Definição de enzimas
As enzimas são biocatalisadores que aceleram reações químicas sem serem consumidas no processo. Elas permitem que as reações ocorram em velocidades adequadas às necessidades celulares. Sem as enzimas, essas reações seriam extremamente lentas e inviáveis. As enzimas são catalisadores biológicos ou biocatalisadores de natureza essencialmente proteica e que permitem que as reações químicas ocorram nas células, a baixa energia de ativação. A energia de ativação é a energia que é necessário fornecer a um sistema para que se inicie uma reação química, resultando no aumento da velocidade da reação e possibilitando o metabolismo dos seres vivos. As células são meios quimicamente muito estáveis, por isso, pouco reativas, pelo que a presença de enzimas torna possível a catálise neste meio. Atualmente , as enzimas são utilizadas na produção e no processamento de alimentos a uma escala industrial, como por exemplo a indústria alimentar ou então em medicamentos, indústria farmacêutica. Tem-se usado processamento de alimentos com recurso a enzimas provenientes de organismos geneticamente modificados . Essencialmente, os genes que codificam essas enzimas foram clonados e introduzidos no genoma de outros microrganismos, de forma a obter-se uma maior produção em menos tempo. A maior parte destas enzimas são usadas na transformação de uma grande variedade de alimentos.
Importância das enzimas na biologia:
As enzimas são cruciais para a vida, pois facilitam processos como a digestão, a respiração e a síntese de DNA. Elas aumentam a eficiência das reações, tornando possível a manutenção da homeostase e a resposta rápida a mudanças no ambiente.
Características das enzimas:
As enzimas são proteínas que atuam como catalisadores biológicos, acelerando reações químicas essenciais para a vida. A estrutura das enzimas é fundamental para sua função. Elas são compostas por longas cadeias de aminoácidos ( constituídas por uma ou mais cadeias polipeptídicas) que se dobram em formas específicas. Essa configuração tridimensional é crucial para a atividade enzimática. As enzimas são específicas relativamente ao substrato sobre o qual atuam, e a sua atividade é influenciada por fatores como a temperatura, o pH ou a presença de outras substâncias.
Componentes da enzimas
Aminoácidos: Os blocos de construção das enzimas. A sequência e a composição dos aminoácidos determinam a estrutura e a função da enzima.
Grupo prostético: Algumas enzimas requerem grupos não proteicos, como íons metálicos ou coenzimas, que ajudam na atividade catalítica.
Centro ativo: A região da enzima onde ocorre a ligação do substrato. É aqui que a mágica acontece, permitindo que a enzima realize sua função.
Os processos bioquímicos são constituídos por séries, maiores ou menores, de reações químicas. Assim, e dado que as enzimas são específicas, um único tipo de enzima não é suficiente numa série reacional, sendo necessário um conjunto de diferentes enzimas. A sequência de enzimas que funcionam em cooperação numa série de reações constitui uma cadeia enzimática. O conjunto ordenado de reações catalisadas por uma cadeia enzimática constitui uma via metabólica.
Modelos de atuação enzimática:
A compreensão da atuação enzimática implica o conhecimento da interação das enzimas com os substratos, moléculas sobre as quais atuam. Vários modelos interpretativos têm sido propostos para explicar o modo de atuação das enzimas.
Complexo enzima-substrato
Um complexo enzima-substrato é uma molécula temporária formada quando uma enzima entra em contato perfeito com seu substrato. O substrato é a molécula biológica sobre a qual a enzima atuará. Com a enzima ligada ao seu substrato, ela pode desempenhar sua função na célula. Durante esse processo, o substrato é transformado em um ou mais produtos, que são então liberados do sítio ativo. O sítio ativo fica agora livre para aceitar outra molécula de substrato. A formação do complexo enzima-substrato é uma parte essencial da reação enzimática, pois determina a especificidade e eficiência da reação catalisada pela enzima.
Centro ativo
O centro ativo é a configuração espacial de uma enzima, complementar da configuração espacial de todo ou de parte do substrato. É o local específico de ligação ao substrato. A nível do centro ativo da molécula estabelecem-se ligações intermoleculares com a molécula do substrato, constituindo o complexo enzima-substrato, o que permite a ativação da célula e rápidas alterações químicas. As ligações de hidrogénio e outras ligações eletrostáticas mantêm a enzima e o substrato unidos enquanto decorre a reação. A ligação enzima-substrato é transitória. No final da reação libertam-se os produtos formados, ficando a enzima intacta e em condições de atuar sobre outras moléculas de substrato.
Os centros ativos das enzimas apresentam características comuns, embora estas possuam estrutura e funções diferentes. Algumas características dos centros ativos são:
ocupam um pequena parte do volume total da enzima;
correspondem, geralmente, a uma fenda ou cavidade existente na estrutura da molécula proteica;
a especificidade da ligação ao substrato depende do arranjo dos átomos no centro ativo;
o número de centro ativos de uma enzima é variável, já que quando intervêm cofatores há centros ativos adicionais.
Para a explicação dos fenômenos que ocorrem durante a catálise, foram desenvolvidos dois modelos interpretativos: O modelo chave-fechadura ou modelo de Fischer e o modelo do encaixe induzido ou modelo de Kosland.
Modelo chave-fechadura
Para explicar a especificidade observada entre enzimas e os substratos, Emil Fischer propôs em 1894 que o complexo enzima-substrato obedeceria a um modelo "chave-fechadura". De acordo com ele, a especificidade dá-se pelo fato do centro ativo da enzima ter um formato complementar ao seu substrato, promovendo um encaixe perfeito, como uma chave que se encaixa numa determinada fechadura. Esse encaixe facilita a modificação do substrato por parte da enzima de forma a fazê-lo reagir mais rapidamente e formar os produtos da reação. Como a enzima não participa da reação, após ação ela solta se do substrato e encontra-se disponível novamente. Um exemplo é a lactase, cujo único substrato é a lactose, um açúcar do leite.
Modelo do encaixe induzido
A interação entre uma enzima e o seu substrato não é um processo estático, como sugerido no modelo chave-fechadura. Em vez disso, a Teoria do Encaixe Induzido postula que a ligação do substrato ao centro ativo da enzima induz uma mudança conformacional na estrutura tridimensional da enzima. Esta mudança permite um encaixe mais preciso e favorável entre enzima e substrato, otimizando a catálise. Essa flexibilidade estrutural é crucial para a especificidade enzimática. A enzima não possui um centro ativo pré-moldado perfeito para o substrato; em vez disso, a enzima adapta-se à presença do substrato. Esta adaptação pode envolver:
Movimentos de aminoácidos no centro ativo;
Aproximação de grupos catalíticos;
Exclusão de moléculas de água que poderiam interferir na reação;
Ajuste da tensão na molécula do substrato, facilitando a quebra ou formação de ligações.
A mudança conformacional induzida não é unidirecional. O substrato também pode sofrer alterações na sua estrutura quando se liga à enzima. Essa distorção do substrato pode aproximá-lo do estado de transição, reduzindo a energia de ativação da reação e acelerando a conversão do substrato em produto. Um exemplo é o caso da tripsina e da pepsina, enzimas do tubo digestivo que atuam numa grande variedade de proteínas.
Fatores que afetam a atividade enzimática
A atividade enzimática é importante numa grande variedade de processos biotecnológicos, pelo que a compreensão dos fatores que a influenciam é fundamental na obtenção do máximo rendimento desses processos. De entre estes fatores, são frequentes os que se relacionam com a mudança das características físico-químicas do meio e os processos de inibição enzimática. A temperatura, o pH, a concentração da enzima e a concentração do substrato são os principais fatores que influenciam a atividade enzimática.
Temperatura
A temperatura é um fator importante na atividade das enzimas, pode ter um efeito potenciador ou inibitório .Dentro de certos limites, a velocidade de uma reação enzimática aumenta com o aumento da temperatura. Entretanto, a partir de uma determinada temperatura, a velocidade da reação diminui bruscamente .O aumento de temperatura provoca maior agitação das moléculas e, portanto, maiores possibilidades de se chocarem para reagir. Porém, se certa temperatura for ultrapassada, a agitação das moléculas torna-se tão intensa que as ligações que estabilizam a estrutura espacial da enzima rompem-se e ela desnatura-se. As baixas temperaturas diminuem a cinética enzimática, inibindo a sua atividade, que pode ser retomada face a um novo aumento de temperatura. Para cada tipo de enzima existe uma temperatura ótima, na qual a velocidade da reação é máxima, permitindo o maior número possível de colisões moleculares sem desnaturar a enzima.
Estas alterações, normalmente irreversíveis, impossibilita a formação do complexo enzima-substrato.
pH
Outro fator que afeta a forma das proteínas é o grau de acidez do meio, também conhecido como pH (potencial hidrogeniônico). A escala de pH vai de 0 a 14 e mede a concentração relativa de íons hidrogênio (H+) em um determinado meio. O valor 7 apresenta um meio neutro, nem ácido nem básico. Valores próximos de 0 são os mais ácidos e os próximos de 14 são os mais básicos (alcalinos).
Valores extremos de pH têm efeitos semelhantes aos da temperatura elevada, causando mudanças permanentes na estrutura das enzimas, com inibição da sua ação. Essas mudanças, correspondentes à desnaturação química da enzima, estão frequentemente relacionadas com interações entre iões H + com os grupos funcionais dos aminoácidos que fazem parte do centro ativo da enzima. Desta forma, pode considerar-se a existência de um valor de ph ótimo de atuação para cada enzima.Cada enzima tem um pH ótimo de atuação, no qual a sua atividade é máxima. O pH ótimo para a maioria das enzimas fica entre 6 e 8, mas há exceções. A pepsina, por exemplo, uma enzima digestiva estomacal, atua eficientemente no pH fortemente ácido de nosso estômago (em torno de 2), onde a maioria das enzimas seria desnaturada. A tripsina, por sua vez, é uma enzima digestiva que atua no ambiente alcalino do intestino, tendo um pH ótimo situado em torno de 9.
Concentração da enzima e do substrato
Concentração de substrato
Ao aumentar a concentração do substrato aumenta a velocidade da reação. Isso ocorre porque mais moléculas de substrato colidem com as moléculas da enzima, para que o produto se forme mais rapidamente. No entanto, ao exceder uma certa concentração de substrato, não haverá efeito na velocidade da reação, pois as enzimas estarão saturadas e funcionando na velocidade máxima.
Concentração de enzima
À medida que a concentração de enzimas aumenta, a taxa de reação aumenta proporcionalmente, até se esgotar o substrato. O aumento da concentração de uma enzima permitirá um número mais elevado de moléculas de substrato.