As enzimas aceleram reações químicas diminuindo a energia de ativação através de várias estratégias catalíticas. Diferentemente dos catalisadores químicos, as enzimas operam sob condições suaves de temperatura, pH e pressão, e exibem notável especificidade por seus substratos.
O Ciclo Catalítico
As enzimas ligam seus substratos no sítio ativo, uma bolsa ou fenda específica na estrutura tridimensional. A ligação ocorre através de complementaridade de forma e interações químicas, descrita pelos modelos chave-fechadura ou ajuste induzido. O modelo de ajuste induzido é geralmente mais preciso, pois as enzimas frequentemente sofrem mudanças conformacionais que otimizam os grupos catalíticos ao redor do substrato. Uma vez ligado, a enzima estabiliza o estado de transição, o intermediário de alta energia ao longo da coordenada da reação, diminuindo assim a energia de ativação e acelerando a reação.
Catálise Ácido-Base
A catálise ácido-base envolve a transferência de prótons entre a enzima e o substrato. A catálise ácida geral doa um próton para estabilizar uma carga negativa em desenvolvimento, enquanto a catálise básica geral remove um próton para aumentar a nucleofilicidade de um grupo. Muitas enzimas usam cadeias laterais de aminoácidos como doadores ou aceptores de prótons. A histidina é particularmente versátil porque seu grupo imidazol tem um pKa próximo da neutralidade, permitindo que funcione como ácido ou base em pH fisiológico. A ribonuclease A usa dois resíduos de histidina, um como base geral e um como ácido geral, para clivar RNA.
Catálise Covalente
A catálise covalente envolve a formação transitória de uma ligação covalente entre a enzima e o substrato, criando um intermediário reativo que diminui a energia de ativação. O intermediário covalente então se decompõe para regenerar a enzima livre. As serina proteases como a quimotripsina usam uma tríade catalítica de serina, histidina e aspartato. A hidroxila da serina ataca o carbono carbonila do substrato, formando um intermediário acil-enzima que é subsequentemente hidrolisado. Este intermediário covalente impede a reação reversa e acelera a via direta.
Catálise por Íons Metálicos
Aproximadamente um terço de todas as enzimas requerem íons metálicos e cofatores para atividade catalítica. As metaloenzimas ligam firmemente íons metálicos como zinco, ferro, cobre ou manganês como componentes integrais. As enzimas ativadas por metais ligam íons metálicos menos firmemente, mas os requerem para atividade. Os íons metálicos participam da catálise servindo como catalisadores eletrofílicos, estabilizando cargas negativas, mediando reações de oxidação-redução ou orientando substratos no sítio ativo. A anidrase carbônica usa um íon zinco para ativar uma molécula de água para ataque ao dióxido de carbono. A citocromo c oxidase usa íons ferro e cobre nas reações de transferência de elétrons e redução de oxigênio.
Catálise por Proximidade e Orientação
As enzimas aumentam as taxas de reação trazendo os substratos para próxima proximidade e na orientação correta para a reação. A concentração efetiva de substratos no sítio ativo pode ser milhares de vezes maior do que em solução. Esta vantagem entrópica reduz a perda de liberdade translacional e rotacional que normalmente acompanha a formação de um estado de transição. A estrutura do sítio ativo orienta precisamente os grupos reativos, reduzindo ainda mais a energia de ativação.
Estabilização de Estados de Transição
As enzimas alcançam seu maior efeito catalítico ligando o estado de transição mais firmemente que o substrato no estado fundamental. O sítio ativo é complementar à estrutura do estado de transição, em vez do próprio substrato. Esta estabilização seletiva pode diminuir a energia de ativação em 10 a 15 kcal/mol, correspondendo a aumentos de velocidade de 10^7 a 10^12. Análogos do estado de transição, moléculas que se assemelham à estrutura do estado de transição, são frequentemente potentes inibidores enzimáticos e foram desenvolvidos como medicamentos. O conceito de estabilização do estado de transição é central para a compreensão da evolução enzimática e do design de inibidores enzimáticos.
Catálise Eletrostática
O ambiente do sítio ativo é frequentemente pouco solvatado em comparação com a fase aquosa bulk, e grupos carregados são posicionados para estabilizar cargas em desenvolvimento no estado de transição. Esta pré-organização eletrostática reduz a energia de reorganização necessária para a estabilização de carga durante a catálise. A superóxido dismutase orienta resíduos carregados para estabilizar o estado de transição do ânion superóxido, alcançando uma das maiores taxas catalíticas conhecidas, limitada apenas pela difusão.
