Fundamentos de Enzimología: Mecanismos, Cinética y Clasificación

Enzimología: Conceptos Fundamentales

¿Qué son las enzimas?

Las enzimas poseen uno o más sitios activos ubicados en la superficie de su estructura, donde llevan a cabo la catálisis. Cada molécula de sustrato se une a su sitio activo de manera específica y, luego de su transformación en producto, la enzima es liberada nuevamente al medio. Es importante destacar que la enzima no se destruye, no desaparece ni sufre cambios permanentes durante el proceso catalítico.

Energía de Activación

Antes de que se puedan formar los productos (H₂O y O₂), el H₂O₂ debe alcanzar un cierto nivel de energía:

• Energía de activación: Es una barrera que deben vencer las moléculas de reactivo antes de convertirse en producto.
• Una reacción sin enzima tendrá una mayor energía de activación.
• Una reacción con enzima tendrá una menor energía de activación.

En la cima de la barrera, el reactivo se encuentra en su Estado de Transición: un espacio energético inestable de corta duración, que tiene la misma probabilidad de regresar al sustrato (S) o transformarse en producto (P).

Aceleración de la Velocidad de Reacción

A 37 °C, una pequeña fracción de moléculas de sustrato puede ganar suficiente energía por colisiones para reaccionar. Para aumentar la velocidad de reacción, se puede optar por:

1. Aumentar la temperatura.
2. Añadir un catalizador (ej. iones de Fe u otros), aumentando la velocidad hasta 30,000 veces.
3. Añadir una enzima (ej. catalasa), aumentando la velocidad hasta 100,000,000 de veces.

La enzima actúa formando un complejo transitorio con el reactivo, estabilizando así el estado de transición.

Componentes Enzimáticos

• Cofactor/Coenzima: Algunas enzimas necesitan, además del componente proteico, una coenzima o cofactor. Puede ser una molécula orgánica, organometálica o un ion metálico (Zn, Mg, Cu).
• Grupo prostético: Se utiliza para definir una coenzima (cofactor) que se encuentra unida covalentemente a la proteína.
• Holoenzima: Es el empacado molecular completo de proteína y cofactor.
• Apoenzima: Es la holoenzima sin el cofactor (la parte proteica).

Clasificación de las Enzimas

• Oxidorreductasas: Transferencia de electrones en forma de iones hidruro o hidrógeno (ej. lactato a piruvato).
• Transferasas: Transferencia de grupos funcionales entre moléculas (ej. movimiento de nucleótidos).
• Hidrolasas: Ruptura de enlaces por hidrólisis.
• Liasas: Formación de dobles enlaces por eliminación de grupos o adición de grupos a un doble enlace.
• Isomerasas: Transferencia de grupos dentro de una molécula para dar formas isoméricas.
• Ligasas: Formación de enlaces C-C, C-S, C-O, C-N por condensación con ruptura de ATP.

Modelo Cinético de Michaelis-Menten

• Estudia el efecto de la concentración inicial de sustrato sobre la actividad enzimática.
• Define el concepto de complejo ES como intermediario de la catálisis enzimática.
• Establece la ecuación de velocidad que explica el comportamiento cinético de las enzimas.
• Km (Constante de Michaelis): Concentración de sustrato con la cual la velocidad de reacción enzimática alcanza un valor igual a la mitad de la velocidad máxima (Vmax). Es un valor fijo para cada enzima.

Nota: Este modelo es válido solo cuando la concentración de enzima es menor a la de sustrato (la concentración de enzima es el factor limitante).

Si K2 >> K3, entonces K3 es insignificante y Km = k2/k1. La Km es la constante de disociación del complejo E-S y una medida de afinidad:

• Km grande: Baja afinidad E-S (débil unión) y K2 grande.
• Km chica: Alta afinidad E-S (complejo fuerte).

Consideraciones Adicionales

• La curva M-M puede ser imprecisa; la cinética sigmoidea no micheliana ocurre en enzimas alostéricas.
• Inhibidores: Los reversibles son influenciados por la concentración de enzima, pH y temperatura. Los irreversibles se unen covalentemente a la enzima y la inutilizan (venenos).
• Factores ambientales: El pH 6-8 permite la eficiencia máxima de las enzimas; temperaturas en exceso pueden desnaturalizar la proteína.
• Saturación: El efecto de saturación ocurre por exceso de sustrato. El sitio activo tiene especificidad (absoluta o de grupo) y es una región pequeña de la enzima donde el sustrato interactúa con no más de 3 a 5 residuos de aminoácidos.