Introdução à Bioquímica/Constituintes estruturais dos sistemas vivos/Aminoácidos e proteínas/Proteínas/Enzimas

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Enzimas[editar]

Estrutura da DNA polimerase (EC 2.7.7.7, código PDB: 7ICG). Esta é uma das enzimas responsáveis pela síntese do DNA, um processo fundamental na replicação do material genético.

Para que a vida seja possível, é necessário que as reacções químicas que a sustentam se dêem a uma determinada velocidade. Muitas das reacções bioquímicas não se realizariam a uma velocidade relativamente elevada se não fossem catalisadas. Em sistemas vivos, a catálise de reacções químicas é feita por enzimas.

As enzimas são proteínas que, actuando como catalisadores na maioria das reacções bioquímicas, baixam a energia de activação necessária para que se dê uma reacção química. Por serem catalisadores eficientes, são aproveitadas para aplicações industriais, como na indústria farmacêutica ou na alimentar. Como intervêm nas reacções químicas que sustentam a vida, a compreensão do seu funcionamento é importante em áreas como a investigação de patologias com origem em deficiências enzimáticas.

A esmagadora maioria das reacções bioquímicas dá-se em vias metabólicas, que são sequências de reacções em que o produto de uma reacção é utilizado como reagente na reacção seguinte. Diferentes enzimas catalisam diferentes passos de vias metabólicas, agindo de forma concertada de modo a não interromper o fluxo nessas vias. Por outro lado, como será explicado mais adiante, cada enzima pode sofrer regulação da sua actividade, aumentando-a, diminuindo-a ou mesmo interrompendo-a. Assim, o fluxo de uma via metabólica depende da velocidade de catálise das enzimas que nela participam.

Um pequeno grupo de enzimas, as ribozimas, têm uma natureza não-proteica. As ribozimas são moléculas de RNA que possuem capacidade catalítica. Este grupo de enzimas, que possui propriedades peculiares, será abordado à parte das enzimas proteicas.

Estrutura[editar]

Centro activo da anidrase carbónica (EC 4.2.1.1, código PDB: 1CA2, mostrando o ião metálico Zn+ (esfera cinza, no centro da imagem) ligado à cadeia polipeptídica através de três resíduos de histidina (a verde). O substrato da enzima, ião carbonato (CO32-) liga-se ao ião de zinco (nesta imagem, é um ião OH-, molécula a vermelho e branco, que se encontra ligado ao zinco, e não o substrato).

Estruturalmente, as enzimas possuem todas as características das proteínas, tendo zonas da sua estrutura responsáveis pela catálise. A zona reactiva da enzima é denominada centro activo e é onde se liga o reagente (substrato) que vai ser transformado no produto. Podem existir também outras zonas da cadeia polipeptídica que são sensíveis à presença de determinadas espécies químicas, modulando a actividade da enzima. tais zonas são denominadas centros alostéricos e essa modulação de alosteria.

A manutenção da estrutura de uma enzima é de particular importância para a sua actividade: esta pode ser perdida se a enzima é colocada num meio em que factores como o pH ou a temperatura não favoreçam a estabilidade estrutural da cadeia polipeptídica.

Algumas enzimas necessitam da presença de outras espécies químicas, genericamente denominadas cofactores, para efectuar a catálise. A natureza química dos cofactores é muito diversa: podem ser iões metálicos, como o Mg2+, o Zn+ ou o Fe2+, moléculas orgânicas, como o fosfato de piridoxal ou a coenzima A, e ainda moléculas orgânicas contendo metais, como o grupo hemo (uma porfirina contendo ferro) ou a vitamina B12 (5'-desoxiadenosilcobalamina).

Dois termos relacionados com cofactores que alguns autores tendem a deixar cair em desuso mas que são ainda frequentemente encontrados são:

  • coenzima: refere-se a cofactores complexos, que não são apenas iões metálicos;
  • grupo prostético: cofactor ligado de forma covalente à cadeia polipeptídica.

Mecanismo[editar]

As enzimas actuam diminuindo a energia de activação da reacção que catalisam, não alterando, no entanto, o seu equilíbrio. Em geral, uma enzima catalisa apenas um substrato, algo que é condicionado pela estrutura do centro activo da enzima. Este possui uma geometria definida e determinadas características físico-químicas (hidrofobicidade, carga eléctrica local) que condicionam o tipo de substrato que pode aceder, ligar-se e sofrer alteração química no centro activo.

Quando um substrato se liga ao centro activo, forma-se o chamado complexo enzima-substrato (ES). Embora esta designação possa parecer uma formalidade, a formação do ES é importante na determinação da velocidade de reacção e, por conseguinte, na velocidade de formação de produto(s). O substrato sofre uma alteração enquanto se encontra ligado à enzima, transformando-se num produto; existe então, de forma transiente, um complexo enzima-produto. O produto desliga-se posteriormente da enzima e esta encontra-se preparada para novo ciclo catalítico.

Propriedades[editar]

Por serem proteínas, cada enzima possui um pH óptimo e uma temperatura óptima de funcionamento. Acima dessa temperatura a enzima começa a sofrer desnaturação, perdendo a sua estrutura tridimensional e por conseguinte a sua capacidade catalítica. As enzimas também sofrem desnaturação a temperaturas baixas.

Apesar de serem sintetizadas in vivo, as enzimas podem funcionar fora da célula (in vitro), possibilitando o seu estudo funcional e estrutural. Podem também ser imobilizadas num suporte sintético para uso industrial (por exemplo, em biorreactores usados para limpeza de efluentes) ou laboratorial (por exemplo, em eléctrodos que detectam glicose, usando a enzima glicose oxidase).

Por serem catalisadores, uma mesma enzima pode catalisar várias vezes a mesma reacção, algo que o fazem muito rapidamente (milhares de vezes por segundo). No entanto, pela mesma razão, as enzimas não alteram o equilíbrio químico da reacção que catalisam.

As enzimas são específicas para o seu substrato, catalisando uma só reacção. Existem algumas enzimas que catalisam substratos similares, mas normalmente são mais específicas para um deles.

Nomenclatura[editar]

À medida que enzimas foram sendo descobertas, receberam nomes arbitrários. Como exemplo, a lisozima recebeu o seu nome por ter a capacidade de fazer a lise (ruptura) da parede celular de determinadas bactérias. Tendo nascido a necessidade de sistematizar os nomes das enzimas, foi decidido atribuir nomes relativos aos substratos que catalisam e contendo a terminação "-ase". Por exemplo, a amilase catalisa a hidrólise do amido e as proteases quebram ligações peptídicas.

Embora esta terminologia tenha simplificado a nomenclatura enzimática, a quantidade de enzimas conhecida (vários milhares) levou à criação de um sistema de divisão de diferentes tipos de enzimas. As enzimas dividem-se então em seis classes principais, de acordo com o tipo de reacção química que catalisam:

Classe 1 Oxidorredutases Catalisam reacções de oxirredução, transferindo electrões, hidretos (H-) ou protões (H+).
Classe 2 Transferases Transferem grupos químicos entre moléculas.
Classe 3 Hidrolases Utilizam a água como receptor de grupos funcionais de outras moléculas.
Classe 4 Liases Formam ou destroem ligações duplas, respectivamente retirando ou adicionando grupos funcionais.
Classe 5 Isomerases Transformam uma molécula num seu isómero.
Classe 6 Ligases Formam ligações químicas por reacções de condensação, consumindo energia sob a forma de ATP.

Cada classe divide-se, por sua vez, em subclasses, também numeradas. As subclasses definem em que tipo de grupo as enzimas actuam. Por exemplo, um determinado grupo de enzimas pode pertencer à subclasse EC 2.1, que engloba "enzimas que transferem grupos contendo um carbono". As subclasses dividem-se ainda em sub-subclasses; continuando com o mesmo exemplo, existe a classe EC 2.1.1, que engloba as metiltransferases, ou seja, enzimas que transferem um grupo metilo. Finalmente, cada enzima recebe um quarto dígito específico à reacção que catalisa; por exemplo, a enzima histamina N-metiltransferase tem o número EC 2.1.1.8 e catalisa especificamente a transferência de um grupo metilo para a histamina.

A nomenclatura das enzimas foi definida por uma comissão especializada, a Enzyme Committee (EC), que pertence à União Internacional de Bioquímica e Biologia Molecular (IUBMB). Cada enzima recebe então uma nomenclatura no formato EC X.Y.W.Z por esta razão. A Comissão de Nomenclatura da IUBMB (Nomenclature Committee of the International Union of Biochemistry and Molecular Biology, NC-IUBMB) é a responsável actual, em geral, pela nomenclatura de moléculas e processos relacionados à Bioquímica (e à Biologia Molecular).

Além do número EC, cada enzima possui um nome sistemático próprio, constituído pelos nomes dos substratos e da classe em que actuam. Usando o exemplo anterior da histamina N-metiltransferase (nome comum), esta enzima tem como nome sistemático S-adenosil-L-metionina:histamina N-tele-metiltransferase, indicando que a S-adenosil-L-metionina é o grupo dador, a histamina o aceitador, o grupo transferido é o metilo e a enzima é uma transferase. Os nomes comuns de enzimas são empregues de forma mais frequente que os sistemáticos para simplificação da escrita, em especial quando não existe possibilidade de confusão com outras enzimas (não existem, por exemplo, outras metiltransferases de histamina).