Una forma en que esta condicin se cumpla sera si las molculas cuando se combinan con la enzima, ponen ligeramente ms separados que su distancia de equilibrio cuando [covalentemente unido], pero ms cerca que su distancia de equilibrio cuando est libre. . . . Uso del bloqueo y el smil clave Fischer, la llave no se adapta al cierre bastante perfectamente, pero ejerce una cierta presin sobre l. -J. B. S. Haldane, Enzimas, 1930

Catlisis se puede describir formalmente en trminos de una estabilizacin del estado de transicin a travs de unin fuerte al catalizador. -William P. Jencks, el artculo en Advances in Enzymology, 1975

Hay dos condiciones fundamentales para la vida. En primer lugar, la entidad viviente debe ser capaz de auto-replicarse (un tema considerado en la Parte III); segundo, el organismo debe ser capaz de catalizar reacciones qumicas de manera eficiente y selectiva. La importancia central de la catlisis puede sorprender a algunos estudiantes a partir de la bioqumica, pero es fcil de demostrar. Como se describe en el captulo 1, los sistemas vivos hacen uso de la energa del ambiente. Muchos de nosotros, por ejemplo, consumen cantidades sustanciales de mesa-sacarosa comn de azcar como una especie de combustible, ya sea en forma de alimentos y bebidas endulzadas o como el propio azcar. La conversin de sacarosa en CO2 yH2O en presencia de oxgeno es un proceso altamente exergnico, liberando energa gratuita que podemos usar para pensar, moverse, el gusto y ver. Sin embargo, una bolsa de azcar puede permanecer en el estante durante aos sin ningn tipo de conversin obvia a CO2 y H2O. Aunque este proceso qumico es termodinmicamente favorable, es muy lento! Sin embargo, cuando la sacarosa es consumido por un ser humano (o casi cualquier otro organismo), libera su energa qumica en cuestin de segundos. La diferencia es la catlisis. Sin catlisis, las reacciones qumicas como la oxidacin de sacarosa no podran ocurrir en una escala de tiempo til, y por lo tanto no poda sostener la vida. En este captulo, entonces, volvemos nuestra atencin a los catalizadores de reaccin de los sistemas biolgicos: las enzimas, las protenas ms notables y altamente especializados. Las enzimas tienen poder cataltico extraordinaria, a menudo mucho mayor que la de los catalizadores sintticos o inorgnicos. Tienen un alto grado de especificidad para sus sustratos, que aceleran las reacciones qumicas enormemente, y funcionan en soluciones acuosas en condiciones muy suaves de temperatura y pH. Pocos catalizadores no biolgicos tienen todas estas propiedades. Las enzimas son esenciales para todos los procesos bioqumicos. De secuencias organizadas, que catalizan las cientos de reacciones escalonadas que degradan las molculas de nutrientes, conservan y transforman la energa qumica, y hacen que las macromolculas biolgicas a partir de precursores simples. A travs de la accin de las enzimas reguladoras, las vas metablicas son altamente coordinados para producir una interaccin armoniosa entre las muchas actividades necesarias para mantener la vida. El estudio de las enzimas tiene inmensa importancia prctica. En algunas enfermedades, trastornos genticos heredables en especial, puede haber una deficiencia o incluso una ausencia total de una o ms enzimas. Para otras condiciones de la enfermedad, la actividad excesiva de una enzima puede ser la causa. Las mediciones de las actividades de las enzimas en el plasma sanguneo, eritrocitos, o muestras de tejido son importantes en el diagnstico de ciertas enfermedades. Muchos frmacos ejercen sus efectos biolgicos a travs de interacciones con enzimas. Y las enzimas son herramientas prcticas importantes, no slo en medicina, sino en la industria qumica, industria de alimentos y agricultura. Comenzamos con descripciones de las propiedades de las enzimas y los principios bsicos de su poder cataltico, a continuacin, introducir la cintica de enzimas, una disciplina que proporciona gran parte del marco para cualquier discusin de las enzimas. Los ejemplos especficos de mecanismos enzimticos, que se proporciona, ilustrando principios introducidos anteriormente en este captulo. Terminamos con una discusin de cmo la enzima actividad est regulada.6.1 Introduccin a Enzimas Gran parte de la historia de la bioqumica es la historia de la investigacin de la enzima. Catlisis biolgica se reconoci por primera vez y se describe a finales de 1700, en los estudios sobre la digestin de la carne por las secreciones del estmago, y la investigacin continu en el 1800 con los exmenes de la conversin del almidn en azcar por la saliva y diversos extractos de plantas. En la dcada de 1850, Louis Pasteur lleg a la conclusin de que la fermentacin del azcar en alcohol por la levadura es catalizada por Postul que estos fermentos eran inseparables de la estructura de las clulas de levadura viva "fermentos."; este punto de vista, llamada vitalismo, prevaleci durante dcadas. Luego, en 1897 Eduard Buchner descubri que los extractos de levadura podran fermentar el azcar en alcohol, lo que demuestra que la fermentacin fue promovida por molculas que siguieron funcionando cuando se extraen de las clulas. Frederick W. Khne llam a estas molculas de enzimas. Como fueron refutadas nociones vitalistas de la vida, el aislamiento de nuevas enzimas y el anlisis de sus propiedades avanzadas de la ciencia de la bioqumica. El aislamiento y la cristalizacin de la ureasa por James Sumner en 1926 constituy un gran avance en los estudios enzimticos tempranos. Sumner encontr que los cristales de ureasa consistan enteramente de la protena, y se postul que todas las enzimas son protenas. En ausencia de otros ejemplos, esta idea se mantuvo controversial durante algn tiempo. Slo en la dcada de 1930 fue la conclusin de Sumner ampliamente aceptado, despus de que John Northrop y Moses Kunitz cristalizaron pepsina, tripsina y otras enzimas digestivas y los encontraron tambin que las protenas. Durante este perodo, JBS Haldane escribi un tratado titulado Enzymes.Although la naturaleza molecular de las enzimas an no se aprecia plenamente, Haldane hizo la sugerencia notable que las interacciones dbiles de unin entre una enzima y su sustrato podran utilizarse para catalizar una reaccin. Esta idea est en el corazn de nuestra comprensin actual de la catlisis enzimtica. Desde la ltima parte del siglo XX, las investigaciones sobre las enzimas ha sido intensa. Ha dado lugar a la purificacin de miles de enzimas, la elucidacin de la estructura y qumica mecanismo de muchos de ellos, y un conocimiento general de cmo funcionan las enzimas.

La mayora de las enzimas son protenas con la excepcin de un pequeo grupo de molculas de ARN catalticas (Captulo 26), todas las enzimas son protenas. Su actividad cataltica depende de la integridad de su conformacin de la protena nativa. Si una enzima se desnaturaliza o disociarse en sus subunidades, la actividad cataltica se pierde normalmente. Si una enzima se descompone en sus aminocidos componentes, su actividad cataltica siempre se destruye. As, las estructuras primarias, secundarias, terciarias y cuaternarias de las enzimas de protenas son esenciales para su actividad cataltica. Las enzimas, como otras protenas, tienen pesos moleculares que varan de aproximadamente 12.000 a ms de 1 milln. Algunas enzimas no requieren grupos qumicos para la actividad distinta de sus residuos de aminocidos. Otros requieren un componente qumico adicional llamado un cofactor, ya sea uno o ms iones inorgnicos, tales como Fe2, Mg2, Mn2, o Zn2 (Tabla 6-1), o una molcula orgnica o metlicas-complejo llamado una coenzima (Tabla 6-2) . Algunas enzimas requieren tanto una coenzima y uno o ms iones metlicos para la actividad. Un ion coenzima o metal que es muy fuertemente o incluso unido covalentemente a la protena enzima se llama un grupo prosttico. Una enzima completa, catalticamente activo junto con sus iones de coenzima y / o de metal unido se llama una holoenzima. La parte proteica de una enzima como se llama la apoenzima o apoprotena. Las coenzimas actan como portadores transitorios de grupos funcionales especficos. La mayora son derivados de vitaminas, nutrientes orgnicos requeridos en pequeas cantidades en la dieta. Consideramos coenzimas en ms detalle como los encontramos en las rutas metablicas discutidos en la Parte II. Finalmente, algunas protenas enzimticas se modifican covalentemente por fosforilacin, glicosilacin, y otros procesos. Muchas de estas alteraciones estn involucrados en la regulacin de la actividad enzimtica.Las enzimas se clasifican por las reacciones que catalizan muchas enzimas han sido nombrados mediante la adicin del sufijo "-asa" al nombre de su sustrato o a una palabra o frase que describa su actividad. As ureasa cataliza la hidrlisis de urea, y la DNA polimerasa cataliza la polimerizacin de nucletidos para formar ADN. Otras enzimas fueron nombrados por sus descubre para una funcin amplia, antes de la reaccin catalizada especfica era conocido. Por ejemplo, una enzima conocida para actuar en la digestin de alimentos fue nombrado pepsina, desde el pepsis griego, "digestin", y la lisozima fue nombrado por su capacidad para lisar las paredes celulares bacterianas. Y otros fueron nombrados por su origen: tripsina, nombrado en parte del tryein griego, "para desgastar", se obtienen frotando tejido pancretico con glicerina. A veces, la misma enzima tiene dos o ms nombres, o dos enzimas diferentes tienen el mismo nombre. Debido a este tipo de ambigedades, y el nmero siempre creciente de enzimas recientemente descubiertas, bioqumicos, por acuerdo internacional, han adoptado un sistema para nombrar y clasificar las enzimas. Este sistema divide enzimas en seis clases, cada uno con subclases, basadas en el tipo de reaccin catalizada (Tabla 6-3). Cada enzima se le asigna un nmero de clasificacin de cuatro partes y un nombre sistemtico, que identifica la reaccin que cataliza. Como un ejemplo, el nombre sistemtico formal de la enzima que cataliza la reaccin es ATP: fosfotransferasa glucosa, lo que indica que cataliza la transferencia de un grupo fosforilo desde el ATP a la glucosa. Su Nmero EC (nmero CE) es 2.7.1.1. El primer nmero (2) denota el nombre de la clase (transferasa); el segundo nmero (7), la subclase (fosfotransferasa); el tercer nmero (1), una fosfotransferasa con un grupo hidroxilo como aceptor; y el cuarto nmero (1), D-glucosa como el aceptor del grupo fosforilo. Para muchas enzimas, un nombre trivial se utiliza en ms comnmente este caso hexoquinasa. Una lista y descripcin de los miles de enzimas conocidas completa es mantenida por el Comit de Nomenclatura de la Unin Internacional de Bioqumica y Biologa Molecular (www.chem.qmul.ac.uk/iubmb/enzyme). Este captulo est dedicado principalmente a los principios y propiedades comunes a todas las enzimas.

RESUMEN 6.1 Introduccin a enzimas La vida depende de la existencia de potentes y especficos catalizadores: las enzimas. Casi cada reaccin bioqumica es catalizada por una enzima. Con la excepcin de algunos RNAs catalticos, todas las enzimas conocidas son protenas. Muchos requieren coenzimas no proteicos o cofactores para su funcin cataltica. Las enzimas se clasifican segn el tipo de reaccin que catalizan. Todas las enzimas tienen nmeros y nombres formales de la CE, y la mayora tienen nombres triviales.

6.2 Cmo Enzimas trabajo La catlisis enzimtica de reacciones es esencial para los sistemas vivos. En condiciones biolgicamente relevantes, las reacciones no catalizadas tienden a ser molculas ms lento biolgicos son bastante estables en el pH neutro, mildtemperature, ambiente acuoso dentro de las clulas. Adems, muchas reacciones comunes en la bioqumica implican eventos qumicos que son desfavorables o poco probable en el entorno celular, tales como la formacin transitoria de inestables intermedios cargadas o la colisin de dos o ms molculas en la orientacin precisa que se requiere para la reaccin. Reacciones necesarios para digerir los alimentos, enviar seales nerviosas, o contraer un msculo simplemente no se producen a un ritmo til sin catlisis. Una enzima evita estos problemas proporcionando un entorno especfico en el que una reaccin dada puede ocurrir ms rpidamente. La caracterstica distintiva de una reaccin catalizada por la enzima es que tiene lugar dentro de los confines de un bolsillo en la enzima llamada el sitio activo (Fig. 6-1). La molcula que se une en el sitio activo y acta sobre la enzima se llama el sustrato. La superficie del sitio activo se alinea con residuos de aminocidos con grupos sustituyentes que se unen el sustrato y catalizar su transformacin qumica. A menudo, el sitio activo encierra un sustrato, secuestrar completamente de la solucin. El complejo del sustrato enzimtico, cuya existencia fue propuesta por primera vez por Charles-Adolphe Wurtz en 1880, es central para la accin de las enzimas. Es tambin el punto de partida para tratamientos matemticos que definen el comportamiento cintico de reacciones catalizadas por enzimas y para las descripciones tericas de mecanismos enzimticos.Las enzimas afectan reaccin Precios, No equilibrios Una reaccin enzimtica simple podra ser escrito donde E, S y P representan la enzima, sustrato y producto; ES y EP son transitorios complejos de la enzima con el sustrato y con el producto. Para entender la catlisis, primero debemos apreciar la importante distincin entre los equilibrios de reaccin y velocidad de reaccin. La funcin de un catalizador es aumentar la velocidad de una reaccin. Los catalizadores no afectan a los equilibrios de reaccin. Cualquier reaccin, tal como SP, puede ser descrito por una coordenada de reaccin diagrama (Fig. 6-2), un cuadro de los cambios de energa durante la reaccin. Como se discuti en el Captulo 1, la energa en los sistemas biolgicos se describe en trminos de energa libre, G. En el diagrama de coordenadas, la energa libre del sistema se representa frente al progreso de la reaccin (la coordenada de reaccin). El punto de partida ya sea para el avance o la reaccin inversa se llama el estado fundamental, la contribucin a la energa libre del sistema por una molcula de promedio (S o P) bajo un conjunto dado de condiciones. Para describir los cambios de energa libre de las reacciones, los qumicos definen un conjunto estndar de condiciones (temperatura 298 K, presin parcial de cada gas 1 atm, o 101,3 kPa; concentracin de cada soluto 1 M) y expresan la variacin de energa libre para este sistema de reaccionar como G, el freeenergy estndar change.because sistemas bioqumicos comnmente implican concentraciones H muy por debajo de 1 M, bioqumicos definen un cambio de energa libre estndar de bioqumica, G, la variacin de energa libre estndar a pH 7,0; empleamos esta definicin en todo el libro. Una definicin ms completa de G se da en el Captulo 13. El equilibrio entre S y P refleja la diferencia en las energas libres de sus estados fundamentales. En el ejemplo mostrado en la Figura 6-2, la energa libre del estado fundamental de P es menor que la de S, por lo que G para la reaccin es negativo y el equilibrio favorece P. La posicin y la direccin de equilibrio no se ven afectados por cualquier catalizador. Un equilibrio favorable no significa que la conversin SnP se producir a una velocidad detectable. La velocidad de una reaccin depende de un parmetro totalmente diferente. Hay una barrera de energa entre S y P: la energa necesaria para la alineacin de los grupos que reaccionan, formacin de cargas inestables transitorios, reordenamientos de bonos, y otras transformaciones requeridas para la reaccin de proceder en cualquier direccin. Esto se ilustra por la energa "colina" en las figuras 6-2 y 6-3. Para someterse a reaccin, las molculas deben superar esta barrera y por lo tanto deben ser elevado a un nivel de energa ms alto. En la parte superior de la colina de la energa es un punto en el que la caries al estado S o P es igualmente probable (es cuesta abajo de cualquier manera). Esto se conoce como la transicin de estado de transicin state.The no es una especie qumica con ninguna estabilidad significativa y no debe confundirse con un intermedio de reaccin (tales como ES o EP). Se trata simplemente de un momento fugaz molecular en el que eventos como la rotura del enlace, la formacin de enlaces, y el desarrollo de carga han llegado al punto exacto en el que la decadencia deya sea sustrato o producto es igualmente probable. La diferencia entre los niveles de energa del estado fundamental y el estado de transicin es la energa de activacin, G . La velocidad de una reaccin refleja esta energa de activacin: una energa de activacin superior corresponde a una reaccin ms lenta. Las velocidades de reaccin se puede aumentar elevando la temperatura, aumentando as el nmero de molculas con energa suficiente para superar la barrera de energa. Alternativamente, la energa de activacin se puede reducir mediante la adicin de un catalizador (Fig. 6-3). Los catalizadores aumentan las velocidades de reaccin mediante la reduccin de las energas de activacin. Las enzimas no son la excepcin a la regla de que los catalizadores no afectan los equilibrios de reaccin. Las flechas bidireccionales en la Ecuacin 6-1 hacen de este punto: cualquier enzima que cataliza la reaccin SnP tambin cataliza las PnS reaccin. El papel de las enzimas es acelerar la interconversin de S y P. La enzima no se utiliza en el proceso, y el punto de equilibrio se ve afectada. Sin embargo, la reaccin alcanza el equilibrio mucho ms rpido cuando la enzima apropiada est presente, debido a que la velocidad de la reaccin se incrementa. Este principio general puede ilustrarse considerando la conversin de sacarosa y oxgeno a dixido de carbono y agua:

Esta conversin, que tiene lugar a travs de una serie de reacciones separadas, tiene una muy grande y negativo G, y en el equilibrio de la cantidad de sacarosa presente es insignificante. Sin embargo, la sacarosa es un compuesto estable, debido a la barrera de energa de activacin que deben superarse antes de sacarosa reacciona con el oxgeno es bastante alto. La sacarosa puede ser almacenado en un recipiente con oxgeno casi indefinidamente sin reaccionar. En las clulas, sin embargo, la sacarosa se descomponen fcilmente a CO2 y H2O en una serie de reacciones catalizadas por enzimas. Estas enzimas no slo aceleran las reacciones, organizan y controlan de modo que gran parte de la energa liberada se recupera en otras formas qumicas y puestos a disposicin de la clula para otras tareas. El camino de reaccin por la que la sacarosa (y otros azcares) se desglosa es la va de rendimiento de energa primaria para las clulas, y las enzimas de esta va permite que la secuencia de reaccin para proceder en una escala de tiempo biolgicamente til. Cualquier reaccin puede tener varios pasos, que incluyan la formacin y descomposicin de las especies qumicas transitorios llamados intermedios de reaccin. * Una reaccin intermedia es cualquier especie en la va de reaccin que tiene una vida finita qumicos (ms de una vibracin molecular, ~ 10 13 segundos). Cuando la reaccin SP est catalizada por una enzima, los ES y complejos EP pueden considerarse productos intermedios, a pesar de que S y P son especies qumicas estables (Eqn 6-1); el ES y complejos EP ocupan valles en la reaccin de coordenadas diagrama (Fig. 6-3). Productos qumicos intermedios adicionales, menos estables a menudo existen en el curso de una reaccin catalizada por la enzima. La interconversin de dos intermedios de reaccin secuenciales de este modo constituye una etapa de reaccin. Cuando varios pasos se producen en una reaccin, la tasa global est determinada por el paso (o pasos) con la energa de activacin ms alto; esto se llama el paso limitante de la velocidad. En un caso sencillo, el paso limitante de la velocidad es el punto de mayor energa en el diagrama de interconversin de S y P. En la prctica, el paso limitante de la velocidad puede variar segn las condiciones de reaccin, y para muchas enzimas varios pasos puede tener la activacin similares energas, lo que significa que estn parcialmente limitante de la velocidad. Las energas de activacin son barreras de energa a las reacciones qumicas. Estas barreras son cruciales para la vida misma. La velocidad a la que una molcula se somete a una reaccin particular disminuye a medida que la barrera de activacin para que los aumentos de reaccin. Sin tales barreras de energa, macromolculas complejas revertiran espontneamente a formas moleculares ms simples, y no podran existir las estructuras complejas y altamente ordenadas y procesos metablicos de las clulas. Durante el curso de la evolucin, las enzimas han desarrollado energas de activacin ms bajos selectivamente para las reacciones que se necesitan para la supervivencia celular.Reaccin precios y equilibrios Tienes precisos termodinmicos Definiciones equilibrios de reaccin estn inextricablemente ligados a la variacin de energa libre estndar para la reaccin, G y velocidades de reaccin estn vinculados a la energa de activacin, G . Una introduccin bsica a estas relaciones termodinmicas es el siguiente paso en la comprensin de cmo las enzimas de trabajo. Un equilibrio tales como SP es descrita por una constante de equilibrio, Keq, o simplemente K (p. 26). Bajo las condiciones estndar utilizadas para comparar los procesos bioqumicos, una constante de equilibrio se denota eq K (o K):

De la termodinmica, la relacin entre eq K y G puede ser descrita por la expresin

donde R es la constante de los gases, 8,315 J / mol K, y T es la temperatura absoluta, 298 K (25 C). Ecuacin 6-3 se desarrolla y se discute con ms detalle en el captulo 13. El punto importante aqu es que la constante de equilibrio est directamente relacionada con el cambio freeenergy norma general para la reaccin (Tabla 6-4). Un gran valor negativo para G refleja un equilibrio, pero la reaccin favorable como ya se ha sealado, esto no significa que la reaccin proceder a un ritmo rpido. La tasa de cualquier reaccin se determina por la concentracin del reactivo (o reactivos) y por una constante de velocidad, generalmente denotado por k. Para el SNP reaccin unimolecular, la tasa (o velocidad) de la reaccin, V-representa la cantidad de S que reacciona por unidad de tiempo se expresa por una ecuacin de velocidad:

En esta reaccin, la tasa depende slo de la concentracin de S. Esto se llama una reaccin de primer orden. El factor k es una constante de proporcionalidad que refleja la probabilidad de reaccin bajo un conjunto dado de condiciones (pH, temperatura, y as sucesivamente). Aqu, k es una constante de velocidad de primer orden y tiene unidades de tiempo recproco, como s 1. Si una reaccin de primer orden tiene una constante de velocidad k de 0,03 s 1, esto puede ser interpretado (cualitativamente) en el sentido de que el 3% de la disposicin S se convertir en P en 1 s. Una reaccin con una constante de velocidad de 2,000 s 1 ser de ms de una pequea fraccin de un segundo. Si una velocidad de reaccin depende de la concentracin de dos compuestos diferentes, o si la reaccin es entre dos molculas del mismo compuesto, la reaccin es de segundo orden y k es una constante de velocidad de segundo orden, con unidades de M 1s 1. La tasa ecuacin se convierte entonces

De la teora del estado de transicin podemos derivar una expresin que se refiere la magnitud de una constante de velocidad para la energa de activacin:

donde k es la constante de Boltzmann y h es la constante de Planck. El punto importante aqu es que la relacin entre la constante de velocidad k y la energa de activacin G es inversa y exponencial. En trminos simplificados, esta es la base para la afirmacin de que una energa de activacin baja significa una velocidad de reaccin ms rpido. Ahora nos alejamos de lo enzimas hacer para cmo lo hacen.Algunos principios explicar el poder cataltico y Especificidad de las enzimas Las enzimas son catalizadores extraordinarias. Las mejoras de tasas que traen consigo estn en el rango de 5 a 17 rdenes de magnitud (Tabla 6-5). Las enzimas tambin son muy especficos, discriminar fcilmente entre sustratos con estructuras muy similares. Cmo se pueden explicar estas enormes y altamente selectivos mejoras de tasas? Cul es la fuente de la energa para la dramtica reduccin de las energas de activacin para las reacciones especficas? La respuesta a estas preguntas tiene dos partes distintas pero entrelazadas. El primero radica en los reordenamientos de enlaces covalentes durante una reaccin catalizada por la enzima. Las reacciones qumicas de muchos tipos tienen lugar entre los sustratos y enzimas grupos funcionales '(cadenas laterales de aminocidos especfica, iones metlicos, y coenzimas). Grupos funcionales cataltico sobre una enzima pueden formar un enlace covalente transitorio con un sustrato y que se active para la reaccin, o un grupo pueden ser transferidos de forma transitoria a partir del sustrato a la enzima. En muchos casos, estas reacciones se producen slo en el sitio activo de la enzima. Interacciones covalentes entre las enzimas y los sustratos reducir la energa de activacin (y por lo tanto acelerar la reaccin), proporcionando una ruta de reaccin de baja energa alternativa. Los tipos especficos de reordenamientos que se producen se describen en la seccin 6.4. La segunda parte de la explicacin radica en las interacciones no covalentes entre la enzima y el sustrato. Gran parte de la energa necesaria para reducir las energas de activacin se deriva de dbiles, interacciones no covalentes entre el sustrato y la enzima. Lo que realmente diferencia enzimas aparte de la mayora de los otros catalizadores es la formacin de un complejo especfico ES. La interaccin entre el sustrato y la enzima en este complejo est mediada por las mismas fuerzas que estabilizan la estructura de protenas, incluyendo enlaces de hidrgeno e interacciones hidrfobas e inicas (Captulo 4). Formacin de cada interaccin dbil en el complejo ES se acompaa por la liberacin de una pequea cantidad de energa libre que proporciona un grado de estabilidad a la interaccin. La energa derivada de la interaccin enzima-sustrato se llama energa de enlace, GB. Su importancia se extiende ms all de una simple estabilizacin de la interaccin enzima-sustrato. Energa de enlace es una fuente importante de energa libre utilizado por enzimas para reducir las energas de activacin de las reacciones. Dos principios fundamentales e interrelacionados proporcionan una explicacin general de cmo las enzimas utilizan energa de enlace covalente:1. Gran parte del poder cataltico de las enzimas se deriva en ltima instancia de la energa libre liberada en la formacin de muchos enlaces dbiles e interacciones entre una enzima y su sustrato. Esta energa de unin contribuye a la especificidad, as como para la catlisis. 2. Interacciones dbiles estn optimizados en el estado de transicin de reaccin; sitios activos de enzimas son complementarios a los sustratos no por s, sino a los estados de transicin a travs del cual pase sustratos, ya que se convierten en productos durante una reaccin enzimtica.Estos temas son fundamentales para la comprensin de las enzimas, y que ahora se convierten en nuestro principal objetivo.Las interacciones dbiles entre enzima y sustrato se optimizan en el Estado de Transicin Cmo una enzima utiliza energa de enlace para bajar la energa de activacin de una reaccin? La formacin del complejo ES no es la explicacin de por s, aunque algunas de las primeras consideraciones de mecanismos de enzimas comenz con esta idea. Los estudios sobre la especificidad enzimtica realizadas por Emil Fischer le llevaron a proponer, en 1894, que las enzimas eran estructuralmente complementaria a sus sustratos, de manera que encajan como una cerradura y llave (Fig. 6-4). Este elegante idea, de que una (exclusivo) interaccin especfica entre dos molculas biolgicas est mediada por las superficies moleculares con formas complementarias, ha influido en gran medida el desarrollo de la bioqumica, y estas interacciones se encuentran en el corazn de muchos procesos bioqumicos. Sin embargo, la "llave" hiptesis puede ser engaoso cuando se aplica a la catlisis enzimtica. Una enzima completamente complementaria a su sustrato sera una muy mala enzima, como se puede demostrar.Considere la posibilidad de una reaccin imaginaria, la ruptura de un palo de metal magnetizado. La reaccin no catalizada se muestra en la Figura 6-5a. Examinemos dos imaginarios enzimas-dos "stickases" -que podra catalizar esta reaccin, los cuales emplean fuerzas magnticas como paradigma de la energa de enlace utilizado por enzimas reales. En primer lugar, diseamos una enzima perfectamente complementario al sustrato (Fig. 6-5b). El sitio activo de esta stickase es un bolsillo forrado con imanes. Para reaccionar (rotura), el palo debe alcanzar el estado de transicin de la reaccin, pero el palo se ajusta tan bien en el sitio activo que no se puede doblar, debido a la flexin eliminara algunas de las interacciones magnticas entre palo y enzima. Tal una enzima impide la reaccin, estabilizando el sustrato en su lugar. En un diagrama de coordenada de reaccin (Fig. 6-5b), este tipo de complejo ES correspondera a un canal de energa de la que el sustrato tendra dificultades para escapar. Tal una enzima sera intil. La nocin moderna de la catlisis enzimtica, propuesto por Michael Polanyi (1921) y Haldane (1930), fue elaborado por Linus Pauling en 1946: con el fin de catalizar reacciones, una enzima debe ser complementaria al estado de transicin de la reaccin. Esto significa que las interacciones ptimas entre sustrato y enzima se producen slo en el estado de transicin. Figura 6-5c muestra cmo puede funcionar una enzima tal. El palo de metal se une a la stickase, pero slo un subconjunto de las posibles interacciones magnticas se utilizan en la formacin del complejo ES. El sustrato unido todava debe pasar por el aumento en la energa libre necesaria para alcanzar el estado de transicin. Ahora, sin embargo, el aumento de la energa libre necesaria para elaborar el palo en una conformacin doblada y rota parcialmente se compensa, o "pagado" por las interacciones magnticas (energa de enlace) que se forman entre la enzima y el sustrato en el estado de transicin. Muchas de estas interacciones implican partes del palo que son distantes desde el punto de rotura; por lo tanto las interacciones entre las partes stickase y nonreacting del palo proporcionan parte de la energa necesaria para catalizar la rotura de palo. Este "pago de energa" se traduce en una energa de activacin neto inferior y una velocidad de reaccin ms rpido. Enzimas Bienes trabajar en un principio anlogo. Algunas interacciones dbiles se forman en el complejo ES, pero el complemento completo de tales interacciones entre el sustrato y la enzima slo se forma cuando el sustrato alcanza el estado de transicin. La energa libre (energa de enlace) liberada por la formacin de estas interacciones compensa parcialmente la energa necesaria para llegar a la cima de la colina de la energa. La suma de la desfavorable (positivo) energa de activacin G y los favorables (negativos) de energa de unin a los resultados de GB en una energa de activacin neta inferior (Fig. 6-6). Incluso en la enzima, el estado de transicin no es una especie estable, pero un breve momento en el tiempo que el sustrato pasa encima de una colina energa. La reaccin enzymecatalyzed es mucho ms rpido que el proceso no catalizada, sin embargo, debido a que la colina es mucho menor. El principio importante es que las interacciones dbiles de unin entre la enzima y el sustrato proporcionan una fuerza de conduccin sustancial para la catlisis enzimtica. Los grupos en el sustrato que estn involucrados en estas interacciones dbiles pueden estar a cierta distancia de los bonos que estn rotos o cambiados. Las interacciones dbiles formados slo en el estado de transicin son los que hacen la contribucin principal a la catlisis. El requisito de mltiples interacciones dbiles para impulsar la catlisis es una razn por enzimas (y algunos coenzimas) son tan grandes. Una enzima debe proporcionar grupos funcionales para inica, enlaces de hidrgeno y otras interacciones, y tambin debe posicionar precisamente estos grupos, de manera que la energa de unin se optimiza en el estado de transicin. De unin adecuada se logra ms fcilmente mediante la colocacin de un sustrato en una cavidad (el sitio activo) donde se elimina eficazmente de agua. El tamao de las protenas refleja la necesidad de superestructura para mantener los grupos que interactan correctamente posicionado y para mantener la cavidad se colapse.Encuadernacin energa contribuye a la especificidad de la reaccin y Catlisis Podemos demostrar cuantitativamente que la unin cuentas de energa para las grandes aceleraciones tasa provocados por las enzimas? S. Como punto de referencia, la ecuacin 6-6 nos permite calcular que G se debe bajar en aproximadamente 5,7 kJ / mol para acelerar una reaccin de primer orden por un factor de diez, en condiciones que se encuentran comnmente en las clulas. La energa disponible de formacin de una nica interaccin dbil se estima generalmente para ser de 4 a 30 kJ / mol. La energa total disponible de un nmero de tales interacciones es por lo tanto suficiente para la activacin inferior en siner- por el de 60 a 100 kJ / mol necesaria para explicar las grandes mejoras de velocidad observadas para muchas enzimas. La misma energa de unin que proporciona la energa para la catlisis tambin da una enzima su especificidad, la capacidad de discriminar entre un sustrato y una molcula competidora. Conceptualmente, la especificidad es fcil de distinguir de la catlisis, pero esta distincin es mucho ms difcil hacer experimentalmente, debido a la catlisis y la especificidad surgen del mismo fenmeno. Si un sitio activo de la enzima tiene grupos funcionales dispuestos de manera ptima para formar una variedad de interacciones dbiles con un sustrato particular en el estado de transicin, la enzima no ser capaz de interactuar en el mismo grado que con cualquier otra molcula. Por ejemplo, si el sustrato tiene un grupo hidroxilo que forma un enlace de hidrgeno con un residuo de Glu especfica de la enzima, cualquier molcula que carece de un grupo hidroxilo en esa posicin particular ser un sustrato pobre para la enzima. Adems, cualquier molcula con un grupo funcional adicional para que la enzima no tiene bolsillo o sitio de unin es probable que ser excluido de la enzima. En general, la especificidad se deriva de la formacin de muchas interacciones dbiles entre la enzima y su molcula sustrato especfico. La importancia de la energa de enlace a la catlisis se puede demostrar fcilmente. Por ejemplo, la enzima glucoltica triosa fosfato isomerasa cataliza la interconversin de gliceraldehdo 3-fosfato y dihidroxiacetona fosfato:Esta reaccin reorganiza los grupos carbonilo e hidroxilo en los carbonos 1 y 2. Sin embargo, ms del 80% de la aceleracin de la velocidad enzimtica se ha remontado a enzima-sustrato interacciones que implican el grupo fosfato en el carbono 3 del sustrato. Esto se determin mediante una comparacin cuidadosa de las reacciones catalizadas por enzimas con gliceraldehdo 3-fosfato y con gliceraldehdo (sin grupo fosfato en la posicin 3) como sustrato. Los principios generales descritos anteriormente pueden ser ilustrados por una variedad de mecanismos catalticos reconocidos. Estos mecanismos no son mutuamente excluyentes, y una enzima dada podran incorporar varios tipos en su mecanismo de accin general.

Debido a que la segunda reaccin ms lenta (Ecuacin 6-8) debe limitar la velocidad de la reaccin global, la tasa global debe ser proporcional a la concentracin de la especie que reacciona en la segunda etapa, es decir, ES. En cualquier instante dado en una reaccin catalizada por la enzima, la enzima existe en dos formas, la forma libre o no combinado E y la forma ES combinado. A bajas [S], la mayor parte de la enzima est en la forma no combinada E. Aqu, la velocidad es proporcional a [S], porque el equilibrio de la ecuacin 6-7 se empuja hacia la formacin de ms ES como [S] aumenta. Se observa la velocidad inicial mxima de la reaccin catalizada (Vmax) cuando prcticamente toda la enzima est presente como el complejo ES y [E] es extremadamente pequea. En estas condiciones, la enzima es "saturado" con su sustrato, para que nuevos aumentos de [S] no tienen ningn efecto sobre la tasa. Esta condicin existe cuando es suficientemente alta para que esencialmente todo el enzima libre se ha convertido a la forma ES [S]. Despus de que el complejo ES se descompone para producir el producto P, la enzima es libre para catalizar la reaccin de otra molcula de sustrato.La ecuacin es

S; entonces