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Por que as enzimas aceleram reações?

Atualizado: 12 de jan. de 2021


Hoje eu vou tentar trazer a compreensão mais moderna sobre a dinâmica energética das reações catalizadas por enzimas nos organismos vivos. Esse é o primeiro de três posts sobre enzimas. Os seguintes são "Por que enzimas são tão específicas?" e "Como enzimas são reguladas?".

Com exceção de um pequeno número de ácidos nucleicos com capacidade catalítica, todas as enzimas são proteínas. São, portanto, constituídas monomericamente por aminoácidos, assim como qualquer outra proteína. Entretanto, a maioria das proteínas possuem, além da sua cadeia de aminoácidos, estruturas de outras classes de moléculas, que são denominados grupos prostéticos. Eles podem ser cofatores ou coenzimas. Cofatores consistem em um ou mais íons metálicos inorgânicos, como Fe2+ , Mg2+, Mn2+ ou Zn2+, que apresentam um grande número de cargas positivas especialmente úteis na ligação de pequenas moléculas. Os cofatores fazem ligações reversíveis com as enzimas, participando da reação e depois sendo desligado da estrutura principal. Coenzimas são moléculas orgânicas pequenas, frequentemente derivadas de vitaminas. Algumas coenzimas podem funcionar como transportadores recicláveis ou até mesmo como agente de transferência de grupamentos, podendo facilitar a ligação da enzima com o substrato. São exemplos de Coenzimas: NAD/NADH, Acetil-CoA, ATP, Biotina, etc. Bem, com exceção de um pequeno grupo de moléculas de RNA (ribozimas) que possuem ação catalítica, e . Isso significa que são compostas pelos mesmos monômeros que qualquer proteína: aminoácidos. Mas (tudo na biologia tem um mas) nem toda enzima tem constituição totalmente proteica, já que algumas contém grupos de outras classes químicas associadas à sua estrutura. Na verdade, a maioria requer componentes químicos adicionais chamados de . . Quando isto acontece, chamamos o conjunto de holoenzima (ativa). ntão, resumindo, temos que as enzimas são compostas pela APOENZIMA (componente proteico) e pelo GRUPO PROSTÉTICO (podendo ser ele um metal, um cofator ou uma coenzima). Agora, por que diabos eu to falando disso?Pois a enzima só é considerada cataliticamente ativa quando ligada ao seu respectivo cofator.

Algumas das características que todas as enzimas têm em comum, muito importantes pro entendimento desse tema, são:

(1) Apresentar alta atividade catalítica (aceleram de 106 até 1012 vezes)

(2) Ser altamente especifica em relação aos substratos e produtos relacionadas a ela;

(3) Não ser consumida ou alterada ao participar da catálise;

(4) Ter atividade regulada geneticamente ou por condições metabólicas

Podemos esquematizar resumidamente a ação da enzima como segue:

Ou seja, a molécula sobre qual a enzima age é o SUBSTRATO que se transforma em PRODUTO, mas as reações são reversíveis (perceba como as setas são bidirecionais), uma vez que os produtos de uma reação numa direção tornam-se os substratos para a reação inversa. É importante ressaltar que, além de não serem consumidas nas reações, as enzimas não alteram o seu equilíbrio (Lei de Massas), apenas a sua velocidade. Agora, como elas fazem isso?

Se temos um substrato com um estado de energia maior que o produto, isso dá a entender que a transformação de uma em outra é espontânea, já que é exergônica. Você imaginaria, portanto, o gráfico ao lado como uma ladeira íngreme para baixo. Entretanto, se você reparar bem, existe um "quebra-mola" no topo dessa madeira, impedindo que uma bolinha que esteja no seu topo, simplesmente desça espontaneamente. Esse "quebra-mola" chamamos de energia de ativação. As enzimas aceleram reações por que diminuem a energia de ativação à um ponto tão reduzido que a molécula consegue transpor. Essa energia de ativação existe pois mesmo que X esteja num ponto energeticamente mais baixo que Y, o estado estável da molécula Y precisa passar por um estágio altamente instável até gerar X. Esse estágio altamente instável de Y é mais energético do que o estágio estável de Y.

Agora, para fechar o raciocínio, só nos falta entender como as enzimas reduzem essa instabilidade para reduzir a energia de ativação e tornar a reação possível. A resposta para isso está na forma como a enzima se liga ao substrato. Desde 1894, o modelo mais aceito era conhecido como "Chave-fechadura", proposto por Emil Fischer, que dizia que a enzima e o substrato possuíam uma o encaixe perfeito da outra. Comparar o sítio ativo de uma enzima com uma fechadora dá a exata noção de ser uma estrutura rígida, que não altera de conformação. Em 1946, Linus Pauling demonstrou que o modelo chave-fechadura era inadequado porque a ideia da enzima totalmente complementar ao substrato é energeticamente pouco eficiente, exatamente o ponto que estamos tentando entender nessa explicação (a questão energética). Ele propôs que a enzima deve ser complementar ao estado de transição, não ao substrato. Depois, em 1958, um modelo baseado nessas ideias foi elaborado por Daniel Koshland, que reforçou que o sítio ativo sofre modificações ao se ligar com o substrato, batizando seu modelo de "encaixe-induzido", o mais atual modelo de ligação enzima-substrato.

Esse modelo (encaixe induzido) faz mais sentido dentro dessa ideia energética, pois quando a conformação da enzima é alterada para se encaixar ao substrato, elas utilizam a própria energia de ligação com o substrato para diminuir a energia de ativação necessária para iniciar a reação. Acompanhe na imagem acima a seguinte ideia:

(a) Pense em tentar quebrar um lápis. Esse lápis irá se quebrar espontaneamente, sozinho? Creio que você respondeu que não. Isso por que para entortar o lápis é necessária uma determinada quantidade de energia que não vai ser gerada espontaneamente.

(b) No modelo da chave-fechadura, se você tentar quebrar o lápis colocando-o em um estojo onde ele caiba perfeitamente, ou seja, que seja exatamente complementar ao lápis, ele também não vai ter a energia necessária para ser quebrado. Nesse caso, estamos vendo que a enzima seria complementar ao substrato, ou seja, teria o encaixe perfeito. Isso é energeticamente insustentável.

(c) Agora, se você, com a mão em formato de concha, encaixar o lápis e depois fechar a concha, irá curvar o lápis, fazendo-o se adequar ao formato da sua mão. O lápis retorcido é o estado de transição. Nesse caso, a enzima é complementar ao estado de transição. Com o lápis retorcido, a energia para quebrá-lo é muito menor. Tão menor, que pode ocorrer espontaneamente.

#Enzimas #Catálise #Metabolismo

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