Enzimas

As enzimas são macromoléculas biológicas que agem como catalisadores nas reações metabólicas, ou seja, não são consumidas no seu decorrer. Esses compostos não alteram o equilíbrio químico de uma reação e funcionam ao auxiliarem o processo de transformação de reagentes para produtos. A maior parte das enzimas – e a classe que estudaremos aqui – são as enzimas proteicas.

Conformação enzimática

As enzimas podem ser compostas por milhares de aminoácidos e sua complexa estrutura é essencial para seu funcionamento correto. Dois importantes locais em uma enzima devem ser notados, o sítio ativo e o sítio alostérico. O sítio ativo é o local no qual os substratos (reagentes) de uma enzima se encaixam para passarem por uma reação quimíca. Esse local, como veremos posteriormente, não forma um encaixe perfeito com os substratos, o que favorece sua transformação nos produtos.

Além disso, o sítio alostérico também é um ponto essencial em uma enzima, pois é lá onde compostos independentes da reação principal da enzima podem se ligar para inibir ou ativar seu funcionamento. As características específicas de como essas interações afetam a conformação e a funcionalidade de uma enzima serão descritas adiante, na seção de cinética enzimática.

Funcionamento enzimático

As enzimas trabalham por meio da redução da energia de ativação de uma determinada reação química, isso é, as reações catalisadas por essas precisam de menos energia para ocorrerem por completo, como visto no gráfico a seguir:

O funcionamento enzimático em si (a forma como a enzima transforma um conjunto de reagentes em produto no seu sítio ativo) foi descrito por dois diferentes modelos:
Modelo chave-fechadura: Modelo mais antigo do funcionamento de enzimas, proposto por Emil Fischer em 1894, estabelecia que havia um encaixe rígido complementar entre o sítio ativo da enzima e o substrato, resultando numa ligação ”perfeita” entre as moléculas.
Modelo de encaixe induzido: Esse modelo, proposto por Daniel Koshland em 1958, sugere que o modelo chave-fechadura não explicaria a transição do complexo enzima-substrato para enzima e produto(s), já que aquele seria estável demais para reagir. Assim, propõe-se essa nova teoria, na qual o substrato e o sítio ativo da enzima não são perfeitamente complementares, mas esse adapta sua conformação para alojar os substratos, que logo tornarão-se produtos, segundo a figura ilustrativa a seguir:

Cinética enzimática

Vários fatores externos podem influenciar a eficiência de uma enzima em fazer a catálise de seus reagentes em produtos. Parâmetros como pH, temperatura, inibições (checar a seção Inibição enzimática) e concentração de substrato são alguns dos critérios cruciais para compreender o quão bem uma enzima funcionará.

Cada enzima possui uma faixa de operação ideal, ou seja, um microambiente específico onde funciona com maior eficácia possível. pH’s ou temperaturas extremas podem tanto desnaturar uma enzima (romper as ligações que fazem a proteína manter-se unida), quanto diminuir drasticamente a velocidade da sua catálise. Os gráficos a seguir demonstram como dois desses fatores influenciam a atividade enzimática, a título de exemplo:

Uma reação enzimática pode ser reduzida da seguinte forma, representando seus componentes de forma simplificada:

Sendo E a enzima, S o substrato, ES o complexo enzima-substrato, P o produto.

Dentro da bioquímica, um dos modelos mais estudados para a análise de ensaios enzimáticos é o de Michaelis-Menten, baseado numa equação que descreve a taxa de reação v de uma enzima atrelada à concentração de substrato [S]. A equação-base para esse modelo, cujas variáveis estão definidas a seguir, é:

A concentração de subtrato [S], como dito anteriormente, é a concentração dos reagentes de uma enzima em um determinado momento. A velocidade máxima Vmax é o valor máximo da taxa de reação em que uma enzima pode chegar, considerando concentração de substrato máxima. A constante de Michaelis-Menten Km descreve a concentração necessária de substrato para uma reação enzimática atingir metade de Vmax.

A partir dessa equação, é possível desenhar um gráfico que descreve o comportamento de uma determinada enzima mediante o aumento da concentração de substrato, assemelhando-se ao gráfico do efeito do substrato mostrado anteriormente.

Outro importante modelo de análise de enzimas é o de Lineweaver-Burk, que, na prática, lineariza o gráfico de Michaelis-Menten ao usar o inverso de suas variáveis, ou seja, a equação final torna-se:

Essa transformação é complexa, porém importante, já que facilita a investigação de alguns parâmetros de uma reação enzimática. Ao observar um gráfico de Lineweaver-Burk é sempre crucial notar que os eixos também estão invertidos e Km/V é o coeficiente de inclinação da reta, além do valor de -1/Km estar, claramente, negativo.

Inibição enzimática

A progressão de uma catálise enzimática nem sempre ocorre sem obstáculos em um cenário ideal. Além das variáveis de influência sobre as enzimas já citadas, também existem as formas de inibição enzimática. Inibidores são moléculas que afetam a taxa de reação catalítica, podendo tomar as formas principais de inibição competitiva, não-competitiva e incompetitiva.

• Inibição competitiva
  Se trata de quando uma molécula também se liga ao sítio ativo de uma enzima, competindo com o substrato em si por espaço no sítio catalítico (ativo). As enzimas ligadas a um inibidor não podem catalisar reações, já que estão ligadas ao inibidor. Em termos mais técnicos, essa inibição impede a formação do complexo ES, formando, alternativamente, o complexo EI.

Pensando em cinética enzimática, essa inibição aumenta o Km, já que demanda mais substrato para ultrapassar o efeito das enzimas ligadas aos inibidores e mantém o mesmo Vmax, pois, com substrato o suficiente, alcança-se velocidade próxima o suficiente à de uma reação não inibida.

• Inibição não-competitiva
  Diferentemente da inibição competitiva, nessa categoria o inibidor não liga-se ao sítio ativo, e sim ao sítio alostérico de uma enzima. Ao ligar-se nesse local, a molécula induz mudanças estruturais que impedem a ligação do substrato ao sítio ativo, inabilitando a enzima de ser utilizada. Alguns inibidores desse tipo pode diminuir a atividade (taxa de reação enzimática), mas mantendo a mesma afinidade do substrato pelo sítio catalítico. Ambos os modelos resultam nas mesmas mudanças cinéticas nas quais, em detalhes, o inibidor pode ligar-se tanto à enzima E livre quanto em sua forma complexada ES, formando os complexos EI ou EIS, respectivamente.

Em termos de cinética, a inibição não-competitiva diminui o Vmax, ao diminuir o número de enzimas capazes de realizar a catálise na reação por meio do sítio alostérico. Ademais, ela mantém o mesmo Km, já que a afinidade do substrato pelo sítio ativo se mantém.

• Inibição incompetitiva
  Essa forma de inibição se dá quando um inibidor só consegue afetar a reação enzimática no estado de complexo ES. Assim, as moléculas inibidoras ligam-se a esse complexo, estabilizando-o e impedindo sua transição para E + P, ou seja, a formação de produto.

Na cinética enzimática, tanto o Vmax, quanto o Km diminuem, já que a estabilização do complexo ES impede maior afinidade com o substrato e a progressão da reação em produto.

Aplicando as inibições vistas aos modelos de Michaelis-Menten e de Lineweaver-Burk, temos, respectivamente:

Non-competitive inhibition

Aula elaborada por Henrique Pongelupp Oliveira