Principios de Enzimología: Función, Clasificación EC y Cinética de Michaelis-Menten

Conceptos Fundamentales de Enzimología

Las enzimas son proteínas que catalizan reacciones químicas necesarias para la supervivencia de la célula.

Definiciones Clave

• Sustrato (S): Es la molécula o sustancia que se une a la enzima y sobre la cual esta actúa.
• Número de Recambio (Turnover Number): Cantidad o número de veces que una enzima actúa sobre el sustrato por unidad de tiempo.
• Especificidad de la Unión del Sustrato: La unión del sustrato es muy específica debido a la complementariedad geométrica y de cargas (uniones iónicas). Modelos: Encaje inducido, llave-cerradura, estado de transición.

La reacción enzimática general se representa como: E + S → [ES] → E + P. Una enzima puede unir dos sustratos en un sitio activo.

Catalizadores y Componentes Enzimáticos

• Catalizador: Cualquier sustancia que acelera la velocidad de una reacción sin participar químicamente en ella.
• Apoenzima: Es la parte proteica de la enzima.
• Cofactor: Molécula químicamente diferente a la enzima que está unida a esta y es necesaria para que pueda tener actividad catalítica. Tipos: Coenzimas, grupos prostéticos, iones metálicos.
• Coenzima: Molécula pequeña que está unida químicamente a la enzima y es necesaria para su función catalítica, ya que forma parte de su sitio activo. Ejemplo: Vitaminas del complejo B, necesarias para la formación de energía celular.
• Ejemplo de Cofactor Iónico: La ADN polimerasa, enzima encargada de la replicación, necesita de Mg²⁺ para su actividad.

Conceptos Redox

• Oxidación: Pérdida de electrones (a menudo asociada a pérdida de H⁺ o ganancia de O₂).
• Reducción: Ganancia de electrones (a menudo asociada a ganancia de H⁺).
• Óxido Reductasa: Enzima que puede oxidar o reducir un sustrato.

Nomenclatura y Clasificación Enzimática (Clases EC)

Nomenclatura

Con el fin de distinguir una enzima de otra, se le asigna un nombre tomando el nombre del sustrato (el reactivo que la enzima cataliza) y agregándole el sufijo -ASA.

Clases Principales de Enzimas

1. OXIDORREDUCTASAS

   Catalizan reacciones de óxido-reducción entre átomos de O o H (Ejemplo: lactato → piruvato).

2. TRANSFERASAS

   Catalizan reacciones de transferencia de átomos o grupos de átomos (Ejemplo: serina → glicina).

3. HIDROLASAS

   Catalizan reacciones de hidrólisis y también su reverso. Son las más comunes en el dominio de la tecnología enzimática (Ejemplo: urea).

4. LIASAS

   Catalizan reacciones reversibles de remoción de grupos de átomos del sustrato (Ejemplo: piruvato → acetaldehído).

5. ISOMERASAS

   Catalizan reacciones de isomerización molecular.

6. LIGASAS

   Catalizan la unión de dos grupos químicos a expensas de la hidrólisis de ATP o GTP.

Cinética Enzimática: Estudio Cuantitativo

Las diferentes enzimas producen reacciones distintas ante cambios en la concentración de sustratos, temperatura y pH.

Objetivo del Estudio Cinético

El estudio cuantitativo de la catálisis enzimática proporciona información sobre:

• Velocidad de las reacciones.
• Afinidad de las enzimas por su sustrato.
• Mecanismos de reacción.
• Efecto de los inhibidores.

Aplicaciones de la Cinética Enzimática

Una mejor comprensión de las rutas metabólicas y el diseño de tratamientos más adecuados.

Factores que Afectan la Velocidad de Reacción

La velocidad de una reacción bioquímica es el cambio en la concentración de un reactante o producto por unidad de tiempo. Depende de:

• Concentración de sustrato y enzima.
• Temperatura.
• Efectores (pH, inhibidores).

Efecto de la Concentración de Sustrato ([S])

La velocidad aumenta con la concentración de sustrato hasta alcanzar una velocidad máxima.

• Velocidad Máxima (V_max): Número de moléculas de sustrato que se convierten en producto por unidad de tiempo.
• La cinética enzimática presenta una forma hiperbólica en función de [S].

Efecto de la Temperatura y el pH

• Temperatura: El aumento de la velocidad con la temperatura es seguido por una disminución drástica a temperaturas más elevadas (desnaturalización).
• pH: Afecta la ionización de los grupos del sitio activo y puede causar desnaturalización enzimática. El pH óptimo varía según la enzima.

Modelo y Ecuación de Michaelis-Menten

Modelo de la Reacción:

E + S ↔ k₁, k_-1 ES ↔ k₂ E + P

Ecuación de Michaelis-Menten:

V₀ = V_max[S] / (K_M + [S])

Esta ecuación describe cómo varía la velocidad inicial (V₀) de la reacción en función de la concentración de sustrato ([S]).

Significado de K_M (Constante de Michaelis)

La K_M es la concentración de sustrato necesaria para alcanzar la mitad de la velocidad máxima (V_max/2). Es una medida de la afinidad de la enzima por el sustrato:

• K_M pequeña: Afinidad elevada.
• K_M grande: Menor afinidad.

Inhibición Enzimática

Inhibidor: Sustancia que puede disminuir la velocidad (V) de una reacción catalizada por una enzima (E).

Tipos de Inhibidores

• Inhibidor Irreversible: Se une a las enzimas mediante enlaces covalentes, inactivándolas permanentemente.
• Inhibidor Reversible: Se une a las enzimas mediante enlaces no covalentes.

Inhibición Reversible Específica

• Inhibición Competitiva: El inhibidor se une de manera reversible al mismo sitio que ocupa normalmente el sustrato y compite con él por el sitio activo.
• Inhibición No Competitiva: El inhibidor y el sustrato se unen a sitios diferentes de la enzima. El inhibidor puede unirse a la enzima libre (E) o al complejo enzima-sustrato (ES).