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1.6.2. Mecanismo de acción y cinética enzimática.

 

MECANISMO DE ACCIÓN.

Cualquier reacción química se inicia con la rotura de ciertos enlaces entre los átomos que constituyen las moléculas de los reactivos para formar, posteriormente, los nuevos enlaces que originan las moléculas de los productos. Ese estado en el que los enlaces de los reactivos están debilitados o rotos, aún no se han formado los nuevos, se conoce como estado de transición o estado activado.

Para alcanzar el estado de transición y, en definitiva, para que la reacción química tenga lugar, es preciso comunicar a los reactivos cierta cantidad de energía, denominada energía de activación. Esto ocurre tanto en las reacciones endotérmicas como en las exotérmicas.

En las llamadas reacciones espontáneas, la energía de activación es tan  baja que se obtiene de la propia energía cinética de las moléculas o incluso de la luz que incide en el lugar de reacción. En las reacciones no espontáneas,  sin embargo, esta energía es tan alta que no se producen si no se aplica calor.

La acción catalizadora de las enzimas consiste en rebajar la energía de activación para llegar fácilmente al estado de transición y permitir que la reacción se lleve a cabo. En definitiva, sin la presencia del catalizador no es posible alcanzar el estado de transición espontáneamente, y con él, sí es posible.

 

Perfil de energía libre en una reacción sin catalizar (A) y comparación con el efecto de un catalizador (B)

Las enzimas aceleran las reacciones disminuyendo la energía de activación.

 

Los catalizadores realizan su acción favoreciendo la aproximación de moléculas de los reactivos, pero como no actúan como tales, no se consumen. Únicamente ayudan a que se produzca la reacción.

Todas las reacciones metabólicas (salvo alguna excepción) son reacciones catalizadas por enzimas.

 

Cuando un sustrato se encuentra con la enzima correspondiente, la reacción catalizada se produce en tres etapas:

 

1. En primer lugar, el sustrato se une a la apoenzima formando el complejo enzima-sustrato (ES). Como ya se ha apuntado, esta unión se caracteriza por un alto grado de especificidad, de modo que para cada tipo de sustrato y de reacción se necesita una enzima concreta.

La especificidad enzimática se debe a la estructura proteica de la apoenzima, la cual presenta una zona, denominada centro activo, con una forma espacial característica en la que se acopla el sustrato. Este acoplamiento se ha comparado con el que existe entre una llave y su cerradura: sólo es posible abrirla si los salientes y entrantes de una y otra encajan exactamente, por lo que cualquier cambio que se produzca en la forma impedirá su acoplamiento.

    

La teoría de la «llave~cerradura», propuesta en 1890 por Emil Fischer, se considera esencialmente correcta, aunque en la actualidad se ha probado que en algunas enzimas el centro activo es capaz de modificar su forma para adaptarse al sustrato, de ahí que a este proceso, postulado por Daniel E. Koshland Jr. en 1958, se le denomine de «ajuste o acoplamiento inducido». Sería algo semejante a la introducción de una mano en un guante. La propia mano (que en esta comparación equivaldría al sustrato) hace que el guante (equivalente al centro activo de la enzima) se adapte mejor cuando se introduce en él.

 

Modelo de la llave-cerradura.

 

   El centro activo de la enzima posee, por sí mismo, una forma complementaria a la del sustrato

Modelo de ajuste inducido.

El centro activo de la enzima, se adapta a la forma del sustrato.

      

        Los radicales de los aminoácidos del centro activo se unen al sustrato y consiguen debilitar sus enlaces provocando cambios energéticos que permiten alcanzar el estado de transición.

         La unión es reversible, pues una parte del complejo enzima-sustrato (ES) se disocia.

                                                            

                                                      E+S   «  ES 

 

        Debido precisamente a esa reversibilidad, esta primera etapa es la más lenta.

2. Una vez formado el complejo enzima-sustrato, el cofactor lleva a cabo la reacción y se obtiene el producto final (P). Esta etapa es muy rápida e irreversible.

 

                                                           ES   «  E+P

 

         En el caso de que no existan cofactores, la acción catalítica la realizan algunos aminoácidos del propio centro activo. 

 

3. El producto se libera del centro activo y la apoenzima queda libre para volver a unirse a nuevas moléculas de sustrato.

 

Actividad enzimática.

 

CINÉTICA ENZIMÁTICA.

         Si se representa gráficamente la velocidad con que aparece el  producto (moles del producto que se forman por unidad de tiempo) de una determinada reacción enzimática, en función de la concentración de sustrato inicial, para una cantidad constante de enzima, se obtiene una gráfica del siguiente tipo:

 

Velocidad de reacción en función de la concentración de sustrato.

La velocidad de la reacción catalizada depende inicialmente de la concentración de sustrato

       

Como se puede observar, al aumentar la concentración de sustrato, aumenta también la velocidad de la reacción. Esto resulta lógico, ya que mientras existe enzima libre, a mayor número de moléculas de sustrato, más moléculas de producto aparecerán. Pero llega un momento en que, a pesar de que la concentración de sustrato sigue aumentando, la velocidad no varía. Se alcanza una velocidad máxima que no es posible superar. Esta situación corresponde a la inexistencia de moléculas de enzima libres, pues todas están ocupadas por moléculas de sustrato formando complejos ES. A medida que se forman las moléculas de producto, las enzimas van liberándose y pueden aceptar nuevas moléculas de sustrato que están «a la espera».

En la reacción enzimática, la etapa limitante, es decir, la más lenta, corresponde a la unión del sustrato al centro activo para formar el complejo ES, pues, como se ha visto, es un proceso reversible. Existe, por tanto, una constante de equilibrio (Ke) para esta etapa.

      [E] [S]

Ke =   ---------------------

       [ES]

Para calcular dicha constante, es preciso conocer la concentración de enzima libre y la concentración de enzima que forma el complejo ES, valores que no se pueden establecer directamente. Sin embargo, cuando la velocidad de la reacción es la mitad de la máxima, el número de moléculas de enzima libres es igual al de enzimas ocupadas, es decir:

[E] = [ES]

La expresión de la constante de equilibrio en esta situación se simplifica y queda:

 

Ke = [S]

La constante así obtenida se denomina de Michaelis-Menten o KM y se define como la concentración de sustrato para la cual la reacción alcanza la velocidad semimáxima.

 

La KM es característica de cada enzima y cuanto menor sea su valor, mayor afinidad tendrá la enzima por el sustrato, ya que se alcanza antes la velocidad semimáxima.

La KM se puede calcular fácilmente. Basta con ver en la gráfica de la velocidad respecto a la concentración de sustrato cuál es el valor de éste para el que se alcanza la velocidad semimáxima.

Del grado de afinidad, relacionado con la KM, depende la velocidad de la enzima.

 

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Velocidades semimáximas y KM

En 1913, Leonor Michaelis y Maud Menten dedujeron una ecuación que también lleva su nombre, que permite calcular la velocidad de una reacción enzimática para cualquier concentración de sustrato, utilizando el valor de KM y de la velocidad máxima.

                [S]

v = vmax ×  --------------------

                KM + [S]

 

Si tomamos los valores inversos en los dos miembros de la ecuación:

 

 

obtenemos otra ecuación que, representada gráficamente, corresponde a una línea recta con una pendiente de KM / Vmáx y una ordenada en el origen igual a 1 / Vmáx. Esta representación gráfica (denominada de Lineweaver-Burk) resulta muy útil para el estudio cinético de las enzimas.

 

Representación de Lineweaver-Burk

 

En las células, la mayoría de las enzimas no están habitualmente saturadas de sustrato; por eso, pese a ser muy eficaces, la velocidad de las reacciones que catalizan está alejada de la velocidad máxima. En estas condiciones, la velocidad de la reacción viene condicionada, sobre todo, por la velocidad a la que las enzimas encuentren sus sustratos en la disolución, controlada por la difusión. Por ello, para acelerar más las reacciones es frecuente que las enzimas se asocien formando complejos multienzienzimáticos o que se sitúen dentro de la célula en compartimentos más pequeños, muchas veces asociados a las membranas celulares. Así, por difusión, el producto de reacción de una enzima tiene más probabilidades de encontrar la siguiente enzima.

 

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Tipos de sistemas multienzimáticos.