Cinética Enzimática: Factores que Afectan la Velocidad de Reacción

La cinética enzimática estudia los factores que afectan la velocidad de reacción enzimática. Estos factores incluyen:

• Concentración de la enzima ([E]).
• Concentración de ligandos ([L]): sustratos, productos, inhibidores y activadores.
• Condiciones ambientales: pH, fuerza iónica y temperatura.

Modelo de Michaelis-Menten (Enzimas Simples o Iostéricas)

Este modelo describe enzimas que poseen un solo sitio de unión para el sustrato. La representación gráfica de la velocidad inicial (V₀) en función de la concentración de sustrato ([S]) es una hipérbola rectangular.

Parámetros Cinéticos Clave

• V_max (Velocidad Máxima): Representa la velocidad máxima de reacción cuando la enzima está saturada por el sustrato (a alta [S]). Indica la máxima capacidad de trabajo de la enzima.
• K_m (Constante de Michaelis): Es la concentración de sustrato necesaria para alcanzar la mitad de la velocidad máxima (V_max/2). Indica la afinidad de la enzima por el sustrato. A menor K_m, mayor afinidad.
• K_cat (Constante Catalítica): Mide el número de moléculas de sustrato convertidas en producto por unidad de tiempo por una molécula de enzima saturada. Indica la eficiencia de la enzima por el sustrato.
  • Fórmula: K_cat = V_max / [E]_total. A mayor K_cat, mayor eficiencia.
• K_obs (Constante de Especificidad): Permite comparar la especificidad de distintas enzimas por diferentes sustratos.
  • Fórmula: K_obs = K_cat / K_m. A mayor K_obs, mayor especificidad.

Ecuación de Lineweaver-Burk (Doble Recíproco)

La ecuación de Michaelis-Menten puede ser linealizada para facilitar la determinación gráfica de los parámetros cinéticos, obteniendo la ecuación de Lineweaver-Burk:

(1/V) = (K_m/V_max) • (1/[S]) + (1/V_max)

• Intercepto en el eje Y: 1/V_max
• Intercepto en el eje X: -1/K_m

Enzimas Alostéricas

Estas enzimas poseen más de un sitio de unión. Además del sitio catalítico, tienen un sitio alostérico donde se une un regulador o modulador de forma reversible y no covalente. La unión del modulador modifica la estructura tridimensional (3D) de la enzima y, consecuentemente, la configuración del sitio activo, lo que puede aumentar o disminuir su velocidad.

Sitios de Unión y Moduladores

• Sitio Catalítico (C): Donde se une el sustrato para convertirse en producto.
• Sitio Regulatorio o Alostérico (R): Donde se une el modulador.
  • Modulador Positivo (+): Aumenta la actividad enzimática (favorece).
  • Modulador Negativo (-): Disminuye la actividad enzimática (desfavorece).

Parámetros Alostéricos

Debido a su comportamiento cooperativo, los parámetros cinéticos se ajustan:

• V_max: Velocidad máxima alcanzada en condiciones definidas.
• K_0.5: Concentración de sustrato necesaria para alcanzar V_max/2 (análogo al K_m).

Inhibición Enzimática: Reducción de la Actividad Catalítica

La inhibición enzimática es la reducción o cese de la actividad catalítica, causada por la unión de un inhibidor que afecta la función de la enzima.

Inhibición Irreversible

Los inhibidores se unen covalentemente a la enzima, inactivándola permanentemente. Ejemplos:

• Diisopropilfluorofosfato: Un veneno que causa parálisis al inhibir enzimas clave.
• Aspirina: Se une a la ciclooxigenasa, reduciendo la inflamación local.
• Penicilina: Inhibe la transpeptidasa, una enzima bacteriana esencial para la formación de la pared celular.

Inhibición Reversible

Los inhibidores se unen de forma no covalente y pueden disociarse. Estos inhibidores varían V_max y/o K_m, por lo que se habla de parámetros aparentes. Existen tres tipos principales:

1. Inhibición Competitiva

• Mecanismo: El inhibidor compite con el sustrato por el sitio activo, uniéndose de forma excluyente.
• Efecto Cinético: V_max se mantiene constante; K_m aparente sube (menor afinidad).
• Ejemplo Farmacológico: Hipocolesterolémicos (ej. Lovastatina).

2. Inhibición Acompetitiva (o No Competitiva Pura)

• Mecanismo: El inhibidor se une a un sitio distinto del sitio activo, pero solo se une al complejo enzima-sustrato (E-S), formando un complejo ternario (E-S-I).
• Efecto Cinético: V_max aparente baja; K_m aparente baja (mayor afinidad, pero menor eficiencia catalítica).

3. Inhibición Mixta

• Mecanismo: El inhibidor se une a un sitio distinto del activo y puede unirse tanto a la enzima libre (E) como al complejo E-S (uniones no excluyentes).
• Efecto Cinético: V_max aparente baja; K_m aparente sube o baja (dependiendo de la afinidad del inhibidor por E o E-S).

Clasificación de las Enzimas (Nomenclatura IUBMB)

Las enzimas se clasifican según la funcionalidad de la reacción que catalizan. Generalmente, los nombres de las enzimas terminan en el sufijo «-asa», mientras que los sustratos suelen terminar en «-ato».

1. Oxidoreductasas:
   • Función: Catalizan reacciones de óxido-reducción (transferencia de electrones o H⁺). El compuesto oxidado pierde electrones, y el reducido los recibe.
   • Nomenclatura Común: A menudo terminan en «deshidrogenasa». Requieren coenzimas (NAD⁺, FAD, etc.).
2. Transferasas:
   • Función: Catalizan la transferencia de un grupo funcional de una molécula a otra.
   • Ejemplos: Quinasas (transfieren grupos fosfato), Fosfatasas (eliminan grupos fosfato), Metilasas y Acetilasas.
3. Hidrolasas:
   • Función: Catalizan la ruptura de enlaces químicos mediante la adición de una molécula de agua (hidrólisis).
   • Ejemplos: Nucleasas (rompen enlaces fosfodiéster en el ADN), Proteasas, Lipasas.
4. Liasas / Sintasas:
   • Función: Catalizan la eliminación o adición de grupos para formar o eliminar dobles enlaces, sin la participación de hidrólisis u oxidación.
   • Ejemplo: Fumarasa.
5. Isomerasas:
   • Función: Catalizan el reordenamiento intramolecular de una molécula, cambiando su estructura pero manteniendo su composición química (isomerización).
   • Nomenclatura Común: Su nombre termina en «isomerasa» o «mutasa».
6. Ligasas / Sintetasas:
   • Función: Catalizan la formación de nuevos enlaces covalentes (carbono-carbono, carbono-azufre, carbono-oxígeno y carbono-nitrógeno).
   • Característica: Actúan en reacciones anabólicas y gastan ATP.
   • Ejemplo: ADN ligasa (une hebras de ADN durante la replicación).

Regulación Enzimática en Rutas Metabólicas

Las enzimas llevan a cabo una serie de reacciones secuenciales que constituyen las rutas metabólicas. Estas rutas están coordinadas y reguladas de forma precisa. La primera enzima de la ruta suele ser la enzima reguladora o limitante de la velocidad.

1. Control a Nivel de Sustrato

   El producto de la reacción puede inhibir competitivamente a la enzima que lo generó. Esto impide:

   • La utilización innecesaria del sustrato.
   • La acumulación excesiva del producto.

2. Inhibición por Retroalimentación Negativa (Feedback Inhibition)

   El aumento de la concentración del producto final de una ruta metabólica inhibe una de las primeras reacciones de la ruta (generalmente la primera enzima reguladora). Esto evita:

   • La utilización innecesaria del primer sustrato.
   • La acumulación del producto final.
   • La acumulación de intermediarios metabólicos.

3. Activación/Inhibición Alostérica

   La unión de un regulador al sitio alostérico modifica la estructura 3D de la enzima y afecta la configuración del sitio activo, aumentando o disminuyendo su actividad según el caso.

4. Modificación Covalente

   La enzima se activa o inactiva mediante la unión covalente de otras moléculas. Este proceso puede ser reversible o irreversible.

   Modificación Covalente Reversible

   Implica la adición o remoción de grupos funcionales:

   • Fosforilación (la más común)
   • Metilación
   • Acetilación
   • ADP-Ribosilación

   Modificación Covalente Irreversible (Activación Proteolítica)

   Se remueve un fragmento peptídico de la enzima (zimógeno), activándola permanentemente. Ejemplos:

   • Activación de proteasas pancreáticas.
   • Cascada de coagulación.
   • Cascada del complemento.