Enzima

A enzima glucosidase converte a maltose de açúcar em dois açúcares de glicose. Resíduos ativos do local em substrato vermelho, maltose em preto e cofactor NAD em amarelo. (PDB: 1OBB)

Enzimas () são proteínas que agem como catalisadores biológicos acelerando reações químicas. As moléculas sobre as quais as enzimas podem atuar são chamadas de substratos, e a enzima converte os substratos em diferentes moléculas conhecidas como produtos. Quase todos os processos metabólicos na célula precisam de catálise enzimática para ocorrer em taxas rápidas o suficiente para sustentar a vida. As vias metabólicas dependem de enzimas para catalisar etapas individuais. O estudo das enzimas é chamado de enzimologia e o campo da análise de pseudoenzimas reconhece que, durante a evolução, algumas enzimas perderam a capacidade de realizar catálise biológica, o que muitas vezes se reflete em suas sequências de aminoácidos e é incomum &# 39;pseudocatalítico' propriedades.

As enzimas são conhecidas por catalisar mais de 5.000 tipos de reações bioquímicas. Outros biocatalisadores são moléculas de RNA catalíticas, chamadas ribozimas. Enzimas' especificidade vem de suas estruturas tridimensionais únicas.

Como todos os catalisadores, as enzimas aumentam a taxa de reação diminuindo sua energia de ativação. Algumas enzimas podem fazer com que sua conversão de substrato em produto ocorra muitos milhões de vezes mais rápido. Um exemplo extremo é a orotidina 5'-fosfato descarboxilase, que permite uma reação que de outra forma levaria milhões de anos para ocorrer em milissegundos. Quimicamente, as enzimas são como qualquer catalisador e não são consumidas em reações químicas, nem alteram o equilíbrio de uma reação. As enzimas diferem da maioria dos outros catalisadores por serem muito mais específicas. A atividade enzimática pode ser afetada por outras moléculas: os inibidores são moléculas que diminuem a atividade enzimática e os ativadores são moléculas que aumentam a atividade. Muitas drogas terapêuticas e venenos são inibidores de enzimas. A atividade de uma enzima diminui acentuadamente fora de sua temperatura e pH ideais, e muitas enzimas são (permanentemente) desnaturadas quando expostas ao calor excessivo, perdendo sua estrutura e propriedades catalíticas.

Algumas enzimas são utilizadas comercialmente, por exemplo, na síntese de antibióticos. Alguns produtos domésticos usam enzimas para acelerar as reações químicas: enzimas em pós de lavagem biológicos quebram proteínas, amido ou manchas de gordura nas roupas, e enzimas no amaciante de carne quebram proteínas em moléculas menores, tornando a carne mais fácil de mastigar.

Etimologia e história

Eduard Buchner

No final do século 17 e início do século 18, a digestão da carne pelas secreções estomacais e a conversão do amido em açúcares por extratos de plantas e saliva eram conhecidas, mas os mecanismos pelos quais isso ocorria não haviam sido identificados.

O químico francês Anselme Payen foi o primeiro a descobrir uma enzima, a diástase, em 1833. Algumas décadas depois, ao estudar a fermentação do açúcar em álcool pela levedura, Louis Pasteur concluiu que essa fermentação era causada por uma força vital contida dentro as células de levedura chamadas "fermentos", que se pensava funcionar apenas dentro de organismos vivos. Ele escreveu que "fermentação alcoólica é um ato correlacionado com a vida e organização das células de levedura, não com a morte ou putrefação das células"

Em 1877, o fisiologista alemão Wilhelm Kühne (1837–1900) usou pela primeira vez o termo enzima, que vem do grego ἔνζυμον, "fermentado" ou "em fermento", para descrever este processo. A palavra enzima foi usada posteriormente para se referir a substâncias não vivas, como a pepsina, e a palavra fermento foi usada para se referir à atividade química produzida por organismos vivos.

Eduard Buchner apresentou seu primeiro artigo sobre o estudo de extratos de levedura em 1897. Em uma série de experimentos na Universidade de Berlim, ele descobriu que o açúcar era fermentado por extratos de levedura mesmo quando não havia células vivas de levedura na mistura. Ele chamou a enzima que provocou a fermentação da sacarose de "zimase". Em 1907, ele recebeu o Prêmio Nobel de Química por "sua descoberta da fermentação livre de células". Seguindo o exemplo de Buchner, as enzimas são geralmente nomeadas de acordo com a reação que realizam: o sufixo -ase é combinado com o nome do substrato (por exemplo, lactase é a enzima que cliva a lactose) ou ao tipo de reação (por exemplo, DNA polimerase forma polímeros de DNA).

A identidade bioquímica das enzimas ainda era desconhecida no início do século XX. Muitos cientistas observaram que a atividade enzimática estava associada às proteínas, mas outros (como o Prêmio Nobel Richard Willstätter) argumentaram que as proteínas eram meramente transportadoras para as verdadeiras enzimas e que as proteínas per se eram incapazes de catálise. Em 1926, James B. Sumner mostrou que a enzima urease era uma proteína pura e a cristalizou; ele fez o mesmo com a enzima catalase em 1937. A conclusão de que proteínas puras podem ser enzimas foi definitivamente demonstrada por John Howard Northrop e Wendell Meredith Stanley, que trabalharam com as enzimas digestivas pepsina (1930), tripsina e quimotripsina. Esses três cientistas receberam o Prêmio Nobel de Química de 1946.

A descoberta de que as enzimas podem ser cristalizadas acabou permitindo que suas estruturas fossem resolvidas por cristalografia de raios-x. Isso foi feito primeiro para a lisozima, uma enzima encontrada em lágrimas, saliva e clara de ovo que digere o revestimento de algumas bactérias; a estrutura foi resolvida por um grupo liderado por David Chilton Phillips e publicada em 1965. Essa estrutura de alta resolução da lisozima marcou o início do campo da biologia estrutural e o esforço para entender como as enzimas funcionam em um nível atômico de detalhe.

Classificação e nomenclatura

As enzimas podem ser classificadas por dois critérios principais: similaridade da sequência de aminoácidos (e, portanto, relação evolutiva) ou atividade enzimática.

Atividade enzimática. O nome de uma enzima geralmente é derivado de seu substrato ou da reação química que ela catalisa, com a palavra terminando em -ase. Exemplos são lactase, álcool desidrogenase e DNA polimerase. Diferentes enzimas que catalisam a mesma reação química são chamadas de isoenzimas.

A União Internacional de Bioquímica e Biologia Molecular desenvolveu uma nomenclatura para enzimas, os números CE (para "Enzyme Commission"). Cada enzima é descrita por "EC" seguido por uma sequência de quatro números que representam a hierarquia da atividade enzimática (do muito geral ao muito específico). Ou seja, o primeiro número classifica amplamente a enzima com base em seu mecanismo, enquanto os outros dígitos adicionam cada vez mais especificidade.

A classificação de nível superior é:

• CE 1, Oxidoreductases: catalisar reações de oxidação/redução
• CE 2, Transferases: transferir um grupo funcional (por exemplo. um grupo metil ou fosfato)
• CE 3, Hidrolases: catalisar a hidrólise de várias ligações
• CE 4, Lyases: cleave várias ligações por meios diferentes da hidrólise e da oxidação
• CE 5, Isomerases: mudanças de isomerização de catalisador dentro de uma única molécula
• CE 6, Ligases: junte-se a duas moléculas com ligações covalentes.
• EC 7, Translocases: catalisar o movimento de íons ou moléculas através das membranas, ou sua separação dentro das membranas.

Essas seções são subdivididas por outros recursos, como substrato, produtos e mecanismo químico. Uma enzima é totalmente especificada por quatro designações numéricas. Por exemplo, a hexoquinase (EC 2.7.1.1) é uma transferase (EC 2) que adiciona um grupo fosfato (EC 2.7) a um açúcar hexose, uma molécula contendo um grupo álcool (EC 2.7.1).

Semelhança de sequência. As categorias EC não refletem similaridade de sequência. Por exemplo, duas ligases com o mesmo número de CE que catalisam exatamente a mesma reação podem ter sequências completamente diferentes. Independentemente de sua função, as enzimas, como quaisquer outras proteínas, foram classificadas por sua similaridade de sequência em numerosas famílias. Essas famílias foram documentadas em dezenas de diferentes bancos de dados de proteínas e famílias de proteínas, como Pfam.

Estrutura

A atividade enzimática inicialmente aumenta com a temperatura (coeficiente Q10) até que a estrutura da enzima se desdobra (denaturação), levando a uma taxa ideal de reação a uma temperatura intermediária.

As enzimas são geralmente proteínas globulares, agindo sozinhas ou em complexos maiores. A sequência dos aminoácidos especifica a estrutura que por sua vez determina a atividade catalítica da enzima. Embora a estrutura determine a função, uma nova atividade enzimática ainda não pode ser prevista apenas pela estrutura. As estruturas enzimáticas se desdobram (desnaturam) quando aquecidas ou expostas a desnaturantes químicos e essa ruptura na estrutura normalmente causa uma perda de atividade. A desnaturação enzimática está normalmente ligada a temperaturas acima da temperatura de uma espécie. nível normal; como resultado, enzimas de bactérias que vivem em ambientes vulcânicos, como fontes termais, são valorizadas por usuários industriais por sua capacidade de funcionar em altas temperaturas, permitindo que reações catalisadas por enzimas sejam operadas em uma taxa muito alta.

As enzimas são geralmente muito maiores que seus substratos. Os tamanhos variam de apenas 62 resíduos de aminoácidos, para o monômero de 4-oxalocrotonato tautomerase, a mais de 2.500 resíduos na sintase de ácido graxo animal. Apenas uma pequena porção de sua estrutura (cerca de 2 a 4 aminoácidos) está diretamente envolvida na catálise: o sítio catalítico. Este sítio catalítico está localizado próximo a um ou mais sítios de ligação onde os resíduos orientam os substratos. O sítio catalítico e o sítio de ligação juntos compõem o sítio ativo da enzima. A maioria restante da estrutura da enzima serve para manter a orientação precisa e a dinâmica do sítio ativo.

Em algumas enzimas, nenhum aminoácido está diretamente envolvido na catálise; em vez disso, a enzima contém sítios para ligar e orientar os cofatores catalíticos. As estruturas enzimáticas também podem conter sítios alostéricos onde a ligação de uma pequena molécula causa uma alteração conformacional que aumenta ou diminui a atividade.

Existe um pequeno número de catalisadores biológicos baseados em RNA chamados ribozimas, que novamente podem atuar sozinhos ou em complexo com proteínas. O mais comum deles é o ribossomo, que é um complexo de proteínas e componentes catalíticos de RNA.

Mecanismo

Organização de estrutura enzimática e exemplo de lisozyme. Locais de ligação em azul, local catalítico em substrato vermelho e peptidoglycan em preto. (PDB: 9LYZ)

Ligação de substrato

As enzimas devem ligar seus substratos antes de poderem catalisar qualquer reação química. As enzimas são geralmente muito específicas quanto a quais substratos elas se ligam e, em seguida, a reação química catalisada. A especificidade é alcançada ligando bolsos com forma complementar, carga e características hidrofílicas/hidrofóbicas aos substratos. As enzimas podem, portanto, distinguir entre moléculas de substrato muito semelhantes para serem quimiosseletivas, regiosseletivas e estereoespecíficas.

Algumas das enzimas que mostram a maior especificidade e precisão estão envolvidas na cópia e expressão do genoma. Algumas dessas enzimas têm "leitura de prova" mecanismos. Aqui, uma enzima como a DNA polimerase catalisa uma reação em uma primeira etapa e, em seguida, verifica se o produto está correto em uma segunda etapa. Este processo de duas etapas resulta em taxas médias de erro de menos de 1 erro em 100 milhões de reações em polimerases de mamíferos de alta fidelidade. Mecanismos de revisão semelhantes também são encontrados em RNA polimerase, aminoacil tRNA sintetases e ribossomos.

Por outro lado, algumas enzimas exibem promiscuidade enzimática, possuindo ampla especificidade e atuando em uma variedade de diferentes substratos fisiologicamente relevantes. Muitas enzimas possuem pequenas atividades secundárias que surgiram fortuitamente (ou seja, de forma neutra), que podem ser o ponto de partida para a seleção evolutiva de uma nova função.

Enzyme muda a forma por induzido apto sobre a ligação do substrato para formar complexo de enzima-substrato. Hexokinase tem um grande movimento de ajuste induzido que fecha sobre os substratos trifosfato de adenosina e xilose. Locais de ligação em azul, substratos em preto e cofactor Mg2+ em amarelo. (PDB: 2E2N, 2E2Q)

"Fechadura e chave" modelo

Para explicar a especificidade observada das enzimas, em 1894 Emil Fischer propôs que tanto a enzima quanto o substrato possuem formas geométricas complementares específicas que se encaixam exatamente uma na outra. Isso geralmente é chamado de "a fechadura e a chave" modelo. Este modelo inicial explica a especificidade da enzima, mas falha em explicar a estabilização do estado de transição que as enzimas alcançam.

Modelo de ajuste induzido

Em 1958, Daniel Koshland sugeriu uma modificação no modelo de fechadura e chave: uma vez que as enzimas são estruturas bastante flexíveis, o sítio ativo é continuamente remodelado por interações com o substrato à medida que o substrato interage com a enzima. Como resultado, o substrato não se liga simplesmente a um sítio ativo rígido; as cadeias laterais de aminoácidos que compõem o sítio ativo são moldadas nas posições precisas que permitem que a enzima desempenhe sua função catalítica. Em alguns casos, como nas glicosidases, a molécula do substrato também muda ligeiramente de forma ao entrar no sítio ativo. O sítio ativo continua a mudar até que o substrato esteja completamente ligado, ponto no qual a forma final e a distribuição de carga são determinadas. O ajuste induzido pode aumentar a fidelidade do reconhecimento molecular na presença de competição e ruído por meio do mecanismo de revisão conformacional.

Catálise

As enzimas podem acelerar as reações de várias maneiras, todas diminuindo a energia de ativação (ΔG^‡, energia livre de Gibbs)

1. Estabilizando o estado de transição:
   • Criando um ambiente com uma distribuição de carga complementar à do estado de transição para diminuir sua energia
2. Ao fornecer uma via de reação alternativa:
   • Reagindo temporariamente com o substrato, formando um intermediário covalente para fornecer um estado de transição de energia menor
3. Desestabilizando o estado do substrato:
   • Distorção de substratos vinculados em sua forma de estado de transição para reduzir a energia necessária para alcançar o estado de transição
   • Ao orientar os substratos em um arranjo produtivo para reduzir a mudança de entropia de reação (a contribuição deste mecanismo para a catálise é relativamente pequena)

As enzimas podem usar vários desses mecanismos simultaneamente. Por exemplo, proteases como a tripsina realizam catálise covalente usando uma tríade catalítica, estabilizam o acúmulo de carga nos estados de transição usando um orifício oxiânion, hidrólise completa usando um substrato de água orientado.

Dinâmica

As enzimas não são estruturas rígidas e estáticas; em vez disso, eles têm movimentos dinâmicos internos complexos - isto é, movimentos de partes da estrutura da enzima, como resíduos de aminoácidos individuais, grupos de resíduos formando um loop de proteína ou unidade de estrutura secundária, ou mesmo um domínio de proteína inteiro. Esses movimentos dão origem a um conjunto conformacional de estruturas ligeiramente diferentes que se interconvertem em equilíbrio. Diferentes estados dentro deste conjunto podem estar associados a diferentes aspectos da função de uma enzima. Por exemplo, diferentes conformações da enzima diidrofolato redutase estão associadas às etapas de ligação do substrato, catálise, liberação do cofator e liberação do produto do ciclo catalítico, de acordo com a teoria da ressonância catalítica.

Apresentação do substrato

A apresentação do substrato é um processo em que a enzima é sequestrada de seu substrato. As enzimas podem ser sequestradas para a membrana plasmática longe de um substrato no núcleo ou no citosol. Ou dentro da membrana, uma enzima pode ser sequestrada em jangadas lipídicas longe de seu substrato na região desordenada. Quando a enzima é liberada ela se mistura com seu substrato. Alternativamente, a enzima pode ser sequestrada perto de seu substrato para ativar a enzima. Por exemplo, a enzima pode ser solúvel e, após ativação, ligar-se a um lipídio na membrana plasmática e então atuar sobre moléculas na membrana plasmática.

Modulação alostérica

Sítios alostéricos são bolsões na enzima, distintos do sítio ativo, que se ligam a moléculas no ambiente celular. Essas moléculas então causam uma mudança na conformação ou dinâmica da enzima que é transduzida para o sítio ativo e, assim, afeta a taxa de reação da enzima. Desta forma, as interações alostéricas podem inibir ou ativar enzimas. Interações alostéricas com metabólitos a montante ou a jusante na via metabólica de uma enzima causam regulação por retroalimentação, alterando a atividade da enzima de acordo com o fluxo através do restante da via.

Cofatores

Estrutura química para pirófato de tiamina e estrutura proteica da transketolase. Cofator de piropfosfato de Thiamine em substrato de 5-fosfato amarelo e xylulose em preto. (PDB: 4KXV)

Algumas enzimas não precisam de componentes adicionais para mostrar atividade total. Outros requerem moléculas não proteicas chamadas cofatores para serem ligadas para a atividade. Os cofatores podem ser inorgânicos (por exemplo, íons metálicos e aglomerados ferro-enxofre) ou compostos orgânicos (por exemplo, flavina e heme). Esses cofatores atendem a muitos propósitos; por exemplo, íons metálicos podem ajudar na estabilização de espécies nucleofílicas dentro do sítio ativo. Os cofatores orgânicos podem ser coenzimas, que são liberadas do sítio ativo da enzima durante a reação, ou grupos prostéticos, que estão fortemente ligados a uma enzima. Grupos prostéticos orgânicos podem ser ligados covalentemente (por exemplo, biotina em enzimas como piruvato carboxilase).

Um exemplo de enzima que contém um cofator é a anidrase carbônica, que usa um cofator de zinco ligado como parte de seu sítio ativo. Esses íons ou moléculas fortemente ligados são geralmente encontrados no sítio ativo e estão envolvidos na catálise. Por exemplo, os cofatores flavina e heme estão freqüentemente envolvidos em reações redox.

As enzimas que requerem um cofator, mas não têm um ligado, são chamadas de apoenzimas ou apoproteínas. Uma enzima junto com o(s) cofator(es) necessário(s) para a atividade é chamada de holoenzima (ou haloenzima). O termo holoenzima também pode ser aplicado a enzimas que contêm várias subunidades de proteínas, como as DNA polimerases; aqui a holoenzima é o complexo completo contendo todas as subunidades necessárias para a atividade.

Coenzimas

As coenzimas são pequenas moléculas orgânicas que podem estar fracamente ou fortemente ligadas a uma enzima. As coenzimas transportam grupos químicos de uma enzima para outra. Exemplos incluem NADH, NADPH e trifosfato de adenosina (ATP). Algumas coenzimas, como flavina mononucleotídeo (FMN), flavina adenina dinucleotídeo (FAD), tiamina pirofosfato (TPP) e tetraidrofolato (THF), são derivadas de vitaminas. Essas coenzimas não podem ser sintetizadas pelo corpo de novo e compostos intimamente relacionados (vitaminas) devem ser adquiridos da dieta. Os grupos químicos transportados incluem:

• o íon do hidreto (H)^{- Sim.}), transportado por NAD ou NADP+
• o grupo fosfato, transportado por trifosfato de adenosina
• o grupo acetil, transportado por coenzima A
• grupos formais, metenílicos ou metílicos, transportados por ácido fólico e
• o grupo metilo, transportado por S-adenosylmetionine

Uma vez que as coenzimas são alteradas quimicamente como consequência da ação enzimática, é útil considerá-las como uma classe especial de substratos, ou segundos substratos, que são comuns a muitas enzimas diferentes. Por exemplo, cerca de 1.000 enzimas são conhecidas por usar a coenzima NADH.

As coenzimas geralmente são continuamente regeneradas e suas concentrações mantidas em um nível estável dentro da célula. Por exemplo, o NADPH é regenerado pela via das pentoses fosfato e a S-adenosilmetionina pela metionina adenosiltransferase. Esta regeneração contínua significa que pequenas quantidades de coenzimas podem ser usadas de forma muito intensa. Por exemplo, o corpo humano transforma seu próprio peso em ATP a cada dia.

Termodinâmica

As energias dos estágios de uma reação química. Uncatalysed (linha tracejada), substratos precisam de muita energia de ativação para alcançar um estado de transição, que então decai em produtos de baixa energia. Quando a enzima catalisada (linha sólida), a enzima liga os substratos (ES), então estabiliza o estado de transição (ES)^‡) reduzir a energia de ativação necessária para produzir produtos (EP) que são finalmente liberados.

Assim como todos os catalisadores, as enzimas não alteram a posição do equilíbrio químico da reação. Na presença de uma enzima, a reação ocorre na mesma direção que ocorreria sem a enzima, apenas mais rapidamente. Por exemplo, a anidrase carbônica catalisa sua reação em qualquer direção, dependendo da concentração de seus reagentes:

[{text{Carbonic anhydrase}}]H2CO3}}}" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">CO2+H. H. H.2O→Anidrido carbônicoH. H. H.2CO3(CO2{}+H2O->[{text{Carbonic anhydrase}}]H2CO3}}}[{text{Carbonic anhydrase}}]H2CO3}}}" aria-hidden="true" class="mwe-math-fallback-image-inline" src="https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/cb4c8837b26e96fe552c17d863f93e0618cd998b" style="vertical-align: -1.005ex; margin-top: -0.329ex; width:36.285ex; height:4.509ex;"/> (em tecidos; alto CO2 concentração)

(1)

<math alttext="{displaystyle {ce {CO2{}+H2OCO2+H. H. H.2O←Anidrido carbônicoH. H. H.2CO3(CO2{}+H2O<-[{text{Carbonic anhydrase}}]H2CO3}}}<img alt="{displaystyle {ce {CO2{}+H2O (em pulmões; baixo CO2 concentração)

(2)

A velocidade de uma reação depende da energia de ativação necessária para formar o estado de transição que então decai em produtos. As enzimas aumentam as taxas de reação diminuindo a energia do estado de transição. Primeiro, a ligação forma um complexo enzima-substrato (ES) de baixa energia. Em segundo lugar, a enzima estabiliza o estado de transição de modo que requer menos energia para ser alcançado em comparação com a reação não catalisada (ES^‡). Finalmente, o complexo enzima-produto (EP) se dissocia para liberar os produtos.

As enzimas podem acoplar duas ou mais reações, de modo que uma reação termodinamicamente favorável possa ser usada para "conduzir" uma termodinamicamente desfavorável de modo que a energia combinada dos produtos é menor que a dos substratos. Por exemplo, a hidrólise do ATP é freqüentemente usada para conduzir outras reações químicas.

Cinética

Um mecanismo de reação química com ou sem catálise da enzima. A enzima (E) liga o substrato (S) para produzir o produto (P).

Curva de saturação para uma reação enzimática mostrando a relação entre a concentração do substrato e a taxa de reação.

A cinética enzimática é a investigação de como as enzimas ligam substratos e os transformam em produtos. Os dados de taxa usados em análises cinéticas são comumente obtidos de ensaios enzimáticos. Em 1913, Leonor Michaelis e Maud Leonora Menten propuseram uma teoria quantitativa da cinética enzimática, conhecida como cinética de Michaelis-Menten. A maior contribuição de Michaelis e Menten foi pensar nas reações enzimáticas em dois estágios. Na primeira, o substrato liga-se reversivelmente à enzima, formando o complexo enzima-substrato. Isso às vezes é chamado de complexo Michaelis-Menten em sua homenagem. A enzima então catalisa a etapa química da reação e libera o produto. Este trabalho foi desenvolvido por G. E. Briggs e J. B. S. Haldane, que derivaram equações cinéticas que ainda são amplamente utilizadas hoje.

As taxas de enzimas dependem das condições da solução e da concentração do substrato. Para encontrar a velocidade máxima de uma reação enzimática, a concentração do substrato é aumentada até que uma taxa constante de formação do produto seja observada. Isso é mostrado na curva de saturação à direita. A saturação acontece porque, à medida que a concentração do substrato aumenta, mais e mais da enzima livre é convertida no complexo ES ligado ao substrato. Na taxa de reação máxima (V_max) da enzima, todos os sítios ativos da enzima estão ligados ao substrato, e a quantidade de complexo ES é a mesma que a quantidade total de enzima.

V_max é apenas um dos vários parâmetros cinéticos importantes. A quantidade de substrato necessária para atingir uma determinada taxa de reação também é importante. Isso é dado pela constante de Michaelis-Menten (K_m), que é a concentração de substrato necessária para uma enzima atingir metade de sua taxa máxima de reação; geralmente, cada enzima tem um K_M característico para um determinado substrato. Outra constante útil é k_cat, também chamada de turnover number, que é o número de moléculas de substrato tratadas por um sítio ativo por segundo.

A eficiência de uma enzima pode ser expressa em termos de k_gato/KK_m. Isso também é chamado de constante de especificidade e incorpora as constantes de taxa para todos os passos na reação até e incluindo o primeiro passo irreversível. Como a constante de especificidade reflete tanto a afinidade quanto a capacidade catalítica, é útil para comparar diferentes enzimas entre si, ou a mesma enzima com diferentes substratos. O máximo teórico para a constante de especificidade é chamado de limite de difusão e é de cerca de 10⁸ a 10⁹ (M)^{- Sim.} S^{- Sim.}). Neste ponto cada colisão da enzima com seu substrato resultará em catálise, e a taxa de formação de produto não é limitada pela taxa de reação, mas pela taxa de difusão. Enzimas com esta propriedade são chamados catalisticamente perfeito ou kinetically perfeito. Exemplo de tais enzimas são isomerase triose-fosfato, anhidrase carbônica, acetilcolinesterase, catalase, fumarase, β-lactamase e dismutase superóxido. O volume de negócios dessas enzimas pode atingir vários milhões de reações por segundo. Mas a maioria das enzimas estão longe de perfeito: os valores médios de kcum)/KKm- Não. {cat}}/K_{rm Não. e kcum)Não. Não. sobre 10.5S- Sim. - Sim. 1M- Sim. - Sim. 1- Sim. (sem) {M}}^{-1}} e 10.S- Sim. - Sim. 1{displaystyle 10{rm {s}}^{-1}}}}, respectivamente.

A cinética de Michaelis–Menten depende da lei da ação das massas, que é derivada das suposições de difusão livre e colisão aleatória conduzida termodinamicamente. Muitos processos bioquímicos ou celulares desviam-se significativamente dessas condições, por causa da aglomeração macromolecular e do movimento molecular restrito. Extensões mais recentes e complexas do modelo tentam corrigir esses efeitos.

Inibição

O ácido fólico coenzima (esquerda) e o medicamento anti-câncer methotrexate (direita) são muito semelhantes na estrutura (diferenças mostram em verde). Como resultado, methotrexate é um inibidor competitivo de muitas enzimas que usam folatos.

As taxas de reação enzimática podem ser diminuídas por vários tipos de inibidores enzimáticos.

Tipos de inibição

Competitivo

Um inibidor competitivo e um substrato não podem se ligar à enzima ao mesmo tempo. Freqüentemente, os inibidores competitivos se assemelham fortemente ao substrato real da enzima. Por exemplo, o fármaco metotrexato é um inibidor competitivo da enzima diidrofolato redutase, que catalisa a redução do diidrofolato a tetraidrofolato. A semelhança entre as estruturas do dihidrofolato e dessa droga é mostrada na figura a seguir. Este tipo de inibição pode ser superado com alta concentração de substrato. Em alguns casos, o inibidor pode se ligar a um sítio diferente do sítio de ligação do substrato usual e exercer um efeito alostérico para alterar a forma do sítio de ligação usual.

Não competitivo

Um inibidor não competitivo se liga a um local diferente daquele onde o substrato se liga. O substrato ainda se liga com sua afinidade usual e, portanto, K_m permanece o mesmo. No entanto, o inibidor reduz a eficiência catalítica da enzima de modo que o V_max seja reduzido. Em contraste com a inibição competitiva, a inibição não competitiva não pode ser superada com alta concentração de substrato.

Não competitivo

Um inibidor não competitivo não pode se ligar à enzima livre, apenas ao complexo enzima-substrato; portanto, esses tipos de inibidores são mais eficazes em altas concentrações de substrato. Na presença do inibidor, o complexo enzima-substrato é inativo. Este tipo de inibição é raro.

Misto

Um inibidor misto se liga a um sítio alostérico e a ligação do substrato e do inibidor afetam um ao outro. A função da enzima é reduzida, mas não eliminada quando ligada ao inibidor. Este tipo de inibidor não segue a equação de Michaelis-Menten.

Irreversível

Um inibidor irreversível inativa permanentemente a enzima, geralmente formando uma ligação covalente com a proteína. A penicilina e a aspirina são drogas comuns que agem dessa maneira.

Funções dos inibidores

Em muitos organismos, os inibidores podem atuar como parte de um mecanismo de feedback. Se uma enzima produz muito de uma substância no organismo, essa substância pode atuar como um inibidor da enzima no início da via que a produz, fazendo com que a produção da substância diminua ou pare quando houver quantidade suficiente. Esta é uma forma de feedback negativo. As principais vias metabólicas, como o ciclo do ácido cítrico, fazem uso desse mecanismo.

Como os inibidores modulam a função das enzimas, eles são frequentemente usados como drogas. Muitas dessas drogas são inibidores competitivos reversíveis que se assemelham ao substrato nativo da enzima, semelhante ao metotrexato acima; outros exemplos bem conhecidos incluem estatinas usadas para tratar colesterol alto e inibidores de protease usados para tratar infecções retrovirais como o HIV. Um exemplo comum de inibidor irreversível usado como medicamento é a aspirina, que inibe as enzimas COX-1 e COX-2 que produzem a prostaglandina, mensageira da inflamação. Outros inibidores de enzimas são venenos. Por exemplo, o veneno cianeto é um inibidor enzimático irreversível que se combina com o cobre e o ferro no sítio ativo da enzima citocromo c oxidase e bloqueia a respiração celular.

Fatores que afetam a atividade enzimática

Como as enzimas são constituídas por proteínas, suas ações são sensíveis a mudanças em muitos fatores físico-químicos, como pH, temperatura, concentração de substrato, etc.

A tabela a seguir mostra o pH ideal para várias enzimas.

Função biológica

As enzimas desempenham uma ampla variedade de funções dentro dos organismos vivos. Eles são indispensáveis para a transdução de sinal e regulação celular, muitas vezes via quinases e fosfatases. Eles também geram movimento, com trifosfato de adenosina hidrolisante de miosina (ATP) para gerar contração muscular e também transportam carga ao redor da célula como parte do citoesqueleto. Outras ATPases na membrana celular são bombas iônicas envolvidas no transporte ativo. As enzimas também estão envolvidas em funções mais exóticas, como a luciferase gerando luz em vaga-lumes. Os vírus também podem conter enzimas para infectar células, como a integrase do HIV e a transcriptase reversa, ou para liberação viral das células, como a neuraminidase do vírus influenza.

Uma função importante das enzimas está nos sistemas digestivos dos animais. Enzimas como amilases e proteases quebram moléculas grandes (amido ou proteínas, respectivamente) em moléculas menores, para que possam ser absorvidas pelos intestinos. As moléculas de amido, por exemplo, são grandes demais para serem absorvidas no intestino, mas as enzimas hidrolisam as cadeias de amido em moléculas menores, como maltose e, eventualmente, glicose, que podem então ser absorvidas. Diferentes enzimas digerem diferentes substâncias alimentares. Em ruminantes, que têm dietas herbívoras, os microorganismos no intestino produzem outra enzima, a celulase, para quebrar as paredes celulares de celulose da fibra vegetal.

Metabolismo

O caminho metabólico da glicólise libera energia convertendo a glicose ao piruvato através de uma série de metabolitos intermediários. Cada modificação química (caixa vermelha) é realizada por uma enzima diferente.

Várias enzimas podem trabalhar juntas em uma ordem específica, criando vias metabólicas. Em uma via metabólica, uma enzima leva o produto de outra enzima como substrato. Após a reação catalítica, o produto é passado para outra enzima. Às vezes, mais de uma enzima pode catalisar a mesma reação em paralelo; isso pode permitir uma regulação mais complexa: com, por exemplo, uma baixa atividade constante fornecida por uma enzima, mas uma alta atividade induzível de uma segunda enzima.

As enzimas determinam quais etapas ocorrem nessas vias. Sem as enzimas, o metabolismo não progrediria pelas mesmas etapas e não poderia ser regulado para atender às necessidades da célula. A maioria das vias metabólicas centrais é regulada em algumas etapas-chave, normalmente por meio de enzimas cuja atividade envolve a hidrólise de ATP. Como essa reação libera muita energia, outras reações que são termodinamicamente desfavoráveis podem ser acopladas à hidrólise de ATP, conduzindo a série geral de reações metabólicas ligadas.

Controle de atividade

Existem cinco maneiras principais pelas quais a atividade enzimática é controlada na célula.

Regulamento

As enzimas podem ser ativadas ou inibidas por outras moléculas. Por exemplo, o(s) produto(s) final(ais) de uma via metabólica são frequentemente inibidores de uma das primeiras enzimas da via (geralmente a primeira etapa irreversível, denominada etapa comprometida), regulando assim a quantidade de produto final produzida pelas vias. Esse mecanismo regulador é chamado de mecanismo de feedback negativo, porque a quantidade do produto final produzido é regulada por sua própria concentração. O mecanismo de feedback negativo pode efetivamente ajustar a taxa de síntese de metabólitos intermediários de acordo com as demandas das células. Isso ajuda na alocação efetiva de materiais e na economia de energia, além de evitar o excesso de fabricação de produtos finais. Como outros dispositivos homeostáticos, o controle da ação enzimática ajuda a manter um ambiente interno estável nos organismos vivos.

Modificação pós-tradução

Exemplos de modificação pós-tradução incluem fosforilação, miristoilação e glicosilação. Por exemplo, na resposta à insulina, a fosforilação de várias enzimas, incluindo a glicogênio sintase, ajuda a controlar a síntese ou a degradação do glicogênio e permite que a célula responda às alterações no açúcar no sangue. Outro exemplo de modificação pós-traducional é a clivagem da cadeia polipeptídica. A quimotripsina, uma protease digestiva, é produzida na forma inativa como quimotripsinogênio no pâncreas e transportada nessa forma para o estômago, onde é ativada. Isso impede que a enzima digira o pâncreas ou outros tecidos antes de entrar no intestino. Esse tipo de precursor inativo de uma enzima é conhecido como zimogênio ou pró-enzima.

Quantidade

A produção de enzimas (transcrição e tradução de genes enzimáticos) pode ser aumentada ou diminuída por uma célula em resposta a mudanças no ambiente da célula. Essa forma de regulação gênica é chamada de indução enzimática. Por exemplo, as bactérias podem se tornar resistentes a antibióticos como a penicilina porque enzimas chamadas beta-lactamases são induzidas para hidrolisar o anel beta-lactâmico crucial dentro da molécula de penicilina. Outro exemplo vem de enzimas no fígado chamadas citocromo P450 oxidases, que são importantes no metabolismo de drogas. A indução ou inibição dessas enzimas pode causar interações medicamentosas. Os níveis de enzimas também podem ser regulados alterando a taxa de degradação enzimática. O oposto da indução enzimática é a repressão enzimática.

Distribuição subcelular

As enzimas podem ser compartimentadas, com diferentes vias metabólicas ocorrendo em diferentes compartimentos celulares. Por exemplo, os ácidos graxos são sintetizados por um conjunto de enzimas no citosol, retículo endoplasmático e Golgi e usados por um conjunto diferente de enzimas como fonte de energia na mitocôndria, por meio da β-oxidação. Além disso, o tráfego da enzima para diferentes compartimentos pode alterar o grau de protonação (por exemplo, citoplasma neutro e lisossomo ácido) ou estado oxidativo (por exemplo, periplasma oxidante ou citoplasma redutor) que, por sua vez, afeta a atividade enzimática. Em contraste com a partição em organelas ligadas à membrana, a localização subcelular da enzima também pode ser alterada através da polimerização de enzimas em filamentos citoplasmáticos macromoleculares.

Especialização em órgãos

Em eucariotos multicelulares, as células em diferentes órgãos e tecidos têm diferentes padrões de expressão gênica e, portanto, diferentes conjuntos de enzimas (conhecidas como isoenzimas) disponíveis para reações metabólicas. Isso fornece um mecanismo para regular o metabolismo geral do organismo. Por exemplo, a hexoquinase, a primeira enzima na via da glicólise, tem uma forma especializada chamada glucoquinase, expressa no fígado e no pâncreas, que tem menor afinidade pela glicose, mas é mais sensível à concentração de glicose. Esta enzima está envolvida na detecção de açúcar no sangue e na regulação da produção de insulina.

Envolvimento em doença

Na hidroxia fenilalanina mais de 300 mutações diferentes em toda a estrutura causam fenilketonúria. substrato de Phenylalanine e tetrahydrobiopterin coenzyme em preto, e Fe2+ cofactor em amarelo. (PDB: 1KW0)

Defeitos hereditários em enzimas são geralmente herdados de forma autossômica, porque há mais cromossomas não-X do que cromossomos X, e uma forma recessiva porque as enzimas dos genes não afetados são geralmente suficientes para prevenir sintomas em portadores.

Uma vez que o controle rígido da atividade enzimática é essencial para a homeostase, qualquer mau funcionamento (mutação, superprodução, subprodução ou deleção) de uma única enzima crítica pode levar a uma doença genética. O mau funcionamento de apenas um tipo de enzima entre os milhares existentes no corpo humano pode ser fatal. Um exemplo de doença genética fatal devido à insuficiência enzimática é a doença de Tay-Sachs, na qual os pacientes não possuem a enzima hexosaminidase.

Um exemplo de deficiência enzimática é o tipo mais comum de fenilcetonúria. Muitas mutações diferentes de um único aminoácido na enzima fenilalanina hidroxilase, que catalisa a primeira etapa na degradação da fenilalanina, resultam no acúmulo de fenilalanina e produtos relacionados. Algumas mutações estão no sítio ativo, interrompendo diretamente a ligação e a catálise, mas muitas estão longe do sítio ativo e reduzem a atividade desestabilizando a estrutura da proteína ou afetando a oligomerização correta. Isso pode levar à deficiência intelectual se a doença não for tratada. Outro exemplo é a deficiência de pseudocolinesterase, na qual a capacidade do corpo de decompor as drogas do éster de colina é prejudicada. A administração oral de enzimas pode ser usada para tratar algumas deficiências enzimáticas funcionais, como insuficiência pancreática e intolerância à lactose.

Outra maneira pela qual o mau funcionamento das enzimas pode causar doenças vem de mutações germinativas em genes que codificam as enzimas de reparo do DNA. Defeitos nessas enzimas causam câncer porque as células são menos capazes de reparar mutações em seus genomas. Isso causa um acúmulo lento de mutações e resulta no desenvolvimento de cânceres. Um exemplo dessa síndrome de câncer hereditário é o xeroderma pigmentoso, que causa o desenvolvimento de cânceres de pele em resposta a uma exposição mínima à luz ultravioleta.

Evolução

Semelhante a qualquer outra proteína, as enzimas mudam ao longo do tempo por meio de mutações e divergência de sequência. Dado o seu papel central no metabolismo, a evolução da enzima desempenha um papel crítico na adaptação. Uma questão chave é, portanto, se e como as enzimas podem alterar suas atividades enzimáticas paralelamente. É geralmente aceito que muitas novas atividades enzimáticas evoluíram por meio da duplicação de genes e mutação das cópias duplicadas, embora a evolução também possa ocorrer sem duplicação. Um exemplo de uma enzima que mudou sua atividade é o ancestral da metionil aminopeptidase (MAP) e da creatina amidinohidrolase (creatinase), que são claramente homólogas, mas catalisam reações muito diferentes (MAP remove a metionina amino-terminal em novas proteínas, enquanto a creatinase hidrolisa a creatina para sarcosina e ureia). Além disso, o MAP é dependente de íons metálicos, enquanto a creatinase não é, portanto, essa propriedade também foi perdida com o tempo. Pequenas mudanças na atividade enzimática são extremamente comuns entre as enzimas. Em particular, a especificidade de ligação ao substrato (veja acima) pode mudar fácil e rapidamente com alterações de um único aminoácido em seus bolsos de ligação ao substrato. Isso é frequentemente observado nas principais classes de enzimas, como as quinases.

A evolução artificial (in vitro) agora é comumente usada para modificar a atividade enzimática ou a especificidade para aplicações industriais (veja abaixo).

Aplicações industriais

As enzimas são usadas na indústria química e outras aplicações industriais quando são necessários catalisadores extremamente específicos. Enzimas em geral são limitadas no número de reações que evoluíram para catalisar e também por sua falta de estabilidade em solventes orgânicos e em altas temperaturas. Como consequência, a engenharia de proteínas é uma área ativa de pesquisa e envolve tentativas de criar novas enzimas com novas propriedades, seja por meio de design racional ou evolução in vitro. Esses esforços começaram a ser bem-sucedidos e algumas enzimas foram projetadas "do zero" para catalisar reações que não ocorrem na natureza.