Enzimas

Enzimas são um grupo de substâncias orgânicas de natureza normalmente protéica (existem também enzimas constituídas de RNA, as ribozimas), com actividade 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 activação necessária para que se dê uma reacção 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.

Em sistemas vivos, a maioria das reacções bioquímicas dá-se em vias metabólicas, que são sequências de reacções em que o produto de uma reacção é utilizado como reagente na reacção seguinte. Diferentes enzimas catalisam diferentes passos de vias metabólicas, agindo de forma concertada de modo a não interromper o fluxo nessas vias. Cada enzima pode sofrer regulação da sua actividade, aumentando-a, diminuindo-a ou mesmo interrompendo-a, de modo a modular o fluxo da via metabólica em que se insere.

 

Atividade enzimática

As enzimas convertem uma substância, chamada de substrato, noutra denominada produto, e são extremamente específicas para a reacção 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 reacção 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 cofactores. A natureza química dos cofactores é muito variável, podendo ser, por exemplo, um ou mais iões metálicos (como o ferro), ou uma molécula orgânica (como a vitamina B12). Estes cofactores podem participar ou não directamente na reacção enzimática.

Determinadas substâncias, podem inibir a actividade de algumas enzimas, diminuindo-a ou eliminando-a totalmente; são os chamados inibidores enzimáticos.

Pelo fato de serem proteínas com estrutura terciária ou quaternária, os enzimas são dotadas de dobramentos tridimensionais em suas cadeias polipeptídicas, o que lhes confere uma forma característica e exclusiva. Assim, diferentes enzimas têm diferentes formas e, portanto, diferentes papéis biológicos. Para que um enzima atue, é necessário que os substratos “se encaixem” na enzima. Esse “encaixe”, porém, depende da forma, isto é, do “contorno” da enzima. Por isso, substratos que se “encaixam” em uma determinada enzima não se “encaixam” em outras diferentes, e a reação não ocorre; daí a especificidade das enzimas quanto aos substratos em que atuam. Uma vez ocorrido o “encaixe”, forma-se o complexo enzima-substrato, que se assemelha ao sistema “chave-fechadura”. O local da enzima onde o substrato se “encaixa” é denominado sítio ativo (ou centro ativo). No caso de substâncias que reagem entre si, sob a ação catalisadora das enzimas, a reação é facilitada, tornando-se mais rápida, pois a proximidade entre as moléculas “encaixadas” acelera o processo reativo; após a reação, a enzima desliga-se do substrato e permanece intacta.

 

Estruturas e Mecanismos

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 actividade das enzimas são determinadas pela sua estrutura quaternária. A maioria das enzimas são maiores do que o substrato sobre o qual actuam, 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 reacção, é denominada de sítio activo. As enzimas também podem ter sítios onde se ligam cofactores, que são necessários às reacções catalíticas. Algumas enzimas também podem ter sítios de ligações para pequenas moléculas, que são produtos ou substratos, directos ou indirectos, da reacção catalisada. Estas ligações servem para aumentar ou diminuir a actividade da enzima, providenciando um meio de regulação por feedback.
Tal como todas as proteínas, as enzimas são formadas por longas cadeias lineares de aminoácidos que sofrem um enovelamento que tem como resultado um produto com estrutura tridimensional. Cada sequência única de aminoácidos produz também uma estrutura tridimensional única que tem propriedade específicas. Cadeias individuais de proteínas podem por vezes agrupar-se para formar um complexo proteico. A maioria das enzimas pode sofrer desnaturação, isto é, a sua estrutura pode sofrer desagregação e inactivação pelo aumento de temperatura, o que provoca alterações na conformação tridimensional da proteína. Dependendo da enzima, a desnaturação pode ter efeitos reversíveis ou irreversíveis.

 

Especificidade

As enzimas possuem normalmente uma alta especificidade em relação às reacções que catalizam e aos substratos que estão envolvidos nessas reacções. 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 cataliza 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.

Algumas enzimas que produzem metabolitos secundários são descritos como promíscuos, visto que podem actuar num largo espectro de diferentes substratos. Tem sido sugerido que este tipo de especificidade alargada é importante nos processos de evolução de novas vias de biossíntese.

 

Cofactores

Algumas enzimas não necessitam de componentes adicionais para mostrarem uma actividade completa. No entanto, outras requerem ligação a moléculas não proteícas para que possam exercer a sua actividade. Os cofactores podem ser inorgânicos (iões metálicos e complexos ferro-enxofre) ou compostos orgânicos (flavina ou heme). Os cofactores orgânicos (coenzimas) são normalmente grupos prostéticos, que estão intimamente ligados às enzimas a que eles prestam assistência. Os cofactores 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.

Um exemplo de uma enzima que contém um cofactor é a anidrase carbónica, que é mostrada em figura acima com um ião de zinco como cofactor. Estas moléculas que possuem uma ligação estreita com as enzimas são normalmente encontradas no sítio activo e estão envolvidas na reacção catalítica. Por exemplo, a flavina e grupos heme estão muitas vezes envolvidos em reações de oxidação-redução.
Enzimas que requerem um cofactor mas que não se ligam a estes, são denominadas apoenzimas. Uma apoenzima juntamente com o(s) seu(s) cofactor(es) são denominadas holoenzimas. A maioria dos cofactores não se ligam por covalência a uma enzima, mas estabelecem ligações fortes. No entanto, os grupos prostéticos orgânicos podem ligar-se de maneira covalente. Um exemplo disso é a ligação da tiamina pirofosfato à enzima piruvato desidrogenase.

 

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.

As coenzimas sofrem regeneração e as suas concetrações são mantidas a um nível estável dentro da célula. Por exemplo, o NADPH é regenerado através da via das pentoses-fosfato e a S-adenosilmetionina é regenerada pela metionina adenosiltransferase.

 

Funções biológicas

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.[51] 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.[52] 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.[53] 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.

As enzimas podem trabalhar em conjunto, seguindo uma ordem de actuação específica. Desta maneira podem formar vias metabólicas. Nestas vias, uma enzima processa o produto da acção de outra enzima como o seu substrato. Após a reacção catalítica, o produto é depois entregue a outra enzima. Por vezes, mais do que uma enzima pode catalisar a mesma reacção, em paralelo. Isto permite uma regulação mais complexa:

As enzimas determinam que passos é que ocorrem nessa vias metabólicas. Sem a presença de enzimas, o metabolismo não progride através dos mesmo passos, nem é suficientemente rápido para que sirva as necessidades da célula. De facto, uma via metabólica tão importante como a glicólise não poderia existir sem a presença de enzimas. A glucose, por exemplo, pode reagir directamente com o ATP para dar origem a um produto fosforilado em um ou mais carbonos. Na ausência de enzimas, este processo é tão lento que se torna insignificante. No entanto, se a enzima hexocinase for adicionada, estas reacção lentas continuam a ser efectuadas, mas a fosforilação do carbono número 6 ocorre de maneira tão rápida que, se a mistura for testada pouco tempo depois, a glicose-6-fosfato o único produto significativo. Consequentemente, pode-se dizer que a rede de vias metabólicas existentes dentro de cada célula depende do conjunto de enzimas funcionais que estão presentes.

 

Aplicações

Enzimas digestivas tais como a amilase, protease e lipase, reduzem os alimentos em componentes menores que são mais facilmente absorvidos no tracto digestivo.

As enzimas contribuem enormemente para inúmeras indústrias. Enzimas de processamento alimentar tais como a glucoamilase podem reduzir o alimento em glicose.

Uma aplicação industrial é a produção de antibióticos em larga escala. Encontram-se também determinados tipos de enzimas em produtos de limpeza, para ajudar a digerir gorduras e proteínas presentes em nódoas.

Também são usadas em investigação laboratorial e na medição de concentrações de substâncias com interesse clínico (Patologia Clínica, análises clínicas).

 

Referências
  1. Howard Hugues Media Institute, The Structural Biology Program, “RNA, The Enzyme”
  2. A. Radzicka, R. Wolfenden (1995), “A proficient enzyme.”, Science, 6(267), p. 90-931
  3. René Antoine Ferchault de Réaumur (1752), “Observations sur la digestion des oiseaux”, Histoire de l’academie royale des sciences, 1752p. 266, 461
  4. J. Dubos (1951), “Louis Pasteur: Free Lance of Science, Gollancz.” in K.L. Manchester (1995), “Louis Pasteur (1822–1895)–chance and the prepared mind.”, Trends in Biotechnology, 13(12), p.511-515
  5. Anfinsen C.B.. (1973). “Principles that Govern the Folding of Protein Chains”. Science: 223–230.