Efeito da Temperatura na Atividade Enzimática

A velocidade de uma reação química é afetada pela temperatura – isso pode ser explicado pela teoria de Arrhenius que se baseia na hipótese de que duas partículas devem se colidir na orientação correta e com energia cinética suficiente para que os reagentes sejam transformados em produtos.

Pode-se dizer que o mesmo acontece com as reações catalisadas por enzimas, lembrando que a variação de temperatura afeta as constantes cinéticas (Km e Vmáx). 

 

Em baixas temperaturas, as reações são mais lentas devido à queda da energia cinética do sistema. Porém, como as enzimas são proteínas, o aumento da temperatura não causa apenas o aumento da velocidade de reação mas, sim, dois efeitos opostos:

 

Figura 1 

Diagrama esquemático mostrando o efeito da temperatura na atividade de uma enzima;  —— período de incubação curto; ----- longo período de incubação. 

Note que a temperatura em que se observa a máxima atividade enzimática varia com o tempo de incubação. 

 

Increasing temperature increases denaturation

Figura cedida pelo Dr. Martin Chaplin, do site http://www.lsbu.ac.uk/biology/enztech/temperature.html 

 

Isso acontece porque as enzimas são proteínas e como tal, podem ser desnaturadas. Ou seja, a partir de uma determinada temperatura, as enzimas perdem sua estrutura nativa, o que leva à perda de função.

 

 

Figura 2

Diagrama esquemático mostrando o efeito da temperatura na estabilidade de uma enzima. As curvas mostram o percentual de atividade remanescente em função do tempo de incubação em diferentes temperaturas.

De cima para baixo, há um aumento equivalente de tempertura  (50°C, 55°C, 60°C, 65°C and 70°C).

 

Higher temperatures give rise to greater denaturation

Figura cedida pelo Dr. Martin Chaplin, do site http://www.lsbu.ac.uk/biology/enztech/temperature.html 

 

Pode-se notar que a atividade de uma enzima diminui com o tempo de incubação em determinadas temperaturas. No exemplo da figura 2, uma enzima perde 20% de sua atividade original quando incubada por 40 minutos a 55oC. Note que quanto maior a temperatura de incubação, mais rápido é o processo de desnaturação térmica.

No processo de desnaturação térmica, a estrutura terciária se desfaz pois a proteína perde interações NÃO-COVALENTES. Não há quebra de ligações peptídicas; com o aumento da temperatura rompem-se ligações de hidrogênio, interações eletrostáticas e hidrofóbicas. Como as ligações de hidrogênio são estabilizadoras de estruturas secundárias, estas também podem ser perdidas durante o processo de desnaturação térmica.  

Para muitas enzimas, o processo de desnaturação térmica é irreversível. O tempo de incubação da proteína numa determinada temperatura pode acelerar o processo de desnaturação térmica e definir se o mesmo será reversível.

 

Além disso, a ligação do substrato na enzima causa mudanças estruturais que a mantém mais estável. Esse é o caso da hexocinase, que sofre uma grande mudança conformacional quando glicose se liga ao seu sítio ativo:

Hexocinase de levedura na ausência de Glicose 

(2yhx.pdb)

Hexocinase de levedura na presença de Glicose 

(2yhx.pdb)

Na ausência de glicose, a temperatura de desnaturação da enzima é de 48,2 oC. Na presença de glicose, a estabilidade da enzima aumenta e a temperatura de desnaturação sobe para to 53.7 oC [1,2], podendo chegar a 62 oC com excesso de glicose [3].

A ligação de glicose na hexocinase de levedura aumenta, também, a estabilidade térmica da enzima. Isso foi observado em experimentos semelhantes aos ilustrados na Figura 2, sendo que calculou-se o tempo necessário para perda de 50% de atividade enzimática (t0.5). O t0.5 foi de 34,6 min para a enzima incubada em tampão, na ausência de glicose. Quando o meio de incubação continha glicose, o t0.5 aumentou para 400 min, ou seja, a estabilidade da enzima aumentou mais de 10 vezes [4].

Atenção: Muitas pessoas dizem QUINASE quando se referem às enzimas que catalisam reações de fosforilação. Isso porque em inglês se diz KINASE. Mas essa nomenclatura está equivocada pois KINE/KINO, de origem grega, é o prefixo usado em inglês para denotar movimento como em kinetic (cinética) ou mesmo em CINEMA.  

 

A velocidade de uma reação catalisada por enzimas pode aumentar em um fator de 1,2 a 2,5 vezes para cada 10 oC de aumento de temperatura. Isso se deve aos valores típicos de energia de ativação que variam de 15 a 70 kJ.M-1 [5]. Esse aumento de velocidade é quantificado pelo termo Q10, também conhecido como coeficiente de temperatura.  

É interessante notar que a temperatura ótima para a enzima representada na Figura 1 foi de 55 oC quando a incubação foi realizada em períodos curtos. Porém, é comum associarem a temperatura ótima da enzima com a temperatura corporal (~37 oC). Na verdade, para muitas enzimas a temperatura ótima é muito maior. A amilase (E.C. 3.2.2.1) salivar, por exemplo, é uma glicoproteína de 62 kDa [6] que tem temperatura ótima de 48 oC [7]. A papaína (EC 3.4.22.2) é uma protease encontrada no papaia, que tem temperatura ótima em 65 oC [8]. 

 

CURIOSIDADE: Muitas pessoas se perguntam porque os efeitos de um estado febril podem ser tão deletérios se muitas enzimas desnaturam em altas temperaturas? Ao que parece, as enzimas-chaves do metabolismo têm a temperatura ótima ao redor de 40 oC. Acima da temperatura ótima, é normal que a atividade caia drasticamente devido ao processo de desnaturação térmica. Com isso, a temperatura corporal por volta de 37 oC está no limite de atividade e da estabilidade dessas enzimas e, portanto, do metabolismo.


REFERÊNCIAS

[1] Takahashi K, Casey JL, Sturtevant JM. (1981) Thermodynamics of the binding of D-glucose to yeast hexokinase, Biochemistry 20, 4693-4697

[2] G.Barone, F.Catanzano, P.Del Vecchio, C.Giancola, G.Graziano (1995) Differential scanning calorimetry as a tool to study protein-ligand interactions, Pure & Appl. Chern. 67, 1867-1872

[3] Catanzano F, Gambuti A, Graziano G, Barone G. (1997) Interaction with D-glucose and thermal denaturation of yeast hexokinase B: A DSC study. J Biochem (Tokyo) 121, 568-577

[4] Guerra R, Bianconi ML (2000) Increased Stability and Catalytic Efficiency of Yeast Hexokinase Upon Interaction with Zwitterionic Micelles.Kinetics and Conformational Studies Bioscience Reports. 20, 41-49

[5] Chaplin M, http://www.lsbu.ac.uk/biology/enztech/temperature.html  (em 16/10/2006)

[6] Ragunath C, Sundar K & Ramasubbu N (2002) Expression, Characterization, and Biochemical Properties of Recombinant Human Salivary Amylase, Protein Expression and Purification 24, 202–211

[7] Smith CL (1938) Influence Of Temperature On The Amylases Of Cold- And Warm-Blooded Animals, J. Exp. Biol. 15, 10-17

[8] Sun Sufang,  Yang Gengliang, Liu Haiyan, Sun Hanwen, Liu Cuifen (2002) A new method to immobilize enzyme and its application to the papain, Chemical Journal on Internet, Vol.4 No.10, P.48 (http://web.chemistrymag.org/cji/2002/04a048pe.htm)

Texto: Profa. M. Lucia Bianconi

e-mail: enzimas@bioqmed.ufrj.br

Página atualizada em: 16/10/2006

 

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