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Definición de Biocatálisis o catálisis enzimática

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 [Bioquímica] Biocatálisis o Catálisis enzimática

En los seres vivos, casi todas las reacciones químicas que tienen lugar están catalizadas por unas sustancias denominadas enzimas. Las enzimas están constituidas por macromoléculas, todas ellas son proteínas. Algunas constan sólo de la molécula de proteína (enzimas simples), aunque la mayoría deben su actividad a la asociación entre la proteína y otras sustancias que se denominan coenzima o grupo prostético. El conjunto se llama holoenzima.

Los biocatalizadores poseen características que los hacen intermedios entre los homogéneos y los heterogéneos (véase catálisis). Con los primeros tienen en común el que actúan en la fase acuosa, en la que se hallan disueltos. Pero mecánicamente se asemejan más al modo de actuar de los heterogéneos.

La enzima se caracteriza porque su actividad está localizada en una pequeña región llamada centro activo, y actúa por asociación del reactivo (sustrato) sobre dicho centro y posterior reacción.

Otra propiedad característica de las enzimas es su enorme especificidad. Además tiene una gran eficacia como catalizador, por lo que normalmente se necesita muy pequeña cantidad de él. Cada enzima suele caracterizar una reacción muy concreta y en un sentido determinado.

Sin duda, esta alta especificidad tiene el mismo origen que en la catálisis heterogénea: la geometría y energética de los centros activos, que sólo permite la asociación con un determinado sustrato, y éste colocado en una posición perfectamente determinada. Es lo que se ha llamado el modelo de la llave y cerradura: cada cerradura (centro activo) sólo puede aceptar su llave correspondiente (sustrato). Los enzimas se clasifican en oxido-reductores, transferasas, hidrolasas, liasas, isomerasas y ligasas.

Cinética enzimática. Ecuación de Michaelis-Menten

En las reacciones catalizadas enzimáticamente se observa como rasgo característico la saturación con el sustrato. A una concentración baja del sustrato, la velocidad inicial de la reacción es casi proporcional a la concentración de sustrato y la reacción es de primer orden respecto a éste.

A medida que la concentración de sustrato aumenta, la velocidad inicial de la reacción disminuye y deja de ser aproximadamente proporcional a su concentración y el orden de reacción es mixto. Con un aumento posterior de la concentración, la velocidad de la reacción llega a ser independiente de aquella y se aproxima asintóticamente a una velocidad constante, y así la reacción es de orden cero con respecto al sustrato, y se dice entonces que el enzima se halla saturado.

L. Michaelis y M. L. Menten desarrollaron en 1913 una teoría general acerca de la acción y cinética de las enzimas (véase Cinética enzimática), que fue ampliada posteriormente por G. E. Briggs y J. B. S. Haldane. El modelo se basa en una asociación de la enzima E con el sustrato S, con posterior descomposición de éste en enzima y productos P.

K1 K2
E + S  ES*  E + P (10)
K1′

Se supondrá lo siguiente:

1.- Que la etapa lenta determinante del proceso es la segunda, la descomposición de ES*.
2.- Que la primera etapa es suficientemente rápida para que se alcance equilibrio.
3.- Que sólo se miden velocidades iniciales; por ello se puede suponer sin error que la segunda etapa no es reversible, y que la concentración del sustrato es igual a la inicial, [S]o.
4.- Que la enzima sólo puede estar como E o como ES*, sin que participen otras posibles formas de ella implicadas en reacciones secundarias, con lo que:

[E]o = [E] + [ES*] (11)

Puesto que [E]0 es pequeña y que el complejo intermedio es inestable, [ES*] será muy baja. Aplicando el estado estacionario.

d[ES*]/dt = K1 [E][S] – K1′[ES*] – K2[ES*] =
=K1[E]o[S] – (K1[S] + K1′ + K2) [ES*] = 0 (12)

K1[E]o[S]
[ES*] = ——————— (13)
K1′ + K2 + K1[S]

y como la última etapa es la controladora, la velocidad de la reacción valdrá:

K1K2[E]o[S]
v = K2[ES*] = ————————- (14)
K1′ + K2 + K1[S]

Se definen dos nuevos parámetros:

vmáx = K2[E]o (15)
Km = (K1’+K2)/K1 (16)

donde Km es la llamada constante de Michaelis. Con ello la velocidad, referida a condiciones iniciales, puede expresarse como:

K2[E]o[S]o vmax[S]o
vo = ————— = ————- (17)
Km + [S]o Km + [S]o

que es la ecuación de Michaelis-Menten. En la siguiente figura puede verse cómo depende vo de [S]o. A concentraciones altas de sustrato [S]o tiende a infinito, vo tiende al límite vmax, que es la velocidad máxima que puede alcanzarse con una determinada cantidad inicial de enzima. Esta velocidad corresponde al caso en que toda la enzima esté en forma de ES* y no quede nada de E libre. A concentraciones de sustrato bajas, [So] tiende a cero y Km [S]o queda:

vmáx
vo  ——— [S]o (18)
Km

que es de orden 1 respecto al sustrato, como puede verse en la figura como una recta inicial. La linealidad llega hasta valores de [S]o tanto más altos cuanto mayor es Km.

Obsérvese el significado físico de Km. Según (17) debe tener las dimensiones de [S]o. Según su definición (16) y teniendo en cuenta que por ser el segundo paso mucho más lento que el primero K2 K1′.

K1’+ K2 K1′
Km = ————  —– (19)
K1 K1

que es la constante de equilibrio de disociación del complejo,

ES*  E + S

Km mide la afinidad entre la enzima y el sustrato. Ambos parámetros, Km y vmax (o K2), son de interés, y en principio pueden relacionarse con las propiedades de la enzima. Sin embargo, esta relación no es sencilla, especialmente la de K2, ya que la descomposición de ES* suele constar de una serie de reacciones sucesivas.

Tanto Km como vmáx se emplean con mucha frecuencia en medidas de rutina para estudiar una enzima determinada en relación a posibles cambios en su actividad, influencia de temperatura y medio sobre ésta, así como variaciones químicas en su entorno (cambios de pH, adición de otras sustancias).

Hay varios métodos para determinar los parámetros. En primer lugar, a partir de la curva vo frente a [S]o si se ha llegado a alcanzar el límite asintótico vmáx. Conocido éste, según la ecuación (17), el punto vo = vmáx / 2 da lugar a :

vmáx vmáx[S]o
—— = ————– (20)
2 Km + [S]o

con lo que

1 [S]o
— = ————- ; Km + [S]o = 2[S]o
2 Km + [S]o

Km = [s]o (21)

Este método no es muy bueno, pues no siempre se alcanza el límite con suficiente seguridad. La ecuación de Michaelis-Menten se puede trasformar en otras que son más útiles para la expresión de los datos experimentales. Una de las transformaciones se obtiene tomando los recíprocos de ambos miembros de la ecuación:

1 Km + [S]
—– = ———- (22)
vo vmáx [S]

que se reduce a :

1 Km 1
—– = ———- + —– (23)
vo Vmáx [S] vmáx

que es la ecuación de Lineweaver-Burk. Cuando 1/vo se representa frente a 1/[S]o se obtiene una recta cuya pendiente es Km/vmáx y la ordenada en el origen es 1/vmáx. Además, la intersección sobre el eje 1/[S]o es -1/Km.

Otra transformación útil de la ecuación de Michaelis-Menten se obtiene multiplicando ambos miembros de (23) por vmáx y reordenando para dar

vo
vo = – Km —- + vmáx (24)
[S]

La representación de vo frente a vo/[S]o, llamada representación de Eadie-Hofstee, no solamente da los valores de vmáx y de Km en forma muy sencilla, sino que también amplía las desviaciones del carácter lineal que pueden no aparecer en la representación de Lineweaver-Burk.

Efecto del pH sobre la actividad enzimática

La mayoría de las enzimas poseen un pH característico en el que su actividad es máxima; por encima o por debajo de ese pH la actividad disminuye. La relación entre el pH y la actividad de cualquier enzima depende del comportamiento ácido-base de la enzima y del sustrato, así como de otros muchos factores que son por lo general difíciles de analizar cuantitativamente. La forma de la curva de actividad-pH varía con la concentración del sustrato, ya que el valor de Km de muchas enzimas varía con el pH. Las mencionadas curvas son mucho más significativas si el enzima se mantiene saturado con el sustrato en todos los valores de pH a los que se experimenta. En muchos estudios de cinética enzimática, el pH se mantiene constante al pH óptimo o muy próximo a él.

El pH óptimo de una enzima no es necesariamente idéntico al pH de su entorno intracelular normal, que puede hallarse a su vez en la pendiente ascendente o descendiente de su curva de pH-actividad. Este hecho sugiere que la relación pH-actividad de una enzima puede constituir un factor en control intracelular de su actividad.

Efecto de la temperatura sobre las reacciones enzimáticas.

Al igual que ocurre con la mayoría de reacciones químicas, la velocidad de las reacciones catalizadas por enzimas se incrementa en general con la temperatura, dentro del intervalo en que es estable y permanece totalmente activo.

La velocidad de muchas reacciones enzimáticas se duplica, aproximadamente, por cada 10º C de aumento de temperatura. Esto varía algo de un enzima a otro según la energía de activación de la reacción catalizada, es decir, de la altura de la barrera de energía para pasar al estado de transición.

Aunque las reacciones catalizadas por los enzimas parecen, con frecuencia, poseer una temperatura óptima, el pico que se observa al representar la actividad catalítica frente a la temperatura se produce porque los enzimas, al ser proteínas, se desnaturalizan por la acción del calor y se inactivan cuando la elevación de temperatura sobrepasa un cierto punto.

La aparente temperatura óptima es, por tanto, la resultante del incremento habitual de la velocidad de reacción con la temperatura, y el incremento de la velocidad de desnaturalización térmica del enzima al sobrepasar una temperatura crítica.

Aunque la mayoría de enzimas se inactivan a temperaturas comprendidas entre 55 y 60º C, algunos de ellos son completamente estables y conservan su actividad a temperaturas muy superiores; por ejemplo, los enzimas de diversas especies de bacterias termofílicas que habitan en las termas de agua siguen siendo activos a temperaturas superiores a los 85º C.

Algunos enzimas, como la ribonucleasa, pierden actividad por calefacción, pero la recuperan rápidamente por enfriamiento, lo cual indica que su cadena polipeptídica desplegada vuelve rápidamente a adoptar su configuración inicial.

Inhibición de enzimas

Los estudios de la inhibición de reacciones catalizadas por enzimas han contribuido a la comprensión de mecanismos enzimáticos y a la elucidación de la base molecular de muchos mecanismos biológicos, entre ellos procesos de control en la célula y el modo de acción de varias drogas.

Los tres tipos principales de inhibición reversible de los enzimas, competitiva, no competitiva y acompetitiva, pueden distinguirse por los efectos que produce el inhibidor sobre la cinética de reacción del enzima. El inhibidor debe combinarse rápida y reversiblemente con el enzima o con el complejo enzima-sustrato.

En la inhibición competitiva, la molécula del inhibidor se une al enzima en el lugar normalmente ocupado por la molécula de sustrato. Consideremos un caso de inhibición por competencia, conforme a la siguiente cinética:

K1
E + S  ES
K-1

K3 [E] []
E +   E KI = ——–
K-3 [E]

K2
ES  E + P

KI es la constante del inhibidor. La concentración de enzima libre [E] está ahora relacionada con la concentración [E]o agregada al sistema de reacción por

[E] = [E]o – [ES] – [E]

La velocidad de reacción es así

vmax [S]
v = ————————— (25)
[]
[S] + Km (1 + —- )
K

La velocidad máxima vmax es la misma que en ausencia de inhibición, pero la velocidad a cualquier concentración dada de sustrato se reduce. Cuando se pone (25) en la forma de Lineweaver-Burk,

1 Km [] 1 1
— = —– ( 1 + —- ) —- + —– (26)
v vmáx K [S] vmáx

se sigue obteniendo una línea recta, pero la pendiente es función lineal de la concentración del inhibidor []. El resultado es una buena prueba de diagnóstico de inhibición competitiva.

Un ejemplo de inhibición no competitiva es el caso en el cual el inhibidor I se combina con ES y lo hace inactivo.

E + S  ES  P + E

[ES][E]
ES +  ES KS = ————-
[ES]
[E][]
E +  E
[E]

Si se supone que KSI = KI, esto es, que la afinidad del lugar inhibidor para el inhibidor no depende de si E está unido o no a S, la velocidad será :

Vmáx[S]
v = ————————– (27)
[]
([s] + Km) (1 + ——)
K

En la forma de Lineweaver-Burk :

1 [] Km 1 1
— = (1 + —-) (——- —- + —–) (28)
v K vmáx [S] vmáx

En este caso, tanto la pendiente como la ordenada en el origen están multiplicados por el mismo factor.

En la inhibición acompetitiva, cuya designación no es muy adecuada, el inhibidor no se combina con el enzima libre ni afecta a su reacción con el sustrato normal; sin embargo, el inhibidor se combina con el complejo enzima-sustrato para formar un complejo inactivo enzima-sustrato-inhibidor, que no experimenta su transformación posterior en el producto habitual de la reacción.

 [ES][]
ES +  ES
[ES] 

Lo característico de la inhibición acompetitiva es que la pendiente de las rectas permanece constante al aumentar la concentración del inhibidor, pero la Vmáx decrece. La inhibición acompetitiva es poco frecuente en las reacciones de un solo sustrato, pero es corriente en las reacciones de dos sustratos.

Tabla-resumen de los efectos de los inhibidores sobre las representaciones de Lineweaver-Burk, 1/Vo frente a 1/[S].

Pendiente Intersección en
la ordenada
——————————————————————————–
1 Km
Sin inhibidor —- —–
vmax vmax
——————————————————————————–
Km [I] 1
Competitivo — (1 + –) —-
vmax KI vmax
——————————————————————————–
Km 1 [I]
Acompetitivo — — (1 + —)
vmax vmax KI
———————————————————————————

No competitivo Km [I] 1 [I]
(los valores de —-(1 + —-) — (1 + —-)
ambas KI son vmax KI vmax KI
idénticos)
——————————————————————————–

Bibliografía

WALAS S.M.- Cinética de reacciones químicas. Aguilar.
DÍAZ PEÑA Y ROIG, Química-Física, Ed. Alhambra.
KITTEL, Física del estado sólido, Ed. Reverté.
LEVINE, Fisicoquímica, Ed. Mc Graw-Hill.
FICINI, Termodinámica, Equilibrios químicos, Ed. Omega.
FÍSICO-QUÍMICA. I.N. Levine. Ed. Mc Graw-Hill.
BIOQUÍMICA. A.L. Lehninger. Ed. Omega.
QUÍMICA. J.C. Bailar. Ed. Vicens-Vives.
QUÍMICA FÍSICA. W.J. Moore. Ed. Urmo.

Biocatálisis o catálisis enzimática

Fuente: Britannica

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