La energía de activación y lo que modifican las enzimas

Una cucharada de azúcar se disuelve rápidamente en té caliente, pero no tan rápido en agua fría, a pesar de que las sustancias iniciales y finales son las mismas. Las células se enfrentan a un problema similar. Pueden estar presentes las moléculas necesarias para la vida y ser favorable la formación de los productos, y aun así la reacción puede avanzar con extrema lentitud. El elemento clave suele ser la barrera energética que debe superarse antes de que aparezca cualquier producto; la lección aquí trata sobre cómo las enzimas modifican dicha barrera sin alterar el estado final hacia el que la reacción «tiende» naturalmente.

Analicemos algunos contextos de reacción en los que la velocidad es importante.

❗ IDEA ERRÓNEA Si una reacción tiene un $\mathrm{\Delta }G\backslash Delta\; G$ negativo, debería ocurrir rápidamente. Por qué parece intuitivo: Ir “cuesta abajo” suena a ir “rápido”.

✅ LA REALIDAD El $\mathrm{\Delta }G\backslash Delta\; G$ nos indica la diferencia de energía total entre productos y reactivos, no la altura de la barrera inicial que determina la velocidad de la reacción.

El diagrama de energía que aparece en los exámenes

Antes de pasar al diagrama, un concepto previo rápido. Una reacción química reorganiza los átomos mediante la ruptura y formación de enlaces. Dicha reorganización requiere colisiones con la orientación adecuada y suficiente energía para alcanzar una configuración de alta energía y corta duración denominada estado de transición; se trata de una disposición molecular intermedia entre los reactivos y los productos.

En un diagrama de energía, primero etiquetamos las estructuras en la imagen y luego les asignamos un significado.

• Coordenada de reacción: el eje horizontal que registra el progreso desde los reactivos hasta los productos (no el tiempo).
• Energía libre ($GG$): el eje vertical que representa la energía utilizable a temperatura y presión constantes.
• Reactivos y productos: los valles inicial y final de la curva.
• Energía de activación ($E_{a}E\_a$): la diferencia de energía desde los reactivos hasta el pico del estado de transición.
• $\mathrm{\Delta }G\backslash Delta\; G$: la diferencia de energía entre productos y reactivos, medida de valle a valle.

Intenta identificar las flechas por tu cuenta antes de consultar la explicación.

Una vez establecidas correctamente las etiquetas, la lógica se deduce por sí misma. La $E_{a}E\_a$ (energía de activación) indica la dificultad para alcanzar el estado de transición. Un pico más alto significa que menos moléculas reaccionantes poseen energía suficiente a una temperatura dada, por lo que la velocidad de reacción disminuye. $\mathrm{\Delta }G\backslash Delta\; G$ se refiere a qué lado tiene un nivel energético más bajo, lo cual determina la posición del equilibrio, pero no la rapidez con la que este se alcanza.

Lo que las enzimas modifican y lo que no

Una enzima es un catalizador biológico —generalmente una proteína— que acelera una reacción al proporcionar una vía alternativa con una energía de activación más baja. Desde el punto de vista estructural, el elemento clave es el sitio activo de la enzima: una cavidad cuya forma y grupos químicos permiten la unión de los sustratos y la estabilización del estado de transición mediante numerosas interacciones débiles.

Momento de hacer una predicción. Si una enzima reduce la $E_{a}E\_a$, ¿qué sucede con la posición del equilibrio entre reactivos y productos?

• A. El equilibrio se desplaza hacia los productos.
• B. El equilibrio se desplaza hacia los reactivos.
• C. El equilibrio no cambia.

Analice la comparación en los diagramas emparejados.