sábado, 11 de junho de 2016

Uma breve abordagem sobre as enzimas


Como eu havia abordado superficialmente na publicação sobre quem é o DNA, as proteínas são os tijolos e as operárias dos seres vivos. Essas operárias são as enzimas.

 As enzimas são cruciais para a manutenção e perpetuação da vida, pois possibilitam que as reações bioquímicas sejam realizadas com extrema rapidez e eficiência. No microambiente da célula, as moléculas tendem a ser muito estáveis e quando e reagirem vagarosamente devido ao pH neutro, temperatura moderada e por ser um meio aquoso. Por exemplo, as reações que transformam a sacarose em CO2 e H2O (sim, produzimos água) na presença do oxigênio (aceptor final de elétrons), é um processo que libera muita energia e pode ocorrer naturalmente, mas é muito lento. Qual a solução que nós seres vivos conseguimos para este tipo de problema? Enzimas!

 Antes de entendermos o que são enzimas, precisamos entender características importantes das reações químicas e o que são catalisadores. As reações químicas tem uma cinética, ou seja, um “movimento” e velocidade em que os reagentes se transformam nos produtos num dado período. 

 Consideremos uma reação hipotética “aA↔bB”, ou seja, uma reação reversível. Esta reação tenderá a obter um equilíbrio, portanto, A e B terão quantidades constantes após um dado tempo, mas isso não quer dizer que as reações não estão mais ocorrendo, e sim que obteve-se um equilíbrio da concentração de A e B. A constante de equilíbrio “k” é o que representa estas quantidades estáveis numa determinada temperatura. Esta constante “k” é dada pela seguinte fórmula neste caso:

K=[B]b
     [A]a
a e b são os coeficientes estequiométricos respectivos (ou número de mols) dos produtos e reagentes.

Esta reação ocorre numa velocidade “v”. Esta variável “v” é dada pela fórmula:
V= [A]a ou [B]b
            ∆t
Colchetes é a concentração e ∆t é a variação do tempo.

Adendo: Caso seja uma reação “aA + bB↔ cC + dD”, a fórmula será:

K= [C]c . [D]d    e v= [A]a . [B]b  ou v= [C]c . [D]d 
      [A]a . [B]b                          ∆t                       ∆t


 Para as reações químicas acontecerem, os átomos presentes nas moléculas precisam se chocar. Esta colisão é obtida a partir do fornecimento de energia (normalmente térmica ou cinética), que fará com que as moléculas se agitem. Deste modo, é requisitado uma quantidade mínima necessária de energia para que ocorra esta reação. Esta energia é a “energia de ativação”. Não bastasse apenas o fator da energia, as moléculas precisam colidir-se numa orientação correta para se separarem e, posteriormente se rearranjarem em novas moléculas. 


Figura 1 - Gráfico da energia de ativação da reação hipotética.


 Por definição, catalisadores são moléculas que aceleram reações químicas sem alterar o(s) produto(s) final(is). A função dos catalisadores é reduzir esta energia de ativação. Importante: o catalisador sempre é conservado após a reação!

Figura 2 - Hidrólise catalisada de um éster catalisada por um íon H+.Este íon altera a distribuição elétrica da molécula de uma maneira que reduz a quantidade da energia de ativação.

 Portanto, as enzimas são proteínas que aceleram as reações bioquímicas sem alterar o seu resultado. Porém, as enzimas são extremamente mais eficientes e específicas ao seu substrato do que os catalisadores químicos.




 Compreendamos alguns termos importantes: a parte proteica da enzima (formada por aminoácidos) é chamada de “apoenzima” ou “apoproteína”; algumas requerem um co-fator (um ou mais íons inorgânicos como o Fe2+, Mg2+, Mn2+ ou Zn2+), uma molécula orgânica complexa ou uma molécula metalorgânica (coenzima podendo ser derivada de vitaminas); holoenzima, que seria a enzima completa, ou seja, contendo a apoenzima e o co-fator ou a coenzima; substrato é a molécula que é o reagente da reação; sítio-ativo é o local da enzima onde o substrato se associará à enzima e formará o(s) seu(s) produto(s).

 As enzimas providenciam a orientação correta que os átomos precisam para se chocar, além de diminuir a energia de ativação. Esta energia de ativação é reduzida graças à interação enzima-substrato (estado de transição), pois as interações químicas como ligações covalentes entre as cadeias de aminoácidos com o substrato e as interações fracas (não-covalentes), como ligações de hidrogênio.  Logo, estas interações químicas acabam fornecendo energia, resultando numa diminuição da energia de ativação.

Figura 3 - Esquema representando a diferença da energia de ativação de uma reação hipotética com a presença e a ausência da enzima. Na imagem, interpretem catalisador como enzima.

 A especificidade da enzima pelo seu substrato se dá pela sua composição (devido às interações químicas que reduzem a energia de ativação) e estrutura. Com isso, surgiram duas ideias sobre a interação entre enzima-substrato.
A primeira, proposta em 1894 por Emil Fischer, seria o “modelo de encaixe de chave-fechadura”, ou seja, a enzima teria uma estrutura fixa e o substrato teria o formato perfeito para preencher este espaço. Porém, é fácil refutar esta ideia, pois isto ignora o fato que há a interação química entre o substrato e a enzima, fazendo com que ambas alterem a sua conformação. Deste modo, em 1959, Daniel Koshland propôs o “modelo de encaixe induzido”, que nada mais é que a interação do substrato com a enzima faz com que ambas mudem a sua forma e desta forma uma induz a outra a se encaixarem.


Figura 4 - Representações do modelo de Fischer e do modelo de Koshland. Fonte:http://docentes.esalq.usp.br/luagallo/enzimas.html
Efeitos da temperatura e do pH na atividade enzimática

 As funções das enzimas são extremamente dependentes de suas configurações. Como são proteínas em geral, a temperatura e o pH tendem a alterar a sua forma e, consequentemente a sua atividade. O aumento da temperatura causa o que chamamos de desnaturação, que é a proteína perder a sua configuração tridimensional. Por isso é perigoso passarmos um longo período em febre, pois fará com que não só as enzimas, mas as proteínas estruturais percam a sua forma.

 O pH também altera a configuração da enzima, porém de uma forma menos drástica que a variação de temperatura. Portanto, é necessário entender que as enzimas possuem um pH e temperatura ótimas. Porém a extrapolação da temperatura é mais prejudicial do que a extrapolação dos valores de pH quando observados num gráfico. As enzimas tendem a ser mais sensíveis a temperaturas superiores à sua ótima, devido este ser um fator mais marcante no que se refere à estrutura tridimensional.

Figura 5 - Gráficos demonstrando a sensibilidade à extrapolação dos valores ótimos de temperatura e pH. Fonte: http://www.daanvanalten.nl/quimica/module12/cap0512enzimas.html
 Por mais que o a nossa temperatura média seja de 37ºC e o valor de 7,2 para o pH, em algumas regiões do corpo estes valorem podem alterar, e assim selecionar as enzimas que funcionarão em determinadas regiões. Abaixo segue uma tabela sobre essa seleção devido ao pH.

Tabela 2 - Enzimas em seus respectivos pH's ótimos.    Fonte: http://www2.bioqmed.ufrj.br/enzimas/pH.htm
Classificação das enzimas quanto às suas reações

           Óxido-redutases – reações de transferências de elétrons. São as desidrogenases e oxidases.
Transferases – transferem grupos funcionais como amina, fosfato, acil, carboxil. São as quinases e transaminases.
Hidrolases – reações de hidrólise (reações de quebra que precisam de água) de ligação covalente.
Liases – catalisam a quebra de ligações covalentes e a remoção de moléculas de água, amônia e dióxido de carbono. São as dehidratases e descarboxilases.
Isomerases – reações de conversão de isômeros (moléculas diferentes que contém a mesma fórmula estrutural).
Ligases – catalisam a ligação de moléculas a partir de outras pré-existentes, necessitando de energia para ocorrer.


Exemplos de enzimas 
Hexoquinase
Urease
Catalase
DNA-polimerase
RNA-polimerase
Helicase
DNA-ligase
Ribulose-1,5-bifosfato-carboxilase oxigenase (por curiosidade, a enzima mais abundante do planeta. É a principal enzima responsável pela fotossíntese. Mais conhecida como “rubisco”).

Rubisco. Fonte: https://pt.wikipedia.org/wiki/RuBisCO

Hexoquinase. Fonte: http://www.lookfordiagnosis.com/mesh_info.php?term=Hexoquinase&lang=3

Bibliografia:

NELSON, D. L. & COX, M.M. 2002. Lehninger: Princípios de Bioquímica. 3ª edição. Editora Sarvier, São Paulo, SP, Brasil. ISBN: 85-7378-125-4.  

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