Bioquímica 7: cinética enzimática

En la entrada anterior, se habló sobre los distintos tipos de catálisis que podemos encontrar en las enzimas. Para seguir la actividad de una enzima y poder desarrollar inhibidores eficaces, ver cuál es la temperatura, el pH y otras variables físicoquímicas que determinan el ambiente óptimo para su máxima funcionalidad; los bioquímicos empleamos una serie de ecuaciones y representaciones de la cinética de la reacción.
Estas representaciones miden la velocidad (no en parámentros termodinámicos) de la reacción en presencia o ausencia de inhibidores, variando las distintas condiciones del medio.

Propongamos los siguientes supuestos:

  1. [S]>>[E] Esto quiere decir que la concentración de sustrato es mucho mayor que la de enzima.
    Mediremos la concentración de los intermediarios de reacción (complejo enzima-sustrato), a lo largo del tiempo disminuirá la concentración de enzima libre al haber exceso de sustrato. Entonces aparecerá el complejo enzima-sustrato ES.
  2. Estado estacionario: Llegamos al punto en que la concentración ES permanece constante, aunque la velocidad de aparición del producto sea lineal con el tiempo.
    A medida que pasa el tiempo, existe la posibilidad que el complejo enzima-producto EP sufra la reacción inversa en dirección al complejo ES.
    Este momento estacionario, en el que el que la concentración ES permanece constante es muy interesante para determinar cuál es la velocidad de la reacción, sirve para analizar con qué rapidez aparece el producto y la velocidad de formación del complejo ES es la misma que la de su desaparición al obtenerse el producto.
  3. Velocidad inicial: Es a la cual aparecen los primeros productos.

En términos matemáticos, en el estado estacionario la diferencia de la concentración ES en función del tiempo es igual a 0. Por lo tanto, se determina que [ES] es constante.

ec 1La velocidad de formación del complejo es la misma que la de desaparición.
Velocidad de formación V

ec 2

ec 3

De donde se obtiene:

Tema07-01-Vel-inicial

Tema07-02Vel-reaccion

Mediante los valores de la inversa, se consigue “linearizar” la gráfica.

Tema07-03Mickaelis-Menten

Y significa:
k1 es la constante de aparición del complejo ES a partir de E+S, k2 es la de aparición del complejo EP a partir de ES. k-1 es la constante de disociación del complejo EP en dirección a ES.

Hay dos sumandos en el denominador de la ecuación de la velocidad inicial, que se pueden eliminar cuando la concentración de sustrato es muy alta. La velocidad es la máxima y el término KM (constante de Michaelis-Menten) se desprecia.

  1. Cinética de orden cero: es independiente de la concentración de sustrato. Si [S] es muy alta, entonces la velocidad inicial es igual a la velocidad máxima. Por lo tanto, S >>KM
  2. Cinética de orden 1: es directamente proporcional a la concentración de sustrato. Si [S] es muy bajo. Entonces, la velocidad inicial es igual a la velocidad máxima dividida por la KM. Por lo tanto, S <<KM
  3. Caso intermedio: la concentración de sustrato es igual en valor a la KM y por ello, La velocidad inicial V0 = ½ VMax

En la mayor parte de las enzimas, k2 es muy pequeño. Eso quiere decir que el complejo ES se unen y separan muy rápidamente y de vez en cuando aparece el producto.
El valor de KM se puede interpretar en términos de la afinidad de la enzima por el sustrato y es lo que normalmente se enseña en las asignaturas de Bioquímica (esto no es del todo cierto y recomiendo leer la versión avanzada de esta entrada en el apartado Enzimología).

Significados de la KM

  • Concentración de sustrato necesario para que la velocidad sea la mitad de la máxima.
  • Las Dimensiones de KM está en función de la concentración de sustrato.
  • Es una medida inversa de la “afinidad de la enzima por el sustrato”.
  • KM es independiente de la concentración de enzima y de sustrato.
  • Puede variar si se modifican parámetros fisicoquímicos como el pH, la temperatura, la adición de inhibidores, etc.
  • Se refiere a la dependencia del centro ligante.

VMax:
La velocidad de la aparición del producto depende del proceso más lento.
VMax = Kcatalítica [E]; Esa k debe ser la de menor magnitud de todas y es el paso limitante.

Significado:

  • Es la velocidad de la reacción cuando la enzima está saturada.
  • Es independiente de [S], pero es dependiente de la [E] porque si tengo una enzima saturada y se añade más enzima, entonces el proceso final irá más rápido.
  • Kcatalítica (constante catalítica) es la del paso más lento y también se conoce como número de turnover, o número de recambio.
  • Se refiere a la dependencia del centro catalítico

Los inhibidores son sustancias que modifican parámetros cinéticos KM y Vmax que pueden aportar conclusiones acerca de la cinética de estos sistemas. En el siguiente tema hablaremos de ellos.

REFERENCIAS
D. L. Nelson, M. M. Cox. Lehninger Principles of Biochemistry. 5th edition, 2008. Ed. Freeman.
Voet, Voet. Bioquímica 3rd edition, 2006. Ed. Médica Panamericana.

Enlace: lecciones de Bioquímica.

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