Cinética Enzimática y Regulación: Un Vistazo Molecular

Mecanismos Moleculares de Regulación Enzimática

Permiten la adaptación de la actividad a necesidades fisiológicas, estados del desarrollo o condiciones ambientales.

Tipos de Regulación

• Regulación rápida
  • Control alostérico (inhibición o activación)
  • Modificación covalente
    • Reversible
    • Irreversible
• Regulación lenta
  • Control de la disponibilidad y de la vida media de la enzima
• Regulación temporal/especial
  • Utilización de isoenzimas

Enzimas Alostéricas

Contienen varios centros de unión y varias subunidades.

• Centros activos
• Centros reguladores

Efecto Alostérico

• Homotrópico
  • Entre centros activos equivalentes - Cooperatividad
    • Curvas sigmoides
    • No siguen la cinética de Michaelis-Menten
• Heterotrópico
  • Efecto de centros reguladores sobre centros activos
    • Inhibición (disminuye la actividad)
    • Activación (aumenta la actividad)

Inhibición Enzimática

Inhibición: Disminución de la actividad de una enzima por acción de un inhibidor.

• Irreversible
  • El inhibidor se une fuertemente a la enzima
  • Ejemplos:
    • La ampicilina: Modifica covalentemente una transpeptidasa responsable de la síntesis de la pared celular bacteriana.
    • La aspirina: Modifica covalentemente una ciclooxigenasa que produce señales inflamatorias.
• Reversible
  • El inhibidor se une a la enzima por enlaces débiles, y el complejo EI se encuentra en equilibrio con las formas libres (E e I)

Regulación de Rutas Metabólicas

• Control a nivel de sustrato
  • La acumulación de producto inhibe la acción de la enzima que lo genera.
    Glucosa + ATP ^Hexoquinasa Glucosa-6-P + ADP = Inhibición
• Control por retroinhibición
  • El producto final de una ruta inhibe el primer paso de la ruta.
    A → B → C → D → N = Retroinhibición

Modificación Covalente

• Irreversible
  • Activación por rotura proteolítica de precursores inactivos (zimógenos)
    • Enzimas de la digestión
    • Cascada de coagulación
    • Activación de caspasas en la apoptosis
• Reversible
  • Unión covalente de un grupo químico que altera las propiedades catalíticas de la enzima.
    • Fosforilación-desfosforilación
    • Oxidación-reducción
    • Acetilación-desacetilación

Modelo Cinético de Michaelis-Menten

Relaciona la velocidad de catálisis con la concentración de sustrato. Parte de los siguientes supuestos:

1. P no se convierte en S. Es cierto cuando [P] es muy baja (al inicio de la reacción). Consideramos velocidades iniciales (V₀).
2. k₂ << k_-1 y k₁. Se alcanza el estado estacionario [ES] se considera constante.
3. [E] << [S]. [S] ≈ [S]_inicial

Representación de la Ecuación de Michaelis

• Se representan valores de velocidad inicial, V₀, para distintos valores de concentración inicial de sustrato [S]₁, [S]₂, etc.
• V₀ aumenta al aumentar [S], hasta llegar a la saturación ([ES] ≈ [E]_total, se alcanza V_max).
• K_M representa la [S] para la cual se alcanza la mitad de la V_max.
• V_max es un valor asintótico (se alcanza para [S] = ∞). No se puede obtener de la representación hiperbólica.

Linealización de la Ecuación de Michaelis

• Para determinar V_max y K_M con precisión se utiliza una versión lineal de la ecuación de Michaelis.
• Representación de Lineweaver-Burk (o de dobles inversos).

Significado de la K_M

• Dos formas de definir K_M:
  • K_M es la [S] para la cual V₀ = ½ V_max. Nos dice cuál es la [S] necesaria para que ocurra una catálisis significativa.
  • Cuando k₂ < k_-1, K_M ≈ K_S (constante de disociación del complejo ES).
    K_M = (k_-1 + k₂) / k₁ = K_S = ([E][S])/[ES] = k_-1/k₁. Nos informa de la afinidad de la enzima por el sustrato (si K_M es grande, K_S es grande y la afinidad es pequeña, y viceversa).
• K_M tiene unidades de concentración (M).
• Para una enzima determinada, K_M varía dependiendo del sustrato y de las condiciones (pH, temperatura, fuerza iónica).

Significado de V_max y de k₂ (k_cat)

• La V_max permite determinar el número de recambio de la enzima.
• Número de recambio = k_cat = número de moléculas de sustrato convertidas en producto por unidad de tiempo y por cada molécula de enzima, en condiciones de saturación.

Eficacia Catalítica (k_cat / K_M)

• En condiciones fisiológicas las enzimas no se encuentran saturadas ([S] < K_M).
• En estas condiciones:
  • Constante de velocidad para la interacción entre E y S.
  • Representa la eficacia catalítica de la enzima.
  • Sirve para comparar la preferencia de una enzima por diferentes sustratos.
• Unidades: M^-1s^-1.

Punto Isoeléctrico (pI)

• pI es el valor de pH para el cual la carga neta del aminoácido es 0.
• A pH < pI, la carga neta es positiva.
• A pH > pI, la carga neta es negativa.
• A pH = pI, la carga neta = 0. La solubilidad en agua es menor.
• El pI se calcula como el valor medio de los pKa que flanquean la especie con carga neta cero.
  • Para aminoácidos neutros es el valor medio de los pK₁ y pK₂.
  • Para aminoácidos ácidos o básicos, depende de cada caso.

El Agua

El agua es el medio donde se desarrolla la vida.

• Fluido básico de la materia viva.
• Medio disolvente de las reacciones bioquímicas.
• Medio de transporte de sustancias:
  • Transporte de nutrientes.
  • Excreción de sustancias tóxicas.
• Regulador de condiciones físicas (temperatura).

Propiedades

Se deben a su estructura molecular.

• Propiedades químicas
  • Propiedades como disolvente:
    • Polaridad
    • Efecto hidrofóbico. Posibilita enlaces débiles.
• Propiedades físicas
  • Elevado calor específico. Ayuda a mantener la temperatura.
  • Presión osmótica. Ayuda a mantener la forma.

Estructura Molecular

• Hibridación sp³ del oxígeno.
  • Estructura tetraédrica.
  • Geometría no lineal.
• Distinta electronegatividad de O e H.
• Molécula polar.
  • Distribución asimétrica de los electrones de enlace.
  • Carga parcial + (δ+) cerca de los H y – (δ-) cerca del O.
  • Capacidad de formar enlaces de hidrógeno.