Las enzimas y las proteínas en general son sistemas dinámicos. Su estructura o conformación cambia con el tiempo. Por supuesto, cada objeto mecánico lo hace hasta cierto punto, pero en el caso de las proteínas, su dinámica estructural es esencial para que puedan realizar su función biológica. En primer lugar, tienen que plegarse para funcionar, pero su interconversión entre diferentes formas plegadas también suele estar implícita en su función biológica.
Dado que las enzimas son un grupo de átomos unidos entre sí, se puede obtener una forma de pensar sobre sus diferentes conformaciones suponiendo que los enlaces covalentes entre los átomos son rígidos, así como los ángulos de enlace. Entonces se obtendrá una descripción natural del espacio conformacional de la enzima mediante todas las combinaciones posibles de rotaciones alrededor de tales enlaces. Esta forma de pensar acerca de la estructura molecular debería ser familiar si alguna vez jugaste con el tipo de kits de construcción de moléculas que usan para las clases de química
La teoría Ergódica relaciona la forma en que los sistemas dinámicos cambian con el tiempo, con un espacio de estados que describe todos los diferentes estados posibles en los que puede estar el sistema. En términos generales, un sistema dinámico es ergódico con respecto a alguna propiedad, si el promedio de esta propiedad es lo mismo en escalas de tiempo largas, ya que es en todo el estado-espacio. Esto está estrechamente relacionado con la cuestión de si es importante para su comportamiento a largo plazo, que establece el comienzo del sistema.
Las enzimas se sintetizan de forma lineal y luego se pliegan formando un pliegue funcional compacto. Es esencial para su funcionalidad que se pliegue así, por lo que es terriblemente interesante entender qué condiciones teóricas lo facilitan. La teoría Ergodic puede proporcionar ideas sobre esto.
Por otro lado, Anfinsen ha demostrado que las pequeñas proteínas globulares tienden a plegarse en el mismo pliegue después de la desnaturalización suave. Esto nos da alguna pista sobre algunas condiciones para las cuales no parece importar dónde comienza el enzima en el espacio de estado.
Por el contrario, en el entorno atestado de una célula, las proteínas desplegadas tienden a agregarse. La agregación no controlada es peligrosa para la célula, pero bajo las condiciones correctas (o incorrectas), las conformaciones agregadas pueden dominar el espacio de estado. Una vez más, es terriblemente interesante comprender los factores que pueden prohibir la transición de la enzima funcional al agregado enzimático. La teoría ergódica puede, en principio, ayudar a comprender bajo qué condiciones la forma agregada no es “accesible” desde la forma funcional.
¿Cómo puede Km ([S] necesario para Vmax / 2) ser constante mientras que Vmax no?
¿Hay ejemplos de enzimas mutadas que retienen su afinidad de ligando sin actividad catalítica?
Para que una proteína sea una enzima, ¿qué característica especial debería tener?
¿Qué son las enzimas no hidrolíticas?
¿Cómo la salinidad del ambiente afecta la velocidad de reacción de una enzima?
Como otro lado, se puede mencionar que las células tienen sistemas complejos para reconocer y degradar proteínas desplegadas.
Más importante aún, la teoría ergódica tiene aplicación en el modelado de la dinámica enzimática. Usando simulaciones por computadora (simulaciones de dinámica molecular), se puede seguir la evolución temporal de un modelo de enzima y se pueden promediar las propiedades. Para la validación y calibración de dichos modelos de proteínas, los promedios se comparan con los experimentos. La mayoría de los experimentos a nuestra disposición no pueden realizarse en una sola enzima, sino que son promedios sobre muchos (por ejemplo, técnicas espectroscópicas). Es decir, son promedios en algún espacio de estado. Si uno puede asumir razonablemente la ergodicidad, justifica esta comparación de promedios de tiempo de la simulación con promedios espaciales del experimento.
Otro ejemplo es el modelado de espacio de estado. Una simulación de Monte Carlo explora explícitamente el espacio conformacional de la enzima, generando diferentes conformaciones y calculando su probabilidad relativa. En principio, se puede estimar cómo será la fracción grande de la enzima en cada conformación, si se puede asumir la ergodicidad. De lo contrario, si importa en qué conformación comienza la enzima, algunas conformaciones podrían ser completamente irrelevantes para la enzima real.
Las enzimas se modelan típicamente con simulaciones de Molecular Dynamics o Monte Carlo en concentraciones extremadamente bajas, y en condiciones idealizadas de otro modo. La ergodicidad se suele suponer, pero por lo general no está rigurosamente probada para nada más que los sistemas más simples.