Cinética y regulación enzimática: Km, Vmax, inhibidores y mecanismos de control

Conceptos clave sobre enzimas

Km o constante de Michaelis‑Menten: mide la afinidad de la enzima por el sustrato. A mayor Km, menor afinidad, es decir, más tiempo o mayor concentración de sustrato se requiere para que la enzima se una efectivamente al sustrato.

Vmax: velocidad máxima que alcanza la reacción cuando la enzima está totalmente saturada por el sustrato.

Número de recambio (kcat): número de moléculas de sustrato transformadas en producto por unidad de tiempo por cada molécula de enzima cuando esta está totalmente saturada de sustrato.

Unidad de actividad enzimática: cantidad de enzima que cataliza la conversión de 1 micromol de sustrato en producto por minuto.

Grupo prostético: parte no proteica que forma parte de la estructura de la holoenzima y es necesaria para su actividad catalítica.

Inhibidores

Definición: Son moléculas que tienen la capacidad de interferir con el proceso catalítico de la enzima, disminuyendo o interrumpiendo su actividad.

Inhibidores irreversibles

Reaccionan covalentemente con la enzima, inactivándola de forma permanente; no se separan bajo condiciones fisiológicas normales.

Inhibidores reversibles

Se unen a la enzima mediante enlaces no covalentes y, en condiciones adecuadas, pueden ser desplazados. Existen dos tipos principales:

• Competitivos: suelen parecerse al sustrato y compiten reversiblemente por el centro activo. Afectan al Km aparente (lo aumentan) pero no a la Vmax. Altas concentraciones de sustrato pueden superar la inhibición.
• No competitivos (o inhibición no competitiva clásica): el inhibidor se une a un sitio distinto al centro activo (puede unirse tanto a la enzima libre como al complejo enzima‑sustrato). La unión no altera el Km aparente pero sí disminuye la Vmax.

¿Qué es una enzima alostérica?

Son proteínas que presentan estructura cuaternaria. Además de sus centros catalíticos, poseen sitios alostéricos o reguladores donde se unen metabolitos que actúan como señales reguladoras. La unión de los efectores a estos sitios es reversible, no covalente y específica.

• Efectores positivos (activadores).
• Efectores negativos (inhibidores).

Estas enzimas se desvían del comportamiento de la ecuación de Michaelis‑Menten y presentan cinética sigmoidal: a bajas concentraciones de sustrato (S) la actividad es menor que la predicha por la cinética de Michaelis‑Menten; a partir de cierta [S] se observa un aumento pronunciado de la velocidad enzimática hasta la saturación.

Activación proteolítica

Proceso por el cual una enzima o precursor proteico se transforma en su forma activa mediante la escisión proteolítica de fragmentos específicos. Muchas enzimas digestivas y hormonas se sintetizan como precursores inactivos y requieren este procesamiento.

Ejemplo: insulina: secreción como preproinsulina (forma inicial), procesamiento a proinsulina (con tres regiones) y finalmente a insulina activa. La insulina madura presenta enlaces disulfuro entre residuos de cisteína: en total se forman tres puentes de disulfuro (dos entre cadenas y uno intracatenario).

¿Qué es un zimógeno (proenzima)?

Los zimógenos son proenzimas que se encuentran en forma de precursores inactivos. No catalizan reacciones químicas hasta que sufren un cambio bioquímico (generalmente proteolítico) que las convierte en enzimas activas.

Efecto de la temperatura y del pH en las enzimas

Las enzimas tienen una temperatura y un pH óptimos en los cuales su actividad catalítica es máxima. Estos parámetros influyen en la actividad enzimática:

• Temperatura: al aumentar la temperatura, la velocidad de reacción suele aumentar porque las moléculas se mueven más rápido; sin embargo, si se supera cierta temperatura la enzima se desnaturaliza y pierde su conformación tridimensional y su función.
• pH: valores extremos de pH pueden causar desnaturalización. Un pequeño cambio de pH puede ser reversible y la enzima puede recuperar su estructura y actividad; grandes variaciones respecto al pH óptimo pueden destruir la estructura de la enzima de forma irreversible.

Cinética enzimática

La cinética enzimática es el estudio de la velocidad de las reacciones químicas catalizadas por enzimas según diferentes factores (temperatura, concentración de sustrato, presencia de inhibidores, etc.). La velocidad de una reacción permite conocer la cantidad de sustrato consumido o de producto formado por unidad de tiempo.

Energía de activación

La energía de activación es la energía necesaria para que un sustrato adopte las condiciones óptimas y forme el complejo activado que le permita convertirse en producto. Las enzimas reducen la energía de activación requerida, acelerando la reacción.

Velocidad de reacción

La velocidad de reacción es la rapidez con la que se forman los productos. Cada molécula que aparece como producto implica la desaparición de una molécula de reactivo correspondiente. En general, la velocidad es proporcional a la concentración de sustrato dentro del rango en el que la enzima no está saturada.

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