Introdução
No presente trabalho de da cadeira de bioquímica, que tem como objectivo debruçar sobre enzimas, nota-se que as enzimas são substâncias sólidas, mas difíceis de serem cristalizadas devido à complexidade de suas estruturas químicas. Com algumas exceções, são solúveis em água e álcool diluído, e quando em solução são precipitadas pela adição de sulfato de amônio, álcool ou ácido tricloroacético. São inativadas pelo calor e esta, talvez, seja a propriedade mais importante desses compostos em relação à tecnologia de alimentos.
Quimicamente as enzimas são proteínas com uma estrutura química especial, contendo um centro ativo, denominado apoenzima e algumas vezes um grupo não protéico, denominado coenzima. À molécula toda (apoenzima e coenzima) é dada o nome de haloenzima. Dependendo de tipo de ligação, o grupo prostético pode ser separado da proteína por métodos brandos, como por exemplo, diálise.
Grande parte das proteínas sintetizadas na célula são enzimas, referidas como enzimas intracelulares, citoplasmáticas. Somente podem ser obtidas e avaliadas por rompimento da célula. Mas, esta também tem a capacidade de sintetizar enzimas que são excretadas para fora da célula, podendo ser encontradas no meio de cultivo ou de propagação celular, lá sendo mais facilmente isoladas e avaliadas. São as enzimas extracelulares. Acredita-se que estas são sintetizadas nos ribossomos ligados à membrana celular, de lá passando para fora sob forma linear, assumindo sua conformação própria e característica, fora da célula.
Quase todas enzimas preparadas em escala industrial até hoje são extracelulares, porque seu isolamento dos meios ou caldos de cultivo é geralmente mais simples, embora elas se encontrem sob forma muito diluída nestes meios, o que pode tornar o seu isolamento muito dispendioso. Porém a maior parte das enzimas é intracelular, porque lá são continuamente sintetizadas metabolicamente. Para elaboração deste trabalho usou-se como processo metodológico a consulta bibliográfica.
Obejctivos
Geral:
Explicar sobre enzimas e seu processo.
Específicos:
Descrever a importância de enzimas.
Identificar os factores que influenciam as actividades enzimáticas.
Descrever a classificação de enzimas.
Conceito de Enzima e Estrutura
As enzimas são catalisadores muito potentes e eficazes, quimicamente são definidas como proteínas.
Proteínas são moléculas compostas por aminoácidos, unidos por ligações peptídicas. Os aminoácidos apresentam em sua fórmula química um grupo carboxílico (- COOH), um grupo amino (-NH2) e um radical R conforme, pode-se visualizar na seguinte representação esquemática:
H
I
R - C - COOH
I
NH2
Os aminoácidos são diferenciados de acordo com o grupo R ligado ao carbono
assimétrico. Na natureza, são encontrados 20 aminoácidos, podendo-se citar como exemplos Glicina, Alanina e Valina (R alifático não polar); Fenilalanina, Tirosina e Triptofano (R aromático).
Um catalisador é uma substância que acelera uma reação química, até torná-la instantânea ou quase instantânea, ao diminuir a energia de ativação. Como catalisadores, as enzimas atuam em pequena quantidade e se recuperam indefinidamente. Não levam a cabo reações que sejam energeticamente desfavoráveis, não modificam o sentido dos equilíbrios químicos, mas aceleram sua realização. As figuras 1 e 2 ilustram o efeito catalítico das enzimas.
Figura 1: Reação catalisada por uma enzima.
Figura 2: Ação do catalisador.
Algumas enzimas são capazes de aumentar a taxa de certas reações cerca de 1014 vezes, sem requerer condições extremas de temperatura, pressão e pH. O contraste entre reações catalisadas por enzimas e utilizando catalisadores químicos é bem ilustrado pelo processo de fixação do nitrogênio (redução do N2 a amônia). A nitrogenase catalisa a reação a temperaturas em torno de 300K e pH próximo da neutralidade. Por outro lado, na síntese industrial da amônia a partir de nitrogênio e hidrogênio as condições usadas são: temperaturas entre 700 e 900K, pressão entre 100 e 900atm, na presença de ferro e outros óxidos metálicos como catalisadores.
Atividade Enzimática
As enzimas apresentam a capacidade de reagir com determinados constituintes das células, denominados substratos, formando complexos, ou mesmo compostos com ligações covalentes e esse fato é denominado atividade biológica. Esta atividade vai depender da estrutura da proteína, isto é, do número de cadeias peptídicas e arranjo dessas cadeias na molécula, da natureza do substrato e ainda, se existir, da natureza do grupo prostético.
A determinação da atividade enzimática envolve a medida da velocidade de reação. Segundo a Enzyme Commission, “uma unidade (U) de atividade é a quantidade de enzima que catalisa a transformação de 1 micromol de substrato ou a formação de 1 micromol de produto por minuto”, nas estabelecidas condições do ensaio (temperatura, pH, concentração de substrato). A atividade específica é expressa em termos de atividade por miligrama de proteína (U/mg).
A atividade enzimática pode ser medida com a enzima pura e em condições tais que permita que a velocidade de reação seja máxima, o que significa que o substrato [S] deve estar em concentração elevada, de modo a permitir que toda a enzima [E] esteja transformada em um complexo ativado [ES]. Neste caso a velocidade [V] da reação, proporcional à concentração enzimática, será também proporcional ao complexo ES.
V = k [E] = k [ES]
A velocidade das reações enzimáticas varia com fatores diversos como concentração de enzima ou de substrato, temperatura e pH.
Importância das enzimas
As enzimas estão no centro de cada um dos processos bioquímicos. Atuando em sequências organizadas, elas catalisam cada uma das reações das centenas de etapas que degradam as moléculas dos nutrientes, que conservam e transformam energia química e que constroem as macromoléculas biológicas a partir de precursores elementares.
O estudo das enzimas tem imensa importância prática. Em algumas doenças, especialmente nas doenças genéticas hereditárias, pode haver uma deficiência ou mesmo ausência total de uma ou mais enzimas. Outras doenças podem ser causadas pela atividade excessiva de determinada enzima.
A determinação das atividades de enzimas no plasma sanguíneo, nas hemácias ou em amostras de tecidos é importante no diagnóstico de certas enfermidades. Muitos medicamentos agem por interação com enzimas. As enzimas também são ferramentas importantes na engenharia química, tecnologia de alimentos e agricultura.
Funcionamento das Enzimas
As enzimas atuam ligando-se a substratos específicos em locais específicos. Ao fim do processo, elas são liberadas para catalizarem novas reações.
A energia necessária para que uma reação inicie é chamada de energia de ativação. As enzimas atuam reduzindo essa energia de ativação e fazendo com que a reação ocorra de forma mais rápida do que na ausência dela. Essa capacidade catalizadora das enzimas aumenta a velocidade das reações em cerca de 1014 vezes.
A ação das enzimas ocorre por sua associação temporária com as moléculas que estão reagindo, aproximando-as. Com isso, as enzimas podem enfraquecer também as ligações químicas existentes, facilitando a formação de novas ligações. Elas se ligam a moléculas específicas, denominadas de substratos, e em locais específicos, os sítios de ativação, formando um complexo transitório. Ao fim do processo, esse complexo decompõe-se, liberando os produtos e a enzima, que, geralmente, recupera sua forma, podendo usada novamente para catalisar reações.
As enzimas atuam em cadeia, sendo que diversas delas podem atuar em sequência, num determinado conjunto de reações, formando as chamadas vias metabólicas. Uma célula apresenta diversas vias metabólicas, cada uma responsável por uma função específica, por exemplo, a síntese de substâncias, como os aminoácidos.
Especificidade
Existe uma correlação entre a estrutura das proteínas ou peptídeos que fazem parte da molécula enzimática e suas propriedades biológicas, e esta propriedade leva a uma especificidade extraordinariamente alta e reproduzível. Provavelmente apenas uma fração da molécula, denominada sítio ativo, é a responsável pela ligação da enzima ao substrato ou substratos, e essa fração determinaria a especificidade enzimática. A figura 3 mostra um esquema geral da ligação estabelecida entre enzima e substrato em uma reação enzimática, com a liberação dos produtos formados ao final da reação.
Figura 3: Representação geral da ligação enzima-substrato*
* O composto sobre o qual a enzima atua chama-se substrato. O substrato se une a uma região concreta da enzima, chamada sítio ativo. Uma vez formados os produtos, a enzima pode iniciar um novo ciclo de reação.
Alguns modelos foram propostos para explicar o tipo de ligação estabelecida entre enzima e substrato.
Emil Fischer desenvolveu no século passado o conceito de especificidade enzimática, estabelecendo que existe uma relação estérica entre enzima e substrato. Em 1894 enunciou a sua teoria na qual a especificidade enzimática é comparada a um conjunto de chave e fechadura onde a chave, neste caso o substrato, deve se ajustar à fechadura, neste caso a enzima (figura 4). Assim, cada enzima agiria sobre um número muito limitado de compostos.
Figura 4: Representação esquemática do modelo proposto por Fischer.
Entre 1950 e 1960 um número de observações feitas sugeriu que enzimas apresentam considerável flexibilidade. Em 1958 Koshland propôs o modelo do ajuste induzido para explicar o poder catalítico e especificidade apresentada por enzimas. Segundo esta teoria, em alguns casos, o sítio ativo adota a conformação idônea só em presença do substrato e a união do substrato ao sítio ativo da enzima, desencadeia uma troca conformacional (arranjo espacial dos grupamentos R dos aminoácidos) que dá lugar a formação de produto.
Monod et al., propuseram um modelo alostérico para explicar quantitativamente como a atividade de certas enzimas pode ser regulada pela ligação de pequenas moléculas e isto serviu de base para entender muitas características de controle de enzimas na célula. Uma importante característica do modelo alostérico, em geral, é que a ligação de pequenas moléculas nas enzimas induz mudanças estruturais.
A especificidade das enzimas varia muito de uma enzima para outra, sendo muito baixa para algumas enzimas e muito alta para outras. É chamada especificidade baixa, quando esta relação existe apenas em relação a tipos de ligação, como certas peptidases (ligações peptídicas), fosfatases (ligações fosfato-éster) e estearases (ligações carboxi- éster, podendo-se citar a lipase que hidrolisa as ligações ácido-álcool de quase todos os ésteres orgânicos). A especificidade baixa é mais comumente encontrada em enzimas degradativas, mas é raramente encontrada em enzimas biosintéticas. Um conjunto intermediário de enzimas apresenta especificidade de grupo, como as hexoquinases, que catalisam a fosforilação de uma variedade de açúcares contanto que sejam aldohexoses. A especificidade absoluta, é o tipo de especificidade exclusiva, isto é, quando uma enzima atua somente sobre um determinado composto, como a urease que hidrolisa a uréia, mas nenhum de seus derivados, ou a tripsina, que hidrolisa apenas ligações peptídicas formadas por grupos carboxílicos dos aminoácidos básicos. Esta enzima é de importância extraordinária na determinação da sequência de aminoácidos em proteínas.
Outro aspecto importante da especificidade das enzimas é a sua estereo- especificidade com relação ao substrato. Uma enzima pode ter uma especificidade ótica em relação aos isômeros D e L dos aminoácidos. A maioria das enzimas hidrolisa apenas ligações peptídicas de L-aminoácidos, o que deveria ser esperado, já que as proteínas enzimáticas são constituídas por L-aminoácidos e tem conformações determinadas.
Classificação Enzimática
A classificação das enzimas foi uniformizada pela Comissão de Enzima da União Internacional de Bioquímica que dividiu as enzimas em seis grandes grupos, de acordo com o tipo de reação em que atuam.
Classe 1. Óxido-redutases: reações de óxido-redução ou transferências de elétrons (íons hidreto ou átomos de H).
Exemplos: desidrogenases e peroxidases.
Classe 2. Transferases: reações de transferências de grupos funcionais entre as moléculas.
Exemplos: aminotransferases e quinases.
Classe 3. Hidrolases: reações de hidrólise, em que ocorre a quebra de uma molécula em moléculas menores com a participação da água.
Exemplos: amilase, pepsina e tripsina.
Classe 4. Liases: reações em que pode ocorrer a adição de grupos a duplas ligações ou a remoção de grupos deixando dupla ligação.
Exemplo: fumarase.
Classe 5. Isomerase: reações em que ocorrem a formação de isômeros.
Exemplo: epimerase.
Classe 6. Ligase: reações de síntese em que ocorre a união de moléculas com gasto de energia, geralmente, proveniente do ATP.
Exemplo: Sintetases.
Propriedades e ações das enzimas
Nomenclatura
Antigamente, as enzimas recebiam nomes particulares, de acordo com seu descobridor. Conforme foi aumentando o número de enzimas conhecidas, se fez necessária uma nomenclatura sistemática que informasse sobre a ação específica de cada enzima e os substratos sobre os quais atuava.
necessária uma nomenclatura sistemática que informasse sobre a ação específica de cada enzima e os substratos sobre os quais atuava.
O nome sistemático de uma enzima consta de três partes:
O substrato preferente
O tipo de reação catalisada
Terminação “ase”
Um exemplo seria a glucose fosfato isomerase que catalisa a isomerização da glucose-6-fosfato em frutose-6-fosfato. Muitas enzimas catalisam reações reversíveis. Não há uma maneira única para fixar qual dos sentidos se utiliza para nomear a enzima. Assim, a glicose fosfato isomerase também poderia chamar-se frutose fosfato isomerase. Quando a reação típica da enzima é a hidrólise do substrato, o segundo componente do nome se omite e, por exemplo, a lactose hidrolase chama-se simplesmente lactase. Além dos nomes sistemáticos, ainda persistem outros consagrados pelo uso. Assim, a glucose- ATP-fosforilase é denominada habitualmente glucoquinase.
Atualmente a nomenclatura mais aceita é a recomendada pela Enzyme Commission, segundo a qual, o nome de cada enzima pode ser identificado iniciado-se pelas letras EC, seguida por um código numérico composto de quatro números separados por pontos. O primeiro número indica a qual das seis classes pertence a enzima, o segundo se refere a distintas subclasses dentro de cada grupo, o terceiro e o quarto se referem aos grupos químicos específicos que intervêm na reação (na página da Enzyme Comission, pode-se obter maiores informações sobre todas as classes e subclasses das enzimas.
Assim, a ATP-glucose-fosfotransferase (glucoquinase) se define como EC 2.7.1.2. O número 2 indica que é uma transferase, o 7 que é uma fosfotransferase, o 1 indica que o aceptor é um grupo OH e o último 2 indica que é um OH da D-glucose que acepta o grupo fosfato.
Fatores que afectam a cinética enzimatica
pH
Ao comprovar experimentalmente a influência do pH na velocidade das reações enzimáticas se obtém curvas que indicam que as enzimas apresentam um pH ótimo de atividade. O pH pode afetar de várias maneiras:
O sítio ativo pode conter aminoácidos com grupos ionizados que podem variar com o pH.
A ionização de aminoácidos que não estão no sítio ativo pode provocar modificações na conformação da enzima.
O substrato pode ver-se afetado pelas variações do pH.
As enzimas possuem grupos químicos ionizáveis (carboxilas –COOH; amino – NH2; tiol –SH; imidazol, etc) nas cadeias laterais de seus aminoácidos. Segundo o pH do meio, estes grupos podem ter carga elétrica positiva, negativa ou neutra. Como a conformação das proteínas depende, em parte, de suas cargas elétricas, haverá um pH no qual a conformação será a mais adequada para a atividade catalítica. Este é o chamado pH ótimo. Ligeiras mudanças de pH podem provocar a desnaturação da proteína. Algumas enzimas apresentam variações peculiares. A pepsina do estômago apresenta um ótimo de atividade a pH = 2, e a fosfatase alcalina do intestino a pH = 12.
Temperatura
A temperatura influi na atividade e o ponto ótimo representa o máximo de atividade. A temperaturas baixas, as enzimas encontram-se muito rígidas e quando se supera um valor considerável (maior que 500C) a atividade cai bruscamente porque, como proteína, a enzima se desnatura.
Em geral, os aumentos de temperatura aceleram as reações químicas: a cada 10C de aumento, a velocidade de reação se duplica. As reações catalisadas por enzimas seguem esta lei geral. Entretanto, sendo proteínas, a partir de certa temperatura, começam a desnaturar-se pelo calor. A temperatura na qual a atividade catalítica é máxima chama-se temperatura ótima. Acima desta temperatura, o aumento de velocidade da reação devido a temperatura é compensado pela perda de atividade catalítica devido a desnaturação térmica, e a atividade enzimática decresce rapidamente até anular-se.
Cofatores
Enzimas tal como a quimotripsina (enzima que hidrolisa proteína) ou triosefosfato isomerase são ativas sem necessitar a presença de outro fator. No entanto, quase um terço das enzimas conhecidas requerem um componente não protéico para sua atividade, denominado cofator. Os cofatores podem ser íons metálicos como o Fe++, Mg++, Mn++, Zn++, ou moléculas orgânicas, muitas delas derivadas de vitaminas do complexo B.
Inibidores
Certas moléculas podem inibir a ação catalítica de uma enzima: são os inibidores. Estes podem ocupar temporariamente o centro ativo por semelhança estrutural com o substrato original (inibidor competitivo) ou alterar a conformação espacial da enzima, impedindo sua união ao substrato (inibidor não competitivo).
Conclusão
Já na parte final do trabalho, concluiu.se que a ampla aplicabilidade da atividade enzimática permite utilizá-la em diversos processos. Através do controle das enzimas pode-se interferir desde a matéria-prima, a colheita, o armazenamento, o processamento e até em situações mais específicas da ciência, como é o caso da imobilização e do uso em métodos analíticos.
Hoje, o número de enzimas conhecidas e caracterizadas quimicamente anda por volta de 2000. Mas não passa de uma vintena o número de enzimas que são produzidas e aplicadas industrialmente em grandes quantidades. Por isso torna-se necessário um estudo avançado das enzimas e suas condições ótimas de atuação.
Em vista do exposto pode-se concluir que a estrutura química íntegra das proteínas com atividade catalítica é determinante para a atuação delas. No entanto, fatores externos que alteram a conformação protéica, e, portanto, a velocidade das reações enzimáticas são as ferramentas empregadas nos processos naturais ou não para modular as reações metabólicas dos seres vivos.
Bibliografia
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