Cinética Enzimática

Curva de Progreso de la Reacción

• El progreso de la reacción está determinado por los cambios en la energía libre de los sustratos (S), el estado de transición y los productos (P).
• La energía libre se puede calcular a través de la ecuación de energía libre de Gibbs: ΔG = ΔH – TΔS
  • ΔG = cambio en la energía libre:
    • Valores más bajos significan que es más probable que ocurra la reacción.
    • Los valores negativos significan que la reacción ocurrirá espontáneamente.
  • ΔH = cambio en la entalpía:
    • Asociada con los cambios en el calor de una reacción en la que las reacciones exotérmicas tienen una entalpía alta y liberan calor
    • Las reacciones endotérmicas tienen una entalpía baja y requieren calor
  • T = temperatura actual del ambiente
  • ΔS = cambio en la entropía
    • La entropía es una medida del desorden de un sistema, que depende del número de posibles microestados.
    • Ejemplo: sistemas con un ↑ número de posibles microestados → ↑ entropía
• El estado de transición representa el punto más inestable de las interacciones entre la enzima y el(los) sustrato(s) y es el punto de mayor energía de la reacción.
• Las enzimas estabilizan el estado de transición y reducen la energía de activación (ΔG⁰) de la reacción, lo que hace que la reacción sea significativamente más fácil de obtener.
• Una vez que se alcanza el estado de transición, la reacción debe pasar a un estado de menor energía. Esto se logra convirtiendo los sustratos en productos o volviendo a la forma de sustrato.

Velocidad de Reacción y su Dependencia de la Temperatura

• Un aumento de diez grados centígrados en la temperatura aumentará la actividad de la mayoría de las enzimas entre un 50 y un 100%, y variaciones tan pequeñas como 1 o 2 grados pueden aumentar la actividad entre un 10 y un 20%.
• Esto solo puede ocurrir dentro de un rango limitado de temperaturas ya que las enzimas tienen una temperatura óptima y se desnaturalizan (degradan irreversiblemente) a temperaturas demasiado altas.
• Temperaturas corporales comunes:
  • 36–38^oC: temperatura corporal óptima; permite que las enzimas funcionen correctamente.
  • < 36^oC: la hipotermia causa una disminución drástica de la función enzimática.
  • > 38^oC: La fiebre inicialmente puede permitir que las enzimas funcionen mejor.
  • > 40^oC: La hipertermia hace que las enzimas comiencen a desnaturalizarse y pierdan su función (agotamiento por calor y golpe de calor).

Velocidad de Reacción y su Dependencia del pH

• Las enzimas operan a un pH óptimo. Los cambios en el valor del pH provocan cambios dentro de los grupos funcionales de la enzima o de su sustrato.
• Los cambios en el pH conducen a cambios en las fuerzas iónicas o hidrofóbicas que afectan la estructura espacial en el centro activo y mejoran o deterioran la capacidad de la enzima para unirse a su sustrato.
• Los cambios de pH más fuertes en cualquier dirección pueden incluso desnaturalizar la enzima. La pepsina, por ejemplo, funciona eficazmente a un pH de aproximadamente 2, donde otras enzimas se habrían desnaturalizado durante mucho tiempo.
• Las enzimas en diferentes áreas del cuerpo operan en los valores de pH más comunes de esas áreas.
• Valores de pH comunes:
  • Torrente sanguíneo: 7,35–7,45
  • Estómago: < 2 cuando está lleno; 2–6 en ayunas
  • Duodeno: 5–7
  • Yeyuno: 6–7
  • Íleon: 7–8

Velocidad de Reacción y su Dependencia de la Concentración de Sustrato

Condiciones de estado estable

Los primeros cambios en las concentraciones de sustrato, enzima, complejo enzima-sustrato y el producto ocurren drásticamente y son difíciles de medir. El estado estacionario ocurre cuando los cambios en la enzima y complejo enzima-sustrato son relativamente pequeños.

• La enzima y el sustrato tienen altas concentraciones al principio de la reacción, mientras que el complejo enzima-sustrato y el producto tienen concentraciones bajas.
• El complejo enzima-sustrato y el producto aumentan a medida que avanza la reacción, disminuyendo la enzima y el sustrato.
• A medida que disminuye, también lo hace la formación del complejo enzima-sustrato al final de la reacción. En este punto, es probable que se produzca una reacción inversa.

Velocidad de reacción inicial (V_o)

La velocidad inicial de la reacción se usa para evitar la medición de la reacción inversa una vez que se ha obtenido suficiente producto.

• Las concentraciones de sustrato más altas aumentan el V ₀ hasta que la reacción se aproxima a la V _máx .
• V₀ = V_máx[S] / K_M + [S]
• A medida que [S] sube, V₀ se aproxima a V_max.
• A medida que [S] desciende, V₀ se aproxima a K_M.
• K_cat = la cantidad de producto obtenido cuando la reacción alcanza V_max. Esto permite la medición de resultados concretos de una reacción en lugar de velocidades.

Gráfico de Michaelis-Menten

Trazar la velocidad de reacción inicial (V₀) en el eje y opuesto a la concentración de sustrato en el eje x en un gráfico da como resultado una curva hiperbólica, que se acerca a la velocidad máxima V_max a altas concentraciones de sustrato debido a la saturación de la enzima con sustrato

Constante de Michaelis-Menten (K_M)

K_M es la concentración de sustrato a la que se alcanza la mitad de la velocidad máxima (½ V_máx ) (K_M se mide en el eje x mientras que ½ V_máx se mide en el eje y).

• Indica la afinidad de una enzima por su sustrato de manera inversa y es característico del complejo enzima-sustrato en particular.
• Si el valor de K_KM es bajo, la enzima tiene una fuerte afinidad por el sustrato y se necesita menos para alcanzar ½ V_máx.
• Si el valor de K_M es alto, la enzima tiene menos afinidad por el sustrato y se necesita más para alcanzar la ½ V_máx.
• Dependiente de la temperatura y del valor de pH, pero independiente de la concentración de enzima

Diagrama de Lineweaver-Burke

1/V₀ se traza en el eje y, y 1/[S] se traza en el eje x, lo que da como resultado un gráfico lineal de los mismos datos utilizados en la cinética de Michaelis-Menten.

• La pendiente de la recta es igual a K_M / V_máx.
• La intersección en y es igual a 1 / V_máx.
• La intersección en x es igual a -1 / K_M.