Cinética Enzimática e Catálise
A cinética enzimática e a catálise são o estudo quantitativo de como as enzimas aceleram as reações químicas e das velocidades de reação que produzem. Elas ligam a taxa mensurável de uma reação catalisada por enzima às concentrações de substrato, enzima e modificadores, e aos eventos moleculares no sítio ativo que diminuem a barreira de energia entre o substrato e o produto. Esta área fornece a estrutura conceitual e matemática usada em toda a enzimologia para descrever o poder catalítico e o mecanismo de reação.
Definition
A cinética enzimática é o ramo da enzimologia que mede e modela as taxas de reações catalisadas por enzimas em função das concentrações de substrato, enzima e efetor; a catálise refere-se aos mecanismos moleculares pelos quais uma enzima diminui a barreira de ativação de uma reação sem ser consumida.
Scope
Esta área orienta o leitor para as leis de velocidade das reações catalisadas por enzimas e para a base física da catálise. Abrange a descrição de Michaelis-Menten da cinética de substrato único, os mecanismos pelos quais os sítios ativos alcançam a aceleração da taxa, o papel central da estabilização do estado de transição, o tratamento em estado estacionário de reações com dois ou mais substratos, e os métodos de pré-estado estacionário que resolvem etapas catalíticas individuais. Trata estes como tópicos de referência em bioquímica, em vez de orientação clínica.
Sub-topics
Core questions
- Como a velocidade da reação depende da concentração do substrato e da enzima?
- Que características moleculares do sítio ativo produzem a aceleração da taxa?
- Como o poder catalítico está relacionado com a estabilização do estado de transição?
- Como os mecanismos de reações com múltiplos substratos são distinguidos cineticamente?
- O que as medições de pré-estado estacionário revelam que as taxas de estado estacionário ocultam?
Key concepts
- Velocidade de reação e taxa inicial
- Constante de Michaelis (Km) e velocidade máxima (Vmax)
- Número de rotações (kcat) e eficiência catalítica (kcat/Km)
- Energia de ativação e o estado de transição
- Regimes de estado estacionário versus pré-estado estacionário
- Mecanismos de substrato único e múltiplo
- Inibição e modulação enzimática
Key theories
- Modelo de Michaelis-Menten
- Um tratamento de equilíbrio rápido (posteriormente estado estacionário) em que a enzima e o substrato formam um complexo que se decompõe em produto, produzindo uma dependência hiperbólica da velocidade na concentração do substrato, caracterizada pelos parâmetros Vmax e Km.
- Teoria da estabilização do estado de transição da catálise
- As enzimas aceleram as reações principalmente ligando o estado de transição mais fortemente do que o substrato no estado fundamental, diminuindo a energia livre de ativação; a proficiência catalítica pode ser expressa como a razão das constantes de velocidade catalisadas para as não catalisadas.
Mechanisms
Uma enzima liga-se ao seu substrato num sítio ativo para formar um complexo enzima-substrato, depois catalisa a conversão em produto e é regenerada. A vantagem catalítica surge porque o sítio ativo é complementar ao estado de transição da reação, de modo que as interações de ligação estabilizam preferencialmente essa espécie de alta energia e diminuem a energia livre de ativação em relação à reação não catalisada. Cineticamente, a dependência da velocidade na concentração do substrato é geralmente hiperbólica e é resumida por Km (uma medida da afinidade aparente do substrato) e kcat (o número de rotações); a sua razão kcat/Km mede a eficiência catalítica. Reações com mais de um substrato seguem mecanismos sequenciais ordenados ou aleatórios ou ping-pong que podem ser distinguidos pelas suas equações de velocidade em estado estacionário, e métodos de pré-estado estacionário podem expor etapas químicas e de ligação individuais que o estado estacionário engloba.
Clinical relevance
Os parâmetros cinéticos enzimáticos sustentam a descrição de como muitos fármacos atuam como inibidores enzimáticos e como as enzimas metabólicas processam os substratos, e fazem parte do pano de fundo conceptual para os ensaios enzimáticos laboratoriais. Esta área descreve como as taxas e os mecanismos catalíticos são medidos e interpretados; é material de referência e não é uma base para decisões individuais de diagnóstico ou tratamento.
History
A descrição cinética das enzimas começou com Henri e com a análise de Michaelis e Menten de 1913 da invertase, que estabeleceu a lei de velocidade hiperbólica que ainda leva os seus nomes. Briggs e Haldane mais tarde a generalizaram com a suposição de estado estacionário. A proposta de Pauling de meados do século de que as enzimas são complementares ao estado de transição enquadrou a compreensão moderna da catálise, Cleland sistematizou a cinética de múltiplos substratos na década de 1960, e comparações quantitativas de taxas catalisadas e não catalisadas por Wolfenden e colegas aprimoraram a imagem da proficiência catalítica.
Debates
- Qual é a contribuição dominante para a aceleração da taxa enzimática?
- A estabilização do estado de transição, particularmente a pré-organização eletrostática do sítio ativo, é amplamente considerada a principal fonte de poder catalítico, enquanto o papel adicional da dinâmica e dos movimentos das proteínas permanece ativamente discutido.
Key figures
- Leonor Michaelis
- Maud Menten
- W. Wallace Cleland
- Richard Wolfenden
- Arieh Warshel
Related topics
Seminal works
- michaelis-menten-1913
- cleland-1963
- radzicka-wolfenden-1995
- benkovic-hammes-schiffer-2003
Frequently asked questions
- Qual é a diferença entre cinética enzimática e catálise enzimática?
- A cinética é a medição e modelagem da velocidade com que as reações catalisadas por enzimas ocorrem sob determinadas condições, enquanto a catálise se refere ao mecanismo molecular pelo qual a enzima diminui a barreira de ativação da reação.
- Por que Km e kcat são importantes?
- Km reflete a concentração de substrato na velocidade semi-máxima e indexa a afinidade aparente, enquanto kcat é o número de rotações; juntos, como kcat/Km, eles resumem a eficiência catalítica de uma enzima.