Enzimas

definição

Enzimas são proteínas produzidas em células vegetais e animais, que atuam como catalisadores, acelerando reações biológicas sem serem modificadas.

As enzimas funcionam combinando-se com uma substância específica para transformá-la em uma substância diferente; exemplos clássicos são dados pelas enzimas digestivas presentes na saliva, no estômago, no pâncreas e no intestino delgado, que têm uma função essencial na digestão e ajudam a separar os alimentos nos constituintes básicos, que podem então ser absorvidos e usados ​​pelo corpo, processado por outras enzimas ou expelido como resíduo.

Cada enzima tem um papel específico: o que quebra as gorduras, por exemplo, não atua sobre proteínas ou carboidratos. Enzimas são essenciais para o bem estar do corpo. A deficiência, mesmo de uma única enzima, pode causar distúrbios sérios. Um exemplo bastante conhecido é a fenilcetonúria (PKU), uma doença caracterizada pela incapacidade de metabolizar um aminoácido essencial, a fenilalanina, cuja acumulação pode causar deformidades físicas e doenças mentais.

Análise bioquímica

As enzimas são proteínas particulares que têm a característica de serem catalisadores biológicos, ou seja, têm a capacidade de quebrar a energia de ativação (Eatt) de uma reação, modificando seu caminho para tornar um processo cineticamente lento, mais rápido.

As enzimas aumentam a cinética das reações termodinamicamente possíveis e, ao contrário dos catalisadores, são mais ou menos específicas: possuem, portanto, especificidade de substrato.

A enzima não está envolvida na estequiometria da reação: para isso, é essencial que o sítio catalítico final seja idêntico ao original.

Na ação catalítica há quase sempre uma fase lenta que determina a velocidade do processo.

Quando se trata de enzimas, não é correto falar sobre reações de equilíbrio, em vez disso, falamos sobre o estado estacionário (um estado no qual um determinado metabólito é formado e consumido continuamente, mantendo sua concentração quase constante ao longo do tempo). O produto de uma reação catalisada por uma enzima é, por sua vez, geralmente reativo para uma reação subsequente, catalisada por outra enzima, e assim por diante.

Processos catalisados ​​por enzimas são geralmente constituídos por seqüências de reações.

Uma reação genérica catalisada por uma enzima (E) pode ser resumida da seguinte forma:

Uma enzima genérica (E) combina com o substrato (S) para formar o aduto (ES) com uma constante de velocidade K1; pode novamente dissociar-se em E + S, com uma constante de velocidade K2, ou (se "viver" tempo suficiente) pode prosseguir para formar P com uma constante de velocidade K3.

O produto (P) pode, por sua vez, recombinar com a enzima e reformar o aduto com velocidade constante K4.

Quando a enzima e o substrato são misturados, há uma fração de tempo em que o encontro entre as duas espécies ainda não ocorreu: em outras palavras, há um intervalo de tempo extremamente curto (que depende da reação) em que enzima e substrato ainda não se encontraram; após esse período, a enzima e o substrato entram em contato em uma quantidade gradualmente maior e o aduto ES é formado. Subsequentemente, a enzima atua no substrato e o produto é liberado. Podemos então dizer que existe um intervalo de tempo inicial em que a concentração do aduto ES não pode ser definida; após este período, assume-se que um estado estacionário é estabelecido, isto é, a velocidade dos processos que levam à obtenção do aduto é igual à velocidade dos processos que levam à destruição do aduto.

A constante de Michaelis-Menten (KM) é uma constante de equilíbrio (referida ao primeiro equilíbrio descrito acima); pode-se dizer, com boa aproximação (porque o K3 também deve ser considerado) que o KM é representado pela razão entre as constantes cinéticas K2 e K1 (referente à destruição e formação do aduto ES no primeiro equilíbrio descrito acima).

Por meio da constante de Michaelis-Menten, temos uma indicação da afinidade entre a enzima e o substrato: se a KM é pequena, há uma alta afinidade entre a enzima e o substrato, de modo que o aduto ES é estável.

Enzimas estão sujeitas a regulação (ou modulação).

No passado, era principalmente sobre a modulação negativa, isto é, a inibição da capacidade catalítica de uma enzima, mas também pode haver uma modulação positiva, ou seja, há espécies capazes de aumentar as capacidades catalíticas de uma enzima.

Existem 4 tipos de inibições (obtidas a partir de aproximações feitas em um modelo para combinar dados experimentais com equações matemáticas):

• inibição competitiva
• inibição não competitiva
• inibição incompetitiva
• inibição competitiva

Fala-se de inibição competitiva quando uma molécula (inibidor) é capaz de competir com o substrato. Por similaridade estrutural, o inibidor pode reagir no lugar do substrato; é daí que vem a terminologia da "inibição competitiva". A probabilidade de a enzima se ligar ao inibidor ou substrato depende da concentração de ambos e da sua afinidade com a enzima; portanto, a velocidade de reação depende desses fatores.

Para obter a mesma velocidade de reação que seria sem a presença do inibidor, é necessário ter uma concentração de substrato maior.

É mostrado experimentalmente que, na presença de um inibidor, a constante de Michaelis-Menten aumenta.

Quanto à inibição não competitiva, a interação entre a molécula que deve funcionar como um modulador (inibidor positivo ou negativo) e a enzima, ocorre em um local diferente daquele em que a interação entre enzima e substrato; fala-se portanto de modulação alostérica (dos allosteros gregos → outro sítio).

Se o inibidor for ligado à enzima, pode induzir uma modificação da estrutura da enzima e, conseqüentemente, diminuir a eficiência com a qual o substrato se liga à enzima.

Nesse tipo de processo, a constante de Michaelis-Menten permanece constante, pois esse valor depende do equilíbrio entre a enzima e o substrato e, essas balanças, mesmo na presença de um inibidor, não se alteram.

O fenômeno da inibição incompetitiva é raro; um inibidor típico incompetitivo é uma substância que se liga reversivelmente ao aduto ES dando origem a ESI:

A inibição do excesso de substrato às vezes pode ser de um tipo incompetitivo, pois isso se manifesta quando uma segunda molécula de substrato se liga ao complexo ES, dando origem ao complexo ESS.

Um inibidor competitivo, por outro lado, só pode ligar-se ao substrato da enzima como no caso anterior: a ligação do substrato à enzima livre induz uma modificação conformacional que torna o local acessível ao inibidor.

A constante de Michaelis Menten diminui com o aumento da concentração do inibidor: aparentemente, aparentemente, a afinidade da enzima pelo substrato aumenta.

Proteases serina

Eles são uma família de enzimas às quais pertencem a quimotripsina e a tripsina.

A quimotripsina é uma enzima proteolítica e hidrolítica que corta à direita dos aminoácidos hidrofóbicos e aromáticos.

O produto gênico que codifica a quimotripsina não está ativo (ativado por um comando); a forma não activa de quimotripsina é representada por uma cadeia polipeptídica de 245 aminoácidos. A quimotripsina tem uma forma globular devido a cinco pontes dissulfureto e outras interações menores (eletrostática, forças de Van der Waals, pontes de hidrogênio, etc.).

A quimotripsina é produzida pelas células do pâncreas, onde é contida em membranas especiais e expelida pelo ducto pancreático no intestino, no momento da digestão dos alimentos: a quimotripsina é, na verdade, uma enzima digestiva. As proteínas e nutrientes que ingerimos através da dieta, são digeridos para serem reduzidos a cadeias menores e para serem absorvidos e transformados em energia (por exemplo, amilase e protease dividem os nutrientes em glicose e aminoácidos que atingem as células, através dos vasos sangüíneos eles alcançam a veia porta e de lá eles são transportados para o fígado onde passam por tratamentos adicionais).

As enzimas são produzidas de forma não ativa e são ativadas somente quando chegam ao "local onde devem operar"; uma vez que a ação é concluída, eles são desativados. Uma enzima, uma vez desactivada, não pode ser reactivada: para ter uma acção catalítica adicional, deve ser substituída por outra molécula de enzima. Se a chimitripsina fosse produzida em uma forma ativa já no pâncreas, atacaria a última: pancreatite é patologia devido a enzimas digestivas que já estão ativadas no pâncreas (e não nos locais requeridos); alguns deles, se não forem tratados a tempo, levam à morte.

Na quimotripsina e em todas as proteases serínicas, a ação catalítica é devida à existência do ânion alcoolato (-CH2O-) na cadeia lateral de uma serina.

As proteases de serina tomam este nome precisamente porque sua ação catalítica é devida a uma serina.

Uma vez que toda a enzima tenha realizado sua ação, antes de poder ser usada novamente no substrato, ela deve ser restaurada com água; a "liberação" da serina pela água é o estágio mais lento do processo, e é essa fase que determina a velocidade da catálise.

A ação catalítica ocorre em duas fases:

• formação de ânions com propriedades catalíticas (um ânion alcoolato) e subseqüente ataque de carbono carbonílico nucleofílico (C = O) com clivagem da ligação peptídica e formação de éster;
• ataque de água com restauração do catalisador (capaz de re-exercitar sua ação catalítica).

As várias enzimas pertencentes à família da protease de serina podem ser constituídas por diferentes aminoácidos, mas, para todos, o sítio catalítico é representado pelo anião alcoólico da cadeia lateral de uma serina.

Uma subfamília das proteases serínicas é a das enzimas envolvidas na coagulação (que consiste na transformação da proteína, de sua forma inativa para outra forma ativa). Estas enzimas tornam a coagulação tão eficaz quanto possível e são limitadas no espaço e no tempo (a coagulação deve ocorrer rapidamente e só deve ocorrer perto da área lesada). As enzimas envolvidas na coagulação são ativadas por cascata (a partir da ativação de uma única enzima, bilhões de enzimas são obtidas: cada enzima ativada, por sua vez, ativa muitas outras enzimas).

A trombose é uma condição decorrente do mau funcionamento das enzimas de coagulação: é causada pela ativação, sem necessidade (por não haver lesão), das enzimas utilizadas na coagulação.

Existem enzimas modulatórias (regulatórias) e enzimas inibitórias para outras enzimas: interagindo com essa enzima elas regulam ou inibem sua atividade; também o produto de uma enzima pode ser inibidor da enzima. Existem também enzimas que funcionam mais, quanto maior o substrato atual.

lisozima

Luigi Pasteur descobriu, por acaso, espirrar em uma placa de Petri, que no muco há uma enzima que pode matar bactérias: lisozima ; do grego: liso = isso corta; zimo = enzima.

A lisozima é capaz de quebrar a parede celular das bactérias. Bactérias e, em geral, organismos unicelulares, precisam de estruturas mecanicamente resistentes que limitem sua forma; dentro das bactérias há uma pressão osmótica muito alta, portanto, elas chamam de água. A membrana plasmática explodiria se não houvesse parede celular que se opusesse à entrada de água e limitasse o volume da bactéria.

A parede celular consiste de uma cadeia polissacarídica na qual as moléculas de N-acetil-glucosamina (NAG) e N-acetil-ácido murâmico (NAM) se alternam; a ligação entre NAG e NAM quebra com a hidrólise. O grupo carboxilo de NAM, na parede celular, está envolvido numa ligação peptídica com um aminoácido.

Entre as várias cadeias, formam-se pontes que consistem em ligações pseudo-peptídicas: a ramificação é devida à molécula de lisina; a estrutura como um todo é muito ramificada e isso proporciona um alto grau de estabilidade.

A lisozima é um antibiótico (mata bactérias): atua fazendo uma rachadura na parede bacteriana; quando essa estrutura quebra (que é mecanicamente resistente), a bactéria extrai água até explodir. A lisozima consegue quebrar a ligação glucosídica b-1, 4 entre NAM e NAG.

O local catalítico da lisozima é representado por um sulco que corre ao longo da enzima na qual a cadeia polissacarídica está inserida: seis anéis glicosídicos da cadeia, encontram seu lugar no sulco.

Na posição três do sulco há um gargalo: nesta posição somente um NAG pode ser colocado, porque o NAM, que é maior, não pode entrar. O sítio catalítico real está entre as posições quatro e cinco: havendo um NAG na posição três, o corte ocorrerá entre um NAM e um NAG (e não vice-versa); portanto, o corte é específico.

O pH ideal para o funcionamento da lisozima é cinco. No sítio catalítico da enzima, isto é, entre as posições quatro e cinco, existem as cadeias laterais de um ácido aspártico e um ácido glutâmico.

Grau de homologia : mede o parentesco (isto é, a similaridade) entre estruturas proteicas.

Existe uma relação rigorosa entre a lisozima e a lactose-sintase.

A lactose sintetase sintetiza a lactose (que é o principal açúcar do leite): a lactose é um galactosil glucósido no qual existe uma ligação glucosídica β-1, 4 entre galactose e glicose.

Assim, a lactose sintase, catalisa a reação oposta àquela catalisada pela lisozima (que, em vez disso, quebra a ligação glicosídica β-1, 4)

A lactose sintase é um dímero, isto é, consiste de duas cadeias de proteínas, uma das quais tem propriedades catalíticas e é comparável à lisozima e a outra é uma subunidade reguladora.

Durante a gravidez, as glicoproteínas são sintetizadas a partir das células da glândula mamária pela ação da galatosiltransferase (tem 40% de homologia de seqüência com lisozima): esta enzima é capaz de transferir um grupo galactosil de uma estrutura de alta energia a uma estrutura de glicoproteína. Durante a gravidez, a expressão do gene que codifica a galactosil transferase é induzida (há também a expressão de outros genes que também dão outros produtos): um aumento no tamanho da mama ocorre porque a glândula mamária é ativada (anteriormente não ativo) que deve produzir leite. Durante o parto, é produzida α-lactalalbumina, que é uma proteína reguladora: é capaz de regular a capacidade catalítica da galactosiltransferase (para discriminação de substrato). A galactosil-transferase modificada pela α-lactalalbumina, é capaz de transferir um galactosil para uma molécula de glicose: formando uma ligação β-1, 4 glicosídica e dando lactose (lactose sintase).

Assim, a galactose transferase prepara a glândula mamária antes do parto e produz leite após o parto.

Para produzir glicoproteínas, a galactosiltransferase liga-se a um galactosil e NAG; durante o nascimento, a albumina láctea liga-se à galactosiltransferase, fazendo com que esta reconheça a glicose e não mais o NAG para dar a lactose.