Enzimas Existen dos condiciones fundamentales para la vida. Una, la entidad viva ha de poder autorreplicarse, dos, el organismo ha de poder catalizar.

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1 Enzimas Existen dos condiciones fundamentales para la vida. Una, la entidad viva ha de poder autorreplicarse, dos, el organismo ha de poder catalizar reacciones químicas eficiente y selectivamente. Los sistemas vivos utilizan la energía de su entorno. La catálisis en las reacciones químicas es necesaria para mantener la vida que no podrían darse en una escala de tiempo conveniente. Centramos ahora nuestra atención en las proteínas más notables y altamente especializadas, las enzimas. Son los catalizadores de las reacciones de los sistemas biológicos. Tienen un extraordinario poder catalítico, a menudo muy superior al de los catalizadores sintéticos o inorgánicos. Poseen un elevado grado de especificidad respecto a sus sustratos, aceleran tremendamente reacciones químicas y funcionan en soluciones acuosas en condiciones muy suaves de temperatura y pH. Hay pocos catalizadores no biológicos que tengan todas estas propiedades. Actúan en secuencias organizadas, catalizan cientos de reacciones consecutivas mediante las que se degradan nutrientes, se conserva y transforma la energía química y se fabrican las macromoléculas biológicas a partir de precursores sencillos.

2 El estudio de las enzimas tiene una importancia práctica inmensa.
En algunas enfermedades, sobre todo en las que son genéticamente heredables, puede haber una deficiencia, o incluso una ausencia total, de uno o más enzimas. Muchos fármacos ejercen sus efectos biológicos a través de la interacción con enzimas. Las enzimas se han convertido en herramientas prácticas importantes, no sólo en medicina sino también en la industria química, en el tratamiento de los alimentos y en la agricultura. Introducción a los enzimas Los catalizadores biológicos se reconocieron y fueron descritos por primera vez a finales del siglo XVIII, en estudios sobre la digestión de la carne por secreciones del estómago y en el siglo XIX se continuó examinado la conversión del almidón en azúcar por la saliva y diversos extractos vegetales. En la década de 1850 Louis Pasteur concluyó que la fermentación del azúcar a alcohol por la levadura estaba catalizada por "fermentos". El descubrimiento que realizó Eduard Buchner en 1897 de que los extractros de levadura pueden fermentar el azúcar a alcohol demostró que la fermentación era debida a moléculas que continúan funcionando cuando se separan de las células. Frederick W. Kühne denominó estas moléculas enzimas. El aislamiento y cristalización de la ureasa por James Sumner en 1926 proporcionó un gran impulso a los primeros estudios sobre las propiedades de los enzimas.

3 Sumner encontró que los cristales de ureasa estaban constituidos exclusivamente por proteína y postuló que todas las enzimas eran proteínas. La conclusión de Sumner sólo se aceptó ampliamente cuando más tarde, en la década de 1930, John Northrop y Moses Kunitz cristalizaron la pepsina, la tripsina y otros enzimas digestivos y descubrieron que también eran proteínas. Durante este período, J.B.S. Haldane escribió un tratado denominado "Enzimas". Aunque la naturaleza molecular de las enzimas aún no estaba clara, este libro hablaba de las interacciones por enlaces débiles entre la enzima y su sustrato para distorsionarlo y así catalizar la reacción. Esta idea está en el centro de nuestro conocimiento actual sobre la catálisis enzimática. La última parte del siglo xx fue testigo de una investigación intensísima sobre los enzimas que catalizan la reacciones del metabolismo celular. Esto ha conducido a la purificación de millares de enzimas, a la elucidación de la estructura y mecanismo químico de muchos y a un conocimiento general sobre cómo actúan.

4 Las enzimas promueven secuencias de reacciones químicas
El hecho de que una reacción sea exergónica no significa que vaya necesariamente a transcurrir con rapidez. La trayectoria de reactivo(s) a producto(s) transcurre de manera prácticamente invariable a través de una barrera energética, denominada barrera de activación, que debe ser superada para que tenga lugar la reacción.

5 La ruptura y formación de enlaces implica la distorsión de los enlaces existentes, lo que genera un estado de transición de mayor energía libre que reactivos o productos. El punto más alto en un diagrama de coordenadas de reacción representa el estado de transición. Virtualmente cada reacción química celular tiene lugar a una velocidad medible debido a la presencia de enzimas biocatalizadores que, como todos los catalizadores, provocan un gran incremento en la velocidad de las reacciones químicas específicas sin consumirse en el proceso. Las enzimas actúan disminuyendo la barrera energética entre reactivo y producto. La energía de activación (∆G++) necesaria para sobrepasar esta barrera energética podría en principio obtenerse calentando la mezcla de reacción, incrementando así la energía cinética de las moléculas, la frecuencia a la que colisionan y la probabilidad con que reaccionarán. No obstante, esta posibilidad no puede contemplarse en las células vivas, que generalmente mantienen constante la temperatura. De hecho, la mayoría de componentes celulares (proteínas, membranas) se inactivan a temperaturas de tan sólo unos pocos grados por encima de la temperatura interna normal del organismo. En lugar de ello, las enzimas aceleran las reacciones aprovechando los efectos de la fijación.

6 Dos o más reactivos se unen a la superficie de la enzima, cercano uno al otro y con orientación estereospecífica que favorezca la reacción entre ellos. Gracias a esta combinación de proximidad y orientación, se incrementa en varios órdenes de magnitud la probabilidad de colisiones productivas entre los reactivos, en relación al proceso no catalizado donde los reactivos se orientan arbitrariamente y se distribuyen por toda la solución acuosa. Además, los mismos reactivos, en el proceso de unión a la enzima, sufren cambios en la forma que los distorsionan hacia el estado de transición, disminuyendo en consecuencia la energía de activación y acelerando enormemente la velocidad de reacción.

7 La relación entre la energía de activación y la velocidad de reacción es exponencial; una pequeña disminución en ∆G++ da como resultado un gran incremento en la velocidad de reacción. Las reacciones catalizadas por enzimas tienen lugar generalmente a velocidades entre 1010 y 1014 veces más rápidas que las reacciones no catalizadas. Salvo algunas excepciones los catalizadores metabólicos son proteínas. En unos pocos casos las moléculas de RNA tienen papeles catalíticos. Además, salvo contadas excepciones, cada proteína enzimática cataliza una reacción específica, y cada reacción en la célula está catalizada por una enzima diferente. Por tanto en cada célula son necesarios miles de enzimas diferentes. La multiplicidad de las enzimas, la especificidad por sus sustratos (la capacidad de discriminar entre reactivos) y su susceptibilidad a la regulación confieren a las células la capacidad de disminuir selectivamente las barreras de activación. Esta selectividad resulta crucial para la regulación efectiva de los procesos celulares.Las miles de reacciones químicas catalizadas por enzimas en las células se encuentran organizadas en muchas secuencias diferentes de reacciones consecutivas denominadas rutas, en las que el producto de una reacción pasa a ser el reactivo de la siguiente :

8 enz enz 2 enz enz enz 5 A B C D E F Fig. 1-13). Algunas de estas degradan nutrientes orgánicos tranformándolos en productos finales simples, con el fin de extraer de ellos energía química y convertirla en una forma útil para la célula. El conjunto de estas reacciones degradativas productoras de energía libre se denomina catabolismo. Otras rutas parten de pequeñas moléculas precursoras convirtiéndolas en moléculas progresivamente mayores y más complejas, entre las que se incluyen las proteínas y los ácidos nucleicos. Estas rutas sintéticas requieren invariablemente un aporte de energía y en conjunto se denominan anabolismo. La red global de reacciones catalizadas por enzimas constituye el metabolismo celular. El ATP es el principal nexo de unión (el intermedio compartido) entre los componentes anabólicos y catabólicos de esta red. Estos sistemas interconectados de reacciones catalizadas enzimáticamente que actúan sobre los principales constituyentes de las células -proteínas, grasas, azúcares y ácidos nucleicos son virtualmente idénticos en todos los organismos vivos.

9 El ATP es el portador universal de energía metabólica que une las rutas catabólicas y anabólicas.

10 La mayoría de enzimas son proteínas
Con la excepción de un pequeño grupo de moléculas de RNA catalítico, todas las enzimas son proteínas. Su actividad catalítica depende de la integridad de su conformación proteica nativa. Si se desnaturaliza o se disocia una enzima en sus subunidades, se pierde normalmente la actividad catalítica. Si se descompone una enzima en sus aminoácidos constituyentes, siempre se destruye su actividad catalítica. Así, las estructuras primaria, secundaria, terciaria y cuaternaria de las proteínas enzimáticas son esenciales para su actividad catalítica. Las enzimas, al igual que otras proteínas, tienen masas moleculares relativas que van desde unos hasta más de 1 millón. Algunas enzimas no requieren para su actividad más grupos químicos que sus residuos aminoácidos. Otras requieren un componente químico adicional llamado cofactor. El cofactor puede ser uno o varios iones inorgánicos tales como Fe2+, Mg2+, Mn2+ o Zn2+

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12 ó un complejo orgánico o molécula metalo orgánica denominado coenzima

13 Algunas enzimas requieren tanto una coenzima como uno o más iones metálicos para su actividad.
Una coenzima ó ión metálico unido muy frecuentemente o incluso covalentemente a la proteína enzimática se denomina grupo prostético. Una enzima completa catalíticamente activa junto con su coenzima y/o iones metálicos se denomina holoenzima. La parte proteica de tal enzima se denomina apoenzima o apoproteína. Las coenzimas actúan como transportadores transitorios de grupos funcionales específicos. Muchas vitaminas que son nutrientes orgánicos requeridos en pequeñas cantidades en la dieta son precursores de coenzimas. Finalmente, algunas proteínas enzimáticas son modificadas covalentemente por fosforilación, glucosilación y otros procesos. Gran parte de estas alteraciones intervienen en la regulación de la actividad enzimática. Las enzimas se clasifican según la reacción que catalizan Muchas enzimas se han bautizado añadiendo el sufijo "-asa" al nombre de su sustrato o a una palabra o frase que describe su actividad. Así la ureasa cataliza la hidrólisis de la urea y la DNA polimerasa cataliza la polimerización de nucleótidos formando DNA.

14 Otras enzimas, tales como la pepsina y la tripsina, tienen nombres que no se refieren a sus sustratos o reacciones. A veces la misma enzima tiene dos o más nombres, o dos enzimas diferentes tienen el mismo nombre. Debido a tales ambigüedades y al número siempre creciente de enzimas descubiertos, se ha adoptado por acuerdo internacional un sistema de nomenclatura y clasificación de los enzimas. Este sistema distribuye las enzimas en seis clases principales, cada una de ellas con diferentes subclases, según el tipo de reacción catalizada.

15 La mayoría de las enzimas catalizan la transferencia de electrones, átomos ó grupos funcionales. Por tanto se clasifican y se les asigna nº de código, y nombre según el tipo de reacción de transferencia, grupo donador y grupo aceptor.

16 A cada enzima se le asigna un número clasificatorio de cuatro dígitos y un nombre sistemático que identifica la reacción catalizada. Por ejemplo, el nombre sistemático formal de la enzima que cataliza la reacción: ATP + D-glucosa ADP + D-glucosa 6-fosfato es ATP: glucosa fosfotransferasa, que indica que cataliza la transferencia de un grupo fosforilo desde el ATP a la glucosa. El número de clasificación de esta enzima (número E.C.) es El primer dígito (2) denota el nombre de la clase (transferasa); el segundo dígito (7), la subclase (fosfotransferasa); el tercer dígito (1), fosfotransferasas con un grupo hidroxilo como aceptor y el cuarto dígito (1), D-glucosa como aceptor del grupo fosforilo. En muchos casos se utiliza más frecuentemente un nombre sencillo (en este caso hexoquinasa). ¿Cómo funcionan los enzimas? La catálisis enzimática de las reacciones es esencial para los sistemas vivos. En condiciones biológicamente significativas, las reacciones sin catalizar tienden a ser lentas. La mayoría de moléculas biológicas son muy estables al pH neutro,

17 temperatura suave y ambiente acuoso presentes en el interior de las células. Además, muchas reacciones comunes de la bioquímica suponen situaciones químicas que son desfavorables o poco probables en el ambiente celular, tales como la formación transitoria de intermediarios cargados inestables o la colisión de dos o más moléculas con la orientación precisa requerida para la reacción. Sencillamente, las reacciones necesarias para digerir los alimentos, enviar señales nerviosas o contraer el músculo no se dan a una velocidad útil sin catálisis. Una enzima soluciona estos problemas al proporcionar un ambiente específico dentro del cual una reacción determinada es, energéticamente, más favorable. El rasgo distintivo de una reacción catalizada enzimáticamente es que tiene lugar dentro de los confines de una bolsa del enzima denominada sitio activo . La molécula fijada en el sitio activo y sobre la que actúa el enzima se denomina sustrato. La superficie del centro activo de la enzima esta revestida con residuos aminácidos cuyos grupos sustituyentes se unen al sustrato y catalizan su transformación química. El complejo enzima-sustrato, cuya existencia fue propuesta por primera vez por Adolphe Wurtz en 1880, es de importancia central en la acción de los enzimas. Es también el punto de partida de los tratamientos matemáticos que definen el

18 comportamiento cinético de las reacciones catalizadas por enzimas así como de las descripciones teóricas de los mecanismos enzimáticos. Los enzimas alteran las velocidades de reacción pero no los equilibrios Se puede escribir una reacción enzimática sencilla de la siguiente manera E + S ES EP E + P (1) en donde E, S Y P representan, enzima, sustrato y producto. ES y EP son complejos transitorios de la enzima con el sustrato y con el producto, respectivamente. La función de un catalizador es aumentar la velocidad de una reacción. Los catalizadores no modifican los equilibrios de reacción. Cualquier reacción, por ejemplo S P, se puede describir mediante un diagrama de la coordenada de reacción. Éste es una descripción gráfica de las variaciones energéticas de la reacción.

19 Fig 1 La energía en los sistemas biológicos se describe en función de la energía libre, G. En el diagrama de la coordenada, se representa la energía libre del sistema frente al progreso de la reacción (coordenada de la reacción – ruptura ó formación de enlaces). El punto de partida para la reacción tanto hacia delante como hacia atrás se denomina estado basal, que es la contribución a la energía libre del sistema de una molécula promedio (S o P) en un conjunto de condiciones dadas. Para describir las variaciones de energía libre de las reacciones, los químicos definen un conjunto estándar de condiciones (temperatura 298 º K; presión

20 parcial de cada gas 1 atm ó 101,3 kPa; concentración de los solutos 1 M de cada uno) y expresan la variación de energía libre de este sistema reaccionante como ∆Go, la variación de energía libre estándar. Dado que en los sistemas biológicos participa normalmente el H+ en concentraciones muy lejanas de 1 M, los bioquínúcos definen una variación de la energía libre estándard bioquímica , ∆G'o, la variación de energía libre estándar a pH 7. El equilibrio entre S y P refleja la diferencia en energía libre de sus estados basales. En la (Fig 1) la energía libre del estado basal de P es inferior a la de S, por lo que , ∆G'o de la reacción es negativa, con lo que el equilibrio favorece a P. La posición y la dirección de este equilibrio no se ve afectada por ningún catalizador. Un equilibrio favorable no indica que la conversión S P tenga lugar a una velocidad detectable. La velocidad de una reacción es dependiente de un parámetro totalmente diferente. Existe una barrera energética entre S y P que representa la energía requerida

21 para el alineamiento de los grupos reactivos, formación de cargas inestables transitorias, reordenamientos de enlaces y otras transformaciones que se requieren para que la reacción tenga lugar en cualquiera de las dos direcciones. Esto se representa por la "colina" energética de las (Figuras 1 y 2). Fig 2 Para que haya reacción las moléculas han de superar esta barrera, por lo que se deben llevar a un nivel energético superior. En la cumbre de la colina energética existe un punto en el que la caída hacia el estado S o P es igualmente probable (en ambos casos es de bajada). Es lo que se denomina el estado de transición.

22 El estado de transición no es una especie química con estabilidad significativa, por lo que no se ha de confundir con un intermediario de reacción (como ES o EP). Es, simplemente, un momento molecular fugaz en el que acontecimientos tales como ruptura de enlaces, formación de enlaces y desarrollo de carga han llegado al preciso instante en el que el colapso a sustrato o producto es igualmente probable. La diferencia entre los niveles de energía del estado basal y del estado de transición se denomina energía de activación (∆G++). La velocidad de una reacción refleja esta energía de activación; a una energía de activación más elevada corresponde una reacción más lenta. Las velocidades de reacción pueden aumentarse incrementando la temperatura, con la que se aumenta el número de moléculas con energía suficiente para superar la barrera energética. De modo alternativo, puede disminuirse la energía de activación añadiendo un catalizador (Fig.2). La catálisis aumenta las velocidades de reac­ción disminuyendo las energías de activación. Las enzimas no constituyen una excepción a la regla de que los catalizadores no modifican el equilibrio de reacción.

23 Las flechas bidireccionales de la Ecuación 1 ilustran este punto: cualquier enzima que catalice la reacción S P también cataliza la reacción P S. La misión de la enzima es acelerar la interconversión de S y P. No se gasta enzima en el proceso y no queda afectado el punto de equilibrio. No obstante, la reacción alcanza el equilibrio de una manera mucho más rápida cuando se halla presente la enzima adecuada, ya que incrementa la velocidad de la reacción. En la práctica, cualquier reacción puede tener varias etapas que impliquen la formación y desintegración de especies químicas transitorias denominadas intermediaris de reacción. Cuando la reacción S P es catalizada por una enzima, los complejos ES y EP son intermediarios (Ec. 1); ocupan valles en el diagrama de la coordenada de reacción (Fig. 2). Cuando en una reacción existen varios pasos, la velocidad global viene determinada por el paso (o pasos) con la energía de activación más elevada; este paso se denomina paso limitante de velocidad. En un caso sencillo el paso limitante de velocidad es el punto de energía más elevado en el diagrama de interconversión de S y P.

24 En la práctica, el paso limitante de velocidad puede cambiar con las condiciones de reacción y en el caso de muchas enzimas puede haber varios pasos con energías de activación similares, lo que significa que son parcialmente limitantes de la velocidad. Las energías de activación son barreras energéticas para las reacciones químicas; estas barreras son cruciales para la propia vida. La estabilidad de una molécula aumenta con la altura de su barrera de activación. Sin tales barreras energéticas, las macromoléculas complejas revertirían espontáneamente a formas moleculares mucho más sencillas. No podrían existir ni las estructuras complejas y altamente ordenadas ni los procesos metabólicos que tienen lugar en cada célula. Las enzimas han evolucionado para disminuir selectivamente las energías de activación de las reacciones necesarias para la supervivencia celular. Aclaración Los términos "paso" e "intermediario" se refieren a especies químicas que se forman en la ruta de una única reacción catalizada enzimáticamente. En cambio en rutas metabólicas se babla de "paso" en una ruta como una reacción enzimática completa y el producto de la reacción enzimática (es el sustrato para la siguiente enzima de la ruta) se conoce como un "intermediario".

25 Las velocidades de reacción y los equilibrios tienen definiciones termodinámicas precisas
Los equilibrios de reacción están unidos a AG'O mientras que las velocidades de reacción están unidas a AG++. Una introducción básica a estas relaciones termodinámicas constituye el próximo paso para saber cómo funcionan los enzimas. Un equilibrio tal como S P viene descrito por una constante de equilibrio, Keq. En las condiciones estándar utilizadas para comparar los procesos bioquímicos, una constante de equilibrio se denota por K´eq. De la termodinámica puede describirse la relación entre K´eq y AG'O con la expresión:

26 en donde R es la constante de los gases (8,315 J/mol
en donde R es la constante de los gases (8,315 J/mol . K) y T es la temperatura absoluta, 298 º K (25°C). La constante de equilibrio está relacionada directamente con la variación de energía libre estándar global de la reacción . Un valor grande negativo de AG'O refleja un equilibrio de reacción favorable aunque, no signifique que la reacción transcurra a una velocidad elevada. La velocidad de una reacción cualquiera viene determinada por la concentración de reactivo (o reactivos) y por una constante de velocidad, representada habitualmente por el símbolo k.

27 Para la reacción unimolecular S
Para la reacción unimolecular S P, la velocidad de la reacción, V, que representa la cantidad de S que ha reaccionado por unidad de tiempo, viene expresada por una ecuación de velocidad: v = k[S] En esta reacción, la velocidad sólo depende de la concentración de S. Es lo que se denomina una reacción de primer orden. El factor k es una constante de proporcionalidad que refleja la probabilidad de reacción en un conjunto de condiciones (pH, temperatura, etc.). Aquí, k es una constante de velocidad de primer orden y sus unidades son tiempos inversos (ej. seg-1). Si una reacción de primer orden tiene una constante de velocidad k de 0,03 seg-1 se puede interpretar (cualitativamente) que el 3 % de sustrato asequible será convertido en P en 1 seg. Una reacción con una constante de velocidad de seg-1 estará lista en una pequeña fracción de segundo. Si la velocidad de reacción depende de la concentración de dos compuestos diferentes, ó si reaccionan dos moléculas del mismo compuesto, la reacción es de segundo orden y k es una constante de velocidad de segundo orden (con unidades M-1 seg-1).

28 La ecuación de velocidad tiene la forma
v = k[S1][S2] Aplicando la teoría del estado de transición se puede deducir una expresión que relaciona la magnitud de una constante de velocidad con la energía de activación: donde k es la constante de Boltzmann y h la de Planck. Lo importante es que esta relación entre la constante de velocidad k y la energía de activación, ∆G++ , es inversa y exponencial. En forma simplificada es la base de la afirmación de que una energía de activación menor significa una velocidad de reacción mayor, y viceversa.

29 Unos pocos principios explican el poder catalítico y la especificidad de las enzimas
Las enzimas son catalizadores extraordinarios. Los aumentos de velocidad conseguidos por los enzimas son de 5 a 17 órdenes de magnitud. Las enzimas son también muy específicas, discriminando fácilmente entre sustratos con estructuras muy similares. ¿Cómo se pueden explicar estos incrementos enormes y altamente selectivos?

30 ¿De dónde viene la energía que proporciona un descenso espectacular de las energías de activación de reacciones específicas? La respuesta a estas preguntas tiene dos partes distintas pero entrelazadas. La primera se basa en el reordenamiento de los enlaces covalentes en una reacción catatizada por enzima. Reacciones químicas de muchos tipos tienen lugar entre sustratos y grupos funcionales de los enzimas (cadenas laterales de aminoácidos específicos, iones metálicos y coenzimas). Los grupos funcionales catalíticos de las enzimas pueden formar de manera transitoria un enlace covalente con un sustrato activándolo para la reacción o puede transferirse transitoriamente un grupo del sustrato a un grupo de la enzima. En muchos casos, estas reacciones sólo tienen lugar en el centro activo de la enzima. Estos grupos disminuyen la energía de activación (acelerando la reacción) al crear una ruta de reacción alternativa de menor energía. La segunda parte de la explicación se basa en las interacciones no covalentes entre la enzima y el sustrato. Gran parte de la energía requerida para disminuir la energía de activación proviene generalmente de interacciones débiles no covalentes entre el sustrato y la enzima. El factor que diferencia realmente las enzimas de la mayoría de los catalizadores no enzimáticos es la formación de un complejo ES específico.

31 La interacción entre enzima y sustrato en este complejo está canalizada por las
mismas fuerzas que estabilizan la estructura proteica, a saber puentes de hidrógeno e interacciones iónicas e hidrofóbicas. La formación de cada interacción débil en el complejo ES viene acompañada de una pequeña liberación de energía libre que proporciona un cierto grado de estabilidad a la interacción. La energía procedente de la interacción enzima-sustrato se denomina energía de fijación, ∆GB . Su significado se extiende más allá de una simple estabilización de la interacción enzima-sustrato. La energía defijación es una fuente principal de energía libre utilizada por las enzimas para disminuir la energía de activación de las reacciones. Hay dos principios fundamentales interrelacionados que proporcionan una explicación general de cómo las enzimas usan la energía de unión no covalente. La mayor parte del poder catalítico de las enzimas proviene en último término de la energía libre emitida al formarse los múltiples enlaces débiles e interacciones que se producen entre la enzima y su sustrato. Esta energía de fijación proporciona tanto especificidad como catálisis.

32 2. Las interacciones débiles están optimizadas en el estado de transición de la reacción; los sitios activos de las enzimas son complementarios no a los sustratos, sino a los estados de transición por los que pasan los sutratos a medida que se transforman en productos en las reacciones que catalizan.

33 Las interacciones débiles entre enzima y sustrato son óptimas en el estado de transición
¿Cómo utiliza un aenzima la energía de fijación para disminuir la energía de activación de una reacción? La formación del complejo ES no es por sí misma la explicación por bien que algunas de las primeras consideraciones sobre los mecanismos enzimáticos empezaron con esta idea. Estudios sobre la especificidad enzimática llevados a cabo por Emil Fischer le llevaron a proponer, en 1894, que las enzimas eran estructuralmente complementarias a sus sustratos, de modo que se acoplaban al igual que una "llave" y una "cerradura".

34 Formas complementarias de un sustrato y su sitio de fijación sobre un enzima.
Se muestra la enzima dihidrofolato reductasa con su sustrato NADP+ (rojo), sin fijar (izquierda) y fijado (derecha). También es visible una molécula de otro sustrato, tetrahidrofolato (amarillo), ligada al enzima. El NADP+ se fija a una bolsa que es complementaria en forma y propiedades iónicas. En realidad, la complementariedad entre la proteína y el ligando no es perfecta. La interacción de una proteína con un ligando da lugar a menudo a cambios de conformación en una o en ambas moléculas, un proceso denominado encaje inducido. Esta falta de complementariedad perfecta entre la enzima y su sustrato es importante para la catálisis enzimática. Esta idea elegante de que una interacción especifica (exclusiva) entre dos moléculas biológicas está facilitada por superficies moleculares con formas complementarias ha influido profundamente en el desarrollo de la bioquímica y se halla en el centro de muchos procesos bioquímicos. No obstante, la hipótesis de la "llave y la cerradura" puede ser engañosa cuando se aplica a la catálisis enzimática. Una enzima totalmente complementaria a su sustrato sería una enzima muy deficiente.

35 Consideremos una reacción imaginaria, la ruptura de una vara metálica magnética. La reacción no catalizada se muestra en la Figura siguiente.

36 Examinaremos ahora dos enzimas imaginarios para catalizar esta reacción, utilizando ambos fuerzas magnéticas como paradigma de la energía de fijación real utilizada por los enzimas. Diseñaremos en primer lugar una enzima perfectamente complementaria al sustrato. El sitio activo de este enzima es una bolsa forrada con imanes. Para reaccionar (romperse), la vara debe alcanzar el estado de transición de la reacción pero se fija de una manera tan fuerte al sitio activo que no puede doblarse ya que su curvatura eliminaría algunas de las interacciones magnéticas entre ella y la enzima. Un enzima así impide la reacción ya que lo que hace es estabilizar el sustrato. En un diagrama de la coordenada de reacción), este tipo de complejo correspondería a un pozo energético del que le sería muy difícil salir al sustrato. Tal enzima no tendría ninguna utilidad. La noción moderna de la catálisis enzimática fue propuesta por Haldane en 1930 y después elaborada por Linus Pauling en 1946. Para que una enzima que catalice una reacción ha de ser complementaria al estado de transición de la reacción. Ello significa que las interacciones óptimas (mediante enlaces débiles) entre sustrato y enzima sólo pueden tener lugar en el estado de transición. Se fija la vara de metal pero sólo se utilizan unas cuantas interacciones para

37 formar el complejo ES. El sustrato ligado aún ha de experimentar el aumento de energía libre necesario para alcanzar el estado de transición. Pero ahora el incremento de energía libre requerido para llevar la vara a una conformación curva y parcialmente partida queda nivelado, o es "pagado", por las interacciones magnéticas (energía de fijación) que se forman entre la enzima y el sustrato en el estado de transición. Gran parte de estas interacciones se dan en partes de la vara distantes del punto de ruptura; así, las interacciones entre la enzima y partes no reactivas del sustrato proporcionan parte de la energía necesaria para catalizar su ruptura. Esta "factura energética" se traduce en una energía de activación neta inferior y una mayor velocidad de reacción. Las enzimas reales funcionan según un principio análogo. En el complejo ES se forman algunas interacciones débiles, pero el complemento total de esas interacciones débiles entre sustrato y enzima sólo se forma cuando el sustrato alcanza el estado de transición. La energía libre (energía de fijación) liberada por la formación de esas interacciones equilibra parcialmente la energía requerida para llegar a la cima de la colina energética. La suma de la energía de activación desfavorable (positiva) ∆G++ y la energía de fijación ∆GB favorable (negativa) da como resultado una energía de activación

38 neta menor. Incluso en la enzima, el estado de transición no es una especie estable sino un punto breve en el tiempo que pasa un sustrato en la cima de la colina energética. Sin embargo, la reacción catalizada por la enzima es mucho más rápida que el proceso sin catalizar, porque la colina es mucho más baja. El principio importante es que las interacciones de fijación débiles entre la enzima y el sustrato proporcionan la fuerza motriz principal de la catálisis enzimática.

39 Los grupos del sustrato que intervienen en estas interacciones débiles pueden estar situados a cierta distancia de los enlaces que se rompen o modifican. Las interacciones débiles formadas solamente en el estado de transición son las que contribuyen de modo principal a la catálisis. La necesidad de múltiples interacciones débiles para impulsar la catálisis es una de las razones de que las enzimas (y algunas coenzimas) sean tan grandes. La enzima ha de aportar grupos funcionales para interacciones iónicas, puentes de hidrógeno y otras interacciones y ha de posicionar además estos grupos de forma precisa para que se pueda optimizar la energía de fijación en el estado de transición.

40 Bibliografía Nelson David L, Cox Michael M. “ Lehninger Principios de Bioquímica”. Ediciones Omega. 2001