Principios de Cinética Enzimática: Velocidad, Factores y Mecanismos de Inhibición

Cinética Enzimática: Principios, Factores y Mecanismos de Inhibición

La cinética es la rama de la química que estudia la velocidad de una reacción, la variación de la concentración de reactivos o productos en el tiempo, los factores que influyen sobre ella y trata de dar explicación sobre los mecanismos de reacción. La cinética enzimática, por su parte, estudia la velocidad de reacciones catalizadas enzimáticamente.

Importancia de los Estudios Cinéticos

• Determinación de afinidades de unión: Permite cuantificar la fuerza de interacción entre enzimas y sus sustratos o inhibidores.
• Mecanismo catalítico: Ayuda a elucidar cómo las enzimas aceleran las reacciones químicas.
• Regulación de vías metabólicas: Proporciona información clave sobre cómo se controlan los procesos bioquímicos en los organismos.
• Patologías: Es fundamental para entender las bases moleculares de enfermedades relacionadas con disfunciones enzimáticas y para el desarrollo de fármacos.

Conceptos Fundamentales en Cinética Enzimática

Velocidad de Reacción (V)

La velocidad de reacción (V) se caracteriza por el cambio en la concentración de reactivos o productos a lo largo del tiempo. La velocidad es proporcional a la concentración de sustrato.

Las reacciones catalizadas por enzimas muestran saturación por sustrato, lo que evidencia la existencia de un complejo enzima-sustrato (ES) como intermediario en la catálisis.

Velocidad Inicial (Vº)

La velocidad inicial (Vº) se obtiene cuando la concentración de sustrato ([S]) disminuye menos del 10% de su valor inicial, asegurando que la concentración de producto no revierte a sustrato. Para la determinación experimental de Vº, se selecciona una concentración de enzima ([E]) y, a diferentes concentraciones de sustrato ([S]), se mide la desaparición de sustrato o la aparición de producto en el tiempo.

Hipótesis del Estado Estacionario

En una reacción catalizada por una enzima, esta puede estar en forma libre (E) o formando el complejo enzima-sustrato (ES). A baja [S], la mayor parte de la enzima estará libre, y la velocidad será proporcional a [S] porque el equilibrio tiende hacia la formación de más ES cuando aumenta [S].

La velocidad máxima (Vmax) se observa cuando toda la enzima está en forma de complejo ES y la concentración de enzima ([E]) es pequeña comparada con la de sustrato ([S]). En estas condiciones, la enzima está saturada con sustrato, de modo que un aumento de [S] no tiene efecto sobre V. Cuando el complejo ES se descompone para dar producto (P), la enzima queda libre para catalizar otra reacción.

Ecuación de Michaelis-Menten

Michaelis y Menten propusieron una expresión que relaciona la velocidad de catálisis con las concentraciones de sustrato ([S]) y enzima ([E]), y las velocidades de las etapas individuales de la reacción.

Constante de Michaelis (Km)

La constante de Michaelis (Km) es la concentración de sustrato ([S]) a la cual la velocidad de reacción alcanza la mitad de la Vmax. Un valor de Km alto indica una unión débil entre la enzima y el sustrato, mientras que un valor bajo indica una unión fuerte. La velocidad es sensible a cambios en [S] en el rango de Km.

Constante Catalítica (Kcat o Número de Recambio)

La constante catalítica (Kcat), también conocida como K2 o número de recambio, define la capacidad del complejo ES, una vez formado, para generar producto. Se define como el número de moles de sustrato convertidos en producto por unidad de tiempo y por cada centro activo de enzima cuando esta está totalmente saturada de sustrato.

Eficiencia Catalítica (Kcat/Km)

La relación Kcat/Km es una relación de constantes útil para bajas concentraciones de sustrato ([S]) y se usa como medida de la eficiencia catalítica de una enzima. La eficacia máxima se logra cuando K2 >> K1.

Factores que Afectan la Velocidad de Reacción Enzimática

Efecto de la Concentración de Enzima ([E])

La velocidad de reacción aumenta con la concentración de enzima ([E]), pero la Km no varía, ya que solo depende de la enzima y del sustrato, y estos son los mismos.

Efecto del pH

La actividad de muchas enzimas varía con el pH, ya que en su sitio activo hay grupos funcionales ácidos y básicos cuyo estado de ionización es función del pH. Para cada reacción, hay un pH óptimo que refleja un estado de ionización óptimo de los residuos del sitio activo. El pH afecta la fijación del sustrato a la enzima, modificando la Km, y también puede modificar la actividad catalítica de la enzima (Vmax).

Efecto de la Temperatura

La velocidad de reacción aumenta con la temperatura hasta un máximo y luego la enzima se desnaturaliza. Existe una temperatura crítica, a partir de la cual se pierde actividad enzimática por desnaturalización de la enzima.

Inhibición Enzimática

La inhibición enzimática es un proceso por el cual la actividad de una enzima es reducida o eliminada. Se clasifica en dos tipos principales:

• Irreversible: El inhibidor queda unido covalentemente o no a la enzima, o ligado tan fuerte que su disociación es extremadamente lenta.
• Reversible: El inhibidor se une a la enzima de forma no covalente, lo que facilita su disociación.

Tipos de Inhibición Reversible

Dentro de la inhibición reversible, se distinguen varios tipos:

• Inhibición Competitiva

  Se caracteriza por una unión mutuamente excluyente entre el inhibidor (I) y el sustrato (S), ya que ambos se unen al mismo sitio de la enzima (sitio activo). El inhibidor competitivo se parece estructuralmente al sustrato, y su acción puede disminuir por dilución o diálisis, o por un aumento significativo de la concentración de sustrato.

• Inhibición Acompetitiva (o Uncompetitiva)

  Se produce cuando el inhibidor se une exclusivamente al complejo enzima-sustrato (ES), pero no a la enzima libre (E), formando un complejo ESI inactivo. El inhibidor afecta la función catalítica de la enzima, pero no la fijación del sustrato. Los efectos de esta inhibición no son compensados por el incremento de la concentración de sustrato.

• Inhibición Mixta

  El inhibidor se une tanto a la enzima libre como al complejo ES. El inhibidor se fija a sitios de la enzima que participan tanto en la fijación del sustrato como en la catálisis. Este tipo de inhibición afecta tanto a la Km como a la Vmax.

• Inhibición No Competitiva

  El inhibidor se une tanto a la enzima libre como al complejo ES. A diferencia de la mixta, en la inhibición no competitiva "pura", el inhibidor se fija a sitios de la enzima que participan únicamente en la catálisis, sin afectar la unión del sustrato. Esto resulta en una disminución de la Vmax sin cambio en la Km aparente.