Cinética Enzimática
La cinética enzimática se encarga de estudiar las reacciones químicas de las enzimas desde el punto de vista dinámico, es decir, de cómo ocurren bajo ciertas condiciones controladas en laboratorio, por ejemplo, la concentración de enzima, de sustrato, diferentes valores de pH o temperatura, etc. Todo esto con la finalidad de comprender y predecir el comportamiento de las enzimas dentro de la célula viva o en un organismo completo.
Para estudiar la cinética enzimática se llevan a cabo experimentos de catálisis colocando a la enzima en condiciones óptimas y a una concentración constante, variando sólo la concentración de sustrato. De esta manera se evalúa la velocidad de la reacción catalizada por la enzima. Si graficamos los valores de la concentración del sustrato en el eje X, y en el eje Y los valores de la velocidad de reacción para cada una de esas concentraciones de sustrato, lo que obtenemos es una curva como la mostrada en la imagen.
Podemos observar que cuando el sustrato se encuentra a baja concentración, la velocidad de reacción es lenta, esto se debe a que hay muchas moléculas de enzima que no llevan a cabo la reacción química porque no hay sustrato disponible. Conforme aumenta la concentración de sustrato, también aumenta la velocidad de la reacción, ya que al existir más sustrato disponible hay más moleculas de la enzima que pueden llevar a cabo la reacción química. Cuando el sustrato se encuentra a muy altas concentraciones la velocidad de la reacción ya no aumenta considerablemente, debido a que todas las moléculas de enzima tienen sus sitios activos ocupados llevando a cabo la reacción, por lo tanto la velocidad ya no puede ser más rápida.
A partir de este tipo de gráficas obtenemos tres valores que nos determinan cómo es la cinética enzimática, son:
La Velocidad Máxima nos indica el límite de velocidad que puede alcanzar una enzima cuando se encuentra saturada de sustrato. Si dividimos a la mitad esta velocidad máxima obtenemos 1/2 de Vmax, y este valor nos permite conocer la concentración de sustrato al cual la enzima está trabajando a la mitad de su máxima velocidad, lo denominamos Km. La Km es un indicativo de la afinidad que la enzima tiene por su sustrato: A valores bajos de Km mayor afinidad, y a valores altos de Km tenemos una menor afinidad de la enzima por el sustrato.
La ecuación matemática que nos describe este comportamiento de la enzima fue postulada por el bioquímico Alemán Leonor Michaelis y la bioquímica Canadiense Maud Menten. Se denomia Ecuación de Michaelis-Menten:
Donde v representa la velocidad de la reacción, Vmax es el valor de la velocidad máxima, [S] es la concentración de sustrato y Km es la constante de Michaelis-Menten. Con esta ecuación podemos evaluar la velocidad de reacción de una enzima, pero también podemos predecir su comportamiento al cambiar la concentración de sustrato.
Cuando la concentración de sustrato es baja, la velocidad de la reacción es proporcional a la concentración de sustrato (a mayor concentración de sustrato, mayor velocidad de la reacción química) y entonces decimos que la reacción es de primer orden. Por otro lado, cuando la concentración de sustrato es muy alta y la enzima se encuentra saturada, entonces la velocidad de la reacción ya no depende de la cantidad de sustrato, decimos que la reacción es de orden cero. Bajo estas condiciones, la velocidad de la reacción sólo depende de la enzima y estamos en su velocidad máxima.
Conocer la cinética de una enzima incluyendo algún inhibidor nos permite predecir con más detalle su comportamiento dentro de la célula. Un inhibidor enzimático es una molécula que tiene cierto parecido con el sustrato (o el producto) y por lo tanto tiene afinidad por el sitio activo. En este caso, lo llamamos inhibidor competitivo, ya que compite con el sustrato por el sitio activo. Esta competencia tiene como consecuencia que un porcentaje de las enzimas no este disponible para unirse al sustrato refrejándose en un aumento aparente del valor Km (es decir, una disminución de la afinidad de la enzima por el sustrato). Dado que hay enzimas libres que pueden llevar a cabo la catálisis, la velocidad máxima (Vmax) no se ve afectada.
Existe otro tipo de moléculas inhibidoras que pueden unirse a un lugar distinto del sitio activo, llamado sitio alostérico. En esta caso, el inhibidor denominado inhibidor no competitivo no compite con el sustrato por lo que no afecta el valor de la Km de la enzima, sin embargo, sí afecta el valor de Vmax de la enzima.
Otra forma de representar la cinética enzimática es mediante la Ecuación de Lineweaver-Burk, en la que se grafican los valores inversos de la Velocidad Máxima. Esto genera una linea recta que representa la cinética enzimática con la que se puede obtener el valor de Km más fácilmente.
Ir al tema siguiente: La ecuación de Lineweaver-Burk.
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Para estudiar la cinética enzimática se llevan a cabo experimentos de catálisis colocando a la enzima en condiciones óptimas y a una concentración constante, variando sólo la concentración de sustrato. De esta manera se evalúa la velocidad de la reacción catalizada por la enzima. Si graficamos los valores de la concentración del sustrato en el eje X, y en el eje Y los valores de la velocidad de reacción para cada una de esas concentraciones de sustrato, lo que obtenemos es una curva como la mostrada en la imagen.
Podemos observar que cuando el sustrato se encuentra a baja concentración, la velocidad de reacción es lenta, esto se debe a que hay muchas moléculas de enzima que no llevan a cabo la reacción química porque no hay sustrato disponible. Conforme aumenta la concentración de sustrato, también aumenta la velocidad de la reacción, ya que al existir más sustrato disponible hay más moleculas de la enzima que pueden llevar a cabo la reacción química. Cuando el sustrato se encuentra a muy altas concentraciones la velocidad de la reacción ya no aumenta considerablemente, debido a que todas las moléculas de enzima tienen sus sitios activos ocupados llevando a cabo la reacción, por lo tanto la velocidad ya no puede ser más rápida.
A partir de este tipo de gráficas obtenemos tres valores que nos determinan cómo es la cinética enzimática, son:
| Velocidad Máxima | Expresada como Vmax |
| Mitad de la Velocidad Máxima | Expresada como 1/2 Vmax |
| Constante de Michaelis-Menten | Expresada como Km |
La Velocidad Máxima nos indica el límite de velocidad que puede alcanzar una enzima cuando se encuentra saturada de sustrato. Si dividimos a la mitad esta velocidad máxima obtenemos 1/2 de Vmax, y este valor nos permite conocer la concentración de sustrato al cual la enzima está trabajando a la mitad de su máxima velocidad, lo denominamos Km. La Km es un indicativo de la afinidad que la enzima tiene por su sustrato: A valores bajos de Km mayor afinidad, y a valores altos de Km tenemos una menor afinidad de la enzima por el sustrato.
La ecuación matemática que nos describe este comportamiento de la enzima fue postulada por el bioquímico Alemán Leonor Michaelis y la bioquímica Canadiense Maud Menten. Se denomia Ecuación de Michaelis-Menten:
Donde v representa la velocidad de la reacción, Vmax es el valor de la velocidad máxima, [S] es la concentración de sustrato y Km es la constante de Michaelis-Menten. Con esta ecuación podemos evaluar la velocidad de reacción de una enzima, pero también podemos predecir su comportamiento al cambiar la concentración de sustrato.
Cuando la concentración de sustrato es baja, la velocidad de la reacción es proporcional a la concentración de sustrato (a mayor concentración de sustrato, mayor velocidad de la reacción química) y entonces decimos que la reacción es de primer orden. Por otro lado, cuando la concentración de sustrato es muy alta y la enzima se encuentra saturada, entonces la velocidad de la reacción ya no depende de la cantidad de sustrato, decimos que la reacción es de orden cero. Bajo estas condiciones, la velocidad de la reacción sólo depende de la enzima y estamos en su velocidad máxima.
Conocer la cinética de una enzima incluyendo algún inhibidor nos permite predecir con más detalle su comportamiento dentro de la célula. Un inhibidor enzimático es una molécula que tiene cierto parecido con el sustrato (o el producto) y por lo tanto tiene afinidad por el sitio activo. En este caso, lo llamamos inhibidor competitivo, ya que compite con el sustrato por el sitio activo. Esta competencia tiene como consecuencia que un porcentaje de las enzimas no este disponible para unirse al sustrato refrejándose en un aumento aparente del valor Km (es decir, una disminución de la afinidad de la enzima por el sustrato). Dado que hay enzimas libres que pueden llevar a cabo la catálisis, la velocidad máxima (Vmax) no se ve afectada.
Existe otro tipo de moléculas inhibidoras que pueden unirse a un lugar distinto del sitio activo, llamado sitio alostérico. En esta caso, el inhibidor denominado inhibidor no competitivo no compite con el sustrato por lo que no afecta el valor de la Km de la enzima, sin embargo, sí afecta el valor de Vmax de la enzima.
Otra forma de representar la cinética enzimática es mediante la Ecuación de Lineweaver-Burk, en la que se grafican los valores inversos de la Velocidad Máxima. Esto genera una linea recta que representa la cinética enzimática con la que se puede obtener el valor de Km más fácilmente.
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