Enzima
Enzimas são grupos de substâncias orgânicas de natureza normalmente proteica, com atividade intra ou extracelular que têm funções catalisadoras, catalisando reações químicas que, sem a sua presença, dificilmente aconteceriam. Isso é conseguido através do abaixamento da energia de ativação necessária para que se dê uma reação química, resultando no aumento da velocidade da reação e possibilitando o metabolismo dos seres vivos. A capacidade catalítica das enzimas torna-as adequadas para aplicações industriais, como na indústria farmacêutica ou na alimentar.
As enzimas convertem uma substância, chamada de substrato, noutra denominada produto, e são extremamente específicas para a reação que catalisam. Isso significa que, em geral, uma enzima catalisa um e só um tipo de reacção química. Consequentemente, o tipo de enzimas encontradas numa célula determina o tipo de metabolismo que a célula efetua. A velocidade da reação catalisada por uma enzima é aumentada devido ao abaixamento da energia de ativação necessária para converter o substrato no produto. O aceleramento da reação pode ser da ordem dos milhões de vezes: por exemplo, a enzima orotidina-5'-fosfato descarboxilase diminui o tempo da reação por ela catalisada de 78 milhões de anos para 25 milissegundos. Como são catalisadores, as enzimas não são consumidas na reação e não alteram o equilíbrio químico dela. A atividade enzimática pode depender da presença de determinadas moléculas, genericamente chamadas cofatores. A natureza química dos cofatores é muito variável, podendo ser, por exemplo, um ou mais iões metálicos (como o ferro), ou uma molécula orgânica (como a vitamina B12). Estes cofatores podem participar ou não diretamente na reação enzimática.
Podemos encontrar enzimas em quase todas as estruturas celulares e fluidos corporais. Algumas têm uma localização específica, de tal modo que podem servir para indicar que estamos em presença de um tal tecido, secreção ou fragmento celular se verificar a atividade de uma dada enzima.
Era já sabido, entre o final do século XVII e início do século XVIII, que secreções estomacais eram capazes de digerir a carne; era também conhecida a conversão de amido a açúcares pela saliva e extractos vegetais. O mecanismo subjacente a estas transformações não era, no entanto, conhecido. As enzimas foram descobertas no século XIX, aparentemente por Pasteur, que concluiu que a fermentação do açúcar em álcool pela levedura é catalisada por fermentos. Ele postulou que esses fermentos (as enzimas) eram inseparáveis da estrutura das células vivas do levedo. Pasteur declarou que "a fermentação alcoólica é um acto correlacionado com a vida e organização das células do fermento, e não com a sua morte ou putrefacção". Em 1878, Wilhelm Kühne empregou pela primeira vez o termo "enzima" para descrever este fermento, usando a palavra grega ενζυμον, que significa "levedar". O termo passou a ser mais tarde usado apenas para as proteínas com capacidade catalítica, enquanto que o termo "fermento" se refere à atividade exercida por organismos vivos.
As enzimas são proteínas, e podem ter um tamanho desde 62 resíduos de aminoácidos, como é o caso do monómero da enzima 4-oxalocrotonato tautomerase, até um tamanho de 2.500 resíduos, como é o caso da sintase de ácidos gordos. A atividade das enzimas são determinadas pela sua estrutura quaternária. A maioria das enzimas são maiores do que o substrato sobre o qual atuam, e só uma pequena porção da enzima (cerca de 3–4 aminoácidos) está envolvida na catálise. A região que contém estes resíduos catalíticos, que se liga-se ao substrato e que desempenha a reação, é denominada de sítio activo. As enzimas também podem ter sítios onde se ligam cofatores, que são necessários às reações catalíticas. Algumas enzimas também podem ter sítios de ligações para pequenas moléculas, que são produtos ou substratos, diretos ou indirectos, da reação catalisada. Estas ligações servem para aumentar ou diminuir a atividade da enzima, providenciando um meio de regulação por feedback.
Especificidade
As enzimas possuem normalmente uma alta especificidade em relação às reações que catalisam e aos substratos que estão envolvidos nessas reações. A forma complementar, carga e características hidrofílicas/hidrofóbicas, são responsáveis por esta especificidade. As enzimas exibem também elevados níveis de estereoespecificidade, regioselectividade e quimioselectividade. Algumas das enzimas que apresentam maior especificidade e precisão, estão envolvidas na cópia e expressão do genoma. Estas enzimas possuem mecanismos de proof-reading (revisão). Um destes casos é a DNA polimerase, que catalisa uma reacção num primeiro passo, para de seguida confirmar, num segundo passo, se o produto é o correcto. Este processo em duas etapas resulta em médias de taxa de erro muito diminutas, na ordem de uma para cem milhões de reacções, no caso de polimerases de mamíferos. Mecanismos de revisão similares também podem ser encontrados na RNA polimerase, na aminoacil-tRNA sintetases e em ribossomas.
Mecanismos
As enzimas actuam de diversas formas, todas elas baixando o valor de ΔG‡: O mecanismo de regulação da atividade enzimática pode ser lento, quando a regulação apresenta aumento ou diminuição de síntese de enzimas, ou rápido que é por meio molecular, ou seja, por ligações de moléculas na enzima ou no substrato, podendo ser também por ligações covalentes “fosforilação”. Investigações recentes providenciaram novos conhecimentos sobre a ligação entre a dinâmica interna de uma enzima e o seu mecanismo de catálise. A dinâmica interna de uma enzima é descrita como o movimento de partes internas (como aminoácidos individuais, grupos de aminoácidos, um laço da cadeia, uma hélice alfa, folhas beta vizinhas ou até domínios proteicos inteiros) destas biomoléculas, que podem ocorrer a diversas escalas de tempo, desde femtossegundos a segundos. Redes de resíduos de aminoácidos de uma estrutura podem contribuir para a catálise através de movimentos dinâmicos. Os movimentos em proteínas são importantes para diversas enzimas mas o tipo de reacção que elas catalisam determina que tipos de movimento são mais importantes: pequenas e rápidas vibrações ou lentas e significativas alterações conformacionais. Estes estudos têm consequências na compreensão dos efeitos alostéricos, na produção industrial de enzimas e no desinadas moléculas. A modulação da atividade da enzima pode ser directa, quando a molécula se liga directamente a um local de ligação na enzima, ou indirecta, quando a molécula se liga a outras proteínas ou subunidades que interagem com a enzima alostérica, influenciando então a sua atividade.
Cofatores
Algumas enzimas não necessitam de componentes adicionais para mostrarem uma atividade completa. No entanto, outras requerem ligação a moléculas não proteícas para que possam exercer a sua atividade. Os cofatores (português brasileiro) ou cofactores (português europeu) podem ser inorgânicos (iões metálicos e complexos ferro-enxofre) ou compostos orgânicos (flavina ou heme). Os cofatores orgânicos (coenzimas) são normalmente grupos prostéticos, que estão intimamente ligados às enzimas a que eles prestam assistência. Os cofatores que possuem ligação forte às enzimas são distintos de outras coenzimas, tal como a NADH, visto que não são libertados do sítio activo durante a reacção catalisada.
Coenzimas
As coenzimas são pequenas moléculas que transportam grupos químicos de uma enzima para outra. Alguns destes compostos químicos, como a riboflavina, a tiamina e o ácido fólico, são vitaminas, compostos que não são sintetizados no organismo e que têm de ser assimilados através da dieta. Os grupos químicos transportados incluem o ião hidreto (H-) transportado pelo NAD ou NADP+, o grupo acetilo transportado pela coenzima A, os grupos formilo, metenilo e metilo transportados pelo ácido fólico e o grupo metilo transportado pela S-adenosilmetionina. Dado que as coenzimas são modificadas quimicamente como consequência da acção enzimática, é útil considerá-las como sendo uma classe especial de substratos, ou substratos secundários, que são comuns em muitos tipos de enzimas diferentes. Por exemplo, sabe-se que existem cerca de 700 enzimas que utilizam a coenzima NADH.
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Tal com acontece com todos os compostos catalisadores, as enzimas não alteram a posição do equilíbrio químico da reacção. Normalmente, na presença de uma enzima, a reacção desenvolve-se na mesma direção que se seria tomada se ela não estivesse presente, mas de maneira mais rápida. no entanto, Na ausência da enzima, as reações poderão dar origem a diferentes produtos, porque nessas condições esses produtos são formados de maneira mais rápida. Para além disso, as enzimas podem executar duas ou mais reacções, de tal maneira que a actuação numa reacção termodinamicamente favorável possa facilitar a actuação numa reacção menos favorável. Por exemplo, a energia disponibilizada pela hidrólise do ATP é normalmente utilizada para executar outras reacções. As enzimas catalisam as reacções em ambos os sentidos. Elas não alteram o equilíbrio em si, mas a velocidade em que este é alcançado. Por exemplo, a anidrase carbónica catalisa a sua reacção nas duas direcções, dependendo da concentração dos seus reagentes.
A cinética enzimática é o estudo do mecanismo pelo qual as enzimas ligam substratos e os transformam em produtos. São utilizados dados sobre a velocidade de reacção de enzimas através de ensaios enzimáticos. Em 1902, Victor Henri propôs uma teoria quantitativa de cinética enzimática, mas os seus dados experimentais tinham pouca utilidade porque não era então considerada a importância da concentração do ião H+. Depois de Peter Lauritz Sørensen definir a escala logarítmica de pH e introduzir o conceito de solução tampão em 1909, o químico alemão Leonor Michaelis e a sua pós-doc canadiana Maud Leonora Menten repetiram as experiências de Henri e confirmaram a sua equação, sendo esta cinética conhecida como cinética de Henri-Michaelis-Menten (muitas vezes simplificado para cinética de Michaelis-Menten). Este trabalho foi desenvolvido por G. E. Briggs e J. B. S. Haldane, que derivaram equações cinéticas usadas ainda hoje em dia.
As taxas de reacção enzimáticas podem ser diminuídas por acção de vários tipos de inibidores enzimáticos. Na inibição competitiva, o inibidor e o substrato competem reversivelmente ao mesmo sítio enzimático. Os inibidores são muitas vezes semelhantes ao substrato da enzima. Por exemplo, o metotrexato é um inibidor competitivo da enzima dihidrofolato redutase, que catalisa a redução do dihidrofolato em tetrahidrofolato. A similitude entre as estruturas do ácido fólico e desta droga são mostradas na figura adjacente. Nota-se que o local de ligação do inibidor não é necessariamente o mesmo que o local de ligação do inibidor, se a ligação de este último mudar a conformação da enzima com vista a impedir a ligação do substrato, e vice versa. Na inibição competitiva, a velocidade máxima da reação não é alterada, mas níveis mais altos de concentração do substrato são requeridos para que se atinja uma determinada velocidade, com o aumento do KM. Outro exemplo de inibidor competitivo são as estatinas, essas substâncias anti-hiperlipidêmicas inibem competitivamente a primeira reação na síntese do colesterol, inibindo a hidroximetilglutaril-CoA-redutase (HMG-CoA-redutase).
Usos de inactivadores
Os inactivadores são muitas vezes usados como medicamentos, mas também poderão actuar como venenos. No entanto, a diferença entre um medicamento e um veneno é normalmente uma questão de dosagem, visto que a maior parte dos medicamentos e drogas são tóxicas a partir de certo nível. Como Paracelso disse: "Todas as coisas são um veneno e nada existe sem veneno, apenas a dosagem é razão para que uma coisa não seja um veneno" Igualmente, os antibióticos e outras drogas antiinfecciosas são apenas venenos que matam o agente patogénicos e não o hospedeiro deste. Um exemplo de um inactivador que é usado como medicamento é a aspirina, que inibe a ciclooxigenase 1 e a ciclooxigenase 2, que são enzimas que produzem um mensageiro que age em casos de inflamação, neste caso uma prostaglandina, suprimindo assim a dor e a inflamação. O cianureto é um inactivador enzimático irreversível, que se combina com cobre e zinco no sítio activo da enzima citocromo c oxidase, bloqueando a respiração celular.
As enzimas exercem uma grande variedade de funções nos organismos vivos. São indispensáveis para a transdução de sinais, na regulação celular, muitas vezes por acção de cinases e fosfatases. Através da sua acção podem gerar movimento, como no caso da miosina que hidroliza ATP, gerando contracções musculares. Também movimentam carga através da célula, através da acção do citoesqueleto. Algumas enzimas são ATPases (funcionam como bombas iónicas), que se localizam na membrana celular, estando envolvidas do processo de transporte activo. Algumas funções mais exóticas são operadas por enzimas, como é o caso da luciferase que gera luz nos pirilampos. Os vírus podem conter enzimas que auxiliam na infecção de células (HIV-integrase e transcriptase reversa) ou na libertação celular de vírus (neuraminidase no vírus influenza). Uma importante função das enzimas tem lugar no sistema digestivo dos animais. Enzimas como as amilases e proteases, quebram grandes moléculas como o amido e proteínas, respectivamente, em moléculas de menores dimensões, de maneira a que estas possam ser absorvidas no intestino. O amido não é absorvível no intestino, mas as enzimas hidrolizam as cadeias de amido em moléculas menores tais como a maltose e a glucose, podendo desta maneira ser absorvidas. Diferentes enzimas actuam sobre diferentes tipos de alimento. Nos ruminantes, que possuem uma dieta herbívora, bactérias no sistema digestivo produzem uma enzima denominada celulase que quebra as paredes celulares das células vegetais.
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A atividade enzimática na célula é controlada de cinco principais modos:
