Pular para o conteúdo

Enzimas

Biologia do A-Level · Tópico 3

Treinar
Videoaula para este tópico Abrir a página do vídeo
13:51

Enzimas

Dentro de cada célula, milhares de reações químicas acontecem a cada segundo — muito mais rápido do que poderiam sozinhas. O segredo é um tipo especial de proteína…

Narração em inglês · Legendas em inglês + 中文 gravadas

3.1

O que são enzimas

Programa
  1. declare que enzimas são proteínas globulares que catalisam reações dentro das células (enzimas intracelulares) ou são secretadas para catalisar reações fora das células (enzimas extracelulares)
  2. explique o modo de ação das enzimas em termos de sítio ativo, complexo enzima-substrato, diminuição da energia de ativação e especificidade enzimática, incluindo a hipótese da chave e fechadura e a hipótese do ajuste induzido
  3. investigue o progresso de reações enzimáticas medindo taxas de formação de produtos usando catalase e taxas de desaparecimento de substrato usando amilase
  4. descreva o uso de um colorímetro para medir o progresso de reações enzimáticas que envolvem mudanças de cor

Fonte: Programa Cambridge International

Ação enzimática: fechadura e chave

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.
Levedura espumosa, fermentando ativamente e emitindo dióxido de carbono
As enzimas da levedura fermentam o açúcar, emitindo bolhas de dióxido de carbono
Vocabulário Treinar
Inglês Chinês Pinyin
enzyme/ˈenzaɪm/ 酶 méi
globular protein/ˈɡlɒbjʊlə ˈprəʊtiːn/ 球状蛋白质 qiú zhuàng dàn bái zhì
protein/ˈprəʊtiːn/ 蛋白质 dàn bái zhì
catalyse/ˈkætəlaɪz/ 催化 cuī huà
intracellular/ˌɪntrəˈseljʊlə/ 细胞内 xì bāo nèi
cell/sel/ 细胞 xì bāo
catalase/ˈkætəleɪz/ 过氧化氢酶 guò yǎng huà qīng méi
extracellular/ˌekstrəˈseljʊlə/ 细胞外 xì bāo wài
secrete/sɪˈkriːt/ 分泌 fēn mì
amylase/ˈæmɪleɪz/ 淀粉酶 diàn fěn méi
digest/ˈdaɪdʒest/ 消化 xiāo huà
starch/stɑːtʃ/ 淀粉 diàn fěn
active site/ˈæktɪv saɪt/ 活性位点 huó xìng wèi diǎn
substrate/ˈsʌbstreɪt/ 底物 dǐ wù
enzyme–substrate complex/ˈenzaɪm ˈsʌbstreɪt ˈkɒmpleks/ 酶底物复合物 méi dǐ wù fù hé wù
3.1

Como as enzimas funcionam

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.
Dois diagramas: na fechadura e chave, um substrato triangular encaixa em uma ranhura rígida; no ajuste induzido, a enzima molda-se ao redor de um substrato arredondado
Fechadura e chave: sítio ativo fixo. Ajuste induzido: o sítio ativo muda de forma para segurar o substrato

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.

Um perfil de energia com dois picos: um pico alto sem enzima e um pico mais baixo com enzima, ambos conectando os mesmos reagentes e produtos
O caminho da enzima tem uma energia de ativação menor ($E_A$), então mais moléculas podem reagir
Explorar

O ciclo catalítico

Passe pelo ciclo. A enzima liga seu substrato, a reação ocorre, os produtos saem — e a mesma enzima fica livre para ir novamente.

Vocabulário Treinar
Inglês Chinês Pinyin
activation energy/ˌæktɪˈveɪʃn ˈenədʒi/ 活化能 huó huà néng
3.1

Medindo a velocidade de uma reação

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.

Uma curva de produto formado contra o tempo que é mais íngreme no início e se nivelou; uma tangente tracejada no tempo zero marca a velocidade inicial
O produto acumula-se mais rápido no início; a velocidade inicial é a inclinação da tangente no tempo zero — 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.

$$\text{rate} = \frac{\text{volume of product}}{\text{time}} = \frac{16}{20} = 0.8\ \text{cm}^3\,\text{s}^{-1}.$$

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.

Vocabulário Treinar
Inglês Chinês Pinyin
product/ˈprɒdʌkt/ 产物 chǎn wù
complementary/ˌkɒmplɪˈmentəri/ 互补 hù bǔ
specificity/ˌspesɪˈfɪsɪti/ 专一性 zhuān yī xìng
lock-and-key hypothesis/lɒk ænd kiː haɪˈpɒθəsɪs/ 锁钥学说 suǒ yuè xué shuō
induced-fit hypothesis/ɪnˈdjuːst fɪt haɪˈpɒθəsɪs/ 诱导契合学说 yòu dǎo qì hé xué shuō
3.2

Fatores que afetam a atividade enzimática

Programa
  1. investigue e explique os efeitos dos seguintes fatores sobre a taxa de reações enzimáticas: • temperatura • pH (usando soluções tampão) • concentração de enzima • concentração de substrato • concentração de inibidor
  2. explique que a taxa máxima de reação ($V_{\text{max}}$) é usada para derivar a constante de Michaelis–Menten ($K_{\text{m}}$), que é usada para comparar a afinidade de diferentes enzimas por seus substratos
  3. explique os efeitos de inibidores reversíveis, tanto competitivos quanto não competitivos, sobre a atividade enzimática
  4. investigue a diferença de atividade entre uma enzima imobilizada em alginato e a mesma enzima livre em solução, e declare as vantagens do uso de enzimas imobilizadas

Fonte: Programa Cambridge International

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.

Um gráfico da velocidade de reação contra a temperatura, subindo até um pico na temperatura ótima e caindo abruptamente à medida que a enzima denatura
A velocidade sobe até o ótimo, depois cai rapidamente à medida que a enzima denatura

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.

Um gráfico em forma de sino da velocidade de reação contra o pH, atingindo o pico no pH ótimo e caindo em ambos os lados
A velocidade atinge o pico no pH ótimo e cai em ambos os lados

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.

Explorar

Como a temperatura altera a atividade enzimática

Arraste o controle deslizante de temperatura. A atividade aumenta até um ótimo, depois cai à medida que a enzima desnatura e seu sítio ativo perde a forma.

Vocabulário Treinar
Inglês Chinês Pinyin
temperature/ˈtemprɪtʃə/ 温度 wēn dù
colorimeter/ˌkʌləˈrɪmɪtə/ 比色计 bǐ sè jì
rate of reaction/reɪt ɒv rɪˈækʃn/ 反应速率 fǎn yìng sù lǜ
kinetic energy/kɪˈnetɪk ˈenədʒi/ 动能 dòng néng
collide/kəˈlaɪd/ 碰撞 pèng zhuàng
optimum temperature/ˈɒptɪməm ˈtemprɪtʃə/ 最适温度 zuì shì wēn dù
denature/ˈdenətʃə/ 变性 biàn xìng
buffer solution/ˈbʌfə səˈluːʃn/ 缓冲液 huǎn chōng yè
inhibitor/ɪnˈhɪbɪtə/ 抑制剂 yì zhì jì
Michaelis–Menten constant/ˈmaɪkəliz ˈmentn ˈkɒnstənt/ 米氏常数 mǐ shì cháng shù
affinity/əˈfɪnɪti/ 亲和力 qīn hé lì
reversible/rɪˈvɜːsɪbl/ 可逆 kě nì
competitive inhibitor/kəmˈpetɪtɪv ɪnˈhɪbɪtə/ 竞争性抑制剂 jìng zhēng xìng yì zhì jì
non-competitive inhibitor/nɒn kəmˈpetɪtɪv ɪnˈhɪbɪtə/ 非竞争性抑制剂 fēi jìng zhēng xìng yì zhì jì
Assistir aula
3.2

V_max e a constante de Michaelis–Menten

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.

Uma curva da velocidade de reação contra a concentração de substrato subindo até um platô em Vmax, com metade de Vmax e o Km correspondente marcados
A velocidade sobe até $V_{\text{max}}$ quando todos os sítios ativos estão cheios; $K_{\text{m}}$ é a concentração de substrato que resulta em metade de $V_{\text{max}}$
Explorar

Concentração do substrato e Vmax

Adicione mais substrato: a taxa sobe, depois estabiliza em $V_{max}$ assim que todos os sítios ativos estão ocupados. $K_m$ é a concentração de substrato que fornece metade de $V_{max}$.

3.2

Inibidores reversíveis

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

Tipo Onde se liga Efeito de adicionar mais substrato Efeito em $V_{\text{max}}$ e $K_{\text{m}}$
inibidor competitivo 竞争性抑制剂 no sítio ativo (tem uma forma semelhante ao substrato) mais substrato o supera, então seu efeito é reduzido $V_{\text{max}}$ inalterado; $K_{\text{m}}$ aumenta
inibidor não competitivo 非竞争性抑制剂 em outro local, alterando a forma do sítio ativo adicionar mais substrato não ajuda $V_{\text{max}}$ diminui; $K_{\text{m}}$ inalterado
Três curvas de velocidade contra a concentração de substrato: sem inibidor atinge Vmax; competitivo atinge a mesma Vmax mais lentamente; não competitivo estabiliza em uma Vmax menor
Um inibidor competitivo eleva $K_{\text{m}}$ (mais substrato o supera); um não competitivo reduz $V_{\text{max}}$
3.2

Enzimas imobilizadas

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 esfera encheida de enzimas com substrato fluindo por um lado e produto fluindo pelo outro, mantendo as enzimas presas internamente
As enzimas ficam presas na esfera enquanto o substrato flui para dentro e o produto flui para fora — assim, a enzima nunca é lavada para fora

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.
Uma colher de detergente biológico branco
Os detergentes biológicos contêm enzimas que digerem manchas de alimentos e sangue em baixas temperaturas
Vocabulário Treinar
Inglês Chinês Pinyin
immobilised enzyme/ɪˈməʊbəlaɪzd ˈenzaɪm/ 固定化酶 gù dìng huà méi
alginate/ˈældʒɪneɪt/ 海藻酸盐 hǎi zǎo suān yán
3.2

Dicas de prova

  • 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.

Aulas interativas sobre este tópico

Passe por ele passo a passo, com exercícios de verificação instantânea.

Provas Anteriores

Mais tópicos em Biologia do A-Level

Entrar ou criar conta

IGCSE, A-Level & AP