Energía de activación de enzimas: definición, cálculo y ejemplo

Reacciones y energía de activación

Imaginemos que va de excursión y necesita subir una colina para llegar al otro lado. Necesitas gastar algo de energía subiendo la colina. Cuanto más alta sea la colina, más energía necesitarás para ir al otro lado.

En los procesos bioquímicos, las moléculas también requieren energía para iniciar una reacción. Por ejemplo, las moléculas necesitan tener algo de energía cinética, o velocidad, para colisionar con otras moléculas para iniciar una reacción. Si las colisiones no ocurren con frecuencia o no tienen suficiente energía cinética, no se producirá ninguna reacción. La energía requerida para iniciar una reacción se llama energía de activación . Cuanto menor sea la energía de activación, más rápido ocurre una reacción. Cuanto más baja sea la colina que está caminando, más rápido pasará al otro lado de la colina.

Los reactivos y productos tienen energías específicas. Para transformar los reactivos en productos, los reactivos tendrían que pasar por un estado de transición que suele ser de mayor energía. Para llegar a este estado de transición, el sistema requiere la energía de activación. Finalmente, los productos reducen su energía para llegar al estado de producto final.

En este gráfico vemos la gráfica de energía versus el progreso de una reacción. Los reactivos tienen más energía que los productos. La energía de los reactivos aumenta y luego disminuye hasta la energía del producto final. El punto más alto de la curva representa la energía del estado intermedio en la reacción. La energía necesaria para alcanzar el estado intermedio es la energía de activación de la reacción. Las enzimas reducen la energía de activación de una reacción determinada, como se muestra en la curva verde.

Enzimas y Catálisis

Las enzimas son proteínas que reducen la energía necesaria para alcanzar el estado de transición. Las enzimas reducen la energía de activación a través de un proceso llamado catálisis . Una reacción bioquímica cuando una enzima está presente se denomina reacción catalizada . La catálisis puede ocurrir de diferentes formas. Las enzimas pueden utilizar la transferencia de protones o electrones a los reactivos para modificar el estado de los reactivos. Las enzimas también utilizan carga eléctrica para estabilizar el estado de los reactivos. Sin embargo, las enzimas no modifican los productos finales de la reacción.

Teoría del ajuste inducido

Cada enzima tiene un sitio activo donde se unen las moléculas reactivas. La molécula que se une al sitio activo se llama sustrato . La enzima induce un cambio en la molécula que reduce la energía de activación de la reacción. Por ejemplo, en reacciones que implican la ruptura de enlaces, la enzima puede ejercer presión sobre la molécula para facilitar la ruptura de esos enlaces. Una vez que se produce el cambio inducido, la molécula se libera y la enzima vuelve a su estado original.

Ley de Arrhenius

Cuando la temperatura aumenta, la energía cinética promedio de las moléculas también aumenta. Intente imaginar una habitación llena de pelotas que rebotan. A medida que aumenta la temperatura, aumenta la velocidad de las bolas. Cuando las bolas chocan entre sí, chocan con más energía. Las moléculas que chocan con la energía por encima de la energía de activación, representada por las letras Ea , podrán reaccionar. La fracción de moléculas con energía mayor que la energía de activación viene dada por el factor exponencial: e elevado a la cantidad negativa Ea sobre RT .

Aquí es donde R es la constante universal de los gases, que es 8.314 J / mol K , y T es la temperatura. Si decimos que hay colisiones A cada segundo, entonces el número total de colisiones cada segundo que producirán una reacción viene dado por la ecuación de Arrhenius: k es igual a A multiplicado por e elevado a la cantidad negativa Ea sobre RT .

Aquí es donde A es la tasa de colisiones yk es la constante de tasa, o la tasa de eventos de reacción. Por ejemplo, digamos que en una reacción dada, la constante de velocidad es 10 mol / seg y la velocidad de colisiones es 27 mol / seg a 325 K. Podemos encontrar la energía de activación de esta reacción reordenando la ecuación de Arrhenius para resolver Ea y luego conectando nuestros valores conocidos. Hagamos un intento.

En primer lugar, podemos dividir ambos lados de la ecuación por A . Dado que la variable que queremos está en el exponente, podemos tomar el logaritmo natural de ambos lados. Finalmente, multiplicar por RT negativo nos dará la ecuación: Ea = – RT ln ( k / A ).

Ahora que hemos resolvemos para la energía de activación, podemos conectar nuestros valores para R , T , K y A y resuelve para Ea . La energía de activación de esta reacción es 2683,81 julios.

Observe que en la ecuación anterior, la constante de velocidad aumenta si Ea disminuye. Es decir, si la energía de activación se reduce por la presencia de una enzima, el número de eventos de reacción por segundo aumentará, haciendo que toda la reacción ocurra más rápido.

Resumen de la lección

La energía de activación es la energía necesaria para iniciar una reacción. Las enzimas son proteínas que se unen a una molécula, o sustrato , para modificarlo y disminuir la energía necesaria para que reaccione. La velocidad de reacción viene dada por la ecuación de Arrhenius. La velocidad de reacción aumenta si la energía de activación disminuye.