a variação da entropia da reação ao orientar os substratos de forma correta para facilitar a reação. Na ausência de enzima, as moléculas colidem em todas as direções possíveis de forma aleatória, um processo menos eficiente que na presença da enzima. Ao considerar-se ΔH isoladamente, este aspecto é negligenciado.
Envolvimento em doenças Uma vez que controlo da atividade enzimática é essencial para a homeostase, qualquer alteração em genes que codifiquem enzimas (mutações) poderá ter como efeito o aparecimento de doenças genéticas. A importância das enzimas é demonstrada pelo facto de que uma doença letal pode ser causada pelo mau funcionamento de um único tipo de enzima entre as milhares que estão presentes no corpo humano.
Envolvimento em doenças Um exemplo disso é que o acontece com o tipo mais comum de fenilcetonúria. Uma mutação num único aminoácido da enzima fenilalanina hidroxilase, que catalisa o primeiro passo na degradação da fenilalanina, resulta na acumulação da fenilalanina e dos produtos associados. Isto pode causar atraso mental se a doença não for tratada.