Enzimas

Prof Karine P. Naidek

Outubro/2016

UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS

DEPARTAMENTO DE QUÍMICA – DQMCBIOQUÍMICA – BIO0001

Enzimas

Enzimas são proteínas com atividadecatalítica envolvidas em quase todas asreações químicas que mantém a homeostaseanimal.

A natureza proteica torna as enzimassensíveis à variação de pH e de temperatura.

Cada enzima apresenta sua atividademáxima, em pH, temperatura e tempoespecíficos.

Propriedades Gerais

Devido ao seu papel na manutenção da vida, o estudo da regulaçãofarmacológica das enzimas tem se tornado um elemento chave no diagnósticoclínico e na terapêutica.

As ribozimas constituem uma classe de catalisadores biológicos que,diferentemente das demais enzimas, não são moléculas proteicas. Asribozimas são moléculas de ácido ribonucleico (RNA) que catalisam reações dequebra das ligações fosfodiester de outras moléculas de RNA.

As enzimas estão presentes em todos os tecidos e fluidos do corpo. Enquantoas enzimas intracelulares participam do conjunto de reações das diversas viasmetabólicas, as enzimas presentes na membrana plasmática regulam asreações no interior das células em resposta aos sinais extracelulares. Nosistema circulatório estão presentes as enzimas responsáveis pela regulaçãodo processo de coagulação sanguínea.

Propriedades Gerais

As enzimas, como todo catalisador, aceleram reações.

Cada unidade da anidrase carbônica, por exemplo, é capaz de hidratar105 moléculas de CO2 por segundo. Isso representa uma velocidade dehidratação 107 vezes mais rápida do que a reação não catalisada. Asupremacia das enzimas sobre os demais catalisadores está,sobretudo, na sua especificidade tanto para as reações que catalisamquanto para os reagentes – substratos – envolvidos nas reações. Ograu de especificidade não é o mesmo para todas as enzimas, por issoé que embora a grande maioria das enzimas estejam envolvidas comuma única reação química, existem enzimas que participam de umconjunto de reações intimamente relacionadas.

Anidrase Carbônica

Aplicações

• Enzimas digestivas tais como a amilase, protease e lipase, reduzem osalimentos em componentes menores que são mais facilmente absorvidos notrato digestivo.

• As enzimas contribuem enormemente para inúmeras indústrias. Enzimas deprocessamento alimentar tais como a glucoamilase podem reduzir oalimento em glicose.

• Uma aplicação industrial é a produção de antibióticos em larga escala.Encontram-se também determinados tipos de enzimas em produtos delimpeza, para ajudar a digerir gorduras e proteínas presentes em nódoas.

• Também são usadas em investigação laboratorial e na medição deconcentrações de substâncias com interesse clínico (Patologia Clínica,análises clínicas).

Histórico

Era já sabido, entre o final do século XVII e iníciodo século XVIII, que secreções estomacais eramcapazes de digerir a carne; era também conhecidaa conversão de amido a açúcares pela saliva eextratos vegetais. O mecanismo subjacente a estastransformações não era, no entanto, conhecido.

As enzimas foram descobertas no século XIX,aparentemente por Pasteur, que concluiu que afermentação do açúcar em álcool pela levedura écatalisada por fermentos. Ele postulou que essesfermentos (as enzimas) eram inseparáveis daestrutura das células vivas do levedo. Pasteurdeclarou que "a fermentação alcoólica é um atocorrelacionado com a vida e organização dascélulas do fermento, e não com a sua morte ouputrefação".

Histórico

Em 1878, Wilhelm Kühne empregou pela primeiravez o termo "enzima" para descrever estefermento, usando a palavra grega ενζυμον, quesignifica "levedar". O termo passou a ser mais tardeusado apenas para as proteínas com capacidadecatalítica, enquanto que o termo "fermento" serefere à atividade exercida por organismos vivos.

Em 1897, Eduard Buchner descobriu que osextratos de levedo podiam fermentar o açúcar atéálcool e provou que as enzimas envolvidas nafermentação continuavam funcionando mesmoquando removidas das células vivas. Estadescoberta valeu-lhe o prémio Nobel de Químicaem 1907.

Histórico

Restava determinar qual a natureza das enzimas. Alguns afirmavamque as proteínas, associadas à atividade enzimática, apenas eram osuporte da verdadeira enzima, e, por si próprias, incapazes de catálise.Em 1926, James B. Sumner purificou e cristalizou a urease, mostrandotratar-se de uma proteína pura, e fez o mesmo, em 1937, para acatalase. A prova final foi feita por Northrop e Stanley em 1930, com oestudo de três enzimas digestivas, a pepsina, a tripsina e aquimotripsina, pelo que receberam o Prémio Nobel da Química em1946.

J.B.S. Haldane escreveu um tratado intitulado "Enzimas", ondecontinha a notável sugestão de que as interações por ligações fracas,entre a enzima e seu substrato, poderiam ser usadas para distorcer amolécula do substrato e catalisar a reação.

Histórico

A cristalização de enzimas purificadaspermitiu que as suas estruturasmoleculares pudessem ser examinadaspor cristalografia de raios X, o queaconteceu primeiro com a lisozima, umaenzima que ocorre na saliva, lágrimas ena clara de ovo e destrói a parede celularde bactérias, em 1965. Começaram assima bioquímica e biologia estruturais, quese esforçam por compreender ofuncionamento dos enzimas a nívelatómico.

Estruturas e mecanismos

As enzimas são proteínas, e podemter um tamanho desde 62 resíduosde aminoácidos, como é o caso domonómero da enzima 4-oxalocrotonato tautomerase, atéum tamanho de 2.500 resíduos,como é o caso da sintase de ácidosgraxos.

A atividade das enzimas sãodeterminadas pela sua estruturaquaternária.

Estruturas e mecanismos

A maioria das enzimas são maiores do que o substrato sobre o qualatuam, e só uma pequena porção da enzima (cerca de 3-4aminoácidos) está envolvida na catálise.

A região que contém estes resíduos catalíticos, que se liga-se aosubstrato e que desempenha a reação, é denominada de sítio ativo.As enzimas também podem ter sítios onde se ligam cofatores, quesão necessários às reações catalíticas.

Algumas enzimas também podem ter sítios de ligações parapequenas moléculas, que são produtos ou substratos, diretos ouindiretos, da reação catalisada. Estas ligações servem paraaumentar ou diminuir a atividade da enzima, providenciando ummeio 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 emrelação às reações que catalisam e aos substratos que estão envolvidosnessas reações. A forma complementar, carga e característicashidrofílicas/hidrofóbicas, são responsáveis por esta especificidade. Asenzimas exibem também elevados níveis de estereoespecificidade,regioseletividade e quimioseletividade

Algumas das enzimas que apresentam maior especificidade eprecisão, estão envolvidas na cópia e expressão do genoma. Estasenzimas possuem mecanismos de proof-reading (revisão). Um destescasos é a DNA polimerase, que catalisa uma reação num primeiropasso, para de seguida confirmar, num segundo passo, se o produto éo correto. Este processo em duas etapas resulta em médias de taxa deerro muito diminutas, na ordem de uma para cem milhões de reações,no caso de polimerases de mamíferos.

Especificidade

Modelo chave-fechadura ( Não émais utilizado )

As enzimas exibem uma elevada especificidade,e foi sugerido por Emil Fischer, em 1894, queesse fato era devido a que tanto as enzimascomo os substratos apresentam formasgeométricas complementares, fazendo comque encaixem de maneira precisa umas nosoutros. Este processo é muitas vezes referidocomo modelo chave-fechadura. No entanto,apesar deste modelo explicar a especificidadedas enzimas, falha em explicar a estabilizaçãodos estados de transição que as enzimasexibem.

Especificidade

Modelo do encaixe induzido

Em 1958, Daniel Koshland sugeriu uma modificação ao modelo de chave-fechadura: uma vez que as enzimas exibem estruturas flexíveis, o sítios ativoaltera a sua forma de maneira continuada através de interações com osubstrato, enquanto esse mesmo substrato vai interagindo com a enzima.Como resultado, o substrato não se liga simplesmente a um sítio ativo que érígido. As cadeias laterais dos aminoácidos que formam o sítios ativo sofremum reorientação de maneira a que as suas posições potenciem a açãocatalítica da enzima. Em alguns casos, como nas glicosidases, a molécula desubstrato também sofre alterações de conformação à medida que vai seaproximando do sítio ativo. O sítio ativo continua a sofrer modificações atéque o substrato esteja completamente ligado e é neste momento em que aconformação 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 oestado de transição é estabilizado (por exemplo, distorcendo a forma damolécula do substrato - a enzima distorce o substrato, gastando energianeste passo, de modo a baixar a energia do estado de transição da reaçãocatalisada, resultando numa diminuição global da energia requerida paracompletar a reação).

• Providenciando uma via alternativa (por exemplo, reagindo com o substratoformando um complexo enzima-substrato, de existência impossível sem apresença da enzima).

• Reduzindo a variação da entropia da reação ao orientar os substratos deforma correta para facilitar a reação. Na ausência de enzima, as moléculascolidem em todas as direções possíveis de forma aleatória, um processomenos 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 oacontece com o tipo mais comumde fenilcetonúria. Uma mutaçãonum único aminoácido da enzimafenilalanina hidroxilase, quecatalisa o primeiro passo nadegradação da fenilalanina,resulta na acumulação dafenilalanina e dos produtosassociados. Isto pode causaratraso mental se a doença nãofor tratada.