Estudo Dirigido Para a Segunda Prova de Bioquímica

Estudo dirigido para a segunda prova de Bioquímica I

Enzimas

Exceto por um pequeno grupo de moléculas de RNA catalíticas, todas as enzimas são proteínas. A atividade catalítica depende da integridade das suas conformações nativas. Se uma enzima for desnaturada ou dissociada nas suas subunidades, geralmente a atividade catalítica é perdida. Se uma enzima for degradada até os aminoácidos que a compõem, a atividade catalítica é sempre destruída. Então, as estruturas proteicas primária, secundária, terciária e quaternária das enzimas são essenciais para a atividade catalítica.

Algumas enzimas não necessitam de outros grupos químicos além dos seus próprios resíduos de aminoácidos. Outras necessitam de um componente químico adicional denominado cofator, que pode ser um ou mais íons inorgânicos; ou uma molécula orgânica ou metalorgânica complexa, denominada coenzima. As coenzimas agem como carreadores transitórios de grupos funcionais específicos. Uma coenzima ou um íon metálico que se ligue muito firmemente, ou mesmo covalentemente, a uma enzima é denominado grupo prostético. Uma enzima completa, cataliticamente ativa junto com a sua coenzima e/ou íons metálicos, é denominada holoenzima. A parte proteica de uma dessas enzimas é denominada apoenzima ou apoproteína. Finalmente, algumas enzimas são modificadas covalentemente por fosforilação, glicosilação e outros processos. Muitas dessas modificações estão envolvidas na regulação da atividade enzimática.

A catálise enzimática das reações é essencial para os sistemas vivos. Nas condições biológicas relevantes, as reações

não catalisadas tendem a ser lentas – a maioria das moléculas biológicas é muito estável nas condições internas das

células com pH neutro, temperaturas amenas e ambiente aquoso. As reações necessárias para digerir os alimentos, enviar sinais nervosos ou contrair os músculos simplesmente não ocorrem em velocidades adequadas sem catálise.

As enzimas contornam esses problemas ao proporcionarem um ambiente específico adequado para que uma dada

reação possa ocorrer mais rapidamente. A propriedade característica das reações catalisadas por enzimas é que a

reação ocorre confinada em um bolsão da enzima denominado sítio ativo. A molécula que liga no sítio ativo e sobre a qual a enzima age é denominada substrato. O contorno da superfície do sítio ativo é delimitado por resíduos de aminoácidos com grupos nas cadeias laterais que ligam o substrato e que catalisam a sua transformação química. Frequentemente, o sítio ativo engloba o substrato, sequestrando-o completamente da solução. O complexo enzima-substrato é fundamental para a ação enzimática.

Uma reação enzimática simples pode ser escrita como:

[pic 1]

onde E, S e P representam enzima, substrato e produto; ES e EP são complexos transitórios da enzima com o substrato

e com o produto.

A função do catalisador é aumentar a velocidade da reação. A catálise não afeta o equilíbrio da reação. Qualquer reação, como S -> P, pode ser descrita por um diagrama de coordenadas da reação, que representa a variação de energia durante a reação. A energia é descrita nos sistemas biológicos em termos de energia livre, G. No diagrama

de coordenadas da reação, a energia livre do sistema é colocada no gráfico em função do progresso da reação (a

coordenada da reação). O ponto de partida tanto da reação direta quanto da reação reversa é denominado estado

fundamental.

[pic 2][pic 3]

Nesses gráficos a energia livre do estado fundamental de P é menor do que a de S, e então ΔG° para as reações é negativa (reação exergônica) e o equilíbrio favorece mais P que S.

Um equilíbrio favorável não significa que a conversão S-> P ocorra em uma velocidade detectável. A velocidade

da reação depende de um parâmetro totalmente diferente. Há uma barreira energética entre S e P: a energia necessária para alinhar os grupos reagentes, para a formação de cargas instáveis transitórias, rearranjos de ligações e ainda outras transformações necessárias para que a reação ocorra em qualquer direção.

O topo da curva de energia é um ponto a partir do qual o decaimento para o estado S ou para o estado P tem a mesma probabilidade de ocorrer (nos dois casos a curva é descendente). Isso é denominado estado de transição. O estado de transição não é uma forma química com alguma estabilidade significativa e não deve ser confundido com os intermediários da reação (como ES ou EP). O estado de transição é um momento molecular transitório em que eventos como a quebra de ligação, a formação de ligação ou o desenvolvimento de carga ocorrem com a mesma probabilidade de seguirem tanto para formar novamente o substrato como para formar o produto. A diferença entre os níveis

energéticos do estado basal e do estado de transição é a energia de ativação. Os catalisadores aumentam a velocidade das reações por diminuírem as energias de ativação.

A diminuição da energia de ativação baseia-se no rearranjo de ligações covalentes durante a reação catalisada pela enzima. Muitos tipos de reações químicas ocorrem entre substratos e grupos funcionais da enzima (cadeias específicas de aminoácidos, íons metálicos e coenzimas). Grupos funcionais catalíticos na enzima podem formar ligações covalentes transitórias com um substrato e ativá-lo para a reação, ou um grupo pode ser transitoriamente transferido do substrato para a enzima. Geralmente, essas reações ocorrem apenas no sítio ativo da enzima. Interações covalentes entre enzimas e substratos diminuem a energia de ativação, acelerando a reação, por fornecerem condições para que a reação ocorra por uma via alternativa de baixa energia. A segunda parte da explicação fundamenta-se em interações não covalentes entre enzima e substrato. É importante lembrar que interações fracas não covalentes ajudam a estabilizar a estrutura das proteínas e as interações proteína-proteína. Essas mesmas interações são cruciais para a formação de complexos entre proteínas e moléculas pequenas, incluindo os substratos de enzimas. Muito da energia necessária para diminuir a energia de ativação provém de interações fracas não covalentes entre substrato e enzima. O que realmente distingue as enzimas de outros catalisadores é a formação de um complexo ES específico. A interação entre substrato e enzima nesse complexo é mediada pelas mesmas forças que estabilizam a estrutura das proteínas, incluindo ligações de hidrogênio e interações hidrofóbicas e iônicas. A formação de cada interação fraca no complexo ES é acompanhada pela liberação de uma pequena quantidade de energia livre que estabiliza a interação. A energia proveniente da interação enzima-substrato é denominada energia de ligação.  A energia de ligação é a principal fonte de energia livre utilizada pelas enzimas para a diminuição da energia de ativação das reações.