1) O documento discute os mecanismos de catálise enzimática, incluindo catálise ácido-básica, covalente, por íons metálicos e eletrostática. 2) A catálise enzimática é altamente eficiente porque as enzimas orientam os substratos de forma a estabilizar o estado de transição da reação e aumentar a velocidade da reação. 3) A lisozima é uma enzima descoberta por Alexander Fleming em 1922 que quebra a parede celular de bactérias.

1. UNIVERSIDADE ESTADUAL DO MARANHÃO - UEMA
CENTRO DE ESTUDOS SUPERIORES DE IMPERATRIZ - CESI
DEPARTAMENTO: QUÍMICA E BIOLOGIA
CURSO DE ENGENHARIA FLORESTAL
JÉSSICA LEITE ANDRÉ – 112E215
NATHÁLIA COELHO NOBRE—112E204
CATÁLISE ENZIMÁTICA
As enzimas provocam aumento na velocidade das reações com ordem de
grandeza maior do que os aumentos provocados pelos melhores catalisadores químicos
funcionam sob condições suaves e são altamente específicas tanto para os substratos
como para os produtos.
São poucas as enzimas das quais se conhecem maiores detalhes sobre como elas
proporcionam esse grande aumento na velocidade das reações, mas está totalmente
esclarecido que os mecanismos catalíticos usados pelas enzimas são idênticos aos
mecanismos de catálise química.
1-Mecanismos de Catálise
A catálise é um processo que aumenta a velocidade com a qual uma reação
chega ao equilíbrio. A velocidade de uma reação é função da sua energia livre de
ativação, um catalisador age diminuindo a altura dessa barreira cinética, isto é, ele
estabiliza o estado de transição em relação à reação não catalisada.
Aparentemente, o que faz com que as enzimas sejam catalisadores tão poderosos
são duas propriedades relacionadas entre si: a especificidade pela ligação ao substrato,
combinada com uma organização otimizada dos grupos catalíticos.
A - Catálise Ácido-Básica
A catálise ácida geral é um processo na qual a transferência parcial de um próton
transferido de um grupo ácido (Ácido de Bronsted) para o substrato, diminuindo a

2. energia livre do estado de transição da reação. Uma tautomerizaçãoceto-enólicanão
catalisada ocorre muito lentamente devido à alta energia do estado de transição do tipo
carbânion. A doação de um próton ao átomo de oxigênio reduz o caráter carbânion,
catalisando a reação.
A catálise básica geral é um processo no qual um grupo básico (Base de
Bronsted) aceita um próton do substrato, aumentando a velocidade da reação. Algumas
reações são simultaneamente sujeitas aos dois processos: reações catalisadas por uma
catálise ácido-básica geral combinada.
A mutarrotação da glicose é um exemplo instrutivo de catálise ácido-básica. A
velocidade da reação aumenta com a concentração de ácidos ou bases gerais, acredita-se
que eles catalisem a reação. A mutarrotação pode ser catalisada pela adição de fenol, um
ácido fraco, juntamente com a piridina, uma base fraca, em benzeno. Além disso, na
presença de α-piridona, cujos grupos ácidos e básicos podem se interconverter entre
duas formas tautoméricas, situadas de maneira a poder catalisar a reação
simultaneamente. A α-piridona catalisa a reação de maneira combinada, pois 1 M tem o
mesmo efeito de concentrações impossivelmente altas de fenol e piridina.
Muitas reações de importância bioquímica são suscetíveis a catálise ácida e
básica, hidrólise de peptídeos e de ésteres, reações do grupo fosfato, tautomerizações e
adição de grupos carbonila. As cadeias laterais dos resíduos dos aminoácidos Asp, Glu,
His, Cys, Tyr e Lys têm o pKs na faixa do pH fisiológico, o que confere-lhes
capacidade enzimática.
B- Catálise Covalente
A catálise covalente envolve a aceleração da velocidade pela formação
transitória de uma ligação covalente entre o catalisador e o substrato. A descarboxilação
do acetoacetato, quando catalisada quimicamente por aminas primárias, é um exemplo
de um processo desse tipo. No primeiro estágio a amina ataca nucleofilicamente o grupo
carbonila do acetoacetato, formando uma base de Schiff (ligação imina). O átomo de
nitrogênio protonado do intermediário covalente age como um dispersor de elétrons,
reduzindo o caráter de alta energia do estado de transição. A formação e a
decomposição da base de Schiff ocorrem tão rapidamente que não são determinantes
para a velocidade dessas sequência de reações.

3. a. A Catálise Covalente tem estágios nucleofílicos e eletrofílicos
A Catálise Covalente pode ser conceitualmente decomposta em três estágios:
1. Reação Nucleofílica entre o catalisador e o substrato para formar uma
ligação covalente.
2. A retirada de elétrons do centro de reação pelo novo catalisador
eletrofílico.
3. A eliminação do catalisador, que, essencialmente, é o inverso do estágio
Os mecanismos de reação são classificados um tanto arbitrariamente como
catálise nucleofílica ou catálise eletrofílica, dependendo de qual desses efeitos fornece a
maior força motora da reação, isto é, qual das catalises é a etapa que determina a
velocidade.
A nucleofilicidade de uma substância está intimamente relacionada à sua
basicidade. Quanto mais estável for a ligação covalente formada, menos facilmente ela
será decomposta nas etapas finas das reações. Um bom catalisador covalente deve
combinar a alta nucleofilicidade e a capacidade em formar bons grupos que deixam a
molécula.
b. Certas Cadeias Laterais de Aminoácidos e Coenzimas podem agir como
catalisadores covalentes
C. Catalise por Íons-Metálicos
Existem duas classes de enzimas que necessitam de íons metálicos e que se
diferenciam pela intensidade da interação entre o íon e a proteína:
1. Metaloenzimas contém íons metálicos firmemente ligados, normalmente
íons de metais de transição.
2. Enzimas ativadas por metais ligam frouxamente íons metálicos presentes
nas soluções, geralmente íons de metais alcalinos e alcalino-terrosos.
Os íons metálicos participam dos processos catalíticos principalmente de três
maneiras:
1. Ligando-se aos substratos de modo a orientá-los pela formação
apropriada para a reação.

4. 2. Mediando reações de oxidorredução por alterações reversíveis no estado
de oxidação do íon metálico.
3. Estabilizando eletrostaticamente ou então protegendo cargas negativas.
a. Os íons metálicos favorecem a catálise pela estabilização de cargas
Em muitas reações catalisadas por íons metálicos, o íon metálico age quase que
da mesma maneira pela qual um próton neutraliza cargas negativas. Os íons metálicos
em geral são catalisadores mais efetivos do que os prótons, pois podem estar presentes
em altas concentrações em pH neutro e possuem cargas maiores que +1.
A descarboxilação do dimetiloxaloacetato, catalisada por Cu2+ ou Ni2+, é um
exemplo de catálise por íon metálico não-enzimática. Neste caso, o íon metálico
(Mn+), que é quelado pelo dimetiloxaloacetato, estabiliza eletrostaticamente a formação
do íon enolato do estado de transição.
b. Os íons metálicos propiciam catálise nucleofílica pela ionização da água
A carga de um íon metálico faz com que as moléculas de água ligadas ele
fiquem mais ácidas do que as moléculas de água livres. Formando uma fonte de íons
OH- com pH abaixo do neutro, induzindo a ionização. Um exemplo desse fenômeno
aparece no mecanismo catalítico da anidrase carbônica.
A anidrase carbônica contém um íon Zn2+ essencial que se situa no fundo de
uma fenda do sítio ativo, e coordena-se em um arranjo tetraédrico com três cadeias
laterais de His evolutivamente invariáveis e com um átomo de O de um íon HCO3- ou
de uma molécula de água.
c. Os íons metálicos favorecem as reações protegendo as cargas
Outra função enzimática importante dos íons metálicos é a proteção de cargas.
Por exemplo, os verdadeiros substratos das cinases (enzimas de transferência de grupos
fosfato que utilizam ATP) são os complexos ATP-Mg2+.
Neste caso, o papel do íon Mg2+, além do efeito de orientação, é proteger
eletrostaticamente as cargas negativas do grupo fosfato. De outro modo, essas cargas
negativas tenderiam a repelir os pares de elétrons dos agentes de ataques nucleofílicos,
principalmente de ataques aniônico.

5. D. Catálise Eletrostática
A ligação de um substrato normalmente exclui água do sítio ativo das enzimas,
com isso a constante dielétrica localizada no sítio ativo, é muitas vezes baixa. A
distribuição de cargas em um meio de baixa constante dielétrica pode influenciar
bastante a reatividade química do substrato.
Existe um grande número de indícios mostrando que a distribuição de cargas ao
redor do sítio ativo das enzimas está organizada de modo a estabilizar os estados de
transição das reações catalisadas. Além disso, em muitas enzimas, esta distribuição de
cargas aparentemente serve para guiar substratos polares para os seus sítios de ligação.
E. Catálise por efeitos de Proximidade e de Orientação
A eficiência catalítica das enzimas deve se originar de uma condição física
específica do seu sítio catalítico que favoreça a reação química. Os efeitos mais óbvios
são a proximidade e a orientação: para que a reação ocorra, os reagentes devem
aproximar-se um do outro segundo uma relação espacial adequada.
a. A contribuição da Proximidade, por si só, é pequena para a catálise.
1. As espécies reagentes, isto é, os grupos funcionais, têm um tamanho
aproximado ao das moléculas de água.
2. Cada espécie reagente presente na solução tem como vizinhas mais
próximas 12 moléculas de modo que se organizam em esferas de tamanhos
idênticos.
3. Uma reação química só ocorre entre reagentes que estejam em contato.
4. A concentração de reagentes presentes na solução é tão baixa que a
probabilidade de que as espécies reagentes estejam em contato simultâneo com
mais do que um reagente é desprezível.
b. A Orientação apropriada dos reagentes e a limitação no movimento de
um em relação ao outro pode levar um aumento na velocidade da catálise.
As moléculas não são igualmente reativas em todas as direções, ao contrário,
elas agem mais satisfatoriamente apenas se estiverem em orientações relativas
apropriadas.

6. Uma molécula pode ter sua reatividade máxima somente quando ela assumir
uma conformação que alinhe os seus vários orbitais de maneira a minimizar a energia
eletrônica do seu estado de transição, efeito denominado de auxílio estereoeletrônico.
Como Thomas Bruice demonstrou a velocidade das reações intramoleculares
aumenta bastante pela diminuição dos movimentos internos da molécula de maneira a
aumentar a fração molar dos grupos reagentes que estão em uma conformação na qual
podem entrar no estado de transição. De maneira semelhante, quando uma enzima liga
duas moléculas em uma reação bi molecular, ela não apenas aumenta a proximidade dos
reagentes como também congela os movimentos translacionais e rotacionais relativos
dos reagentes, aumentando assim suas reatividades. Estudos teóricos de Bruice
indicaram que uma boa parte desse aumento de velocidade pode vir da ligação enzima
substrato em uma conformação que passa ao estado de transição com mais facilidade.
As enzimas ligam-se aos substratos de tal modo que eles são alinhados e
imobilizados de maneira a otimizar suas reatividades, a energia livre necessária para
isso provém da energia livre específica da ligação do substrato à enzima.

7. Catalise por ligação preferencial ao estado de transição
Um dos principais mecanismos de catalise enzimática é: o estado de
transição liga-se a enzima com maior afinidade do que os substratos ou os
produtos correspondentes.
O conceito original de ligação ao estado de transição propõe que as
enzimas fazem uma torção mecânica nos seus substratos ate que atinjam a
geometria do estado de transição, por meio de sítios de ligação aos quais os
substratos não-distorcidos não se encaixariam de forma adequada. Este
mecanismo, denominado de mecanismo do balcão de estiramento, baseia-se
nas muitas evidencias que mostram o papel da torção na facilitação de reações
orgânicas.
Por exemplo, a velocidade da reação é 315 vezes mais rápida quando R
é CH3 e não H, devido à grande repulsão estérica entre CH3, e os grupos
reagentes.
Segundo Linus Pauling, Richard Wolfenden e Gustav Lienhard,
interações que ligam preferencialmente o estado de transição aumentam a
concentração, e assim aumentam proporcionalmente a velocidade da reação.
As enzimas ligam-se tanto a substratos pobres, aqueles que têm baixa
velocidade de reação, quanto a bons substratos, aqueles com alta velocidade
de reação. Aparentemente, essas enzimas usam a energia intrínseca de
ligação a um bom substrato para estabilizar o estado de transição
correspondente, isto é, uma enzima, necessariamente, não se liga a um bom
substrato com alta afinidade, mas quem se liga com alta afinidade é o estado
de transição.

8. Lisozima
A Lisozima é uma enzima descoberta pelo médico escocês Alexander
Fleming em 1922, com sua estrutura tridimensional definida por David Phillips e
colegas em 1965. É encontrada nas lágrimas e no muco dos seres humanos, é
também produzida pelas bactérias e por outros organismos.
Ela destrói as paredes das células bacterianas ao hidrolisar a ligação
glicosídica entre N-acetilmuramato e N- acetilglicosamina.
A lisozima da clara de ovo de galinha é a espécie de lisozima mais
amplamente estudada, assim como seu mecanismo catalítico, ela é uma
enzima com cadeia polipeptídica única com 129 resíduos de aminoácidos e
possui ligações cruzadas internas por quatro ligações dissulfeto. A lisozima de
clara do ovo catalisa a hidrolise do seu substrato com uma velocidade
vezes maior do que a da reação não-catalisada.
A estrutura por raios X da lisozima de clara de ovo que foi estudada por
David Phillips em 1965 foi à segunda estrutura de uma proteína, e a primeira
de uma enzima, a ser determinada em alta resolução. A molécula da lisozima
tem a forma aproximada de uma elipse, com dimensões 30x30x45 A. Sua
característica mais notável é uma fenda proeminente, o sitio de ligação ao
substrato, que atravessa uma das faces da molécula.
A estrutura determinada por raios X do complexo (NAG)3, revela que a
(NAG)3 fica ligada no lado direito da fenda de ligação, através dos resíduos de
substrato A,B e C. Esse inibidor associa-se à enzima tanto por ligações de
hidrogênio fortes, algumas delas envolvendo os grupos acetamido dos resíduos
A e C, como por contatos hidrofóbicos com encaixes bem ajustados.
Para localizar o sitio catalítico da lisozima, Phillips construiu modelos
para investigar como um grande substrato pode ser ligar a uma enzima. A
fenda do sitio ativo da lisozima é suficientemente longa para acomodar (NAG)6,
que é rapidamente hidrolisado pela enzima e o quarto resíduo de NAG não
pode ligar-se a enzima porque seus átomos C6 e O6 estão em contato muito
intimo com Glu 35, Trp 108 e o grupo acetamino do resíduo C de NAG. Essa
interferência espacial pode ser aliviada pela distorção do anel da glicose de sua
conformação normal em cadeira para conformação de meia-cadeira. Ele
verificou também que os resíduos E e F ligam-se a enzima sem distorção e
com um numero favorável de ligações de hidrogênio e contatos de van der
Waals.
O modelo construído indica que a cadeia lateral do seu resíduo lactil não
pode ser acomodada nos subsítios de ligação dos resíduos C ou E. Por isso,
os resíduos de NAM devem se ligar aos subsítios B, D e F.

9. Os únicos grupos funcionais das vizinhanças imediatas do centro de
reação da lisozima que tem propriedades catalíticas necessárias são as
cadeias laterais do Glu 35e do Asp 52, resíduos que não variam na família das
lisozimas, da qual a lisozima do ovo é o protótipo.
O Asp 52 é rodeado por vários resíduos polares conservados, com os
quais forma uma complexa rede de ligações de hidrogênio, com um pK normal
que pode ser desprotonado, ficando assim carregado negativamente na faixa
pH entre 3 e 8, na qual a lisozima é cataliticamente ativa. Já, o grupo carboxila
do Glu 35 fica aninhado em um bolsão predominantemente apolar,
provavelmente deve permanecer protonado em valores de pH
excepcionalmente altos para grupos carboxílicos.
Phillips postulou o seguinte mecanismo enzimático para lisozima:
1. A lisozima associa-se a parede bacteriana ligando-se através da
unidade hexassacaridica. Durante o processo, o resíduo D é distorcido para
uma conformação meia cadeira, pois seus – C6H2OH fariam contatos
desfavoráveis com a proteína.
2. O Glu 35 transfere seu próton O1 do anel D, o único grupo polar das
vizinhanças (catalise acida geral). A ligação C1-O1 é então clivada, gerando no
C1 um íon oxônio que se estabiliza por ressonância.
3. O grupo carboxila ionizado do Asp 52 age estabilizando o
desenvolvimento do íon oxônio por interações carga-carga ( catalise
eletrostática).
4. Neste ponto, a enzima libera o anel E, hidrolisado juntamente com o
polissacarídeo que permanece ligado (o grupo de saída), produzindo um
intermediário glicosil-enzima catiônico não-covalente. Então, a enzima libera
como produto o anel D com o seu sacarídeo ligado, completando o ciclo
catalítico.

10. Teste do mecanismo de Phillips
O mecanismo de Phillips foi formulado principalmente com base na
investigação estrutural da lisozima e do conhecimento do mecanismo não-
enzimatico da hidrolise de acetal. A seguir serão discutidos os pontos principais
desse estudo:
a. Identificação dos resíduos catalíticos
Os grupos cataliticamente importantes da lisozima foram identificados de
forma experimental por meio de mutugênese sitio-dirigida e do uso de
reagentes grupo-especificos:
Glu 35. A mutagênese do Glu 35 para Gln produz uma proteína sem
atividade catalítica detectável, por isso deve ser então essencial para atividade
catalítica da lisozima.
Asp 52. A mutagênese do Asp 52 a Asn, que tem uma polaridade
comparável a do Asp, mas que não tem carga negativa produz uma enzima
com não mais que 5% da atividade catalítica da lisozima do tipo selvagem,
portanto é importante para a atividade enzimática.

11. b. Papel da tensão
Mesmo com tudo o que foi discutido anteriormente, o papel da distorção
do substrato na catalise da lisozima foi colocado em duvida. Estudos teóricos
realizados por Michael Levitt e Arieh Warshel levaram a conclusão que a
“tensão eletrostática” e não distorção espacial é o fator mais importante para
estabilizar o estado de transição da lisozima.
c. A reação da lisozima ocorre via um intermediário covalente
Se, de fato a lisozima de ovo segue esse mecanismo, a razão pela qual
esse covalente intermediário nunca foi observado é que a velocidade do seu
desaparecimento é muito mais rápida do que a da sua formação. Para que
esse intermediário possa ser observado de forma experimental, a velocidade
de sua formação deve ser significativamente maior do que a velocidade do
desaparecimento. Para essa observação, Stephen Withers aproveitou três
fenômenos. Primeiro, como postulado, a reação segue por um estado de
transição de íon oxonio, todas as etapas que envolvem a sua formação
deveriam ter a velocidade diminuída pelo efeito de remoção de F(elemento
mais eletronegativo). Segundo, a mutação de Glu 35 para Gln remove o acido-
básico geral que catalisa a reação, diminuindo mais ainda todas as etapas que
envolvem um estado de transição oxônio. Terceiro, a substituição, no C1 do
anel D, de mais um átomo de F acelera a formação do intermediário, pois esse
F é um bom grupo de saída.
É importante lembrar que, para formar essa ligação covalente, o anel D
deve passar por um estado de transição do tipo oxônio, necessitando assumir
transitoriamente uma conformação de meia-cadeira.

12. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
http://graduacao.iqsc.usp.br/files/Aula15-Mecanismo-de-Cat%C3%A1lise-
Enzim%C3%A1tica.pdf
http://pt.scribd.com/doc/72939912/Catalise-Enzimatica-Bioquimica-I-
http://www.gilvan.pro.br/enzimas.pdf
Bioquimica Voet 3ª edição