Enzimología 1: Concepto de enzima y actividad enzimática.

En primer lugar hay que establecer la coordenada de reacción: En un sistema en que se dé una reacción, la evolución del sistema en el tiempo va desde el estado inicial hasta que el sustrato se convierte en producto. Se puede usar en término de cualquier variable, como la energía libre.
En el estado inicial, la energía libre del sistema es la energía libre del sustrato y la energía libre del sistema al final, es la del producto. Se puede definir a ΔG como la ENERGÍA LIBRE, si es negativo es porque la energía libre del producto es inferior a la del sustrato =-ΔG, es un proceso termodinámicamente favorable y se ha liberado energía. Si ΔG fuera positivo, habría que aportar esa energía libre al sistema para que el sustrato pueda transformarse en producto.

La energía libre desde el punto de vista termodinámico, si es desfavorable o no y cuánto.
En una reacción ΔG<0, el sustrato no se convierte espontáneamente en el producto porque el sustrato debe pasar por un estado de sustrato activado (debe pasar por un estado de transición) que es muy inestable, para que el sustrato se transforme en el producto debe pasar por un estado de transición y necesita una energía de activación (Ea) para que salte a ese estado. Hay que iniciar la reacción, esa Ea en muchos casos hay que aportarla desde fuera, en forma de calor, agitación, etc.

En cualquier reacción química hay que tener varios parámetros: ΔG (informa de la constante de equilibrio, de la favorabilidad termodinámica) y la Ea. En muchos casos la Ea debe ser del orden de la temperatura en que el sistema se encuentra. Si se da a temperatura baja, es porque la Ea tiene una barrera más baja.

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Cinética enzimática. Lehninger Principles of Biochemistry. Sixth Edition, 2013. Freeman and Company.

CATALIZADOR
Ahora se introduce un catalizador. El sistema tiene un elemento más si se está caracterizando termodinámicamente, ahora el estado inicial es sustrato + enzima S+E, (la enzima tiene su propia energía libre) para que un catalizador sea considerado como tal, no debe gastarse durante la reacción. Al final debe recuperarse el catalizador intacto cuantitativa y cualitativamente.
La ΔG va a ser igual en presencia o ausencia de la enzima (o catalizador). Una reacción no es termodinámicamente más o menos favorable en presencia o ausencia de enzima, ΔG define la constante de equilibrio que sigue siendo igual entre el nivel del sustrato y el producto.

La enzima lo que hace es que el estado de equilibrio se alcance más rápidamente. Ahora en estas condiciones, el estado de transición es más favorable en presencia de enzima. HA CAMBIADO LA ENERGÍA DE ACTIVACIÓN, HA CAMBIADO LA CINÉTICA, PERO NO LA TERMODINÁMICA. Si es menor, el número de moléculas que pueden alcanzar esa energía potencial es mayor en una misma situación; por tanto, mayor velocidad. Cuanto más se reduzca la Ea, más incremento habrá en velocidad porque más moléculas por unidad de tiempo lo pueden alcanzar. Lo que hace la enzima, es estabilizar o bajar la ΔG. LA ENZIMA HACE UNA ESTABILIZACIÓN SELECTIVA DEL ESTADO DE TRANSICIÓN (ET).

Lo primero que pasa al acercarse el sustrato a la enzima, es que se forma el complejo ES que tendrá su propia energía libre. Su ΔG no debe ser mayor porque la formación ES sería desfavorable. En el seno del complejo, se favorece la conversión al estado de transición y será necesaria la energía de activación (menor que la que la del sustrato libre), a continuación se forma el complejo EP (enzima-producto) que se disocia dando al final el producto y la enzima libre E+P. La disociación debe ser espontánea. El punto clave es la energía de activación (diferencia en la ΔG) entre ES y ES inestable y reactivo, si la energía de activación se baja demasiado (muy afín al sustrato), entonces la energía de activación hacia el estado de transición sería más grande y se llegaría al mismo punto de partida en el que el sustrato se encuentra en ausencia de enzima. Debe estabilizarse selectivamente el estado de transición en comparación con el sustrato libre, por eso a lo largo de la evolución las enzimas se han ido optimizando hacia complementariedad del centro activo con el estado de transición, pero al mismo tiempo se mantiene que la unión al sustrato no sea demasiado mala.

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El estado de transición es una entidad molecular que se encuentra a mitad de camino entre la estructura del sustrato y la del producto.
Si en una reacción en la que un éster o una amida (R-C=O-X) cuyo ácido carboxílico es sustituido por otro grupo, esta molécula sufrirá una reacción de hidrólisis (por una proteasa). En esta reacción, el agua será el agente que proporcionará la ruptura ya que es una molécula polarizada, el enlace O-H2 no está en el 50% sobre el oxígeno o el hidrógeno, esos electrones sobresalen un poco más sobre el oxígeno que sobre el hidrógeno y por ello se comporta como dipolo. Este oxígeno tiene un poco de peso de carga negativa y este oxígeno es nucleófilo. En el carbonilo pasa lo mismo: el doble enlace con el oxígeno está polarizado y tiene un déficit de electrones porque el oxígeno los está arrastrando y actúa como electrófilo.
La reacción de hidrólisis consiste en un ataque nucleófilo en el que el oxígeno del agua ataca al carbono y forma un enlace covalente (la reacción de hidrólisis en una reacción de adición-eliminación). Entonces se tiene la situación central (ET) en la que el carbono deja de tener el doble enlace con el oxígeno y el oxígeno del H2O ha tenido que soltar uno de sus protones. Al final, se tiene al grupo sustituyente X con protón del agua.

El ET es inestable porque hay un par de electrones no asociados que no pueden permanecer así indefinidamente. Estructuralmente hablando, el estado de transición es completamente diferente.
En el sustrato, el carbono tiene tres sustituyentes, su configuración es sp2 y estarían ubicados en un plano, pero el carbono del estado de transición ha cambiado su conformación a sp3 y dicho carbono ahora está en el centro de un tetraedro. La disposición geométrica es completamente diferente y cuando la reacción termina, la configuración del carbono vuelve al estado inicial.
El catalizador debe estabilizar el estado de transición para que la reacción sea favorable, formando un complejo primero con el sustrato en el centro activo, se forma un complejo ES (Enzima-Sustrato) y en el seno de ese complejo ES es donde ocurre la transformación del sustrato en el estado de transición en un entorno distinto.

La enzima aporta un ambiente favorable al estado porque la estructura es distinta, es complementaria y de buen ajuste. Por ello, EL CENTRO ACTIVO DE LAS ENZIMAS NO ES COMPLEMENTARIO AL SUSTRATO, SINO AL ET. Porque si fuera complementario al sustrato, no se produciría la catálisis.
El sustrato se une mal, porque el centro activo no es complementario; lo poco que se forme de complejo, cuando una molécula de sustrato se una (aunque sea mal), el estado de transición se formará de forma muy rápida y la reacción tendrá lugar. La afinidad de la enzima por el sustrato no es un requisito imprescindible, pero sí su afinidad por el estado de transición.

En la estructura tetraédrica del ET en el ejemplo anterior, un fosfato se puede unir a la enzima con más afinidad que su sustrato y ello impedirá la evolución de la catálisis. El fosfato es entonces un ANÁLOGO DEL ESTADO DE TRANSICIÓN, estos análogos son inhibidores muy potentes de la acción enzimática y a partir de esto, se pueden diseñar inhibidores muy potentes para el tratamiento de una enfermedad, además de ser una herramienta muy útil para el estudio enzimológico. Si un anticuerpo se une a su antígeno, éste no evolucionará porque la catálisis no se lleva a cabo, pero si ese grupo fosfato se inyecta a un conejo (empleándolo a modo de molde) para que sintetice anticuerpos (actuando como antígeno con forma tetraédrica), ese anticuerpo tendrá actividad catalítica. De esta forma, los análogos del estado de transición se pueden usar como antígenos para generar anticuerpos catalíticos. Pueden actuar peor que la enzima, porque la enzima no sólo aplica la forma complementaria al estado de transición ya que la enzima tiene algunas características más, pero se trata más de una cuestión de diferencia cuantitativa y no cualitativa. Ya después por ingeniería de proteínas se puede modificar el resto del anticuerpo.

Enzimas01-estado-transicion
Cinética del estado de transición. Lehninger Principles of Biochemistry. Sixth Edition, 2013. Freeman and Company.

REFERENCIAS
D. L. Nelson, M. M. Cox. Lehninger Principles of Biochemistry. 6th edition, 2013. Ed. Freeman.

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