Cinética Enzimatica Atualizado

1. CINÉTICA DE REAÇÕES CATALISADAS POR ENZIMAS

O estudo da cinética de reação enzimática é fundamental à construção da cinética de fermentação (crescimento de microrganismos), visto que o metabolismo microbiano consiste em uma série de reações enzimáticas acopladas, que ocorrem de forma cadenciada. As células de microrganismos são sensíveis a modificações de temperatura, pH, etc, devido, especialmente, as propriedades das enzimas, que são dependentes destes parâmetros. Assim, o conhecimento da cinética enzimática auxilia no entendimento de muitos fenômenos biológicos, uma vez que permite compreender o modo como as enzimas funcionam nas células.

1. INTRODUÇÃO

As enzimas são proteínas sintetizadas pelas células com propriedades catalíticas devido ao seu alto poder específico de atuação. Atuam de forma a diminuir a energia de ativação dos reagentes, acelerando a chegada ao ponto de equilíbrio, sem afetar a constante de equilíbrio e sem serem consumidas. São especializadas em catalisar reações biológicas, para as quais o seu modo de atuação é muito importante, pois o equilíbrio deve ser atingido rapidamente e em temperaturas relativamente baixas.

As enzimas podem ser obtidas a partir de células animais, vegetais e de microrganismos. A atividade catalítica de uma enzima secretada por determinadas células ou isolada das mesmas pode ser mantida sob condições adequadas, o que permite sua utilização como biocatalisador, fora das células. Em processos biotecnológicos as enzimas são utilizadas para catalisar a produção de compostos de interesse, sendo que ao final do processo podem ser recuperadas.

A alta especificidade das enzimas pelos seus substratos é conseqüência da presença dos “sítios ativos”, constituídos por resíduos de aminoácidos, que são os locais onde ocorre a ligação da enzima com o substrato para a formação do complexo Enzima-Substrato (ES), instável. Podem existir mais de um centro ativo na mesma molécula de enzima e a formação de ES ocorre através de múltiplas interações como pontes de hidrogênio, forças de Wan-der-waals e interações hidrofóbicas.

As enzimas freqüentemente necessitam de cofatores, compostos não protéicos que combinam com a enzima em estado inativo (apoenzimas) para formar um complexo cataliticamente ativo (haloenzima). Como exemplo para este fenômeno podemos citar a necessidade Zn2+ para a ativação da enzima álcool desidrogenase e Fe2+ para a catalase, quando se trata de íons metálicos, e da necessidade de moléculas orgânicas complexas denominadas coenzimas (NAD, FAD, coenzima A, etc.).

[pic 1]

Figura 3.1: Necessidade de cofatores para as reações enzimáticas.

As reações enzimáticas diferem das reações químicas (catalisadas por um catalisador inorgânico) em vários aspectos:

• As velocidades de reação são mais elevadas: uma reação catalisada por uma enzima pode ser 106 a 1012 vezes mais rápida que uma reação não catalisada, e várias ordens de grandeza mais rápida que uma reação catalisada por um catalisador inorgânico.
• Condições de reação mais suaves: as reações catalisadas por enzimas ocorrem em condições relativamente suaves - temperaturas abaixo dos 100oC, pressão atmosférica, e pH próximos da neutralidade. Pelo contrário, a catálise química freqüentemente requer temperaturas e pressões elevadas, bem como valores de pH extremos.
• Elevada especificidade: as enzimas têm uma especificidade de reação muito maior quanto aos substratos (reagentes) e produtos que os catalisadores químicos. Ou seja, as reações enzimáticas raramente apresentam produtos secundários
• Enzimas são biodegradáveis e atóxicas.
• Capacidade de regulação: As atividades catalíticas de muitas enzimas variam em resposta às concentrações de substâncias diferentes dos seus substratos. Os mecanismos destes processos de regulação incluem o controle alostérico, a modificação covalente das enzimas e a variação nas quantidades de enzima sintetizada.

Atividade enzimática

A quantidade de enzima presente ou usada em um processo é difícil de ser determinada em termos absolutos (por ex. em gramas), pois a pureza é freqüentemente baixa e pode existir uma certa proporção da enzima em estado inativo. Além disso, a atividade da enzima é o parâmetro mais relevante.

Esta atividade é usualmente medida em termos de unidades de atividade (U ou UI) que é definida como a quantidade que catalisa a transformação de 1 micromol de substrato por minuto em condições padrões ________ [pic 2]

A atividade de uma enzima é claramente de grande interesse quando a enzima é utilizada em um processo. Por esta razão, as enzimas são comercializadas em termos da atividade ao invés do peso. A atividade específica (p. e. U/Kg) é também de grande interesse.

1. EQUAÇÃO DE MICHAELIS-MENTEN

        

 Em 1913, Leonor Michaelis e Maud Menten, baseados no conceito da formação do complexo ES (enzima-substrato) como intermediário do processo de catálise enzimática, introduzido em 1882, propuseram uma equação para a velocidade, explicando o comportamento cinético das enzimas. Para chegarem a esta equação estes pesquisadores observaram que:

• A velocidade de uma reação enzimática depende da concentração desta enzima, conforme mostram as figuras abaixo.[pic 3]

[pic 4]

[pic 5]

[pic 6]

Figura 3.2: Relação entre concentração enzimática e velocidade de reação.

• A concentração de substrato é um dos fatores mais importantes que determina a velocidade das reações enzimáticas, de modo que, fixando-se a concentração de enzima e variando a concentração de substrato, observa-se o seguinte comportamento:

[pic 7]

Figura 3.3: Relação entre concentração de Substrato e velocidade de reação.

A primeira parte da curva representa uma condição em que o aumento na concentração de substrato implica em um aumento da velocidade da reação, sempre que ocorram no meio as condições padrão de trabalho para a enzima. O platô, que ocorre na segunda parte da curva, significa que a concentração de substrato não é mais o fator limitante, já que seu aumento não acarreta aumento na velocidade de reação. Inicialmente têm-se uma reação de primeira ordem e depois, uma reação de ordem zero, independente da concentração de substrato. Este comportamento pode ser explicado em termos da formação do complexo ES.

...