Compreensões sobre Reação Enzimática e Energia de Ativação

O olhar, durante o processo de construção dos resultados de pesquisa, voltou-se especificamente para as abordagens sobre as enzimas, visto que as mesmas abrangiam relações com o conceito ‘energia’. Como refere o LDBIO1, os processos vitais envolvem atividades metabólicas que incluem transformações químicas impossíveis de serem efetivadas nas condições energéticas típicas ao meio biológico celular, não fosse a presença das enzimas. Nos LDBIO, os estudos sobre as enzimas incluem a noção de que é a ‘catálise enzimática’ que possibilita a ‘energia de ativação’ necessária para cada reação química que acontece nos seres vivos. Por exemplo, no capítulo 5 do LDBIO1, intitulado ‘A Base Específica da Vida II’, no subcapítulo ‘Aminoácidos e Proteínas’, os estudos tratam dos ácidos nucléicos, de ligações peptídicas, estrutura e funções das proteínas, classes de proteínas, dando enfoque ao estudo das enzimas.

Sobre a relação entre a ‘atividade enzimática’ e a ‘energia de ativação’, consta no LDBIO1 que:

As reações biológicas são pouco espontâneas e muito lentas. [...] Uma das maneiras de fornecer aos reagentes a energia necessária para que a reação ocorra é aumentar a temperatura: as moléculas movimentam-se mais rapidamente, aumentando a probabilidade de se chocarem com energia suficiente para provocar uma reação química.

No entanto, para os seres vivos é importante que as reações ocorram em velocidade adequada, porém sem aumento significativo da temperatura, para que não haja desnaturação protéica. Nos seres vivos, as enzimas aumentam a velocidade das reações sem elevar a temperatura. Isso acontece porque elas diminuem a energia de ativação necessária para ocorrer a reação. ( 95-96) (grifo nosso)

Compreensões relativas à explicação acima, por parte dos estudantes do EM, não podem ser vistas de forma simplista. Requerem o uso de uma rede de relações entre conceitos ensinados nas diferentes disciplinas da área de CNT. Não é de se estranhar que muitos estudantes não atinjam uma significação conceitual adequada de ‘energia de ativação’ nem das relações entre este conceito, o de enzima e o de ‘catálise enzimática’, quando o ensino não contemplar explicações e aprendizados adequados à compreensão.

No ‘módulo interativo 9’, articuladamente aos estudos no CC de Bioquímica I, discutiu-se sobre a complexidade da compreensão conceitual de explicações como a que consta no excerto acima. Abordagens no referido módulo giravam em torno da compreensão do mecanismo da reação química catalisada por uma enzima, no caso, a ‘quimotripsina’. A ênfase no mecanismo de ação desta enzima deve-se à disponibilização de um software que acompanha o LDBQ2, usado no CC. PU2 iniciou sua abordagem retomando uma aula anterior, em que PU1 havia usado o slide que segue (Figura 1), novamente apresentado e discutido no CC.

Macro
Micro
Macro
Micro ...

Diversas enzimas... Catalisadores Biológicos - uma classe de proteínas. Figura1. Macro-Micro. (Site 1)

PU2 expõe o slide (figura 1) e dá inicio às interlocuções:

PU2: Então eu vou dar uma pequena pincelada, de novo, na questão das enzimas e vou entrar na questão do mecanismo de ação da quimotripsina. Então, o que a professora PU já falava durante as aulas, dessa viagem que a gente faz do macro ao micro, do micro ao macro? Então, de você viajar lá pro teu corpo humano, imaginar uma célula, depois imaginar o cromossomo, o DNA que está lá. Então, tem várias representações que permitem você viajar até o “íntimo”, digamos assim, das estruturas maiores, até as menores. Então aqui tem um exemplo da célula que está dividida em várias outras estruturas, e dentre essas, nas células também tem enzimas, que acabam funcionando como catalisadores biológicos que as colegas falaram ali. (M9, 21)

No âmbito da presente pesquisa, é importante valorizar essa linha de reflexão suscitada no módulo 9, quanto ao “viajar” imaginariamente dos níveis macroscópicos para os microscópicos de compreensão e vice versa, em detrimento de uma visão dicotômica entre os mesmos. Ambos se intercomplementam e se inter-relacionam. Possivelmente a falta de relações entre tais níveis de explicação seja causadora das dificuldades de avanços conceituais no ensino deste conteúdo ou de outros de CNT.

Explicações por parte de PU2 sobre o mecanismo de reação da ‘enzima quimotripsina’ enfatizaram a ação catalítica na ruptura de ligações C-N das moléculas do substrato, como representado pela Figura 2.

• Quimotripsina: está entre as enzimas Serino-Proteases...

• Estas enzimas são proteínas que hidrolisam ligações

peptídicas distantes dos extremos C e N-terminal da molécula proteica (transformando-os em oligopeptídeos).

• A reação das proteases pode ser representada pelo

esquema a seguir:

Enzima

Figura 2. Enzima Quimotripsina. (Site 2)

Ainda que envolva grande quantidade de ‘energia’, tal ruptura de ligação covalente é realizada em temperatura corporal próxima a 37ºC. Nesse sentido, a linha de explicação dizia respeito à noção de que as ‘enzimas’ são reconhecidas como ‘catalisadores biológicos’ na medida em que elas atuam em nível atômico-molecular, reduzindo a ‘energia de ‘ativação’ das respectivas reações.

A significação conceitual da ‘atividade enzimática’ como meio que possibilita rupturas de ligação covalente, tais como C-N, C-C, requer compreensões sobre interações químicas envolvidas na ‘catálise enzimática’, o que implica uma compreensão relativa a um sistema de relações conceituais referentes a aspectos da estrutura química e das interações entre a enzima

e o substrato. Noções como a de ‘complexo enzima-substrato’, de ‘mecanismo de reação enzimática’, de ‘sítio catalítico’ são essenciais à significação conceitual da ‘atividade enzimática’. Isso, considerando que ela gira em torno do entendimento de que em cada enzima há um microambiente (sítio catalítico) que expõe determinados grupos químicos (radicais de aminoácidos) que conferem graus específicos de carga iônica, polaridade de ligação covalente, interação hidrofóbica.

Sem levar em conta tais noções não é possível uma compreensão conceitual adequada, cuja centralidade está na visão de interações químicas específicas que possibilitam a transformação do substrato em produto, nas condições biológicas, por meio de uma redução da ‘energia de ativação’.

Cabe reiterar a visão da complexidade e da amplitude do conceito ‘energia’, nem sempre assim consideradas no ensino de CNT, em diversos níveis. A compreensão e ressignificação do conceito passa pelo estabelecimento de necessárias conexões entre compreensões relativas a conhecimentos produzidos em contextos diversificados, desde os científicos até os cotidianos, os de nível teórico e abstrato até os vivenciais, a exemplo da respiração. São complexas as compreensões e as relações entre conhecimentos relativos às formas de ‘energia’ envolvidas em transformações abordadas em nível atômico-molecular.

Outro slide apresentado e discutido nos módulos acompanhados é o que segue.

QUIMOTRIPSINA

No episódio que segue percebe-se a intencionalidade, por parte de PU2, de mediar tal linha de compreensão, durante o ‘módulo interativo 9’. Explicações com base na Figura 3 diziam respeito a noções sobre a estrutura da enzima mencionada e o seu ‘sítio catalítico.’

PU2: Aqui tem umas representações do livro LDBQ2 que mostram a estrutura da quimotripsina. Aqui vocês vêem que tem o sítio ativo da quimotripsina, que eles chamam de tríade catalítica, que são os resíduos dos aminoácidos que vão atuar na transformação da proteína. Então aqui ((imagem a direita da Figura 3)) já tem outra estrutura um pouco diferente. (M8 - 43)

Dessa forma, recursos didáticos apresentados durante o ‘módulo interativo 9’ remetiam a reflexões e questionamentos relativos às formas de representação da enzima na Figura 3, desde a visão da estrutura molecular como um todo, até a noção de que determinados grupamentos químicos (radicais de aminoácidos) compõem o ‘sítio ativo’ da enzima e atuam na catálise da reação.

PU2: [...]. E aqui ((3ª imagem da Figura 3)) [...] mostra bem essa tríade catalítica,

aqui, e que acaba mesmo fazendo ligações de hidrogênio e covalentes com o substrato, que se encaixa aqui.

PU1: Aqui nós poderíamos começar na figura ((mais acima)) imaginando que é a

estrutura tridimensional inteira da enzima, como se fosse uma partícula cheia de átomos, ligações e lá está cheio de aminoácidos, a outra já vem mostrando a visibilidade da cadeia polipeptídica, e ali dentro a gente vê mais ou menos o que seria o sítio ativo ((figura a direita)), e essa de baixo é por extenso PU2, aquela parte azul claro mostrando, você até podia ler PU2, aqui está meio longe, tem uma histidina 57, uma serina 195.

PU2: O número representa a posição da cadeia da proteína. Então 57 é o

quinquagésimo sétimo aminoácido. [...]

PU: Vocês imaginem a extremidade terminal né, então aqui alguns radicais

lembram?

L ((alguns)): Aham.

PU1: Então o fio, a cadeia polipeptídica ela vai expor aqui naquele espaço no

centro ativo, alguns radicais e alguns aminoácidos, um é o 102, outro é o 57, 195, 16, mas como o dezesseis está perto do cento e noventa e cinco, lembram? É o enovelamento da cadeia polipeptídica, Então isso vocês têm que imaginar. (M9, 45-

52)

PU2 ao indicar a Figura 3 ressalta que esta representação não se refere a um simples encaixe mecânico entre a enzima e o substrato. Remete à visão de uma complementaridade estrutural entre a enzima e o substrato, que depende das interações intramoleculares, pois é através de interações químicas adequadas que acontece o encaixe do substrato específico ao sítio ativo de cada enzima.

A linha de pensamento denota a intencionalidade de mediar a compreensão de que as rupturas de ligação exigem que as energias de ligação sejam extrapoladas. Isso requer graus elevados de abstração, o que na maioria das vezes não é considerado no ensino. Por vezes, tal nível não é possível por parte dos estudantes. Essa linha de discussão será tratada com mais detalhe no item que segue, mas é importante considerar, já aqui, a visão de que os conceitos são abstrações e que os processos de significação conceitual, por sua natureza, implicam em aprendizados de nível teórico-conceitual, como é o caso das explicações e compreensões sobre a ‘atividade enzimática’, assunto central nos estudos sobre os seres vivos e sobre como acontecem as transformações que mantêm o funcionamento do processo vital. Sobre o pensamento conceitual abstrações e significações, é importante destacar que:

O pensamento conceitual envolve uma enorme expansão das formas resultantes da atividade cognitiva. Uma pessoa capaz de pensamento abstrato reflete o mundo externo mais profunda e completamente e chega a conclusões e inferências a respeito do fenômeno percebido, tomando por base não só a sua experiência pessoal, mas também os esquemas de pensamento lógico que objetivamente se formam em um estágio avançado de desenvolvimento da atividade cognitiva. (LURIA, 1990, p.135 apud DUARTE, 2003, p.622).

Na compreensão da atuação das enzimas, PU2 fazia menção a compreensões relativas às ligações químicas envolvidas nas reações enzimáticas com rupturas de ligação, em detrimento da visão de um encaixe mecânico entre a enzima e o substrato. Para isso, foram usadas representações em slides, a exemplo da figura que segue:

Equação Geral da Reação Catalítica

Nas serinas-proteases, o mecanismo baseia-se

na ação de uma TRÍADE CATALÍTICA:

- serina + histidina + aspartato

- O que significa (quimicamente) essa tríade catalítica??

Figura 4. Equação Geral da Reação Catalítica (LDBQ1, p.121)

Os sujeitos chamavam a atenção para a importância de mediar e usar conceitos, evitando significações e compreensões simplistas.

PU2: [...] Aqui tá uma visão bem simplificada.

PU1: Na verdade [...] ali no meio tem uma ligação peptídica. Ali é que houve a

ruptura da ligação.

PU2: Então nas Serino-Proteases, que são as enzimas, o mecanismo baseia-se na

ação da tríade catalítica [...]. O que significa essa tríade catalítica? [...] Aqui vocês vêm que as Serino-Proteases, todas elas têm a atuação da serina, aspartato e histidina. Então, aqui tem ó ((aponta para a terceira figura do slide anterior)) a serina, a histidina, o aspartato, ó... (M9,53-55)

Ao mediar explicações de aspectos importantes relativos à ‘catálise enzimática’, PU2 remetia para a visão da importância da atuação das enzimas no metabolismo, permitindo a manutenção da vida. As explicações requeriam compreensões relativas à ‘energia’ envolvida nos processos vitais, como mostra a tabela de energias de dissociação da figura 5:

Condição de Moléculas em Colisão: - Inércia? Ou Reatividade Química?

Figura 5. Energia de Dissociação de Ligação Média. LDBQ3 As explicações eram mediadas por PU2:

PU2: Então [...] os resíduos de aminoácido vão tá lá, agindo [...] e transformando,

na ruptura da ligação carbono e nitrogênio. [...] Como explicar a ruptura de uma ligação C-N [...] em que não tem nenhuma condição para que aconteça, se for pensar quimicamente ... com temperatura de aproximadamente 37°. [...] O nosso corpo precisaria de bastante energia para isso. Então, lembrar que sempre há uma energia de ativação nessa ligação carbono e nitrogênio. E vocês têm como outro exemplo [...], a reação de combustão, que precisa muita energia para que comece a transformação. E aqui vocês têm o valor aproximado de uma ligação de carbono e nitrogênio ((energia de ligação)). O valor foi pego daqui. Então comparado à ligação C-C, que é 348 KJ/mol, e do C-N que é essa que a quimotripsina rompe, é 305 KJ/mol. É muita energia né? Se for pensar [...], e lembrando que isso ainda precisa de condições: a condição das moléculas colidirem nas condições adequadas para que acontecesse, quebrasse essa inércia que a molécula tem, de permanecer do jeito que está, pra então ela ter a reatividade, que acaba rompendo mesmo aquela ligação. Então a enzima como ela faz? Ela é chamada de catalisador, catalisador biológico [...]. Então, a função da enzima é diminuir a energia de ativação de modo seletivo. Assim, aumenta a velocidade das reações [...] sem afetar o equilíbrio das reações. Então aqui [aponta para a Figura 6) tem um exemplo de uma reação. (M9-

57).

Para ampliar as compreensões acerca da ‘energia de ativação’, foi apresentado outro slide (Figura 6):

Enzima = Catalisador

(Proteínas)

(Peptídeos)

Figura 6. Gráfico da Reação. (Site 2)

No episódio a seguir, PU2 reitera a importância de considerar a ‘energia de ativação’ nas rupturas de ligação, mediante a compreensão conceitual de que a enzima reduz a ‘energia’ necessária para romper as ligações em nível atômico molecular.

O caminho da reação, sem a enzima, então, uma energia muito grande, e com a enzima, que ela diminui bastante essa energia de ativação necessária para romper aquela ligação C-N. O estado de transição seria essa parte ((aponta para o topo do

gráfico – slide anterior)) que ela acaba rompendo a ligação. É a forma ativada de

uma molécula em que a mesma é capaz de sofrer uma reação, composto instável e de alta energia. A energia de ativação que seria essa energia ((mostra a variação de

temperatura no gráfico-Figura 6)) [...] para que rompa, para que consiga romper

essa ligação C-N. É a quantidade de energia em calorias ou KJ como eu havia falado antes, necessárias para se elevar 1mol de uma substância a um estado de transição. Então é uma energia [...] para vencer a inércia química dos reagentes. Tem uma barreira que separa os reagentes dos produtos, que seria além dessa energia de ativação depois ela tem uma energia favorável para que essa reação aconteça ((mostrando a energia representada nos reagentes e a energia representada

nos produtos, no gráfico)). Mas primeiro é preciso quebrar essa inércia da molécula

da proteína. (M9, 57)

Diante dessas explicações, cabe refletir: em aulas de Biologia no EM, a ‘energia’ envolvida na compreensão da atividade enzimática é mediada de forma problematizadora e é adequadamente significada? O conceito de ‘energia de ativação’ é possível de ser significado a partir das abordagens convencionais em âmbito escolar? Se sim, em que nível de

compreensão? Barros (2009, p.1) alerta que, nos estudos que envolvem a ‘energia’, “é comum os estudantes apresentarem dificuldades recorrentes”, desde aquelas relacionadas às variações de temperatura (em processos endotérmicos e exotérmicos) ou outras no âmbito da termoquímica.

No ‘módulo interativo 8’, PU1 chamava atenção para a especificidade de cada disciplina na área de CNT e para a necessária articulação entre as mesmas, de modo que uma pudesse vir a auxiliar a outra, em busca de uma compreensão mediante relações entre conceitos, na compreensão de assuntos complexos como ‘energia’, ‘catálise enzimática’, ‘energia de ligação’. Em interlocuções anteriores, PEMQ1 e LQ1 haviam manifestado uma ideia que remetia para uma mudança nas escolas de modo que o professor de Química pudesse estar presente em algumas aulas de Biologia, ou vice-versa.

PU1: Agora gente, aqui [...] PEMB1, [...] eu tenho outra tese sobre energia de

ligação. Então, a profe de Biologia, e vocês também, que depois vão dar aulas de Biologia, provavelmente não vão estar a fim de estar falando nas aulas de Biologia nos valores das energias de ligação envolvidas nas reações químicas. Isso que o PEMQ1 estava falando agora há pouco. Nós de Química pensamos assim, nós temos um reagente, um produto, e nós vamos ver quais as energias de ligação que nós tínhamos, envolvidas lá, antes, nos reagentes e nos produtos. E podemos compreender dessa forma. Mas lá na aula de Biologia provavelmente isso é um complicador. Por isso eu estou dizendo ((reforçando)) aquilo que o PEMQ1 e a LQ1 estavam falando antes, que era a possibilidade de termos um professor de Biologia e de Química na sala de aula. Que bom se pudéssemos contar com o professor de Biologia que de aula de Biologia e o de Química que de aula de Química, mas que um pudesse, daqui um pouco, potencializar a compreensão da aula, um do outro. Pra isso ((acontecer)) também tem que mudar alguma coisa: o PEMQ1 vai ter de dar alguma coisa um pouquinho diferente do que ele iria dar na aula dele, se não estivesse a PEMB1, ou vice-versa. E parece muito mais o contrário. Nós de Química teríamos que ter mais acessibilidade de dialogar, porque a gente nem sabe o que está acontecendo nas aulas de Biologia ((do EM)). [...] (M8, 314)

No episódio acima, PU1 fazia uma mediação que agregava reflexões, no módulo, sobre a importância de um trabalho interdisciplinar, mas sem diminuir a importância de cada conhecimento e abordagem disciplinar. O desenvolvimento e análise dessas interações nos módulos partem do pressuposto de que um dos eixos focalizados como princípio básico da reforma da educação básica em andamento no país, referendado pelas OCNEM (BRASIL, 2006) - a interdisciplinaridade - necessita ser dinamicamente inserida como princípio educativo na formação docente inicial e continuada.

É fundamental que as escolas, ao manterem a organização disciplinar, pensem em organizações curriculares que possibilitem o diálogo entre os professores das disciplinas da área de Ciências da Natureza, na construção de propostas pedagógicas que busquem a contextualização interdisciplinar dos conhecimentos dessa área. O que se precisa é instituir os necessários espaços interativos de planejamento e

acompanhamento coletivo da ação pedagógica, de acordo com um ensino com característica contextual e interdisciplinar (...), como foi proposto nos PCNEM e PCN+ (BRASIL, 2006, p. 105).

No ‘módulo interativo 9’, as atenções também podem ser remetidas a outro princípio defendido nas OCNEM (BRASIL 2006), no que se refere à perspectiva da contextualização de conceitos complexos, a exemplo da ‘energia’. Esta linha de discussão remete para a visão de que a contextualização pode potencializar processos de aprendizado e de conhecimento em níveis de significação elevados por parte de estudantes ou dos próprios professores.

PU1: Eu tava conversando com o PU2 sobre essa idéia esses dias, e eu comentava,

assim, um exemplo bem fácil de entender. Se você tem um gás que tá vazando lá em casa, ou uma gasolina vazando lá no posto de gasolina. Essas moléculas do gás, da gasolina, estão em contato com o ar, elas colidem com o ar, porém não há uma reação de combustão, não há queima. Porque não há queima?

L2: Porque não há energia de ativação...

PU1: Qual é o risco de um incêndio? Se tiver ali a energia, então, teria que ter

cuidado. Lá em São Paulo, aquele povo morando em cima de um antigo posto de gasolina, se não tivesse ido lá, com um fogão a gás para fazer comida em cima de um posto de gasolina, não teria problema. Eu sei que deu uma explosão, então assim as moléculas podem colidir em si, mas nessa colisão gente, nem sempre há saída dos reagentes que colidem da condição de inércia. Inércia é não reatividade química. Colide mas volta como tava antes. Então a energia de ativação é a energia mínima necessária para que com a colisão, ó ((mostra com duas canetas de quadro

branco)), ela colide, mas nessa colisão há uma interconversão energética

interessante aqui né, e essa energia cinética e potencial, ela permite atingir o estado de transição. Então a pergunta é assim como que lá ((na célula)) em temperatura