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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
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enz 1 enz 2 enz 3 enz 4 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.
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El ATP es el portador universal de energía
metabólica que une las rutas catabólicas y
anabólicas.
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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 12.000 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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(No Transcript)
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ó un complejo orgánico o molécula metalo orgánica
denominado coenzima
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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.
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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.
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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.
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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
2.7.1.1. 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,
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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
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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.
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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
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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
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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.
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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.
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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.
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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".
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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 Keq.
De la termodinámica puede describirse la relación
entre Keq y AG'O con la expresión
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en donde R es la constante de los gases (8,315
J/mol . K) y T es la temperatura absoluta, 298 º
K (25C). 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 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
kS 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 2.000
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).
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La ecuación de velocidad tiene la forma v
kS1S2 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.

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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".
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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
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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.
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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.
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Bibliografía

• Nelson David L, Cox Michael M. Lehninger
  Principios de Bioquímica. Ediciones Omega. 2001