Catalisando a Hidrólise da Ureia em Urina

Na natureza, constatamos transformações químicas ocorrendo o tempo todo ao nosso redor. Enquanto algumas dessas transformações acontecem rapidamente (como a explosão da dinamite), outras são mais demoradas como, por exemplo, a formação do petróleo. Podemos destacar ainda as transformações que se desenvolvem numa velocidade moderada, como a deterioração dos alimentos por bactérias. Por sua vez, a velocidade das reações de degradação de alimentos de origem vegetal (como frutas e verduras) pode ser mais ou menos rápida, dependendo de fatores existentes no meio como, por exemplo, atividade de água, temperatura e composição do alimento.

A Cinética Química é uma ciência que estuda a velocidade das reações químicas e os fatores que as influenciam. Dentre os diversos fatores que interferem na velocidade de uma reação (temperatura, concentração de reagentes, superfície de contato, entre outros), podemos destacar a presença de catalisadores.

Catalisadores são substâncias que aumentam a velocidade das reações químicas e não são consumidos durante o processo, sendo regenerados no final. Eles atuam diminuindo a barreira de energia necessária aos reagentes para que ocorra a transformação química, como mostra a Figura 1. Essa energia é chamada de energia de ativação, ou seja, é a energia mínima necessária para que os reagentes possam se transformar em produtos. Caso a reação ocorra sem a presença de um catalisador, a energia de ativação é maior, diminuindo assim a velocidade da reação.

Ao atingir a energia de ativação, é formado o complexo ativado, que é uma estrutura intermediária entre os reagentes e os produtos, com ligações intermediárias entre as dos reagentes e as dos produtos. O complexo ativado apresenta uma energia mais alta para a molécula ou o elemento original. Esse aumento de energia, chamado de entalpia de ativação ΔH, representa exatamente a energia necessária para quebrar as ligações na molécula e formar o complexo ativado, que se decompõe posteriormente nos produtos.

Sendo catalisadores celulares poderosos, as enzimas são proteínas especializadas em acelerar reações biológicas e geralmente atuam especificamente em um dado substrato. O substrato liga-se à enzima num sítio especial desta, chamado sítio ativo, onde ocorre a reação enzimática. Essa é a região da enzima que possui certos aminoácidos que se ligam ao substrato por ligações não covalentes (Motta, 2006).

A urease é uma enzima que, em meio aquoso, catalisa a hidrólise da uréia em amônia e dióxido de carbono (Figura 2) e ocorre em algumas sementes, tais como soja, melão, melancia, entre outras. Algumas enzimas requerem um componente não protéico para sua atividade denominado cofator. O cofator enzimático da urease é o íon metálico Ni²⁺ (Ciurli e cols., 1999), portanto, a presença de íons de níquel ativa o sítio da urease e é essencial tanto para a atividade funcional como para a integridade estrutural dessa enzima.

Além de ter sido a primeira enzima isolada na forma cristalina, em 1926, a urease é uma substância extensamente estudada, devido à sua aplicabilidade na agricultura e na medicina. Atualmente a urease é utilizada em procedimentos de diagnósticos clínicos, na determinação de uréia em fluídos biológicos como urina e sangue. A hidrólise da uréia, empregando essa enzima como biocatalisador, na temperatura de 20°C, é até 10¹⁴ vezes mais rápida que a hidrólise realizada em meio ácido a uma temperatura de 60 °C (Souza e Fatibello-Filho, 2006).

A urina humana é constituída de 2 a 5% em uréia. Essa é a forma utilizada pelo metabolismo do organismo para eliminar os resíduos nitrogenados indesejáveis produzidos a partir das proteínas. Atualmente, a uréia é utilizada como suplemento na alimentação de animais, na agricultura (como fertilizante), na fabricação de plásticos, na indústria farmacêutica, entre outros (Peruzzo e Canto, 1999).

A estrutura e a forma do sítio ativo das enzimas são decorrentes da estrura tridimensional da enzima e podem ser afetadas por quaisquer agentes capazes de provocar mudanças conformacionais na estrutura protéica. Isso torna a atividade enzimática dependente do meio em que se encontra, notadamente do pH e da temperatura.

Geralmente as enzimas são ativas em uma estreita faixa de pH e, na maioria dos casos, há um pH ótimo definido. A Figura 3 apresenta a curva do efeito do pH na atividade enzimática. Podemos verificar que o pH ótimo da enzima é definido pelo máximo da curva. Um estudo sobre purificação de urease obtida de sementes de melancia verificou que essa enzima possui atividade ótima em pH 8,0 (Mohamed e cols., 1999).

O efeito do pH sobre a atividade enzimática se deve às variações no estado de ionização dos componen tes do sistema e à medida que o pH varia. Como as enzimas são proteínas, contêm inúmeros grupos ionizáveis e existem em diferentes estados de ionização. Por isso, a atividade catalítica é restrita a uma pequena faixa de pH.

É importante destacar, contudo, que a estabilidade da enzima ao pH ótimo depende inclusive de muitos fatores como temperatura, força iônica, concentração de íons metálicos, concentração de substratos ou cofatores da enzima, contaminantes (metais pesados e fluoreto, acima de 2,0 mg/dL, são inibidores da urease), entre outros (Bioclin, 2006).

O efeito da temperatura sobre a cinética de reação enzimática é resultado de dois eventos simultâneos.

O primeiro evento é caracterizado pelo aumento na velocidade da reação catalisada em resposta ao aumento da temperatura do sistema. A elevação da temperatura provoca o aumento da energia cinética das moléculas componentes do sistema. Esse efeito é observado em um intervalo de temperatura compatível com a estrutura espacial da enzima.

No segundo evento, temperaturas mais altas levam à desnaturação enzimática por alterarem as ligações que conservam a estrutura tridimensional da enzima. Após o rompimento das ligações de hidrogênio, que são termolábeis, desencadeia-se uma série de alterações na estrutura enzimática, levando a uma nova conformação ou a um estado conformacional indefinido.

A maioria das proteínas (incluindo as enzimas) é passível de desnaturação irreversível a temperaturas acima de 40 ºC ou 50 ºC, porém a temperatura ótima de uma enzima é um termo sem significado até que seja registrado o tempo de sua exposição a essa temperatura, assim como a composição do meio em análise, pH e força iônica, por exemplo (Morris, 1972). No estudo sobre urease extraída de sementes de melancia, Mohamed e colaboradores (1999) acompanharam o comportamento dessa enzima submetida à temperatura de 40 ºC durante 30 minutos em pH 7,5 e verificaram que não houve perda significativa da atividade enzimática. A mesma enzima, submetida a 80 ºC por 5 minutos, teve perda total da atividade catalítica.

O experimento proposto neste artigo utiliza materiais de fácil acessibilidade e ilustra a reação de decomposição da uréia em urina humana, catalisada por urease obtida de sementes de melancia. Contudo, a utilização de urina deve ser tratada com devida atenção pelo professor, pois se trata de um substrato que apresenta diferenciados valores de pHs e concentração de sais. A reação pode ser lenta caso o meio reacional interfira no sítio ativo enzimático, devido à ionização de aminoácidos na molécula que provoquem mudança da conformação da enzima.

O artigo originalmente também propõe um experimento simples, realizado com material de fácil aquisição, para ilustrar a hidrólise da uréia em urina catalisada pela urease extraída de sementes de melancia.