Catálise enzimática
Catálise enzimática é o aumento da velocidade de um processo devido a uma biomolécula chamada "enzima". A maioria das enzimas são proteínas, e a maioria destes processos são reações químicas. Dentro da enzima, a catálise ocorre geralmente num sítio localizado chamado sítio ativo.
O modelo clássico da interação enzima-substrato é o modelo de ajuste induzido. Este modelo propõe que a interação inicial entre a enzima e o substrato é relativamente fraca, mas que estas interações fracas induzem rapidamente mudanças conformacionais na enzima que fortalecem a ligação. As vantagens do mecanismo de ajuste induzido devem-se ao efeito estabilizador da forte ligação da enzima. Existem dois mecanismos de ligação ao substrato: ligação uniforme, que apresenta uma forte ligação ao substrato, e ligação diferencial, que apresenta uma forte ligação ao estado de transição. O efeito estabilizador da ligação uniforme aumenta a afinidade tanto do substrato como do estado de transição, enquanto a ligação diferencial apenas aumenta a afinidade de ligação do estado de transição. As enzimas podem utilizar ambos e evoluíram para minimizar a energia de ativação da reação. As enzimas saturadas, isto é, com elevada afinidade de ligação ao substrato, requerem ligação diferencial para reduzir a energia de activação, enquanto as enzimas com substrato pequeno não ligado podem utilizar ligação diferencial ou ligação uniforme.
Estas alterações conformacionais também aproximam os resíduos catalíticos das ligações químicas do sítio ativo dos substratos que serão alterados na reação. Após a ligação, um ou mais mecanismos de catálise reduzem a energia do estado de transição da reação, promovendo uma via química alternativa para a reação. Existem seis mecanismos possíveis de catálise "para além da barreira" e um mecanismo "através da barreira", que são os seguintes: Estes mecanismos tradicionais de "atravessar a barreira" foram questionados em alguns casos por modelos e observações de mecanismos de "através da barreira" (o tunelamento quântico). Algumas enzimas operam com cinética mais rápida do que seria previsto pelo ΔG‡ clássico. Nos modelos de "através da barreira", um electrão ou um protão podem atravessar barreiras de activação. O tunelamento quântico de protões foi observado na oxidação da triptamina por uma amina desidrogenase aromática.
Proximidade e orientação
As interações enzima-substrato alinham os grupos químicos reativos e mantêm-nos próximos numa geometria ótima, o que aumenta a velocidade da reação. Isto reduz a entropia dos reagentes e, portanto, torna as reações de adição ou transferência menos desfavoráveis, daí a redução da entropia total quando os dois reagentes são convertidos num único produto. No entanto, este é um efeito geral e ocorre em reações sem adição ou transferência, onde isto ocorre devido a um aumento da "concentração efetiva" dos reagentes. Isto é compreensível quando se considera como os aumentos da concentração levam a um aumento da velocidade da reação: essencialmente, quando os reagentes estão mais concentrados, colidem com mais frequência e, por isso, reagem com mais frequência. Na catálise enzimática, a ligação dos reagentes à enzima restringe o espaço conformacional dos reagentes, mantendo-os na "orientação correta" e muito próximos uns dos outros, pelo que colidem mais frequentemente e, com a geometria correta, facilitam a reação desejada. A "concentração efectiva" é a concentração do reagente, livre em solução, que teria de existir para que este experimentasse a mesma frequência de colisão. Frequentemente, estas concentrações teóricas eficazes são fisicamente impossíveis e inatingíveis na prática, o que comprova o grande poder catalítico de muitas enzimas, que provocam um aumento massivo da velocidade em relação ao estado não catalisado.
Dadores e aceitadores de protões
Os dadores e aceitadores de protões, ou seja, ácidos e bases, podem doar e aceitar protões para estabilizar o desenvolvimento de carga no estado de transição. Isto está relacionado com o princípio da catálise global, o da redução das barreiras energéticas, uma vez que os estados de transição gerais são estados de alta energia e, ao estabilizá-los, esta alta energia é reduzida, diminuindo a barreira. Uma característica fundamental da catálise enzimática, entre muitas catálises não biológicas, é que tanto a catálise ácida como a básica podem ser combinadas na mesma reação. Em muitos sistemas abióticos, os ácidos (grandes [H+]) ou as bases (grandes concentrações de H+ tornam-se mínimas, ou espécies com pares de eletrões) podem aumentar a velocidade da reação; mas, claro, o ambiente pode ter apenas um pH geral (medida de acidez ou basicidade (alcalinidade)). No entanto, como as enzimas são moléculas grandes, podem colocar grupos ácidos e básicos no seu sítio ativo para interagir com os seus substratos, e utilizam ambos os modos, independentemente do pH.
Catálise electrostática
A estabilização dos estados de transição carregados pode também ocorrer por resíduos do sítio ativo que formam ligações iónicas (ou interações de carga iónica parcial) com o intermediário. Estas ligações podem ser provenientes de cadeias laterais ácidas ou básicas encontradas em aminoácidos como a lisina, arginina, ácido aspártico ou ácido glutâmico ou de cofatores metálicos como o zinco. Os iões metálicos são particularmente eficazes e podem reduzir o pKa da água o suficiente para a tornar um nucleófilo eficaz. Estudos sistemáticos de simulação computacional estabeleceram que os efeitos eletrostáticos fornecem, de longe, a maior contribuição para a catálise. Isto pode incrementar a velocidade da reacción nun factor de ata 107. Especificamente, foi demonstrado que a enzima proporciona um ambiente mais polar do que a água, e que os estados de transição iónicos são estabilizados por dipolos fixos. Isto é muito diferente da estabilização do estado de transição na água, onde as moléculas de água têm de pagar com uma "energia de reorganização" para estabilizar os estados iónico e carregado. Assim, a catálise está associada ao facto de os grupos polares da enzima estarem pré-organizados.
Catálise covalente
A catálise covalente envolve a formação de uma ligação covalente transitória pelo substrato com resíduos no sítio ativo da enzima ou com um co-fator. Isto adiciona um intermediário covalente adicional à reação e ajuda a reduzir a energia dos estados de transição posteriores da reação. A ligação covalente deve ser quebrada numa fase posterior da reação para regenerar a enzima. Este mecanismo é utilizado pela tríade catalítica de enzimas como as proteases, como a quimotripsina e a tripsina, nas quais se formou um intermediário acil-enzima. Um mecanismo alternativo é a formação de uma base de Schiff utilizando a amina livre de um resíduo de lisina, como observado na enzima aldolase durante a glicólise.
Catálise de Iões Metálicos
Um ião metálico no sítio ativo participa na catálise coordenando a estabilização da carga e a blindagem. Devido à carga positiva do metal, apenas as cargas negativas podem ser estabilizadas por iões metálicos. No entanto, os iões metálicos são vantajosos na catálise biológica porque não são afetados pelas alterações do pH. Os iões metálicos podem também atuar ionizando a água, funcionando como um ácido de Lewis. Os iões metálicos podem também ser agentes de oxidação e redução.
Tensão de ligação
Este é o principal efeito da ligação por ajuste induzida, em que a afinidade da enzima pelo estado de transição é maior do que a do próprio substrato. Isto induz redistribuições estruturais na molécula que tensionam as ligações do substrato para mais perto da conformação do estado de transição, reduzindo assim a diferença de energia entre o substrato e o estado de transição e ajudando a catalisar a reação. No entanto, o efeito de tensão é, na realidade, mais um efeito desestabilizador do estado fundamental do que um efeito estabilizador do estado de transição. Por outro lado, as enzimas são muito flexíveis e não podem aplicar um grande efeito de tensão.
Na realidade, a maioria dos mecanismos enzimáticos envolve uma combinação de vários tipos de catálise.
Triose-fosfato isomerase
A Triose-fosfato isomerase (EC 5.3.1.1) catalisa a interconversão reversível dos dois isómeros de triose fosfato di-hidroxiacetona fosfato e D-gliceraldeído 3-fosfato. O mecanismo catalítico envolve a formação de um intermediário "enediol".
Tripsina
Tripsina (EC 3.4.21.4) é uma serina-protease que cliva substratos proteicos após resíduos de lisina ou arginina, utilizando uma tríade catalítica para realizar a catálise covalente e um buraco de oxânion para estabilizar a acumulação de carga nos estados de transição.
Aldolase
A [aldolase]] (ou aldolase de frutose-bisfosfato EC 4.1.2.13) catalisa a clivagem de uma frutose 1,6-bisfosfato (F-1,6-BP) em gliceraldeído 3-fosfato e di-hidroxiacetona fosfato (DHAP). Forma um intermediário protonado base de Schiff ligado a uma lisina altamente conservada no sítio activo, no carbono carbonílico do DHAP. Além disso, os resíduos de tirosina são cruciais neste mecanismo, uma vez que atuam como aceptores de hidrogénio estabilizadores.
O aparecimento de estudos com uma única molécula na década de 2010 levou à observação de que o movimento das enzimas não ligadas aumenta com o aumento da concentração do substrato e aumenta a entalpia de reação. Observações subsequentes sugerem que este aumento da difusividade é causado pela alteração transitória do centro de massa da enzima, resultando num "efeito de recuo propulsor da enzima".
A semelhança entre reações enzimáticas () pode ser calculada utilizando dados de alterações de ligação, centros de reação ou métricas de subestrutura ( Arquivado em 2019-05-30 no Wayback Machine).
