miniatura|350px|Visualização da ubiquitilação. Catálise enzimática é o aumento da velocidade de um processo devido a uma biomolécula chamada "enzima". A maioria das enzimas são proteínas, e a maioria destes processos são reações químicas. Dentro da enzima, a catálise ocorre geralmente num sítio localizado chamado sítio ativo.
A maioria das enzimas é constituída predominantemente por proteínas e pode consistir numa única cadeia proteica ou em muitas cadeias no caso de um complexo multissubunitário. As enzimas incorporam frequentemente também componentes não proteicos, como iões metálicos ou moléculas orgânicas especializadas denominadas cofatores (por exemplo, trifosfato de adenosina). Muitos co-factores são vitaminas, e o seu papel como vitaminas está directamente ligado à sua utilização na catalisação de processos biológicos de metabolismo. A catálise das reações bioquímicas na célula é vital porque praticamente todas as reações metabólicas essenciais têm taxas muito baixas se não forem catalisadas. Um factor determinante da evolução das proteínas é a optimização destas actividades catalíticas, embora apenas as enzimas mais fundamentais operem perto dos limites da eficiência catalítica, e muitas enzimas estejam longe de ser óptimas. Fatores importantes na catálise enzimática são a catálise ácida e básica geral, a direção orbital, a restrição entrópica, os efeitos de orientação (i.e., catálise de chave e fechadura), bem como os efeitos de movimento inerentes à dinâmica das proteínas.
Os mecanismos da catálise enzimática variam, mas são todos semelhantes, em princípio, a outros tipos de catálise química, pois o factor crucial é a redução da(s) barreira(s) de energia que separa(m) os reagentes (ou substratos) dos produtos. A redução da energia de activação (Ea) aumenta a fracção de moléculas de reagente que podem ultrapassar esta barreira e formar o produto. Um princípio importante é que, como apenas reduzem as barreiras energéticas entre produtos e reagentes, as enzimas catalisam sempre reações em ambos os sentidos e não podem impulsionar uma reação ou afetar a posição de equilíbrio, afetando apenas a velocidade com que esta é atingida. Tal como acontece com outros catalisadores, a enzima não é consumida ou alterada pela reação (como o substrato), mas sim reciclada, pelo que uma única enzima pode realizar várias rondas de catálise.
As enzimas são normalmente muito específicas, atuando apenas sobre determinados substratos. Algumas enzimas são absolutamente específicas, o que significa que apenas atuam sobre um substrato, enquanto outras apresentam especificidade de grupo e podem atuar sobre grupos químicos semelhantes, mas não idênticos, como a ligação peptídica em diferentes moléculas. Muitas enzimas têm especificidade estereoquímica, atuando sobre um estereoisómero, mas não sobre outro.
Ajuste induzido
thumbnail|200px|left|Os diferentes mecanismos de ligação ao substrato
O modelo clássico da interação enzima-substrato é o modelo de ajuste induzido. Este modelo propõe que a interação inicial entre a enzima e o substrato é relativamente fraca, mas que estas interações fracas induzem rapidamente mudanças conformacionais na enzima que fortalecem a ligação.
As vantagens do mecanismo de ajuste induzido devem-se ao efeito estabilizador da forte ligação da enzima. Existem dois mecanismos de ligação ao substrato: ligação uniforme, que apresenta uma forte ligação ao substrato, e ligação diferencial, que apresenta uma forte ligação ao estado de transição. O efeito estabilizador da ligação uniforme aumenta a afinidade tanto do substrato como do estado de transição, enquanto a ligação diferencial apenas aumenta a afinidade de ligação do estado de transição. As enzimas podem utilizar ambos e evoluíram para minimizar a energia de ativação da reação. As enzimas saturadas, isto é, com elevada afinidade de ligação ao substrato, requerem ligação diferencial para reduzir a energia de activação, enquanto as enzimas com substrato pequeno não ligado podem utilizar ligação diferencial ou ligação uniforme.
Estes efeitos levaram a maioria das proteínas a utilizar o mecanismo de ligação diferencial para reduzir a energia de ativação, pelo que a maioria dos substratos apresenta uma elevada afinidade pela enzima enquanto se encontram no estado de transição. A ligação diferencial é realizada pelo mecanismo de ajuste induzido: o substrato liga-se primeiro fracamente, depois a enzima muda de conformação, aumentando a afinidade do estado de transição e estabilizando-o, reduzindo assim a energia de ativação necessária para o atingir.
No entanto, é importante esclarecer que o conceito de ajuste induzido não pode ser utilizado para racionalizar a catálise. Ou seja, a catálise química é definida como a redução de Ea‡ (quando o sistema já se encontra no ES‡) em relação ao Ea‡ da reação não catalisada em água (sem a enzima). O ajuste induzido apenas sugere que a barreira é menor na forma fechada, mas não nos diz nada sobre o motivo pelo qual ocorreu esta redução da barreira.
O ajuste induzido pode ser benéfico para a fidelidade do reconhecimento molecular na presença de competição e ruído através do mecanismo de revisão conformacional.
Mecanismos de vias alternativas de reacção
Estas alterações conformacionais também aproximam os resíduos catalíticos das ligações químicas do sítio ativo dos substratos que serão alterados na reação. Após a ligação, um ou mais mecanismos de catálise reduzem a energia do estado de transição da reação, promovendo uma via química alternativa para a reação. Existem seis mecanismos possíveis de catálise "para além da barreira" e um mecanismo "através da barreira", que são os seguintes:
Proximidade e orientação
As interações enzima-substrato alinham os grupos químicos reativos e mantêm-nos próximos numa geometria ótima, o que aumenta a velocidade da reação. Isto reduz a entropia dos reagentes e, portanto, torna as reações de adição ou transferência menos desfavoráveis, daí a redução da entropia total quando os dois reagentes são convertidos num único produto. No entanto, este é um efeito geral e ocorre em reações sem adição ou transferência, onde isto ocorre devido a um aumento da "concentração efetiva" dos reagentes. Isto é compreensível quando se considera como os aumentos da concentração levam a um aumento da velocidade da reação: essencialmente, quando os reagentes estão mais concentrados, colidem com mais frequência e, por isso, reagem com mais frequência. Na catálise enzimática, a ligação dos reagentes à enzima restringe o espaço conformacional dos reagentes, mantendo-os na "orientação correta" e muito próximos uns dos outros, pelo que colidem mais frequentemente e, com a geometria correta, facilitam a reação desejada. A "concentração efectiva" é a concentração do reagente, livre em solução, que teria de existir para que este experimentasse a mesma frequência de colisão. Frequentemente, estas concentrações teóricas eficazes são fisicamente impossíveis e inatingíveis na prática, o que comprova o grande poder catalítico de muitas enzimas, que provocam um aumento massivo da velocidade em relação ao estado não catalisado.
Por exemplo: Reações semelhantes ocorrerão muito mais rapidamente se a reação for intermolecular. Ficheiro:Inter vs intramolecular reaction rates.png A concentração efectiva de acetato na reacção intramolecular pode ser estimada como k2/k1 = 2 x 105 Molar.
No entanto, a situação pode ser mais complexa, porque os estudos computacionais modernos estabeleceram que os exemplos tradicionais de efeitos de proximidade não podem ser directamente relacionados com efeitos entrópicos enzimáticos. Além disso, verificou-se que a proposta entrópica original sobrestimou muito a contribuição da entropia de orientação para a catálise.
Dadores e aceitadores de protões
Os dadores e aceitadores de protões, ou seja, ácidos e bases, podem doar e aceitar protões para estabilizar o desenvolvimento de carga no estado de transição. Isto está relacionado com o princípio da catálise global, o da redução das barreiras energéticas, uma vez que os estados de transição gerais são estados de alta energia e, ao estabilizá-los, esta alta energia é reduzida, diminuindo a barreira. Uma característica fundamental da catálise enzimática, entre muitas catálises não biológicas, é que tanto a catálise ácida como a básica podem ser combinadas na mesma reação. Em muitos sistemas abióticos, os ácidos (grandes [H+]) ou as bases (grandes concentrações de H+ tornam-se mínimas, ou espécies com pares de eletrões) podem aumentar a velocidade da reação; mas, claro, o ambiente pode ter apenas um pH geral (medida de acidez ou basicidade (alcalinidade)). No entanto, como as enzimas são moléculas grandes, podem colocar grupos ácidos e básicos no seu sítio ativo para interagir com os seus substratos, e utilizam ambos os modos, independentemente do pH.
A catálise ácida ou básica geral é frequentemente utilizada para ativar nucleófilos e/ou grupos eletrofílicos, ou para estabilizar grupos de saída. Muitos aminoácidos com grupos ácidos e básicos são utilizados no sítio ativo, tais como ácido glutâmico, ácido aspártico, histidina, cisteína, tirosina, lisina e arginina, bem como serina e treonina. Além disso, o esqueleto molecular do peptídeo é frequentemente utilizado, com grupos carbonil e amida contendo N. A cistina e a histidina são as mais frequentemente implicadas, uma vez que ambas têm uma pKa próxima do pH neutro e, por isso, podem tanto aceitar como doar protões.
Muitos mecanismos de reacção que envolvem a catálise ácido-base envolvem um pKa substancialmente alterado. Esta alteração do pKa é possibilitada pelo ambiente local do resíduo.. Condições Ácidos Bases Ambiente hidrófobo Incremento do pKa Diminuição do pKa Resíduos adjacentes de carga similar Aumento do pKa Diminuição do pKa Ponte salina (e formação deligações de hidrogénio) Diminuição do pKa Aumento do pKa O pKa pode também ser significativamente influenciado pelo meio envolvente, ao ponto de os resíduos básicos em solução poderem atuar como doadores de protões e vice-versa.
Por exemplo: 'Tríade catalítica de uma serina-protease Ficheiro:Serine protease catalysis.png A etapa inicial do mecanismo catalítico da serina-protease envolve a histidina do sítio activo aceitando um protão do resíduo de serina. Isto prepara a serina como um nucleófilo para atacar a ligação amida do substrato. Este mecanismo envolve a doação de um protão da serina (uma base, pKa 14) à histidina (um ácido, pKa 6), o que é possível devido ao ambiente local das bases.
A modificação do pKa faz parte do mecanismo electrostático. O efeito catalítico no exemplo acima está principalmente associado à redução do pKa do oxânion e ao aumento do pKa da histidina, enquanto a transferência de protões da serina para a histidina não é catalisada significativamente, uma vez que não é a barreira limitante da velocidade. Note-se que, no exemplo apresentado, o ácido conjugado da histidina atua como um catalisador ácido global para a subsequente perda da amina de um intermediário tetraédrico. No entanto, as evidências que suportam este mecanismo proposto (Figura 4 da referência seguinte) eram controversos.
Catálise electrostática A estabilização dos estados de transição carregados pode também ocorrer por resíduos do sítio ativo que formam ligações iónicas (ou interações de carga iónica parcial) com o intermediário. Estas ligações podem ser provenientes de cadeias laterais ácidas ou básicas encontradas em aminoácidos como a lisina, arginina, ácido aspártico ou ácido glutâmico ou de cofatores metálicos como o zinco. Os iões metálicos são particularmente eficazes e podem reduzir o pKa da água o suficiente para a tornar um nucleófilo eficaz.