Cinética enzimática y mecanismo

Las enzimas son catalizadores biológicos que aceleran las reacciones químicas en los organismos vivos. Comprender cómo funcionan implica estudiar tanto su cinética como su mecanismo. La cinética enzimática se refiere a las tasas de las reacciones catalizadas por enzimas y a cómo diversos factores afectan estas tasas. Comprender el mecanismo enzimático requiere conocimiento sobre los pasos específicos del proceso catalítico.

Conceptos básicos de la catálisis enzimática

Las enzimas son proteínas que actúan sobre sustratos específicos para catalizar una reacción particular. El lugar donde los sustratos se unen se conoce como el sitio activo. Esta unión suele ser muy específica, como una llave encaja en una cerradura. Todo el proceso se puede resumir de la siguiente manera:

E + S ↔ ES → E + P

Aquí, E es la enzima, S es el sustrato, ES es el complejo enzima-sustrato, y P es el producto. Después de la reacción, la enzima está libre para catalizar otra reacción.

Cinética de Michaelis-Menten

La cinética de Michaelis-Menten es un modelo que describe el comportamiento cinético de muchas enzimas. La tasa de la reacción enzimática depende de la concentración del sustrato. La ecuación que representa este modelo es:

v = (Vmax [S]) / (Km + [S])

Aquí, v es la velocidad de reacción, Vmax es la velocidad máxima de reacción, [S] es la concentración del sustrato, y Km (constante de Michaelis) es una medida de la concentración del sustrato a la cual la velocidad de reacción es la mitad de Vmax.

Este modelo asume que la formación y desintegración del complejo ES están en equilibrio y que el paso de formación de producto es el paso limitante de la velocidad.

Esta ilustración muestra un típico gráfico de Michaelis-Menten donde la velocidad de reacción v aumenta con el aumento de la concentración de sustrato y finalmente alcanza una velocidad máxima Vmax.

Factores que afectan la actividad enzimática

La actividad enzimática puede verse afectada por varios factores:

• Temperatura: Aumentar la temperatura generalmente incrementa la velocidad de reacción hasta un punto llamado temperatura óptima de la enzima. Más allá de esto, las enzimas pueden desnaturalizarse y perder su actividad.
• pH: Cada enzima tiene un rango de pH óptimo. Las desviaciones pueden llevar a una disminución de la actividad porque afectan los grupos cargados necesarios para la unión del sustrato.
• Concentración de sustrato: Concentraciones más altas aumentan las velocidades hasta el punto de saturación, después del cual aumentos adicionales en el sustrato no afectan la velocidad, como se muestra en el gráfico de Michaelis-Menten.
• Inhibidores: Compuestos que reducen la actividad enzimática interfiriendo con la unión del sustrato o reduciendo el número de recambio de la enzima. Existen inhibidores competitivos, no competitivos y acompetitivos.

Inhibición enzimática

La inhibición enzimática es un proceso en el cual la actividad de una enzima es ralentizada o detenida por otra molécula. Es importante para regular la actividad enzimática en una ruta.

Tipos de inhibición

Inhibición competitiva: En este tipo, el inhibidor compite directamente con el sustrato por el sitio activo de la enzima. La presencia del inhibidor competitivo se puede superar aumentando la concentración del sustrato. La ecuación de Michaelis-Menten para la inhibición competitiva se modifica de la siguiente manera:

v = (Vmax [S]) / (αKm + [S])

donde α = 1 + [I]/Ki y Ki es la constante del inhibidor, y [I] es la concentración del inhibidor.

Inhibición no competitiva: El inhibidor se une a un sitio distinto del sitio activo, causando una disminución en la velocidad máxima de reacción Vmax, pero no tiene efecto en la unión del sustrato. La ecuación se convierte en:

v = (Vmax/α) [S] / (Km + [S])

Aquí, α afecta directamente a Vmax.

Mecanismo enzimático

Entender el mecanismo enzimático implica conocer cómo las enzimas estabilizan los estados de transición, su arquitectura del sitio activo y la cinética de conversión del sustrato en producto. Hay varias formas de hacer esto:

Catalizadores covalentes

En la catálisis covalente, la enzima forma un enlace covalente transitorio con el sustrato, facilitando así el proceso catalítico. Esto implica un paso adicional donde se forma un intermediario covalente antes de descomponerse en el producto:

E + S ↔ ES ↔ EX → E + P

Aquí, EX denota el intermediario covalente.

Catalizador ácido-base

Este mecanismo implica la transferencia de protones entre la enzima y el sustrato. Enzimas como la lisozima usan residuos ácidos y básicos para estabilizar los estados de transición y facilitar el rompimiento de enlaces.

Catalisis por iones metálicos

Algunas enzimas requieren cofactores de iones metálicos para su actividad. Los iones metálicos pueden estabilizar intermediarios cargados negativamente, actuar como catalizadores electrofílicos o unir sustratos a enzimas.

Reacciones multiesustrato

Muchas enzimas catalizan reacciones que involucran dos o más sustratos. Estas enzimas pueden funcionar a través de uno de dos mecanismos:

Reacciones secuenciales: Ambos sustratos deben unirse a la enzima antes de que se liberen productos. Los mecanismos secuenciales ordenados requieren que los sustratos se unan en un orden específico.

E + S1 → ES1 ↔ ES1S2 → E + P1 + P2

Reacciones ping-pong: Uno o más productos se liberan antes de que todos los sustratos se hayan unido a la enzima. La enzima cambia entre dos estados durante el proceso.

E + S1 ↔ E'P1 → E' → E + P2

Conclusión

Comprender la dinámica y los mecanismos de las enzimas es importante en bioquímica porque las enzimas son vitales para la vida. Están involucradas en la digestión, el metabolismo, la replicación del ADN y muchos otros procesos. Al estudiar las enzimas, los científicos pueden desarrollar medicamentos que inhiben o activan enzimas, mejorando así la salud humana.

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