Enzimas aceleram reacções por factores de até um milhão ou mais (Tabela 8.1). De facto, a maioria das reacções nos sistemas biológicos não ocorrem a taxas perceptíveis na ausência de enzimas. Mesmo uma reacção tão simples como a hidratação do dióxido de carbono é catalisada por uma enzima – a anidrase carbónica (Secção 9.2). A transferência de CO2 dos tecidos para o sangue e depois para o ar alveolar seria menos completa na ausência desta enzima. Na verdade, a anidrase carbónica é uma das enzimas mais rápidas conhecidas. Cada molécula enzimática pode hidratar 106 moléculas de CO2 por segundo. Esta reação catalisada é 107 vezes mais rápida do que a não catalisada. Vamos considerar o mecanismo da catálise da anidrase carbónica no Capítulo 9. As enzimas são altamente específicas tanto nas reacções que catalisam como na sua escolha de reagentes, que são chamados de substratos. Uma enzima normalmente catalisa uma única reacção química ou um conjunto de reacções intimamente relacionadas. Reações laterais que levam à formação de resíduos de subprodutos são raras em reações catalisadas por enzimas, em contraste com as não catalisadas.
Tabela 8.1
Aprimoramento da taxa pelas enzimas selecionadas.
Deixe-nos considerar as enzimas proteolíticas como exemplo. In vivo, estas enzimas catalisam a proteólise, a hidrólise de uma ligação peptídeo.
A maioria das enzimas proteolíticas também catalisam uma reacção diferente mas relacionada in vitro-nomeadamente, a hidrólise de uma ligação éster. Tais reacções são mais facilmente monitorizadas do que a proteólise e são úteis nas investigações experimentais destas enzimas (Secção 9.1.2).
As enzimas proteolíticas diferem marcadamente no seu grau de especificidade do substrato. A subtilisina, que se encontra em certas bactérias, é bastante indiscriminatória: clivará qualquer ligação peptídeo com pouca consideração pela identidade das cadeias laterais adjacentes. A tripsina, uma enzima digestiva, é bastante específica e catalisa a divisão das ligações do peptídeo apenas no lado carboxilo dos resíduos de lisina e arginina (Figura 8.1A). A trombina, uma enzima que participa na coagulação do sangue, é ainda mais específica do que a tripsina. Ela catalisa a hidrólise de ligações Arg-Gly apenas em sequências de peptídeos em particular (Figura 8.1B).
Figure 8.1
Específica enzimática. (A) A tripsina cliva-se do lado carboxil dos resíduos de arginina e lisina, enquanto que (B) a trombina cliva-se das ligações Arg-Gly em sequências particulares especificamente.
DNA polimerase I, uma enzima dirigida por modelo (Secção 27.2), é outro catalisador altamente específico. Ele adiciona nucleotídeos a uma cadeia de DNA que está sendo sintetizada, em uma seqüência determinada pela seqüência de nucleotídeos em outra cadeia de DNA que serve como um modelo. A DNA polimerase I é notavelmente precisa na execução das instruções dadas pelo modelo. Ele insere o nucleotídeo errado em uma nova cadeia de DNA menos de uma em um milhão de vezes.
A especificidade de uma enzima deve-se à interação precisa do substrato com a enzima. Esta precisão é o resultado da intrincada estrutura tridimensional da proteína enzimática.
8.1.1. Muitas Enzimas Requerem Cofactores para Actividade
A actividade catalítica de muitas enzimas depende da presença de pequenas moléculas chamadas cofactores, embora o papel preciso varie com o cofactor e a enzima. Tal enzima sem o seu cofactor é referida como uma apoenzima; a enzima completa, catalítica activa é chamada holoenzima.
Cofactors pode ser subdividida em dois grupos: metais e pequenas moléculas orgânicas (Tabela 8.2). A anidrase carbónica enzimática, por exemplo, requer Zn2+ para a sua actividade (Secção 9.2.1). Glicogênio fosforilase (Seção 21.1.5), que mobiliza glicogênio para energia, requer a pequena molécula orgânica piridoxal fosfato (PLP).
Quadro 8.2
Coffatores enzimáticos.
Os cofactores que são pequenas moléculas orgânicas são chamados coenzimas. Muitas vezes derivadas de vitaminas, a coenzima pode ser ligada à enzima de uma forma apertada ou frouxa. Se firmemente ligadas, são chamadas de grupos protéticos. As coenzimas associadas frouxamente são mais como cosubstratos porque se ligam à enzima e são libertadas da mesma forma que os substratos e produtos. No entanto, o uso da mesma coenzima por uma variedade de enzimas e sua fonte em vitaminas diferencia as coenzimas dos substratos normais. Enzimas que usam a mesma coenzima são normalmente mecanicamente semelhantes. No Capítulo 9, vamos examinar a importância mecanicista dos co-factores para a actividade enzimática. Uma discussão mais detalhada das vitaminas coenzimáticas pode ser encontrada na Seção 8.6.
8.1.2. Enzimas podem transformar energia de uma forma em outra
Em muitas reações bioquímicas, a energia dos reagentes é convertida com alta eficiência em uma forma diferente. Por exemplo, na fotossíntese, a energia da luz é convertida em energia de ligação química através de um gradiente de íons. Nas mitocôndrias, a energia livre contida em pequenas moléculas derivadas de alimentos é convertida primeiro na energia livre de um gradiente iônico e depois em uma moeda diferente, a energia livre de trifosfato de adenosina. As enzimas podem então usar a energia química de ligação do ATP de muitas maneiras. A miosina enzimática converte a energia do ATP na energia mecânica dos músculos contraídos. As bombas nas membranas das células e organelas, que podem ser pensadas como enzimas que movem os substratos em vez de os alterar quimicamente, criam gradientes químicos e eléctricos usando a energia do ATP para transportar moléculas e iões (Figura 8.2). Os mecanismos moleculares destas enzimas de transporte de energia estão sendo desvendados. Veremos nos capítulos subseqüentes como ciclos unidirecionais de ligação de passos discretos, transformação química e liberação de chumbo para a conversão de uma forma de energia em outra.
Figure 8.2
An Energy-Transforming Enzyme. Ca2+ ATPase utiliza a energia da hidrólise de ATP para transportar Ca2+ através da membrana, gerando um gradiente de Ca2+.
8.1.3. As enzimas são classificadas com base nos tipos de reações que elas catalisam
Muitas enzimas têm nomes comuns que fornecem pouca informação sobre as reações que elas catalisam. Por exemplo, uma enzima proteolítica secretada pelo pâncreas é chamada trypsin. A maioria das outras enzimas são nomeadas pelos seus substratos e pelas reacções que catalisam, com o sufixo “ase” adicionado. Assim, uma ATPase é uma enzima que decompõe ATP, enquanto ATP synthase é uma enzima que sintetiza ATP.
Para trazer alguma consistência à classificação das enzimas, em 1964 a União Internacional de Bioquímica estabeleceu uma Comissão de Enzimas para desenvolver uma nomenclatura para as enzimas. As reações foram divididas em seis grandes grupos numerados de 1 a 6 (Tabela 8.3). Estes grupos foram subdivididos e posteriormente subdivididos, de modo que um número de quatro dígitos precedido pelas letras EC para Comissão de Enzimas pudesse identificar precisamente todas as enzimas.
Quadro 8.3
Seis classes principais de enzimas.
Considerar como um exemplo de nucleósido monofosfato (NMP) cinase, uma enzima que iremos examinar em detalhe no próximo capítulo (Seção 9.4). Ela catalisa a seguinte reação:
NMP kinase transfere um grupo fosforilo de ATP para NMP para formar um difosfato de nucleósido (NDP) e ADP. Conseqüentemente, é uma transferase, ou membro do grupo 2. Muitos grupos além dos grupos fosforílicos, como açúcares e unidades de carbono, podem ser transferidos. As transferases que deslocam um grupo fosforilo são designadas como 2,7. Vários grupos funcionais podem aceitar o grupo de fosforilo. Se um fosfato é o aceitador, a transferase é designada 2.7.4. O número final designa o aceitante mais precisamente. Em relação à quinase NMP, um nucleósido monofosfato é o aceitador, e a designação da enzima é EC 2.7.4.4. Embora os nomes comuns sejam usados rotineiramente, o número de classificação é usado quando a identidade precisa da enzima pode ser ambígua.