Las enzimas aceleran las reacciones químicas disminuyendo la energía de activación mediante varias estrategias catalíticas. A diferencia de los catalizadores químicos, las enzimas operan en condiciones suaves de temperatura, pH y presión, y exhiben una notable especificidad por sus sustratos.
El Ciclo Catalítico
Las enzimas unen sus sustratos en el sitio activo, una cavidad o hendidura específica en la estructura tridimensional. La unión ocurre mediante complementariedad de forma e interacciones químicas, descrita por los modelos de llave-cerradura o ajuste inducido. El modelo de ajuste inducido es generalmente más preciso, ya que las enzimas a menudo experimentan cambios conformacionales que optimizan los grupos catalíticos alrededor del sustrato. Una vez unido, la enzima estabiliza el estado de transición, el intermediario de alta energía a lo largo de la coordenada de reacción, disminuyendo así la energía de activación y acelerando la reacción.
Catálisis Ácido-Base
La catálisis ácido-base implica la transferencia de protones entre la enzima y el sustrato. La catálisis ácida general dona un protón para estabilizar una carga negativa en desarrollo, mientras que la catálisis básica general elimina un protón para aumentar la nucleofilicidad de un grupo. Muchas enzimas usan cadenas laterales de aminoácidos como donantes o aceptores de protones. La histidina es particularmente versátil porque su grupo imidazol tiene un pKa cercano a la neutralidad, permitiéndole funcionar como ácido o base a pH fisiológico. La ribonucleasa A usa dos residuos de histidina, uno como base general y otro como ácido general, para escindir el ARN.
Catálisis Covalente
La catálisis covalente implica la formación transitoria de un enlace covalente entre la enzima y el sustrato, creando un intermediario reactivo que disminuye la energía de activación. El intermediario covalente luego se descompone para regenerar la enzima libre. Las serina proteasas como la quimotripsina usan una tríada catalítica de serina, histidina y aspartato. La serina hidroxilo ataca el carbono carbonilo del sustrato, formando un intermediario acil-enzima que posteriormente se hidroliza. Este intermediario covalente previene la reacción inversa y acelera la ruta directa.
Catálisis por Iones Metálicos
Aproximadamente un tercio de todas las enzimas requieren iones metálicos y cofactores para la actividad catalítica. Las metaloenzimas unen firmemente iones metálicos como zinc, hierro, cobre o manganeso como componentes integrales. Las enzimas activadas por metales unen iones metálicos menos firmemente pero los requieren para la actividad. Los iones metálicos participan en la catálisis sirviendo como catalizadores electrófilos, estabilizando cargas negativas, mediando reacciones de oxidación-reducción u orientando sustratos en el sitio activo. La anhidrasa carbónica usa un ion zinc para activar una molécula de agua para el ataque al dióxido de carbono. La citocromo c oxidasa usa iones de hierro y cobre en las reacciones de transferencia de electrones y reducción de oxígeno.
Catálisis por Proximidad y Orientación
Las enzimas aumentan las velocidades de reacción colocando los sustratos en estrecha proximidad y en la orientación correcta para la reacción. La concentración efectiva de sustratos en el sitio activo puede ser miles de veces mayor que en solución. Esta ventaja entrópica reduce la pérdida de libertad traslacional y rotacional que normalmente acompaña a la formación de un estado de transición. La estructura del sitio activo orienta precisamente los grupos reactivos, reduciendo aún más la energía de activación.
Estabilización de Estados de Transición
Las enzimas logran su mayor efecto catalítico uniendo el estado de transición más firmemente que el sustrato en estado fundamental. El sitio activo es complementario a la estructura del estado de transición más que al sustrato mismo. Esta estabilización selectiva puede disminuir la energía de activación en 10 a 15 kcal/mol, correspondiendo a aumentos de velocidad de 10^7 a 10^12. Los análogos del estado de transición, moléculas que se asemejan a la estructura del estado de transición, son a menudo potentes inhibidores enzimáticos y se han desarrollado como fármacos. El concepto de estabilización del estado de transición es central para entender la evolución de las enzimas y el diseño de inhibidores enzimáticos.
Catálisis Electrostática
El entorno del sitio activo a menudo está poco solvatado en comparación con la fase acuosa masiva, y los grupos cargados están posicionados para estabilizar las cargas en desarrollo en el estado de transición. Esta preorganización electrostática reduce la energía de reorganización requerida para la estabilización de carga durante la catálisis. La superóxido dismutasa orienta residuos cargados para estabilizar el estado de transición del anión superóxido, logrando una de las velocidades catalíticas más altas conocidas, limitada solo por la difusión.
