Información

W2018_Bis2A_Lecture08_reading - Biología

W2018_Bis2A_Lecture08_reading - Biología


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Equilibrio químico: parte 1: reacciones directas e inversas

Comprender el concepto de equilibrio químico es fundamental para seguir varias de las discusiones que tenemos en BIS2A y, de hecho, a lo largo de la biología y las ciencias. Más bien, comencemos a desarrollar nuestra comprensión del equilibrio considerando la reacción reversible a continuación:

Reacción hipotética # 1: Una reacción hipotética que involucra los compuestos A, B y D. Si leemos esto de izquierda a derecha, diríamos que A y B se unen para formar un compuesto más grande: D. Leyendo la reacción de derecha a izquierda, diríamos que el compuesto D se descompone en compuestos más pequeños: A y B.

Primero tenemos que definir qué se entiende por "reacción reversible". El término "reversible" simplemente significa que una reacción puede proceder en ambas direcciones. Es decir, las cosas del lado izquierdo de la ecuación de reacción pueden reaccionar juntas para convertirse en las cosas de la derecha de la ecuación, Y las cosas de la derecha de la ecuación también pueden reaccionar juntas para convertirse en las cosas del lado izquierdo de la ecuación. ecuación. Las reacciones que solo proceden en una dirección se denominan reacciones irreversibles.

Para comenzar nuestra discusión sobre el equilibrio, comenzamos por considerar una reacción que postulamos que es fácilmente reversible. En este caso, es la reacción descrita anteriormente: la formación imaginaria del compuesto D a partir de los compuestos A y B. Dado que es una reacción reversible, también podríamos llamarla la descomposición de D en A y B. Sin embargo, imaginemos un experimento en el que observamos cómo la reacción se desarrolla desde un punto de partida en el que solo están presentes A y B.

Ejemplo n. ° 1: reacción equilibrada a la izquierda

Reacción hipotética n. ° 1: curso del tiempo
Concentraciónt = 0t = 1t = 5t = 10t = 15t = 20t = 25t = 30t = 35t = 40
[A]100908070656260606060
[B]100908070656260606060
[C]0102030453840404040

En el tiempo t = 0 (antes de que comience la reacción), la reacción tiene 100 unidades de concentración de compuestos A y B y cero unidades de compuesto D. Ahora permitimos que la reacción continúe y observamos las concentraciones individuales de los tres compuestos a lo largo del tiempo (t = 1, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35 y 40 unidades de tiempo). Cuando A y B reaccionan, se forma D. De hecho, se puede ver que D se forma desde t = 0 hasta t = 25. Después de ese tiempo, sin embargo, las concentraciones de A, B y D dejan de cambiar. Una vez que la reacción alcanza el punto donde las concentraciones de los componentes dejan de cambiar, decimos que la reacción ha alcanzado el equilibrio. Observe que las concentraciones de A, B y D no son iguales en equilibrio. De hecho, la reacción parece dejarse equilibrada, de modo que hay más A y B que D.

Nota

**** Advertencia de conceptos erróneos comunes para los estudiantes ****

Muchos estudiantes son víctimas de la idea errónea de que las concentraciones de los reactivos y productos de una reacción deben ser iguales en equilibrio. Dado que el término equilibrio se parece mucho a la palabra "igual", esto no es sorprendente. Pero como el experimento anterior intenta ilustrar, ¡esto NO es correcto!

Ejemplo n. ° 2: reacción equilibrada a la derecha

Podemos examinar una segunda reacción hipotética, la síntesis del compuesto J a partir de los compuestos E y F.

Reacción hipotética n. ° 2: Una reacción hipotética que involucra los compuestos E, F y J. Si leemos esto de izquierda a derecha, diríamos que E y F se unen para formar un compuesto más grande: J. Leyendo la reacción de derecha a izquierda, diríamos que el compuesto J se descompone en compuestos más pequeños: E y F.

La estructura de la reacción hipotética n. ° 2 parece idéntica a la de la reacción hipotética n. ° 1, que consideramos anteriormente: dos cosas se unen para hacer una cosa más grande. Solo necesitamos suponer, en este caso, que E, F y J tienen propiedades diferentes de A, B y D. Imaginemos un experimento similar al descrito anteriormente y examinemos estos datos:

Reacción hipotética n. ° 2: curso del tiempo


En este caso, la reacción también alcanza el equilibrio. Esta vez, sin embargo, el equilibrio se produce alrededor de t = 30. Después de ese punto, las concentraciones de E, F y J no cambian. Note nuevamente que las concentraciones de E, F y J no son iguales en el equilibrio. En contraste con la reacción hipotética # 1 (la reacción ABD), esta vez la concentración de J, lo que está en el lado derecho de las flechas, está en una concentración más alta que E y F. Decimos que, para esta reacción, el equilibrio está A la derecha.

Es necesario señalar cuatro puntos más en este momento.

Punto 1: Si el equilibrio de una reacción se encuentra a la izquierda o a la derecha será una función de las propiedades de los componentes de la reacción y de las condiciones ambientales en las que se está produciendo la reacción (por ejemplo, temperatura, presión, etc.).

Punto 2: También podemos hablar de equilibrio utilizando conceptos de energía, y lo haremos pronto, pero todavía no.

Punto 3: Si bien las reacciones hipotéticas n.º 1 y n.º 2 parecen llegar a un punto en el que la reacción se ha "detenido", debe imaginar que las reacciones siguen ocurriendo incluso después de que se haya alcanzado el equilibrio. En el equilibrio, las reacciones "directa" y "inversa" simplemente están sucediendo al mismo ritmo. Es decir, en el ejemplo n. ° 2, en el equilibrio, J se forma a partir de E y F a la misma velocidad que se descompone en E y F. Esto explica cómo las concentraciones de los compuestos no cambian a pesar de que las reacciones son sigue pasando.

Punto 4: A partir de esta descripción del equilibrio, podemos definir algo que llamamos constante de equilibrio. Normalmente, la constante está representada por una K mayúscula y puede escribirse como Keq. En términos de concentraciones, Keq se escribe como el producto matemático de las concentraciones del producto de reacción (material a la derecha) dividido por el producto matemático de las concentraciones de reactivo (material a la izquierda). Por ejemplo, Keq, 1 = [D] / [A] [B] y Keq, 2 = [J] / [E] [F]. Los corchetes "[]" indican la "concentración de" lo que esté dentro del corchete.

Equilibrio químico: parte 2: energía libre

En una sección anterior, comenzamos una descripción del equilibrio químico en el contexto de las tasas de avance y retroceso. Se presentaron tres ideas clave:

  1. En equilibrio, las concentraciones de reactivos y productos en una reacción reversible no cambian. a tiempo.
  2. Una reacción reversible en equilibrio no es estática: los reactivos y los productos continúan interconvirtiéndose en el equilibrio, pero las velocidades de las reacciones directa e inversa son las mismas.
  3. NO íbamos a caer en la trampa común de los estudiantes de suponer que el equilibrio químico significa que las concentraciones de reactivos y productos son iguales en el equilibrio.

Aquí ampliamos nuestra discusión y ponemos el concepto de equilibrio en el contexto de la energía libre, reforzando también el ejercicio Energy Story de considerar los estados "Antes / Inicio" y "Después / Fin" de una reacción (incluido el paso inherente del tiempo). .

Figura 1. Diagrama de coordenadas de reacción para una reacción exergónica reversible genérica. Ecuaciones que relacionan la energía libre y la constante de equilibrio: R = 8.314 J mol-1 K-1 o 0,008314 kJ mol-1 K-1; T es la temperatura en Kelvin.

Atribución: Marc T. Facciotti (obra original)

La figura anterior muestra una relación comúnmente citada entre ∆G ° y Keq: ∆G ° = -RTlnKeq. Aquí, G ° indica la energía libre en condiciones estándar (por ejemplo, 1 atmósfera de presión, 298K). En el contexto de una historia energética, esta ecuación describe el cambio en la energía libre de una reacción cuya condición inicial está fuera de equilibrio; específicamente, toda la materia al "comienzo" está en forma de reactivos, y el "final" de la reacción es el estado de equilibrio. Implícita está la idea de que la reacción puede avanzar teóricamente hasta un tiempo infinito, de modo que, sin importar la forma de su superficie energética, pueda alcanzar el equilibrio. También se puede considerar una reacción en la que el estado "inicial" se encuentra en algún lugar entre el estado inicial anterior y el equilibrio y quizás donde la reacción no está en equilibrio. En este caso, se puede examinar ∆G (no condiciones estándar) entre el estado inicial "intermedio" y el equilibrio considerando la ecuación ∆G = ∆G ° + RTlnQ, donde Q se llama cociente de reacción. Desde el punto de vista de BIS2A, usaremos una definición simple (un poco incompleta pero funcional) para Q = [Productos]S t/ [Reactantes]S t en una condición "inicial" de no equilibrio definida st. Por lo tanto, la ecuación ∆G = ∆G ° + RTlnQ puede leerse como la energía libre de la transformación igual a la energía libre asociada con la diferencia de energía libre para la condición estándar ideal más la contribución de energía libre que representa la desviación de la Estado inicial "ideal" representado por el estado y las condiciones iniciales reales. En ambos casos, la condición "final" sigue siendo el equilibrio; solo estamos cambiando los puntos de partida. Uno puede extender esta idea y calcular la diferencia de energía libre entre dos estados de no equilibrio, siempre que estén correctamente definidos, pero eso es para que su instructor de química lo moleste. El punto clave aquí es que hay una manera de concebir y calcular los cambios de energía libre entre estados específicamente definidos, no solo el estado inicial estándar y el equilibrio como estado final.

Esto nos lleva al punto central del resumen. En muchos libros de biología, la discusión del equilibrio incluye no solo la discusión de las velocidades de reacción directa e inversa, sino también una afirmación de que ∆G = 0 en equilibrio. Esto a menudo confunde a algunos estudiantes porque también se les enseña que un ∆G distinto de cero puede asociarse con una reacción que se dirige al equilibrio. Hacemos esto cada vez que informamos el ∆G de una reacción o examinamos un diagrama de coordenadas de reacción. Entonces, los estudiantes tienden a memorizar el enunciado "∆G = 0 en equilibrio" sin apreciar de dónde viene. Para muchos, la clave para cerrar la aparente desconexión es comprender que la interpretación de las declaraciones a veces aparentemente contradictorias depende en gran medida de la definición de los estados inicial y final utilizados para calcular ∆G. En el caso de informar ∆G para una reacción, el estado inicial se describió en los párrafos anteriores (en una de dos formas: condiciones estándar o no estándar, estado fuera de equilibrio), y el estado final es algún tiempo más tarde, una vez que la reacción ha alcanzado el equilibrio. Dado que los estados inicial y final son diferentes, ∆G puede ser distinto de cero, positivo o negativo. Por el contrario, el enunciado que concluye "∆G = 0 en equilibrio" está considerando un estado inicial diferente. En este caso, el estado inicial es el sistema que ya está en equilibrio. Se considera que el estado final es en algún momento posterior, pero aún en equilibrio. Dado que los estados inicial y final son aparentemente los mismos, ∆G = 0.

Catalizadores y enzimas

Catalizadores

Para que ocurra una reacción química, los reactivos primero deben encontrarse en el espacio. Los productos químicos en solución no "planifican" estas colisiones; suceden al azar. De hecho, en muchos casos, es aún más complicado. Los reactivos no solo deben chocar entre sí, sino que también deben entrar en contacto en una orientación específica. Si los reactivos están muy diluidos, la velocidad de la reacción será lenta; las colisiones ocurrirán con poca frecuencia. El aumento de las concentraciones aumentará la tasa de colisiones productivas. Otra forma de cambiar la velocidad de reacción es aumentar la velocidad de las colisiones aumentando la velocidad a la que los reactivos exploran el espacio de reacción, aumentando la velocidad de las moléculas o su energía cinética. Esto se puede lograr transfiriendo calor al sistema o elevando la temperatura. Estas dos estrategias suelen ser adecuadas para aumentar la velocidad de las reacciones químicas que ocurren en un tubo. Sin embargo, en la celda, la transferencia de calor puede no ser práctica, ya que puede dañar los componentes celulares y provocar la muerte. Las células a veces usan mecanismos para aumentar las concentraciones de reactivos (veremos algunos ejemplos a continuación), pero esto rara vez es suficiente para impulsar las tasas de reacción en un régimen biológicamente relevante. Aquí es donde entran los catalizadores.

A Catalizador es algo que ayuda a aumentar la velocidad de una reacción química sin sufrir ningún cambio en sí mismo. Puede pensar en un catalizador como un agente de cambio químico.

Los catalizadores más importantes en biología se denominan enzimas. Un enzima es un catalizador de proteínas. Otros catalizadores celulares incluyen moléculas llamadas ribozimas. A ribozima es un catalizador compuesto por un ácido ribonucleico (ARN). Ambos se discutirán con más detalle más adelante en el curso. Como todos los catalizadores, las enzimas funcionan reduciendo el nivel de energía que debe transferirse a una reacción química para que esto suceda. Una reacción química energía de activación es el nivel de energía "umbral" necesario para iniciar la reacción.

Figura 1. Las enzimas y otros catalizadores disminuyen la energía de activación necesaria para iniciar una reacción química determinada. Sin una enzima (izquierda), la entrada de energía necesaria para que comience una reacción es alta. Con la ayuda de una enzima (derecha), se necesita menos energía para que comience una reacción.

Atribución: Marc T. Facciotti (obra original)

Nota: posible discusión

Mira la figura de arriba. ¿Cuáles crees que son las unidades en el eje x? El tiempo sería una suposición. Sin embargo, si compara las cifras, parece que los productos se forman al mismo tiempo, independientemente de que la barrera de energía de activación sea alta o baja. ¿No era el objetivo de esta figura ilustrar que las reacciones con barreras de alta energía de activación son más lentas que aquellas con barreras de baja energía de activación? ¿Qué pasa?

Las enzimas son catalizadores biológicos que aceleran las reacciones químicas al reducir la energía de activación. Las enzimas son proteínas que constan de una o más cadenas polipeptídicas. Las enzimas tienen un sitio activo que proporciona un entorno químico único, formado por ciertos grupos R de aminoácidos (residuos). Este entorno único es adecuado para convertir reactivos químicos particulares para esa enzima, llamados sustratos, en intermedios inestables llamados estados de transición. Se cree que las enzimas y los sustratos se unen con un ajuste inducido, lo que significa que las enzimas y los sustratos experimentan ligeros ajustes conformacionales al entrar en contacto con el sustrato, lo que lleva a la unión. Las enzimas se unen a los sustratos y catalizan reacciones de cuatro maneras diferentes: uniendo los sustratos en una orientación óptima, comprometiendo las estructuras de unión de los sustratos para que los enlaces se puedan romper más fácilmente, proporcionando condiciones ambientales óptimas para que ocurra una reacción o participando directamente en su reacción química mediante la formación de enlaces covalentes transitorios con los sustratos.

La acción de la enzima debe regularse de manera que en una célula dada en un momento dado, las reacciones deseadas estén siendo catalizadas y las reacciones no deseadas no. Las enzimas están reguladas por las condiciones celulares, como la temperatura y el pH. También están regulados a través de su ubicación dentro de una celda, a veces compartimentados para que solo puedan catalizar reacciones bajo ciertas circunstancias. La inhibición y activación de enzimas a través de otras moléculas son otras formas importantes en las que se regulan las enzimas. Los inhibidores pueden actuar de forma competitiva, no competitiva o alostérica; los inhibidores no competitivos suelen ser alostéricos. Los activadores también pueden mejorar la función de las enzimas alostéricamente. El método más común por el cual las células regulan las enzimas en las vías metabólicas es a través de la inhibición por retroalimentación. Durante la inhibición por retroalimentación, los productos de una vía metabólica sirven como inhibidores (normalmente alostéricos) de una o más de las enzimas (normalmente la primera enzima comprometida de la vía) implicadas en la vía que las produce.

Enzimas

Una sustancia que ayuda a que ocurra una reacción química es un Catalizador, y las moléculas especiales que catalizan las reacciones bioquímicas se denominan enzimas. Casi todas las enzimas son proteínas, compuestas por cadenas de aminoácidos, y realizan la tarea crítica de reducir las energías de activación de las reacciones químicas dentro de la célula. Las enzimas hacen esto uniéndose a las moléculas reactivas y manteniéndolas de tal manera que los procesos químicos de ruptura y formación de enlaces tengan lugar más fácilmente. Es importante recordar que las enzimas no cambian la ∆G de una reacción. En otras palabras, no cambian si una reacción es exergónica (espontánea) o endergónica. Esto se debe a que no cambian la energía libre de los reactivos o productos. Solo reducen la energía de activación necesaria para alcanzar el estado de transición.

Figura 1: Las enzimas reducen la energía de activación de la reacción pero no cambian la energía libre de la reacción. Aquí, la línea continua en el gráfico muestra la energía requerida para que los reactivos se conviertan en productos sin catalizador. La línea de puntos muestra la energía requerida usando un catalizador. Esta figura debería decir Gibbs Free Energy en el eje Y y en lugar de anotar deltaH debería tener deltaG. Atribución: Marc T. Facciotti (trabajo propio)

Sitio activo enzimático y especificidad del sustrato

Los reactivos químicos a los que se une una enzima son las enzimas sustratos. Puede haber uno o más sustratos, dependiendo de la reacción química particular. En algunas reacciones, un sustrato de un solo reactivo se descompone en múltiples productos. En otros, dos sustratos pueden unirse para crear una molécula más grande. Dos reactivos también pueden entrar en una reacción, ambos se modifican y dejan la reacción como dos productos. La ubicación dentro de la enzima donde se une el sustrato se llama enzima. sitio activo. El sitio activo es donde ocurre la "acción", por así decirlo. Dado que las enzimas son proteínas, existe una combinación única de residuos de aminoácidos (también llamados cadenas laterales o grupos R) dentro del sitio activo. Cada cadena lateral de aminoácidos se caracteriza por diferentes propiedades. Los aminoácidos se pueden clasificar en grandes o pequeños, débilmente ácidos o básicos, hidrófilos o hidrófobos, cargados positiva o negativamente o neutros. La combinación única de aminoácidos, sus posiciones, secuencias, estructuras y propiedades crea un entorno químico muy específico dentro del sitio activo. Este entorno específico es adecuado para unirse, aunque sea brevemente, a un sustrato químico específico (o sustratos). Debido a esta combinación similar a un rompecabezas entre una enzima y sus sustratos (que se adapta para encontrar el mejor ajuste entre el estado de transición y el sitio activo), las enzimas son conocidas por su especificidad. El "mejor ajuste" entre una enzima y sus sustratos resulta de sus respectivas formas y la complementariedad química de los grupos funcionales en cada socio de unión.

Figura 2: Esta es una enzima con dos sustratos diferentes unidos en el sitio activo. Las enzimas se representan como manchas, excepto por el sitio activo que muestra los tres grupos R de cada uno de los tres aminoácidos ubicados en el sitio activo. Estos grupos R están interactuando con los sustratos a través de enlaces de hidrógeno (representados como líneas discontinuas)

En este punto de la clase, debe estar familiarizado con todos los tipos de enlaces, así como con las características químicas de todos los grupos funcionales. Por ejemplo, el grupo R de R180 en la enzima representada anteriormente es el aminoácido Arginina (abreviado como R) y tiene un grupo R que consta de varios grupos funcionales amino. Los grupos funcionales amino contienen átomos de nitrógeno (N) e hidrógeno (H). El nitrógeno es más electronegativo que el hidrógeno, por lo que el enlace covalente entre N-H es un enlace covalente polar. Los átomos de hidrógeno en este enlace tendrán un momento dipolar positivo y el átomo de nitrógeno tendrá un momento dipolar negativo. Esto permite que los grupos amino formen enlaces de hidrógeno con otros compuestos polares. Asimismo, los carbonil oxígenos de la cadena principal de Valina (V) 81 y Glicina (G) 121, el amino hidrógeno de la cadena principal de V81, se representan enganchados en enlaces de hidrógeno con el sustrato de molécula pequeña.

Prepárate para la prueba

Mire para ver qué átomos en la figura anterior están involucrados en los enlaces de hidrógeno entre los grupos de aminoácidos R y el sustrato. Deberá poder identificarlos por su cuenta, es posible que los enlaces de hidrógeno no se dibujen en la prueba.

Si cambiara el pH de la solución en la que se encontraba esta enzima, ¿la enzima aún podría formar enlaces de hidrógeno con el sustrato?

¿Qué sustrato (el izquierdo o el derecho) crees que es más estable en el sitio activo? ¿Por qué? ¿Cómo?

Figura 3: Este es un sitio activo de enzimas. Solo se extraen los aminoácidos del sitio activo. El sustrato está sentado directamente en el centro. Fuente: Creado por Marc T. Facciotti (obra original)

Nota

Prepárese para la prueba: Primero, identifique el tipo de macromolécula en la figura anterior. En segundo lugar, dibuje y etiquete las interacciones apropiadas entre los grupos R y el sustrato. Explique cómo estas interacciones podrían cambiar si cambiara el pH de la solución.

Inestabilidad estructural de enzimas

El hecho de que los sitios activos sean tan adecuados para proporcionar condiciones ambientales específicas también significa que están sujetos a las influencias del entorno local. Es cierto que el aumento de la temperatura ambiental generalmente aumenta las velocidades de reacción, catalizadas por enzimas o de otro tipo. Sin embargo, aumentar o disminuir la temperatura fuera de un rango óptimo puede afectar los enlaces químicos dentro del sitio activo de tal manera que son menos adecuados para unir sustratos. Las altas temperaturas eventualmente harán que las enzimas, al igual que otras moléculas biológicas, se desnaturalicen, un proceso que cambia las propiedades naturales de una sustancia. Asimismo, el pH del entorno local también puede afectar la función enzimática. Los residuos de aminoácidos del sitio activo tienen sus propias propiedades ácidas o básicas que son óptimas para la catálisis. Estos residuos son sensibles a los cambios de pH que pueden afectar la forma en que se unen las moléculas del sustrato. Las enzimas son adecuadas para funcionar mejor dentro de un cierto rango de pH y, al igual que con la temperatura, los valores extremos de pH (ácido o básico) del medio ambiente pueden hacer que las enzimas se desnaturalicen.

Figura 4: Las enzimas tienen un pH óptimo. El pH al cual la enzima es más activa será el pH en el que los grupos R del sitio activo están protonados / desprotonados de manera que el sustrato pueda entrar en el sitio activo y pueda comenzar el paso inicial de la reacción. Algunas enzimas requieren un pH muy bajo (ácido) para estar completamente activas. En el cuerpo humano, estas enzimas probablemente se encuentran en la parte inferior del estómago o en los lisosomas (un orgánulo celular que se usa para digerir compuestos grandes dentro de la célula). Fuente: http://biowiki.ucdavis.edu/Biochemis..._pH_Inhibition

El proceso en el que las enzimas se desnaturalizan generalmente comienza con el desenrollamiento de la estructura terciaria a través de la desestabilización de los enlaces que mantienen unida la estructura terciaria. Los enlaces de hidrógeno, los enlaces iónicos y los enlaces covalentes (puentes disulfuro y enlaces peptídicos) pueden romperse por grandes cambios en la temperatura y el pH. Usando la tabla de actividad enzimática y temperatura a continuación, haga una historia de energía para la enzima roja. Explique lo que podría estar sucediendo desde una temperatura de 37 ° C a 95 ° C.

Figura 5: Las enzimas tienen una temperatura óptima. La temperatura a la que la enzima es más activa será normalmente la temperatura en la que la estructura de la enzima es estable o no está comprometida. Algunas enzimas requieren una temperatura específica para permanecer activas y no desnaturalizarse. Fuente: http://academic.brooklyn.cuny.edu/bi...ge/enz_act.htm

Ajuste inducido y función enzimática

Durante muchos años, los científicos pensaron que la unión enzima-sustrato tenía lugar de una manera simple de "cerradura y llave". Este modelo afirmó que la enzima y el sustrato encajan perfectamente en un paso instantáneo. Sin embargo, la investigación actual respalda una visión más refinada llamada ajuste inducido. El modelo de ajuste inducido amplía el modelo de cerradura y llave al describir una interacción más dinámica entre la enzima y el sustrato. A medida que la enzima y el sustrato se unen, su interacción provoca un cambio leve en la estructura de la enzima que confirma una disposición de unión más productiva entre la enzima y el estado de transición del sustrato. Esta unión energéticamente favorable maximiza la capacidad de la enzima para catalizar su reacción.

Cuando una enzima se une a su sustrato, se forma un complejo enzima-sustrato. Este complejo reduce la energía de activación de la reacción y promueve su rápida progresión de una de muchas formas. En un nivel básico, las enzimas promueven reacciones químicas que involucran a más de un sustrato al juntar los sustratos en una orientación óptima. La región apropiada (átomos y enlaces) de una molécula se yuxtapone a la región apropiada de la otra molécula con la que debe reaccionar. Otra forma en que las enzimas promueven la reacción de sus sustratos es creando un ambiente energéticamente favorable dentro del sitio activo para que ocurra la reacción. Ciertas reacciones químicas pueden desarrollarse mejor en un ambiente ligeramente ácido o no polar. Las propiedades químicas que surgen de la disposición particular de los residuos de aminoácidos dentro de un sitio activo crean el ambiente energéticamente favorable para que reaccionen los sustratos específicos de una enzima.

La energía de activación requerida para muchas reacciones incluye la energía involucrada en los enlaces químicos ligeramente contorsionados para que puedan reaccionar más fácilmente. La acción enzimática puede ayudar en este proceso. El complejo enzima-sustrato puede reducir la energía de activación contorsionando las moléculas del sustrato de tal manera que se facilite la ruptura de enlaces. Finalmente, las enzimas también pueden reducir las energías de activación al participar en la reacción química en sí. Los residuos de aminoácidos pueden proporcionar ciertos iones o grupos químicos que realmente forman enlaces covalentes con moléculas de sustrato como paso necesario del proceso de reacción. En estos casos, es importante recordar que la enzima siempre volverá a su estado original al completarse la reacción. Una de las propiedades distintivas de las enzimas es que, en última instancia, permanecen inalteradas por las reacciones que catalizan. Una vez que una enzima termina de catalizar una reacción, libera su (s) producto (s).

Figura 6: Según el modelo de ajuste inducido, tanto la enzima como el sustrato experimentan cambios conformacionales dinámicos al unirse. La enzima contorsiona el sustrato en su estado de transición, aumentando así la velocidad de la reacción.

Creando una historia de energía para la reacción anterior

Utilizando la figura anterior, responda las preguntas planteadas en la historia de la energía.
1. ¿Cuáles son los reactivos? ¿Cuáles son los productos?
2. ¿Qué trabajo realizó la enzima?
3. ¿En qué estado se encuentra la energía inicialmente? ¿En qué estado se transforma la energía en el estado final? Este podría ser aún complicado, pero intente identificar dónde está la energía en el estado inicial y el estado final.

Regulación enzimática

¿Por qué regular las enzimas?

Las necesidades y condiciones celulares varían de una célula a otra y cambian dentro de las células individuales con el tiempo. Las enzimas requeridas y las demandas energéticas de las células del estómago son diferentes de las de las células de almacenamiento de grasa, las células de la piel, las células sanguíneas y las células nerviosas. Además, una célula digestiva trabaja mucho más para procesar y descomponer los nutrientes durante el tiempo que sigue de cerca a una comida en comparación con muchas horas después de una comida. A medida que varían estas demandas y condiciones celulares, también varían las cantidades y la funcionalidad necesarias de las diferentes enzimas.

Regulación de enzimas por moléculas

Las enzimas pueden regularse de manera que promuevan o reduzcan su actividad. Hay muchos tipos diferentes de moléculas que inhiben o promueven la función enzimática, y existen varios mecanismos para hacerlo. En algunos casos de inhibición enzimática, por ejemplo, una molécula inhibidora es lo suficientemente similar a un sustrato que puede unirse al sitio activo y simplemente bloquear la unión del sustrato. Cuando esto sucede, la enzima se inhibe a través de inhibición competitiva, porque una molécula inhibidora compite con el sustrato por la unión al sitio activo. Por otro lado, en la inhibición no competitiva, una molécula inhibidora se une a la enzima en una ubicación distinta a un sitio alostérico y aún logra bloquear la unión del sustrato al sitio activo.

Figura 7: La inhibición competitiva y no competitiva afecta la velocidad de reacción de manera diferente. Los inhibidores competitivos afectan la tasa inicial pero no afectan la tasa máxima, mientras que los inhibidores no competitivos afectan la tasa máxima.

Algunas moléculas inhibidoras se unen a enzimas en un lugar donde su unión induce un cambio conformacional que reduce la afinidad de la enzima por su sustrato. Este tipo de inhibición se llama inhibición alostérica. La mayoría de las enzimas reguladas alostéricamente están formadas por más de un polipéptido, lo que significa que tienen más de una subunidad proteica. Cuando un inhibidor alostérico se une a una enzima, todos los sitios activos de las subunidades de proteínas se modifican ligeramente de modo que se unen a sus sustratos con menos eficacia. Existen tanto activadores alostéricos como inhibidores. Los activadores alostéricos se unen a ubicaciones en una enzima alejadas del sitio activo, induciendo un cambio conformacional que aumenta la afinidad del sitio (s) activo (s) de la enzima por su (s) sustrato (s).

Figura 8: Los inhibidores alostéricos modifican el sitio activo de la enzima de modo que se reduce o previene la unión al sustrato. Por el contrario, los activadores alostéricos modifican el sitio activo de la enzima de modo que aumenta la afinidad por el sustrato.

Muchas enzimas no funcionan de manera óptima, o incluso no funcionan en absoluto, a menos que estén unidas a otras moléculas auxiliares no proteicas específicas, ya sea temporalmente a través de enlaces iónicos o de hidrógeno o permanentemente a través de enlaces covalentes más fuertes. Dos tipos de moléculas auxiliares son los cofactores y las coenzimas. La unión a estas moléculas promueve la conformación y función óptimas de sus respectivas enzimas. Los cofactores son iones inorgánicos como el hierro (Fe2+) y magnesio (Mg2+). Un ejemplo de una enzima que requiere un ion metálico como cofactor es la enzima que construye moléculas de ADN, la ADN polimerasa, que requiere ion zinc unido (Zn2+) funcionar. Las coenzimas son moléculas auxiliares orgánicas, con una estructura atómica básica formada por carbono e hidrógeno, necesarios para la acción enzimática. Las fuentes más comunes de coenzimas son las vitaminas de la dieta. Algunas vitaminas son precursoras de las coenzimas y otras actúan directamente como coenzimas. La vitamina C es una coenzima de múltiples enzimas que participan en la construcción del importante componente del tejido conectivo, el colágeno. Un paso importante en la descomposición de la glucosa para producir energía es la catálisis por un complejo multienzimático llamado piruvato deshidrogenasa. La piruvato deshidrogenasa es un complejo de varias enzimas que en realidad requiere un cofactor (un ion de magnesio) y cinco coenzimas orgánicas diferentes para catalizar su reacción química específica. Por lo tanto, la función enzimática está regulada, en parte, por una gran cantidad de varios cofactores y coenzimas, que son suministrados principalmente por las dietas de la mayoría de los organismos.
Compartimentación de enzimas

En las células eucariotas, las moléculas como las enzimas suelen estar compartimentadas en diferentes orgánulos. Esto permite otro nivel más de regulación de la actividad enzimática. Las enzimas necesarias solo para ciertos procesos celulares se pueden almacenar por separado junto con sus sustratos, lo que permite reacciones químicas más eficientes. Ejemplos de este tipo de regulación enzimática basada en la ubicación y la proximidad incluyen las enzimas involucradas en las últimas etapas de la respiración celular, que tienen lugar exclusivamente en las mitocondrias, y las enzimas involucradas en la digestión de desechos celulares y materiales extraños, ubicados dentro de los lisosomas.

Enlaces adicionales

Los siguientes enlaces lo llevarán a una serie de videos sobre cinética. El primer enlace contiene 4 videos sobre las velocidades de reacción y el segundo enlace contiene 9 videos relacionados con la relación entre las velocidades de reacción y la concentración. Estos videos son complementarios y se proporcionan para brindarle un recurso externo para explorar más a fondo la cinética de las enzimas.

  • Introducción a la cinética enzimática
  • Mecanismo de reacción
  • Regulación alostérica