5.1 Atuação das enzimas na cinética das reações

Nucleotídios e seus precursores 0,5 200

Outras moléculas 0,2 200

 

Tabela 5.2 Aumento da velocidade da reação por catálise enzimática.

Reação (1) Enzima Vc/V

CO2 + H2O ⇌ – + 7 HCO Anidrase carbônica 3 + H 10

Di-hidroxiacetona fosfato ⇌ 9 Gliceraldeído Triose fosfato isomerase 10

3 -fosfato

Glicose + ATP ⇌ 10 Hexoquinase Glicose 6 -fosfato + ADP 10

+ H+

Glicose 6-fosfato ⇌ 12 Glicose 1-fosfato Fosfoglicomutase 10

Ureia + H O ⇌ 14 NH + CO Urease 10 2 3 2

Orotidina monofosfato ⇌ 17 Uridina Orotidina monofosfato descarboxilase 10

monofosfato + CO2

(1) Vc = velocidade da reação catalisada; V = velocidade da reação não catalisada.

As considerações que serão feitas daqui para diante referem-se exclusivamente às enzimas “proteicas”.

 

5.1 Atuação das enzimas na cinética das reações

As enzimas aceleram a velocidade da reação por diminuírem sua energia de

ativação

Tomando o exemplo simples da conversão irreversível de uma substância A em B (A → B), a velocidade da reação (v) será:

[B] e [A] representam as concentrações molares de B e de A, e a unidade da velocidade (v) é mols por litro por segundo.

A velocidade da reação é proporcional à concentração de A:

 

v = k [A]

 

A constante k é chamada constante de velocidade da reação, com unidade de seg–1. Esta é uma reação de primeira ordem, já que sua velocidade depende da concentração do reagente com expoente igual a 1.

A maior parte das reações químicas processadas nos organismos são mais complexas, por envolverem, pelo menos, três moléculas diferentes e por serem, geralmente, reversíveis. São reações de segunda ordem, representadas por

2A ⇌ B + C ou A + B ⇌ C + D

 

para as quais, pode-se demonstrar, as velocidades de reação serão, respectivamente

v = k [A]2 e v = k [A] [B]

 

Para um melhor entendimento dos fatores que interferem na velocidade de reação, é importante analisar como ocorre a transição entre reagente e produto (ou entre reagentes e produtos). Considere-se o diagrama de uma

reação espontânea (Figura 5.1) que mostra a variação de energia livre do sistema em função de um parâmetro genérico da reação que mede a sua progressão, o seu caminho. Na reação espontânea, a energia dos produtos é menor do que a dos reagentes. Nota-se, ainda, que para se transformar no produto, o reagente deve passar por um estado intermediário, de maior energia. Assim, para reagir, as moléculas devem ter uma quantidade de energia que lhes permita atingir o estado reativo, chamado estado de transição.

Uma reação de primeira ordem envolve, muitas vezes, alterações da molécula do reagente (único), que requerem energia e que a fazem alcançar o estado de transição. Esta condição, para cada molécula, ocorre ocasionalmente, de modo que somente uma fração das moléculas de um sistema está apta a sofrer a reação. Uma reação de segunda ordem só ocorre quando duas moléculas diferentes colidem — ao se chocarem, as moléculas devem estar com orientação apropriada uma em relação à outra e a colisão deve levá-las a adquirir uma quantidade mínima de energia que lhes permita atingir o estado de transição. Muitos choques são improdutivos ou porque ocorrem entre moléculas direcionadas de modo inadequado ou porque as colisões não são suficientemente energéticas.

Para levar todas as moléculas de um mol de uma substância até o estado de transição, necessita-se de uma quantidade de energia definida como energia livre de ativação ou energia de ativação (Ea). Esta energia é,

portanto, a “barreira” que separa os reagentes dos produtos (Figura 5.1) e equivale ao adicional à energia média das moléculas de reagente, necessária para atingir o estado de transição. A velocidade de uma reação será diretamente proporcional ao número de moléculas com energia igual ou maior do que a energia do estado de transição.

 

Figura 5.1 Diagrama mostrando a variação de energia livre em função do caminho de uma reação espontânea hipotética. Na presença do catalisador, a reação ocorre por um caminho alternativo com energia de ativação (E ) a menor.

Em uma população de moléculas, nem todas têm o mesmo conteúdo energético. Algumas têm conteúdo muito pequeno, outras, muito grande, e a maioria apresenta um conteúdo médio, característico da temperatura na qual a população se encontra. Quando se eleva a temperatura de um sistema, as moléculas, no seu conjunto, adquirem um conteúdo energético maior, respeitando o mesmo padrão de distribuição de energia.

A decorrência das considerações expostas é que a velocidade de reação pode ser aumentada de três maneiras diferentes:

1. aumentando a concentração do reagente, como estabelecido pela

equação da velocidade;

2. elevando a temperatura, pois um número maior de moléculas

atinge a energia de ativação (Figura 5.2 a);

3. diminuindo a energia de ativação, por permitir que, mesmo

mantida a temperatura, um número maior de moléculas atinja a

energia necessária para reagir (Figura 5.2 b).

A redução do valor da energia de ativação pode ser obtida pela presença de catalisadores, e é o processo empregado pelos seres vivos para acelerar suas reações químicas. Os catalisadores aceleram a velocidade da reação, sem alterar a proporção entre reagentes e produtos encontrada no final da reação e sem serem consumidos no processo. Como sua concentração permanece constante, podem atuar em quantidades mínimas, ditas catalíticas, várias ordens de grandeza menores do que as concentrações dos reagentes. O catalisador participa efetivamente da reação, sofrendo alterações de sua estrutura química durante o processo; invariavelmente, porém, retorna à sua forma original quando a reação termina.

As enzimas catalisam praticamente todas as reações químicas que se processam nos seres vivos. Nas reações enzimáticas, os reagentes são chamados substratos.

Figura 5.2 Alteração da distribuição de energia entre as moléculas de uma população que se encontram em uma temperatura T : (a) por aumento da 1 temperatura (T 2 > T1); (b) pela presença de um catalisador. A área colorida representa a fração da população com energia igual ou maior do que a energia de transição (E ). a

 

A e ciência da catálise enzimática deriva da ligação do substrato à enzima

Geralmente há uma grande diferença de tamanho entre as moléculas de enzimas e as de seus substratos. As enzimas são macromoléculas proteicas — mesmo as menores são formadas de mais de uma centena de aminoácidos — e suas massas molares variam de 10.000 a alguns milhões, enquanto a massa molar dos substratos é muitas ordens de grandeza inferior

(Tabela 5.3).

Tabela 5.3 Massas molares aproximadas de enzimas e de seus substratos.

Enzima Substrato Massa molar aproximada

Catalase 200.000

H2O2 34

Urease 500.000

Ureia 60

Fosfofrutoquinase 380.000

Frutose 6-fosfato 300

Glutamina sintetase 600.000

Glutamato 150

 

Embora, em geral, o total da molécula enzimática seja necessário para a catálise, a ligação com o substrato dá-se apenas em uma região pequena e bem definida da enzima, chamada sítio ativo. O sítio ativo constitui uma cavidade com forma definida, revestida por cadeias laterais de aminoácidos, algumas das quais ajudam a ligar o substrato enquanto outras participam diretamente da catálise. A estrutura do sítio ativo é responsável pela grande especificidade das enzimas, pois permite à enzima “reconhecer” seu substrato. Uma molécula, para ser aceita como substrato, deve ter uma forma complementar à do sítio ativo e conter grupos químicos capazes de estabelecer ligações precisas com cadeias laterais de aminoácidos do sítio ativo.

A relação substrato-enzima não deve ser entendida como um modelo rígido de chave-fechadura. A ligação do substrato induz uma mudança na

conformação da enzima (Figura 5.3), amoldando sua forma à do substrato e fazendo-a adquirir uma nova configuração, ideal para a catálise. É o que se chama ajuste induzido.

Figura 5.3 Mudança da conformação da enzima induzida pela ligação com o substrato. O exemplo mostra a hexoquinase antes (a) e depois (b) de se ligar ao substrato, a glicose. A molécula da enzima consta de dois domínios, que se aproximam, encaixando o substrato.

 

A ligação à enzima modifica também a molécula do substrato, que é submetida a tensão e distorção, assumindo uma conformação aproximada à que tem no estado de transição, mas com menor conteúdo energético. Ainda mais, a ligação das moléculas dos substratos ao sítio ativo propicia sua correta orientação e sua aproximação, favorecendo a reação, que passa a depender muito menos dos choques casuais entre moléculas. Na verdade, as enzimas reproduzem os mecanismos da catálise não enzimática de reações orgânicas. Nestes processos, cadeias laterais de aminoácidos do sítio ativo adicionam ou removem prótons do substrato, ou formam ligações covalentes transitórias com o substrato. As enzimas, como todos os catalisadores, criam um novo caminho para a reação, com um novo estado

de transição, que requer menor energia de ativação (Figura 5.1).

Um exemplo simples deste novo caminho é a hidrólise de um éster

catalisada por ácido (Figura 5.4). A reação de hidrólise consiste no ataque do oxigênio (que tem carga residual negativa) da molécula de água ao carbono presente no éster (que tem carga residual positiva, em virtude de sua dupla ligação com o oxigênio). A energia de ativação requerida para atingir o estado de transição é alta. Os íons H+ originados da dissociação do ácido criam um caminho alternativo para a reação: o íon H+ liga-se ao oxigênio presente no éster, aumentando a carga positiva do carbono e tornando-o mais suscetível ao ataque do oxigênio da água. Este novo caminho, na presença de H+, tem energia de ativação menor e, em uma mesma temperatura, mais moléculas poderão reagir e a velocidade da reação será maior. Se a mesma reação fosse catalisada por uma enzima, a atuação catalítica do íon H+ poderia ser exercida por um grupo NH + 3 pertencente à cadeia lateral de um resíduo de lisina do sítio ativo.