Composição química dos seres vivos II

Toda reação química precisa que as moléculas colidam com energia suficiente para romper ligações e formar o complexo ativado, aquele estado intermediário de maior energia; a energia mínima para alcançá-lo é a energia de ativação (Ea), e quanto maior ela for, menor a fração de moléculas capazes de vencer essa barreira a dada temperatura, o que torna a reação lenta. O que a enzima faz é se ligar ao substrato e estabilizar esse estado de transição, por exemplo distorcendo ligações ou aproximando grupos reativos no sítio ativo, de modo que a colisão eficaz passe a exigir menos energia — o gráfico clássico mostra a curva com enzima tendo um pico bem mais baixo que a curva sem enzima, ambas partindo e chegando aos mesmos patamares de energia dos reagentes e produtos.

Exemplo concreto: a decomposição da água oxigenada em água e oxigênio é termodinamicamente espontânea, mas tão lenta que a água oxigenada de farmácia fica estável na prateleira; basta adicionar catalase (presente no fígado e no sangue) para que ocorra efervescência imediata, pois a enzima abaixa a Ea sem tocar na variação de energia livre.

Vale notar ainda que esse abaixamento não é um "empurrão" energético: a enzima não fornece energia à reação, apenas oferece um percurso mais fácil, e por isso a reação continua reversível e o equilíbrio final é idêntico ao da reação não catalisada, só que atingido muito mais rápido.

Cada enzima é, quase sempre, uma proteína globular cuja função nasce da sua conformação tridimensional: o enovelamento da cadeia polipeptídica cria cavidades e reentrâncias que posicionam aminoácidos estratégicos para reconhecer e transformar o substrato. Esse arranjo explica o modelo do encaixe induzido, hoje preferido ao antigo "chave-fechadura": a enzima não é rígida, e o próprio contato com o substrato ajusta levemente o sítio ativo, otimizando a catálise.

Vale lembrar que nem toda enzima é proteica — as ribozimas, moléculas de RNA com atividade catalítica, mostram que a catálise biológica antecede até a síntese de proteínas. Como a estrutura é mantida por pontes de hidrogênio, interações hidrofóbicas e ligações iônicas, fatores como temperatura e pH alteram essas forças: acima de certa faixa térmica ocorre desnaturação, com perda irreversível da forma e, portanto, da função.

As enzimas são proteínas (ou, em alguns casos, RNAs catalíticos, as ribozimas) que aceleram reações químicas sem serem consumidas nelas, e esse poder vem sobretudo da capacidade de diminuir a energia de ativação — a barreira energética que as moléculas precisam vencer para reagir. Em vez de forçar colisões violentas entre substratos, a enzima cria um ambiente quimicamente favorável dentro do sítio ativo, uma região em geral pequena, formada por dobras da cadeia polipeptídica e por resíduos de aminoácidos específicos, capazes de posicionar os reagentes lado a lado, orientar suas ligações e até estabilizar o estado de transição da reação.

É por isso que a velocidade enzimática pode ser milhões de vezes maior que a reação não catalisada. O encaixe induzido vai além do velho modelo chave-fechadura: ao encontrar o substrato, o sítio ativo muda de forma para abraçá-lo, o que explica a especificidade e também a regulação da enzima — pequenas alterações na estrutura proteica podem ligá-la ou desligá-la. Um caso concreto é a catalase, que decompõe o peróxido de hidrogênio (H₂O₂), substância tóxica gerada no metabolismo, em água e oxigênio; é essa enzima que produz a efervescência quando se coloca água oxigenada em um ferimento ou em um pedaço de batata crua.

A especificidade enzimática deriva da arquitetura tridimensional do sítio ativo, uma cavidade com resíduos de aminoácidos dispostos de modo a estabelecer ligações de hidrogênio, interações iônicas e forças de van der Waals com o substrato, o que explica por que uma enzima como a catalase decompõe o peróxido de hidrogênio sem tocar em moléculas de estrutura semelhante, como a água oxigenada diluída em outros solutos. Historicamente, o modelo chave-fechadura, proposto por Emil Fischer em 1894, imaginava o sítio ativo como uma fechadura rígida à qual só se encaixava a chave exata, o substrato; hoje sabemos que a enzima é flexível e que o sítio ativo se molda ao substrato após a ligação, ideia do encaixe induzido, de Daniel Koshland (1958), que explica tanto a catálise quanto a especificidade ampla de algumas enzimas, capazes de agir sobre substratos parecidos.

A ação enzimática depende de condições ambientais específicas porque a enzima é uma proteína cuja função nasce da sua forma tridimensional: qualquer fator que altere a conformação do sítio ativo compromete a catálise. Vale separar dois efeitos. A concentração de substrato aumenta a velocidade até a saturação, quando todas as enzimas estão ocupadas e a velocidade atinge o Vmáx, comportamento descrito pela cinética de Michaelis-Menten; já a concentração de enzima eleva a velocidade de forma praticamente linear, pois há mais sítios ativos disponíveis. Os inibidores agem de dois modos: o competitivo disputa o sítio ativo e é vencido por excesso de substrato, enquanto o não competitivo se liga em outro ponto da enzima e reduz o Vmáx sem que o substrato resolva.

Sobre temperatura e pH, vale lembrar que a desnaturação por calor é geralmente irreversível, mas a perda de atividade por pH extremo pode ser revertida se a enzima voltar à faixa ótima.

A faixa de pH em que uma enzima atua depende diretamente do estado de ionização dos grupos funcionais dos aminoácidos que formam seu sítio ativo e de sua estrutura tridimensional: radicais como carboxila (-COOH), amino (-NH₃⁺) e imidazol da histidina ganham ou perdem prótons conforme a acidez do meio, e alterações nesse equilíbrio modificam as cargas elétricas que sustentam as ligações iônicas, as pontes de hidrogênio e as interações hidrofóbicas responsáveis pelo enovelamento proteico. Em pH ótimo, essas cargas estão na proporção ideal para que o substrato se encaixe no sítio ativo e a catálise ocorra com máxima eficiência; afastando-se desse ponto, a ionização desfavorável rompe essas interações, a enzima perde a conformação nativa e a atividade cai drasticamente até a desnaturação irreversível, que não deve ser confundida com inibição reversível.

Outro caso clássico é a pepsina, sintetizada como pepsinogênio e ativada pelo HCl gástrico: seu pH ótimo em torno de 2 é justamente o que a torna funcional no estômago, enquanto a tripsina, lançada como tripsinogênio e ativada pela enterocinase no duodeno, opera em pH ~8.

Esse comportamento descreve uma curva hiperbólica típica da cinética enzimática, formalizada pelo modelo de Michaelis-Menten, em que a velocidade inicial (v₀) é plotada contra a concentração de substrato [S]: em concentrações baixas, há proporcionalidade quase direta, pois cada molécula de substrato encontra sítio ativo livre com facilidade; à medida que [S] aumenta, mais complexos enzima-substrato (ES) se formam e a velocidade cresce, mas de modo cada vez mais lento, até estabilizar na Vmax, quando a etapa limitante passa a ser o turnover catalítico da enzima, e não mais o encontro com o substrato. Nesse contexto define-se a constante de Michaelis (Km), a concentração de substrato em que v₀ atinge metade da Vmax, valor que expressa a afinidade aparente da enzima pelo substrato — Km baixo indica alta afinidade, Km alto sugere baixa afinidade — e serve para comparar enzimas ou condições experimentais.

Outro caso prático é a inibição competitiva, em que um análogo do substrato ocupa o sítio ativo: o inibidor pode ser vencido aumentando-se [S], o que desloca a curva, eleva o Km aparente e mantém a Vmax inalterada — observação frequente em questões que comparam gráficos com e sem inibidor.

Vale lembrar que fatores como pH, temperatura e presença de cofatores também modulam a atividade e, por isso, costumam ser cobrados em conjunto, cabendo ao aluno reconhecer que a curva de saturação só é válida quando essas condições permanecem ótimas e constantes.