Enzimas

Enzimas 酶 são proteínas globulares 球状蛋白质 — um tipo de proteína 蛋白质 com formato arredondado e solúvel. Elas são catalisadores biológicos: catalisam 催化 (aceleram) as reações químicas nos seres vivos, e não são consumidas, então cada enzima funciona repetidamente.

As enzimas funcionam em dois locais:

• Enzimas intracelulares 细胞内 funcionam dentro da célula 细胞 que as produziu. Um exemplo é a catalase 过氧化氢酶, que decomõe o peróxido de hidrogênio nocivo.
• Enzimas extracelulares 细胞外 são secretadas 分泌 (enviadas para fora) para funcionar fora da célula. Um exemplo é a amilase 淀粉酶, que é liberada no intestino para digestir 消化 amido 淀粉.

Cada enzima tem um bolso especial chamado sítio ativo 活性位点. A molécula sobre a qual atua é seu substrato 底物. O substrato encaixa no sítio ativo para formar um complexo enzima-substrato 酶底物复合物. A reação ocorre então, e os produtos 产物 saem, liberando o sítio ativo para o próximo substrato.

Especificidade

Uma enzima é específica: geralmente funciona apenas em um substrato. Isso ocorre porque a forma do sítio ativo é complementar 互补 à (encaixa na) forma daquele substrato e nenhuma outra. Chamamos isso de especificidade 专一性.

Duas ideias explicam como o substrato se encaixa:

• a hipótese da fechadura e chave 锁钥学说 — o sítio ativo tem uma forma fixa, e apenas um substrato com a forma correspondente encaixa, como uma chave em uma fechadura.
• a hipótese do ajuste induzido 诱导契合学说 — o sítio ativo inicialmente não tem exatamente a forma correta. Quando o substrato se liga, o sítio ativo muda ligeiramente de forma para envolver-se firmemente ao redor dele. Essa ideia se encaixa melhor nas evidências.

Redução da energia de ativação

Toda reação precisa de um pequeno "empurrão" de energia para começar, chamado energia de ativação 活化能. Uma enzima reduz a energia de ativação. Isso permite que a reação ocorra rapidamente à temperatura 温度 normal da célula, em vez de precisar de calor intenso.

Você pode acompanhar uma reação enzimática de duas maneiras:

• medir a rapidez com que o produto é formado. Com a catalase, o gás oxigênio é um produto, então você coleta o gás e mede seu volume ao longo do tempo.
• medir a rapidez com que o substrato desaparece. Com a amilase, você retira amostras e usa o teste do iodo; a cor azul-preta diminui à medida que o amido é consumido.

Um colorímetro 比色计 torna isso exato. Ele faz passar luz através do tubo e mede quanto da luz é absorvida, transformando uma mudança de cor em um número que você pode plotar.

A velocidade de reação 反应速率 é mais íngreme no início (maior quantidade de substrato presente), então a velocidade inicial (a inclinação no tempo zero) é o valor mais justo para comparar.

Exemplo resolvido. Nos primeiros $20$ segundos de uma reação de catalase, $16\ \text{cm}^3$ de oxigênio é coletado. Estime a velocidade da reação.

Como a reação é mais rápida no início, medir sobre esse curto intervalo inicial fornece um valor próximo à velocidade inicial; fazer uma média sobre um período mais longo incluiria as etapas posteriores mais lentas e subestimaria o valor.

Temperatura

À medida que a temperatura aumenta, as moléculas ganham mais energia cinética 动能 e colidem 碰撞 com mais frequência, então a velocidade aumenta. Mas acima da temperatura ótima 最适温度, a enzima começa a denaturar 变性: o calor quebra as ligações que mantêm sua forma, então o sítio ativo muda e deixa de se encaixar no substrato. A velocidade então cai rapidamente.

pH

Cada enzima tem um pH ótimo. Se o pH se afasta muito dele, a enzima denatura e a velocidade cai. Para estudar o pH corretamente, você o mantém estável com uma solução tampão 缓冲液.

Concentração de enzima

Com bastante substrato, mais enzima significa mais sítios ativos, então a velocidade aumenta proporcionalmente à concentração de enzima.

Concentração de substrato

Inicialmente, adicionar mais substrato acelera a reação. Mas uma vez que todos os sítios ativos estejam ocupados, adicionar mais não faz diferença — a velocidade se estabiliza em um máximo.

Concentração de inibidor

Um inibidor 抑制剂 é uma molécula que desacelera uma enzima. Quanto mais inibidor estiver presente, menor será a velocidade.

A velocidade de nivelamento, quando todos os sítios ativos estão cheios, é a velocidade máxima, escrita $V_{\text{max}}$.

A constante de Michaelis–Menten 米氏常数 ($K_{\text{m}}$) é a concentração de substrato que proporciona metade de $V_{\text{max}}$. Ela informa sobre a afinidade 亲和力 (poder de atração) da enzima por seu substrato:

• um baixo $K_{\text{m}}$ significa que a enzima atinge metade da velocidade em uma baixa concentração de substrato, portanto tem alta afinidade.
• um alto $K_{\text{m}}$ significa uma baixa afinidade.

Então $K_{\text{m}}$ permite que você compare o quanto diferentes enzimas seguram seus substratos.

Alguns inibidores são reversíveis 可逆: eles podem deixar a enzima novamente. Existem dois tipos.

Uma enzima imobilizada 固定化酶 fica fixa em lugar — por exemplo, aprisionada dentro de pequenas esferas de alginato 海藻酸盐 — em vez de flutuar livremente em solução. A solução de substrato flui ao lado das esferas.

Uma enzima livre geralmente atua um pouco mais rápido, pois o substrato pode alcançá-la facilmente. Mas as enzimas imobilizadas têm grandes vantagens práticas:

• a enzima não é lavada para fora, então pode ser reutilizada repetidamente.
• o produto é puro — não está misturado com a enzima.
• a enzima é mais estável, resistindo melhor a mudanças de temperatura e pH.
• o processo pode ocorrer continuamente, com substrato fluindo para dentro e produto fluindo para fora.

• Explique a ação das enzimas usando o modelo de ajuste induzido (o sítio ativo molda-se ao redor do substrato) — agora preferido ao modelo de chave e fechadura.
• Acima da optimalidade, a enzima desnatura-se (ligações de hidrogênio e estrutura terciária se quebram) — escreva "desnatura-se", nunca "morre" ou "é destruída".
• Diferencie inibidores: competitivo liga-se ao sítio ativo (superado por mais substrato, mesma $V_{max}$); não competitivo liga-se em outro lugar (menor $V_{max}$).
• Compare taxas usando a taxa inicial (tangente no tempo zero) — a medida mais justa, antes que o substrato se torne limitante.