4.4.3. Diagramas de la coordenada de reacción en catálisis enzimática.

De acuerdo con los esquemas cinéticos propuestos anterioremete, el primer paso de toda reacción de catálisis enzimática es la formación del complejo de Michaelis, ES. En este complejo no se forman enlaces covalente entre los grupos enzimáticos y el sustrato, sino que las interacciones entre ellos son de tipo físico (electrostáticas, Van der Waals, enlaces de hidrógeno, hidrófobas). El complejo molecular ES sufre una o varias transformaciones posteriores, de forma que la reacción pasa por uno o por varios estados de transición, ES^‡.En la figura siguiente, esquema a, se representa el diagrama de la coordenada de reacción, perfil de la reacción, asumiendo sólo un estado de transición. En ausencia de enzima, la conversión del sustrato en el producto sucede a través de un camino de reacción que requiere una energía de activación muchísimo más alta. El éxito del proceso de catálisis enzimática reside en optimizar el proceso rebajando al máximo la energía de activación del proceso. El enzima consigue rebajar la energía de activación utilizando diversas estrategias: aportando los grupos funcionales catalíticamente activos para el mecanismo de reacción específico, uniendo a los sustratos en la orientación adecuada para que se produzca la reacció y el más importante, usando el diferencial de la energía de unión del sustrato respecto a la energía de unión de su estado de transición. Para ilustrar esta última observación, supóngase un enzima modificado en algunos de los residuos del centro activo de forma que, la unión enzima libre-sustrato para producir el complejo de Michaelis no ha cambiado, pero la unión del estado de transición es mayor (entalpía de unión más negativa) en la enzima mutada que en la enzima original (esquema b). La consecuencia es una disminución notable de la energía de activación. Supóngase ahora otra mutación de aminoácidos en el sitio activo que dé como consecuencia una estabilizacion del complejo de Michaelis porque la complementariedad enzima libre-sustrato libre es total y la energía de interacción está optimizada al máximo (esquema c). Asúmase también, para clarificar el razonamiento, que esta modificación no altera la energía de unión en el estado de transición respecto al estado inicial, enzima original libre, sustrato libre. En este caso, la consecuencia clara es el aumento de la energía de activación. Es decir y de acuerdo con las ideas de Pauling, introducidas al principio de este capítulo, el catalizador une de manera eficaz, no al sustrato, sino al complejo activado o estado de transición.

La siguiente figura también ilustra esta idea a partir del ejemplo descrito en ”Lehninger Principles of Biochemistry” (3th.ed. Nelson, DL and Cox, M.M. Worth Publishers, 2000) del proceso de rotura de una barra de hierro (caso a) para el que se dispone de una serie de imanes integrados en un soporte. Si el diseño del soporte es lineal (caso b), la interacción de los imanes con la barra metálica es total, pero no se produce ninguna deformación del metal y por tanto no hay avance hacia el estado final. Por el contrario, si el diseño del soporte de los imanes se acomoda a la estructura de la barra metálica rota, optimizándose la unión entre el soporte y la barra doblada, el avance hacia la rotura de la barra se verá notablemente acelerado. En el símil, la barra metálica doblada sería el equivalente al estado de transición o complejo activado de la reacción enzimática.

Realmente y de acuerdo con el modelo de Khosland, la unión del sustrato al enzima y la formación del complejo de Michaelis conlleva cambios estructurales, más o menos drásticos, en el sitio activo enzimático y en la estructura terciaria de la proteína, de manera que se produce un "ajuste inducido" para un mejor ajuste al estado de transición. La siguiente animación muestra la hipótesis del "ajuste inducido" en el proceso de catálisis enzimática.

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