12.7: Catálisis

Objetivos de aprendizaje

• Explicar la función de un catalizador en términos de mecanismos de reacción y diagramas de energía potencial
• Enumerar ejemplos de catálisis en procesos naturales e industriales

Hemos visto que la velocidad de muchas reacciones puede ser acelerada por catalizadores. Un catalizador acelera la velocidad de una reacción al disminuir la energía de activación; además, el catalizador se regenera en el proceso. Varias reacciones que son termodinámicamente favorables en ausencia de un catalizador solo ocurren a una velocidad razonable cuando está presente un catalizador. Una de tales reacciones es la hidrogenación catalítica, el proceso mediante el cual se añade hidrógeno a través de un enlace alqueno C=C para proporcionar el producto alcano saturado. En la Figura se muestra una comparación de los diagramas de coordenadas de reacción (también conocidos como diagramas de energía) para hidrogenación de alquenos catalizada y no catalizada\(\PageIndex{1}\).

Figura\(\PageIndex{1}\): Esta gráfica compara las coordenadas de reacción para la hidrogenación de alquenos catalizada y no catalizada.

Se muestra una gráfica con la etiqueta, “Coordenada de reacción”, en el eje x y la etiqueta, “Energía”, en el eje y. Aproximadamente a la mitad del eje y, una porción corta de una curva cóncava negra hacia abajo que tiene una línea horizontal extendida desde ella a través de la gráfica. El extremo izquierdo de esta línea se etiqueta como “H subíndice 2 C es igual a C H subíndice 2 más H subíndice 2”. La curva cóncava negra hacia abajo se extiende hacia arriba para alcanzar un máximo cerca de la altura del eje y. El pico de esta curva está etiquetado como “Estado de transición”. Una flecha de doble cara se extiende desde la línea horizontal hasta el pico de la curva. Esta flecha está etiquetada como “Energía de activación de la reación no catalizada”. Desde el pico, la curva continúa hacia abajo hasta una segunda región aplanada horizontalmente muy por debajo del origen de la curva cerca del eje x. Esta región aplanada está sombreada en azul y está etiquetada como “H subíndice 3 C guión C H subíndice 3”. Se dibuja una flecha de doble cara desde la parte inferior de esta curva en el extremo derecho de la gráfica hasta la línea que se extiende a través de la gráfica por encima de ella. Esta flecha está etiquetada como “delta mayúscula H menor que 0: exotérmica”. Se dibuja una segunda curva con las mismas regiones aplanadas al inicio y al final de la curva. La altura de esta curva es aproximadamente dos tercios de la altura de la primera curva. Se dibuja una flecha de doble cara desde la línea horizontal que se origina en el lado izquierdo de la gráfica hasta el pico de esta segunda curva. Esta flecha está etiquetada como “Energía de activación de la reacción catalizada”.

Los catalizadores funcionan proporcionando un mecanismo de reacción alternativo que tiene una energía de activación menor que la que se encontraría en ausencia del catalizador. En algunos casos, el mecanismo catalizado puede incluir etapas adicionales, como se representa en los diagramas de reacción mostrados en la Figura\(\PageIndex{2}\) Esta energía de activación más baja da como resultado un aumento en la velocidad como se describe en la ecuación de Arrhenius. Obsérvese que un catalizador disminuye la energía de activación tanto para la reacción directa como para la inversa y, por lo tanto, acelera tanto la reacción directa como la inversa. En consecuencia, la presencia de un catalizador permitirá que un sistema alcance el equilibrio más rápidamente, pero no tiene ningún efecto sobre la posición del equilibrio como se refleja en el valor de su constante de equilibrio (ver el capítulo posterior sobre el equilibrio químico).

Figura\(\PageIndex{2}\): Este diagrama de energía potencial muestra el efecto de un catalizador sobre la energía de activación. El catalizador proporciona una ruta de reacción diferente con una energía de activación más baja. Como se muestra, la vía catalizada involucra un mecanismo de dos pasos (nótese la presencia de dos estados de transición) y una especie intermedia (representada por el valle entre los dos estados de transición).

Se muestra una gráfica con la etiqueta, “Extensión de la reacción”, que aparece en una flecha apuntando hacia la derecha debajo del eje x y la etiqueta, “Energía”, en una flecha que apunta hacia arriba justo a la izquierda del eje y. Aproximadamente una quinta parte del camino hacia arriba en el eje y, se muestra una porción muy corta, algo aplanada, tanto de una curva roja como de una azul. Esta región está etiquetada como “Reactivos”. Una curva cóncava roja hacia abajo se extiende hacia arriba para alcanzar un máximo cerca de la altura del eje y. Esta curva está etiquetada como “Vía no catalizada”. Desde el pico, la curva continúa hacia abajo hasta una segunda región aplanada horizontalmente a una altura de aproximadamente un tercio de la altura del eje y. Esta región aplanada está etiquetada como “Productos”. Se dibuja una segunda curva en azul con las mismas regiones aplanadas al inicio y al final de la curva. La altura de esta curva es de aproximadamente dos tercios de la altura de la primera curva y justo a la derecha de su máxima, la curva baja, luego se eleva hacia atrás y continúa una tendencia descendente a una altura menor, pero similar a la de la curva roja. Esta curva azul está etiquetada como “Vía catalizada”.

Ejemplo\(\PageIndex{1}\): Using Reaction Diagrams to Compare Catalyzed Reactions

Los dos diagramas de reacción aquí representan la misma reacción: uno sin catalizador y otro con un catalizador. Identificar qué diagrama sugiere la presencia de un catalizador, y determinar la energía de activación para la reacción catalizada:

 

En esta figura se muestran dos gráficas. Los ejes x están etiquetados, “Extensión de la reacción”, y los ejes y están etiquetados, “Energía (k J)”. Los ejes y se marcan de 0 a 50 en intervalos de cinco. En a, se muestra una curva azul. Comienza con un segmento horizontal aproximadamente a las 6. La curva luego se eleva bruscamente cerca de la mitad para alcanzar un máximo de aproximadamente 32 y de manera similar cae a otro segmento horizontal a aproximadamente 10. En b, la curva comienza y termina de manera similar, pero el máximo alcanzado cerca del centro de la gráfica es de sólo 20.

Solución

Un catalizador no afecta la energía del reactivo o producto, por lo que esos aspectos de los diagramas pueden ser ignorados; son, como esperaríamos, idénticos en ese sentido. Sin embargo, existe una diferencia notable en el estado de transición, que es claramente menor en el diagrama (b) que en (a). Esto indica el uso de un catalizador en el diagrama (b). La energía de activación es la diferencia entre la energía de los reactivos de partida y el estado de transición, un máximo en el diagrama de coordenadas de reacción. Los reactivos están a 6 kJ y el estado de transición es de 20 kJ, por lo que la energía de activación se puede calcular de la siguiente manera:

\[E_\ce{a}=\mathrm{20\:kJ−6\:kJ=14\:kJ} \label{12.8.1} \]

Ejercicio\(\PageIndex{1}\)

Determine cuál de los dos diagramas aquí (ambos para la misma reacción) implica un catalizador, e identifique la energía de activación para la reacción catalizada:

 

En esta figura se muestran dos gráficas. Los ejes x están etiquetados, “Extensión de la reacción”, y los ejes y se etiquetanc “Energía (k J)”. Los ejes y se marcan de 0 a 100 a intervalos de 10. En a, se muestra una curva azul. Comienza con un segmento horizontal aproximadamente a las 10. La curva luego se eleva bruscamente cerca de la mitad para alcanzar un máximo de aproximadamente 91, luego cae bruscamente a aproximadamente 52, de nuevo se eleva bruscamente a aproximadamente 73 y cae a otro segmento horizontal a aproximadamente 5. En b, la curva comienza y termina de manera similar, pero el primer pico alcanza aproximadamente 81, baja a aproximadamente 55, luego sube a aproximadamente 77 antes de caer a la región horizontal a aproximadamente 5.

Contestar

El diagrama (b) es una reacción catalizada con una energía de activación de aproximadamente 70 kJ.

Catalizadores Homogéneos

Un catalizador homogéneo está presente en la misma fase que los reactivos. Interactúa con un reactivo para formar una sustancia intermedia, que luego se descompone o reacciona con otro reactivo en una o más etapas para regenerar el catalizador original y formar el producto. Como una ilustración importante de la catálisis homogénea, considere la capa de ozono terrestre. El ozono en la atmósfera superior, que protege a la tierra de la radiación ultravioleta, se forma cuando las moléculas de oxígeno absorben la luz ultravioleta y experimentan la reacción:

\[\ce{3O2}(g)\xrightarrow{hv}\ce{2O3}(g) \label{12.8.2} \]

El ozono es una molécula relativamente inestable que se descompone para producir oxígeno diatómico por el reverso de esta ecuación. Esta reacción de descomposición es consistente con el siguiente mecanismo:

\ [\ ce {O3 ⟶ O2 + O\\
O + O3 ⟶ 2O2}\ etiqueta {12.8.3}\]

La presencia de óxido nítrico, NO, influye en la velocidad de descomposición del ozono. El óxido nítrico actúa como catalizador en el siguiente mecanismo:

\ [\ ce {NO} (g) +\ ce {O3} (g) ⟶\ ce {NO2} (g) +\ ce {O2} (g)\
\\ ce {O3} (g) ⟶\ ce {O2} (g) +\ ce {O} (g)\
\ ce {NO2} (g) +\ ce {O} (g) ⟶\ ce {NO} (g) +\ ce {O2} (g)\ etiqueta {12.8.4}\]

El cambio químico general para el mecanismo catalizado es el mismo que:

\[\ce{2O3}(g)⟶\ce{3O2}(g) \label{12.8.5} \]

El óxido nítrico reacciona y se regenera en estas reacciones. No se agota permanentemente; así, actúa como catalizador. La tasa de descomposición del ozono es mayor en presencia de óxido nítrico debido a la actividad catalítica del NO. Ciertos compuestos que contienen cloro también catalizan la descomposición del ozono.

Mario J. Molina

El Premio Nobel de Química de 1995 fue compartido por Paul J. Crutzen, Mario J. Molina (Figura\(\PageIndex{3}\)) y F. Sherwood Rowland “por su trabajo en química atmosférica, particularmente en lo que respecta a la formación y descomposición del ozono”. Molina, ciudadano mexicano, realizó la mayor parte de su trabajo en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT).

Figura\(\PageIndex{3}\): a) El químico mexicano Mario Molina (1943 —) compartió el Premio Nobel de Química en 1995 por su investigación sobre (b) el agujero de ozono antártico. (crédito a: cortesía de Mario Molina; crédito b: modificación de obra por parte de la NASA)

Se muestra una fotografía de Mario Molina. A la derecha de la foto, se muestra una imagen del hemisferio sur de la Tierra con una región circular central en color púrpura con un radio de aproximadamente la mitad del de todo el hemisferio. Justo afuera de esta región hay una estrecha banda azul real, seguida de una delgada banda exterior azul turquesa. La mayor parte de la región más externa es verde. Dos pequeñas bandas de color amarillo están presentes en las regiones inferiores de la imagen.

En 1974, Molina y Rowland publicaron un artículo en la revista Nature (una de las principales publicaciones revisadas por pares en el campo de la ciencia) detallando la amenaza de los gases clorofluorocarbonados para la estabilidad de la capa de ozono en la atmósfera superior de la tierra. La capa de ozono protege la tierra de la radiación solar al absorber la luz ultravioleta. A medida que las reacciones químicas agotan la cantidad de ozono en la atmósfera superior, se forma un “agujero” medible sobre la Antártida, y un aumento en la cantidad de radiación ultravioleta solar, fuertemente ligada a la prevalencia de cáncer de piel, llega a la superficie terrestre. El trabajo de Molina y Rowland fue fundamental en la adopción del Protocolo de Montreal, un tratado internacional firmado en 1987 que inició con éxito la eliminación gradual de la producción de productos químicos vinculados a la destrucción del ozono.

Molina y Rowland demostraron que los átomos de cloro de los productos químicos hechos por el hombre pueden catalizar la destrucción del ozono en un proceso similar al por el cual el NO acelera el agotamiento del ozono. Los átomos de cloro se generan cuando los clorocarbonos o clorofluorocarbonos, una vez ampliamente utilizados como refrigerantes y propulsores, se descomponen fotoquímicamente por la luz ultravioleta o reaccionan con radicales hidroxilo. Un mecanismo de muestra se muestra aquí usando cloruro de metilo:

\[\ce{CH3Cl + OH ⟶ Cl + other\: products} \nonumber \]

Los radicales de cloro descomponen el ozono y se regeneran mediante el siguiente ciclo catalítico:

\ [\ ce {Cl + O3 ⟶ ClO + O2}\
\\ ce {ClO + O ⟶ Cl + O2}\
\\ textrm {reacción general:}\ ce {O3 + O ⟶ 2O2}\ nonumber\]

Un solo cloro monoatómico puede descomponer miles de moléculas de ozono. Por suerte, la mayoría del cloro atmosférico existe ya que las formas catalíticamente inactivas forman Cl ₂ y ClONo ₂.

Deficiencia de glucosa-6-fosfato deshidrogenasa

Las enzimas en el cuerpo humano actúan como catalizadores de importantes reacciones químicas en el metabolismo celular. Como tal, una deficiencia de una enzima en particular puede traducirse en una enfermedad potencialmente mortal. La deficiencia de G6PD (glucosa-6-fosfato deshidrogenasa), una afección genética que resulta en una escasez de la enzima glucosa-6-fosfato deshidrogenasa, es la deficiencia enzimática más común en humanos. Esta enzima, mostrada en la Figura\(\PageIndex{4}\), es la enzima limitante de la velocidad para la vía metabólica que suministra NADPH a las células (Figura\(\PageIndex{5}\)).

Figura \(\PageIndex{4}\): La glucosa-6-fosfato deshidrogenasa es una enzima limitante de velocidad para la vía metabólica que suministra NADPH a las células.

Se muestra un modelo colorido de la estructura de glucosa-6-fosfato deshidrogenasa. La molécula tiene dos lóbulos distintos que están llenos de regiones en forma de cinta en espiral de amarillo, lavanda, azul, plata, verde y rosa.

Una interrupción en esta vía puede conducir a una reducción del glutatión en los glóbulos rojos; una vez que se consume todo el glutatión, las enzimas y otras proteínas como la hemoglobina son susceptibles al daño. Por ejemplo, la hemoglobina puede metabolizarse a bilirrubina, lo que lleva a la ictericia, condición que puede llegar a ser grave. Las personas que sufren de deficiencia de G6PD deben evitar ciertos alimentos y medicamentos que contienen sustancias químicas que pueden desencadenar daños en sus glóbulos rojos deficientes en glutatión.

Figura\(\PageIndex{5}\): En el mecanismo para la vía de pentosa fosfato, G6PD cataliza la reacción que regula NAPDH, una coenzima que regula el glutatión, un antioxidante que protege a los glóbulos rojos y otras células del daño oxidativo.

En esta figura se esquematiza un mecanismo de reacción. A la izquierda, al nombre Glucosa le sigue una flecha horizontal que apunta a la derecha, etiquetada como “Hexoquinasa”. Debajo de esta flecha y a la izquierda hay una forma de estrella amarilla etiquetada, “A T P.” Una flecha curva se extiende desde esta forma hasta la flecha que apunta hacia la derecha, y hacia abajo a la derecha hasta un pequeño óvalo marrón etiquetado como “A D P.” A la derecha de la flecha horizontal se encuentra el nombre Glucosa 6 fosfato, el cual es seguido por otra flecha horizontal, apuntando a la derecha que está etiquetada, “G 6 P D.” Un pequeño rectángulo naranja debajo y a la izquierda de esta flecha está etiquetado como “N A D P superíndice más”. Una flecha curva se extiende desde esta forma hasta la flecha que apunta hacia la derecha, y hacia abajo a la derecha hasta un pequeño rectángulo de color salmón etiquetado como “N A P D H.” Una flecha curva se extiende desde esta forma por debajo y hacia la izquierda, de nuevo al rectángulo naranja etiquetado, “N A D P superíndice más”. Otra flecha curva se extiende desde un óvalo verde etiquetado como “G S S G” debajo del rectángulo naranja, hasta la flecha que se curva de nuevo al rectángulo naranja. Esta última flecha curva continúa hacia la parte inferior derecha hasta un segundo óvalo verde etiquetado, “G S H.” El final de esta flecha curva está etiquetado como “Glutatión reductasa”. A la derecha de la flecha horizontal más a la derecha aparece el nombre 6 fosfogluconato.

Catalizadores heterogéneos

Un catalizador heterogéneo es un catalizador que está presente en una fase diferente (generalmente un sólido) que los reactivos. Dichos catalizadores generalmente funcionan proporcionando una superficie activa sobre la cual puede producirse una reacción. Las reacciones en fase gaseosa y líquida catalizadas por catalizadores heterogéneos ocurren en la superficie del catalizador en lugar de dentro de la fase gaseosa o líquida.

La catálisis heterogénea tiene al menos cuatro etapas:

1. Adsorción del reactivo sobre la superficie del catalizador
2. Activación del reactivo adsorbido
3. Reacción del reactivo adsorbido
4. Difusión del producto desde la superficie hacia la fase gaseosa o líquida (desorción).

Cualquiera de estos pasos puede ser lento y, por lo tanto, puede servir como el paso de determinación de la velocidad. En general, sin embargo, en presencia del catalizador, la velocidad global de la reacción es más rápida de lo que sería si los reactivos estuvieran en fase gaseosa o líquida.

La Figura\(\PageIndex{6}\) ilustra los pasos que los químicos creen que ocurren en la reacción de compuestos que contienen un doble enlace carbono-carbono con hidrógeno sobre un catalizador de níquel. El níquel es el catalizador utilizado en la hidrogenación de grasas y aceites poliinsaturados (que contienen varios dobles enlaces carbono-carbono) para producir grasas y aceites saturados (que contienen solo enlaces simples carbono-carbono).

Figura\(\PageIndex{6}\): Hay cuatro etapas en la catálisis de la reacción\(\ce{C2H4 + H2 ⟶ C2H6}\) por níquel. (a) El hidrógeno se adsorbe en la superficie, rompiendo los enlaces H-H y formando enlaces Ni—H. (b) El etileno se adsorbe en la superficie, rompiendo el enlace π y formando enlaces Ni—C. (c) Los átomos se difunden a través de la superficie y forman nuevos enlaces C—H cuando chocan. (d) Las moléculas C ₂ H ₆ escapan de la superficie del níquel, ya que no son fuertemente atraídas por el níquel.

En esta figura se muestran cuatro diagramas etiquetados de la a a la d. En cada uno, se muestra una superficie cuadrada verde en perspectiva para proporcionar una apariencia tridimensional. En a, la etiqueta “N i superficie” se coloca arriba con un segmento de línea que se extiende hasta el cuadrado verde. En la parte inferior izquierda y superior derecha aparecen pares de esferas blancas unidas más duras, así como esferas blancas en la superficie verde. Las flechas negras se dibujan desde cada una de las esferas blancas sobre la superficie hasta la esfera blanca en la superficie verde. En b, las esferas blancas siguen presentes en la superficie verde. Cerca del centro de esta superficie se encuentra una molécula con dos esferas negras centrales con un doble enlace indicado por dos varillas negras horizontales entre ellas. Arriba y abajo a la izquierda y a la derecha, un total de cuatro esferas blancas están conectadas a las esferas negras con varillas blancas. Un segmento de línea se extiende desde esta estructura hasta la etiqueta, “Etileno absorbido en la superficie rompiendo enlaces pi”. Justo encima de esto hay una estructura casi idéntica atenuada con tres flechas apuntando hacia abajo hacia la estructura en blanco y negro para indicar movimiento hacia abajo. La etiqueta “Etileno” en la parte superior del diagrama está conectada a la estructura gris con un segmento de línea. En c, el diagrama es muy similar a b excepto que la estructura gris y las etiquetas se han ido y una de las esferas blancas cercanas a la estructura en blanco y negro en cada par en la superficie verde está gris. Las flechas apuntan desde las esferas blancas grises hacia el doble enlace entre las dos esferas negras. En d, solo queda una sola esfera blanca de cada par en la superficie verde. Una flecha curva apunta desde la mitad de la superficie verde a un modelo anterior con dos esferas negras centrales con una sola varilla negra que indica un enlace sencillo entre ellas. Cada una de las varillas negras tiene tres pequeñas esferas blancas unidas como lo indican las varillas blancas entre las esferas negras y las pequeñas esferas blancas. Los cuatro enlaces alrededor de cada esfera negra se distribuyen uniformemente alrededor de las esferas negras.

Otros procesos industriales significativos que implican el uso de catalizadores heterogéneos incluyen la preparación de ácido sulfúrico, la preparación de amoníaco, la oxidación del amoníaco a ácido nítrico, y la síntesis de metanol, CH ₃ OH. También se utilizan catalizadores heterogéneos en los convertidores catalíticos que se encuentran en la mayoría de los automóviles impulsados por gasolina (Figura\(\PageIndex{7}\)).

Convertidores catalíticos para automóviles

Los científicos desarrollaron convertidores catalíticos para reducir la cantidad de emisiones tóxicas producidas por la quema de gasolina en motores de combustión interna. Los convertidores catalíticos aprovechan los cinco factores que afectan la velocidad de las reacciones químicas para garantizar que las emisiones de escape sean lo más seguras posible.

Al utilizar una mezcla cuidadosamente seleccionada de metales catalíticamente activos, es posible efectuar la combustión completa de todos los compuestos que contienen carbono a dióxido de carbono al tiempo que se reduce la producción de óxidos de nitrógeno. Esto es particularmente impresionante cuando consideramos que un paso implica agregar más oxígeno a la molécula y el otro implica eliminar el oxígeno (Figura\(\PageIndex{6}\)).

Figura\(\PageIndex{6}\): Un convertidor catalítico permite la combustión de todos los compuestos que contienen carbono a dióxido de carbono, al tiempo que reduce la producción de óxido de nitrógeno y otros contaminantes en las emisiones de los motores de combustión de gasolina.

Se muestra una imagen de un convertidor catalítico. En la parte superior izquierda, una flecha azul que apunta a una tubería que entra en una cámara más grande y ensanchada está etiquetada como “Emisiones sucias”. Una pequeña flecha negra que apunta hacia la parte inferior derecha se coloca a lo largo del lado superior izquierdo de la región ensanchada. Esta flecha está etiquetada como “Oxígeno adicional de la bomba de aire”. En la imagen se muestra el convertidor con la superficie superior quitada, exponiendo un interior rojizo marrón. La porción del convertidor más cercana a la entrada de emisiones sucias muestra componentes pequeños y redondos en una capa interior. Esta capa está etiquetada como “Catalizador de reducción de tres vías”. La región media muestra pequeñas varillas marrones estrechamente empaquetadas que están alineadas paralelas a la tubería de entrada de emisiones sucias. El último cuarto del interior del convertidor catalítico nuevamente muestra una capa de pequeños círculos de color marrón rojizo estrechamente empaquetados. Dos grandes flechas de color gris claro se extienden desde esta capa hasta la región abierta en la parte inferior derecha de la imagen hasta la etiqueta “Emisiones limpias”.

La mayoría de los convertidores catalíticos de tres vías modernos poseen una superficie impregnada con un catalizador de platino-rodio, que cataliza la conversión de óxido nítrico en dinitrógeno y oxígeno así como la conversión de monóxido de carbono e hidrocarburos como el octano en dióxido de carbono y vapor de agua:

\ [\ ce {2NO2} (g) ⟶\ ce {N2} (g) +\ ce {2O2} (g)\\ [5pt]
\ ce {2CO} (g) +\ ce {O2} (g) ⟶\ ce {2CO2} (g)\\ [5pt]
\ ce {2C8H18} (g) +\ ce {25O2} (g) ⟶\ ce {16CO2} (g) +\ ce {18H2O} (g)\ nonumber\]

Para ser lo más eficientes posible, la mayoría de los convertidores catalíticos son precalentados por un calentador eléctrico. Esto asegura que los metales en el catalizador estén completamente activos incluso antes de que el escape del automóvil esté lo suficientemente caliente como para mantener las temperaturas de reacción apropiadas.

Estructura y Función Enzimas

El estudio de las enzimas es una importante interconexión entre biología y química. Las enzimas suelen ser proteínas (polipéptidos) que ayudan a controlar la velocidad de reacciones químicas entre compuestos biológicamente importantes, particularmente aquellos que están involucrados en el metabolismo celular. Diferentes clases de enzimas realizan una variedad de funciones, como se muestra en la Tabla\(\PageIndex{1}\).

Hidrólisis ATP.”” data-quail-id="131" data-mt-width="1016">

Tabla\(\PageIndex{1}\): Clases de enzimas y sus funciones

Clase	Función
oxidorreductasas	Reacciones redox
transferasas	transferencia de grupos funcionales
hidrolasas	reacciones de hidrólisis
liasas	eliminación de grupos para formar dobles enlaces
isomerasas	isomerización
ligasas	formación de enlaces con hidrólisis de ATP

Las moléculas enzimáticas poseen un sitio activo, una parte de la molécula con una forma que le permite unirse a un sustrato específico (una molécula reaccionante), formando un complejo enzima-sustrato como intermedio de reacción. Hay dos modelos que intentan explicar cómo funciona este sitio activo. El modelo más simplista se conoce como la hipótesis de cerradura y llave, que sugiere que las formas moleculares del sitio activo y el sustrato son complementarias, encajando como una llave en una cerradura. La hipótesis del ajuste inducido, por otro lado, sugiere que la molécula enzimática es flexible y cambia de forma para acomodar un enlace con el sustrato. Esto no sugiere que el sitio activo de una enzima sea completamente maleable, sin embargo. Tanto el modelo de bloqueo y llave como el modelo de ajuste inducido explican el hecho de que las enzimas solo pueden unirse con sustratos específicos, ya que en general una enzima particular solo cataliza una reacción particular (Figura\(\PageIndex{7}\)).

Figura\(\PageIndex{7}\): (a) Según el modelo de cerradura y llave, la forma del sitio activo de una enzima es un ajuste perfecto para el sustrato. (b) Según el modelo de ajuste inducido, el sitio activo es algo flexible y puede cambiar de forma para unirse con el sustrato.

Se muestra un diagrama de dos posibles interacciones de una enzima y un sustrato. En una, que está etiquetada como “Lock-and-Key”, se muestran dos diagramas. El primero muestra una forma de cuña verde con dos pequeñas depresiones en la superficie superior de tamaño similar, pero la depresión de la izquierda tiene una forma curva, y la depresión de la derecha tiene una forma puntiaguda. Esta forma verde está etiquetada como “Enzima”. Justo encima de esta forma hay dos formas de lavanda más pequeñas, irregulares, cada una con una proyección desde su superficie inferior. La forma lavanda de la izquierda tiene una proyección curva que coincide con la forma de la depresión de la izquierda en la forma verde de abajo. Esta proyección es de color naranja sombreado y tiene una flecha curva que se extiende desde adentro hasta la depresión coincidente en la forma verde de abajo. De igual manera, la forma lavanda de la derecha tiene una proyección con una punta puntiaguda que coincide con la forma de la depresión de la derecha en la forma verde de abajo. Esta proyección es de color naranja sombreado y tiene una flecha curva que se extiende desde adentro hasta la depresión coincidente en la forma verde de abajo. Dos segmentos de línea se extienden desde las depresiones en forma verde para formar una forma de V invertida por encima de las depresiones. Por encima de esto y entre las formas de lavanda está la etiqueta, “El sitio activo es la forma adecuada”. La etiqueta “Sustratos” se encuentra en la parte superior del diagrama con segmentos de línea que se extienden a las dos formas de lavanda. A la derecha de este diagrama hay un segundo diagrama que muestra las formas de lavanda posicionadas una al lado de la otra, encajan cómodamente en las depresiones en la forma verde, que se etiqueta como “Enzima”. Encima de este diagrama está la etiqueta, “Complejo de sustrato formado”. En b, que se etiqueta “Ajuste inducido”, se muestran dos diagramas. El primero muestra una forma de cuña verde con dos pequeñas depresiones en la superficie superior de tamaño similar, pero de forma irregular. Esta forma verde está etiquetada como “Enzima”. Justo encima de esta forma hay dos formas irregulares de lavanda más pequeñas cada una con una proyección desde su superficie inferior. La forma lavanda de la izquierda tiene una proyección curva. Esta proyección es de color naranja sombreado y tiene una flecha curva que se extiende desde ella hasta la depresión irregular justo debajo de ella en la forma verde de abajo. De igual manera, la forma lavanda de la derecha tiene una proyección con punta puntiaguda. Esta proyección es de color naranja sombreado y tiene una flecha curva que se extiende desde ella hasta la depresión irregular justo debajo de ella en la forma verde de abajo. Dos segmentos de línea se extienden desde las depresiones en forma verde para formar una forma de V invertida por encima de las depresiones. Por encima de esto y entre las formas de lavanda está la etiqueta, “El sitio activo cambia para encajar”. La etiqueta, “Sustratos” se encuentra en la parte superior del diagrama con segmentos de línea que se extienden a las dos formas de lavanda. A la derecha de este diagrama hay un segundo diagrama que muestra las formas moradas posicionadas una al lado de la otra, encajan cómodamente en las depresiones en la forma verde, que se etiqueta como “Enzima”. Encima de este diagrama se encuentra la etiqueta “Complejo de sustrato formado”. Las proyecciones de las formas de lavanda coinciden con las formas de depresión en la forma verde, lo que resulta en un ajuste adecuado.

Resumen

Los catalizadores afectan la velocidad de una reacción química al alterar su mecanismo para proporcionar una menor energía de activación. Los catalizadores pueden ser homogéneos (en la misma fase que los reactivos) o heterogéneos (una fase diferente a los reactivos).

Notas al pie

1. “El Premio Nobel de Química 1995”, Premio Nobel de Química, consultado el 18 de febrero de 2015, Premios Nobel de Química [www.nobelprize.org].

Glosario

catalizador heterogéneo

catalizador presente en una fase diferente de los reactivos, proporcionando una superficie en la que puede ocurrir una reacción

catalizador homogéneo

catalizador presente en la misma fase que los reactivos