Catálise enzimática

Prof. Doutor Pedro Silva

Professor Associado, Universidade Fernando Pessoa

Existem moléculas biológicas capazes de aumentar bastante a velocidade de reacções químicas, i.e., são catalizadores. Estas moléculas são genericamente denominadas “enzimas”, e são (na sua quase totalidade) proteínas. As enzimas não proteicas conhecidas são constituídas por RNA. As enzimas são altamente específicas: cada enzima apenas reage com um conjunto muito restrito de moléculas (os seus “substratos”). As enzimas não alteram o equilíbrio químico das reacções catalizadas, apenas diminuem a sua energia de activação.

O mecanismo mais simples para explicar a acção enzimática é o modelo de Michaelis-Menten:

E +S ↔ ES → E + P

Neste modelo a enzima (E) liga-se ao substrato (S) para formar um complexo enzima-substrato (ES). Este pode separar-se novamente en enzima e substrato livre ou transformar o substrato em produto (P). Como em qualquer reacção elementar (i.e. uma reacção que ocorre por simples colisão entre reagentes), a velocidade de cada passo será proporcional à concentração dos reagentes desse passo. Em cada caso, a constante de proporcionalidade será uma função da energia de activação desse passo. Na maior parte das enzimas, verifica-se que o equilíbrio E +S ↔ ES se atinge muito rapidamente (em poucas dezenas de milissegundos). Uma vez atingido o equilíbrio, a concentração de ES mantém-se constante, uma vez que sempre que um complexo ES se dissocia em produto e enzima livre, esta se liga muito rapidamente a uma nova molécula de substrato, regenerando o ocmplexo ES. Nestas condições, é óbvio que a velocidade de degradação de ES é igual à velocidade da sua formação, ou seja:

Em princípio, não nos é dado saber em cada momento qual a concentração de enzima que se encontra livre ou sob a forma de complexo enzima-substrato. No entanto, sabemos que a soma das duas concentrações deve igualar a concentração de enzima total (E_t). Substituindo em (1)

Se o passo limitante da reacção fôr a transformação do complexo ES em enzima livre e produto, a velocidade da reacção enzimática será:

A expressão pode ser simplificada se juntarmos todas as constantes presentes no denominador numa nova constante: , que é conhecida como constante de Michaelis. que é também a constante de dissociação do complexo ES. Km é portanto uma medida da estabilidade do complexo enzima-substrato. Substituindo na expressão (2), esta toma assim a forma:

A velocidade máxima da reacção (V_max) é obtida a concentrações infinitas de substrato: . Substituindo novamente, obtém-se a forma familiar da equação de Michaelis-Menten:

A representação gráfica da velocidade da reacção em função da concentração de substrato é portanto uma hipérbole. A assímptota horizontal corresponde à v_max. O valor de K_M também pode ser obtido através do gráfico, uma vez que quando a [S]=K_M , a equação de Michaelis-Menten prevê que a velocidade seja

A constante de Michaelis Menten é portanto a concentração de substrato para a qual a velocidade da reacção é metade da velocidade máxima.

Um inibidor competitivo de uma enzima é uma molécula capaz de se ligar à enzima e impedir a ligação da mesma ao substrato. Para que isto aconteça é necessário que o inibidor se ligue ao local da enzima normalmente ocupado pelo substrato (este local denomina-se “centro activo”), o que obviamente só é possível quando o inibidor tem uma estrutura química bastante semelhante à do substrato.

A comparação desta equação com a equação de Michaelis-Menten mostra que:

• na presença de um inibidor competitivo, a velocidade da reacção é inferior à da reacção não inibida (daí o nome de “inibidor”).

• A concentração de substrato para a qual a velocidade é metade da velocidade máxima é . Este valor (chamemos-lhe K_M aparente) é sempre superior ao valor de K_M na ausência do inibidor.

• quando , a velocidade da reacção aproxima-se assimptoticamente de v_max , tal como na reacção não-inibida.

O efeito de inibidores não-competitivos na actividade enzimática

Um inibidor não-competitivo de uma reacção enzimática é uma substância que se liga à enzima num local diferente do centro activo e que, embora não impeça a ligação do substrato ao centro activo, impede a sua transformação em produto: a reacção só pode ocorrer após o substrato se desligar da enzima.

Aplicando um tratamento matemático análogo ao utilizado anteriormente, prova-se que na presença de um inibidor não-competitivo, a velocidade da reacção enzimática é dada por:

A comparação desta equação com a equação de Michaelis-Menten mostra que:

• na presença de um inibidor não-competitivo, a velocidade da reacção é inferior à da reacção não inibida (daí o nome de “inibidor”).

• A concentração de substrato para a qual a velocidade é metade da velocidade máxima é igual ao observado na ausência de inibidor.

• quando , a velocidade da reacção aproxima-se assimptoticamente de , que é sempre inferior ao da reacção não-inibida.

Bibliografia