Termodinámica, Cinética y Enzimas

Termodinámica, Cinética y Enzimas
María de la Luz Velázquez Monroy y Miguel Ángel Ordorica Vargas
Introducción
Las enzimas son las moléculas encargadas de acelerar las reacciones químicas que constituyen el
metabolismo de los seres vivos. La Bioquímica moderna, se inició con el estudio de las características de las enzimas. El impulso inicial tuvo lugar en 1897 cuando Eduard Buchner demostró
que la fermentación alcohólica se podía efectuar en extractos de levadura, libres de células.
A partir de este momento, se hizo posible estudiar las enzimas individuales en forma sistemática, y definir su importancia para las reacciones químicas de los seres vivos.
Reacciones Químicas
Las reacciones químicas del metabolismo, lo mismo que cualquier
otra reacción química, son procesos en los cuales una o más substancias llamadas reactivos, se transforman en otras llamadas productos, con estructura y propiedades diferentes. En general las reacciones químicas se representan como:
Reactivos  Productos
Los cambios de estructura durante las reacciones químicas sólo son
posibles si se rompen y/o forman enlaces químicos. El rompimiento
y formación de enlaces químicos implica que los átomos comparten
sus electrones en forma diferente en los reactivos y en los productos. Podemos entonces concluir
que una reacción química es un:
Figura 1. Eduard Buchner
“Proceso durante el cual se producen reacomodos de los electrones de enlace de los átomos”.
Para que se lleven a cabo dichos reacomodos, es necesario que tenga lugar un intercambio de
energía. Los intercambios de energía durante las reacciones químicas los estudia la Termodinámica Química.
Por otro lado, los reacomodos electrónicos se efectúan a velocidades, y a través de caminos específicos que son estudiados por la Cinética Química.
Nuestra capacidad para modificar las reacciones químicas depende del conocimiento de la cinética y termodinámica de estas.
Termodinámica Química
La Termodinámica se encarga del estudio de los intercambios de energía que acompañan a todos
los procesos. A partir de un modelo básico del mundo real y un conjunto de leyes que rigen su
comportamiento, la Termodinámica deduce relaciones que describen los cambios de energía y la
dirección de los procesos físicos y químicos a escala macroscópica. Como no hace ninguna consideración respecto de las propiedades microscópicas de la materia, no puede decir nada sobre el
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universo atómico. Es básicamente estática pues se ocupa sólo del inicio y el final de los cambios
y jamás de su velocidad, aunque si puede predecir su dirección y punto de equilibrio.
Energía. La energía es el objeto de estudio de la Termodinámica. La energía se define como la
capacidad de producir trabajo, modificando o desplazando objetos. La energía puede ser Potencial (determinada por la posición en el espacio) o Cinética (determinada por el movimiento). La
Termodinámica estudia los intercambios y transformaciones de Energía, empleando un Modelo,
y aplicando las Leyes de la Termodinámica.
Modelo Termodinámico. El modelo del mundo real que se usa en Termodinámica para estudiar
los cambios de energía está formado por:
1. Sistema. Parte del universo que es objeto de estudio del observador.
2. Alrededores. Todo lo que rodea al sistema, pero que no interesa al observador.
3. Universo. Sistema + Alrededores
4. Límite. Frontera real o imaginaria, que separa al sistema de sus alrededores.
Tipos de Sistemas. Según el tipo de intercambios que permite su límite, los sistemas pueden ser:
1. Abiertos. Cuando el límite permite el intercambio de Materia y Energía (Calor y Trabajo)
2. Cerrados. Sí el límite permite el paso de Energía (Calor y Trabajo), pero NO de Materia.
3. Adiabáticos. El límite es impermeable a Materia y Calor, pero permite el paso de otras formas
de Energía (Trabajo)
4. Aislados. Cuando el límite es impermeable tanto a la Materia como a la Energía (Calor y Trabajo)
Estado Termodinámico. Es el conjunto de valores de las propiedades de un sistema, que lo caracterizan en un momento dado. Para cualquier sistema, existe un número infinito de estados. Algunos estados termodinámicos importantes que pueden alcanzar los sistemas son:
1. Definido. Se llama así el estado, cuando conocemos los valores de todas sus propiedades, o todas las relaciones que nos permitan calcularlos.
2. Equilibrio. Estado de un sistema cuyas propiedades tienen valores constantes, que no realiza
intercambio de materia o energía y del cual el sistema no puede salir por sí solo.
3. Estacionario. Estado en que el sistema mantiene valores constantes de sus propiedades, mediante intercambio continuo de materia y energía con los alrededores. Los valores de las propiedades son diferentes a los del estado de equilibrio y cambia cuando cambia la velocidad del
intercambio. También se le conoce como Estado de Equilibrio de Flujos.
4. Estándar. Punto de referencia de los cambios termodinámicos. Se define basándose en la
composición, como el estado en que la actividad termodinámica de todos los componentes del
sistema vale uno. En la realidad, se aproxima a concentración molar igual a uno y presión de
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una atmósfera para los componentes gaseosos del sistema. En Biología y Bioquímica se añade
la condición de pH = 7.
5. Metaestable. Estado que se presenta cuando el sistema está detenido por una barrera de energía que le impide alcanzar el equilibrio. En estas condiciones el sistema no realiza intercambios
con los alrededores y los valores de sus propiedades son constantes, pero cambios provocados
desde el exterior, que permitan rebasar la barrera, hacen que el sistema inicie un proceso, que
puede mantener por si mismo, y lo lleva al estado de equilibrio.
Proceso Termodinámico. Es cualquier cambio en el valor de una o más de las propiedades de un
sistema. Según la forma de los cambios, las propiedades se pueden dividir en:
1. Propiedad de Estado. Es aquella para la que podemos calcular el valor de sus cambios tomando en cuenta sólo los estados inicial y final y no la ruta del proceso. Las propiedades cuyos
cambios dependen de la ruta del proceso se dice que no son propiedades de estado.
2. Propiedad Intensiva. Es aquella cuyo valor no cambia cuando cambia el tamaño del sistema,
debido a que no depende de él.
3. Propiedad Extensiva. Es aquella cuyo valor cambia, al cambiar el tamaño del sistema, o sea
que si depende de este.
Ecuación de Estado. Expresión matemática que describe una relación entre propiedades de estado. El ejemplo más conocido es la Ley de los Gases Ideales, que relaciona composición, Presión,
Volumen y Temperatura de un sistema en estado gaseoso.
Energía Interna (E). Suma de todas las formas de energía que posee un sistema, en virtud de su
tamaño, composición, temperatura, etc.; sin tomar en cuenta su posición ni desplazamiento en el
espacio.
Calor (q) y Trabajo (w). Son las formas fundamentales de transferencia de energía. La principal
diferencia entre ellas radica en que el trabajo se considera como transferencia a escala macroscópica mientras que el calor lo es en el ámbito microscópico. Calor y trabajo NO son propiedades
de estado pues ambas dependen de la ruta a través de la cual se efectúa el proceso.
Leyes de la Termodinámica
El estudio de las transformaciones de energía que se producen durante cualquier cambio en el
Universo, está basado en las Leyes de la termodinámica.
Primera Ley o Ley de la Conservación de la Energía. La primera ley, describe el balance de la
energía intercambiada en un proceso. Su forma más conocida es la Ley de la Conservación de la
Energía, que dice que: “La energía no se crea ni se destruye, pero puede cambiar de una forma
a otra”. En Termodinámica también se enuncia como: “La energía total del universo es constante” o “En un sistema aislado la energía interna es constante”. Cuando un sistema intercambia
energía con sus alrededores, se producen cambios en la energía interna del sistema.
Simplificando, los cambios de Energía Interna (E) en cualquier sistema, resultan del intercambio de energía como calor (q) y trabajo (w), y deben cumplir la ecuación de la primera ley:
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E  q  w
Entalpía. Cuando el cambio de energía se efectúa a presión constante, el trabajo que se realiza
es principalmente de expansión ó cambio de volumen, (V):
w   P (V )
Al sustituir el trabajo de expansión en la ecuación de la primera ley, esta se transforma en:
E  q - P (V )
Transponiendo términos se llega a:
q  E  P (V )
Los cambios de energía y volumen se definen como:
E  E 2  E1 y V  V2  V1
Entonces:
q  (E 2  E1 )  P(V2  V1 )  (E 2  PV2 )  (E1  PV1 )
De aquí, definimos la Entalpía (H) del sistema como:
H  E  PV
y:
H1  E1  PV1 y H 2  E 2  PV2
Finalmente obtenemos que: El cambio de entalpía de un proceso es igual al calor intercambiado
en condiciones de presión constante.
q  H 2  H1  H
La entalpía representa el contenido de energía térmica del sistema y es una propiedad de estado
porque está definida en función de propiedades de estado. Aunque es calor, el cambio de Entalpía
de un sistema depende sólo de los estados inicial y final y no de la ruta que sigue el proceso, porque esta limitada a procesos efectuados a presión constante.
Dos clases de cambios de Entalpía, de importancia en Química son:
Cambio de Entalpía de Formación (Hf). Calor intercambiado en la reacción de síntesis de un
compuesto, a partir de los elementos químicos que lo constituyen, en su forma más estable.
Cambio de Entalpía de Combustión (Hc). Calor intercambiado en la reacción de oxidación total de un compuesto orgánico, hasta CO2 y H2O.
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Termoquímica. Es la aplicación de la Primera Ley de la Termodinámica a las reacciones químicas. Su principio fundamental es la Ley de Hess, nombrada así en honor a Germain Henri Hess,
quien la formuló en 1840.
Ley de Hess. El cambio de entalpía de una reacción química es independiente del número de
etapas en que se efectúa y sólo depende del estado inicial (reactivos) y final (productos):
H  ( H f ) PRODUCTOS  ( H f ) REACTIVOS
Aunque la ley de Hess está formulada en función de la Entalpía, también se puede aplicar a las
otras propiedades termodinámicas de estado.
Segunda Ley. La segunda ley pone un límite a la eficiencia de un sistema. En su forma más simple, establece que: “Para realizar trabajo, la energía debe fluir de un lugar caliente a uno frío”.
En otras palabras: “En el Universo, los procesos siempre proceden en una dirección, desde estados de mayor energía hacia estados de menor energía”.
La pérdida de energía durante el cambio de estado, va acompañada de una pérdida de organización, o aumento de la libertad de variación del sistema, que se mide como un cambio de Entropía (S, con unidades de Energía/Temperatura).
Entropía. Es el parámetro termodinámico que nos permite conocer la dirección de un proceso.
Se derivó originalmente para la expansión de los gases ideales como:
S 
qREV
T
En donde qREV es el calor absorbido en un proceso reversible a temperatura constante (T). La Entropía de un sistema aislado siempre
tiende al máximo y lo alcanza en el equilibrio, por lo tanto, otra
forma de formular la Segunda Ley es: “En un sistema aislado, los
procesos posibles, permitidos o espontáneos tienen cambio de entropía positivo”.
S SISTEMA AISLADO  0
En 1871 Ludwig Boltzmann propuso una interpretación estadística
de la entropía según la cual, la entropía de un sistema es proporcional al número total de arreglos posibles de las partículas del sistema,
(representado por , la letra griega Omega mayúscula) cuando este
se encuentra en un estado particular.
Figura 2 Ludwig Boltzmann
S  k ln 
Donde:
k = constante de Boltzmann
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Para cualquier sistema, el estado con mayor entropía es aquel que tiene mayor número de arreglos posibles y por lo tanto la mayor probabilidad de existir.
Cuando el sistema no está aislado, para determinar si un proceso es permitido, hay que medir el
cambio de entropía del Universo.
Usando la Entropía del Universo, la Segunda Ley también se puede enunciar diciendo que: “En
los procesos espontáneos la entropía del Universo siempre aumenta”.
S UNIVERSO  0
Un sistema puede aumentar (+S) o disminuir (-S) su nivel de entropía, siempre que se cumpla
la segunda ley y la entropía del Universo aumente:
ΔSUNIVERSO = ΔS SISTEMA + ΔS ALREDEDORES > 0
Para mantener un nivel bajo de Entropía los sistemas requieren de un gasto de energía constante,
el cual se logra únicamente en los sistemas abiertos, como los seres vivos.
Energía Libre
En 1878 Josiah Willard Gibbs combinó la primera y segunda leyes de la termodinámica y creó la
función de energía libre (G) que permite:
A. Calcular la máxima cantidad de energía útil (1a ley) que se puede intercambiar en un proceso:
G  H  TS
Donde:
G = Cambio de energía libre (energía útil intercambiada)
H = Cambio de entalpía (calor intercambiado)
T = Temperatura absoluta (en grados Kelvin)
S = Cambio de entropía del sistema
B. Determinar la dirección del proceso (2a ley), tomando en cuenta únicamente el cambio de
energía libre del sistema:
G SISTEMA  0 , Proceso Espontáneo ó Permitido (Exergónico)
G SISTEMA  0 , Proceso No Espontáneo ó No Permitido (Endergónico)
El G de un proceso está definido en función de propiedades de estado y por tanto, es una propiedad de estado, independiente de la ruta que sigue el proceso y solo depende de los estados inicial y final;
por tanto, los cambios de Energía Libre en reacciones químicas se
pueden calcular usando la ley de Hess.
Figura 3 Josiah Willard
Gibbs
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La ecuación que relaciona la concentración de reactivos y productos, con el cambio de energía libre de una reacción química es:
G  G   RT ln
Productos
Reactivos
Donde:
G = Cambio de energía libre de la reacción
G° = Cambio de energía libre en condiciones estándar
R = Constante de la ecuación de los gases ideales
T = temperatura absoluta (en grados Kelvin)
[Productos] = Concentración molar de los productos
[Reactivos] = Concentración molar de los reactivos
El cambio de energía libre de una reacción química es un criterio para determinar si la reacción es
permitida:
1. Una reacción es espontánea, esto es permitida, si tiene G negativo.
2. Si el G vale cero, entonces la reacción está en equilibrio. En estas condiciones:
G    RT ln K
EQ
3. Las reacciones con G positivo no son espontáneas, no son permitidas, es necesario suministrarles energía libre para que se lleven a cabo.
El G no proporciona información sobre el mecanismo o velocidad de una reacción química; esta
información se puede obtener de la energía de activación.
Cambios de Energía Libre en Reacciones Metabólicas. Muchas de las reacciones que se efectúan en las células, tienen cambio de energía libre estándar positivo, o sea no son permitidas en
condiciones estándar. Para llevar a cabo estas reacciones, las células utilizan varias estrategias.
1. Relación Productos/Reactivos menor que la unidad. Cuando en la ecuación:
G  G   RT ln
Productos
Reactivos
el cociente [Productos]/[Reactivos] es menor que 1, su logaritmo es negativo, lo cual favorece
que él cambio de energía libre se vuelva negativo y la reacción se lleve a cabo. Para mantener
el valor pequeño, las substancias que se producen en una reacción no deben acumularse. Para
evitar la acumulación la sustancia debe ser metabolizada rápidamente, o transportada a otro
compartimiento, o de otro modo la reacción se detiene y con ella toda la vía metabólica.
2. Acoplamiento de reacciones. Una reacción endergónica se puede llevar a cabo, sí acoplada a
ella se efectúa otra exegónica, que libere suficiente energía. Dos reacciones se pueden acoplar
si existe un intermediario común (i.e., el producto de una es reactivo de la otra), o mediante un
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agente para acoplarlas. En el metabolismo, las enzimas son los agentes que acoplan las reacciones. Muchas reacciones celulares se acoplan con la hidrólisis de ATP.
Con estos principios, podemos concluir que la aplicación de la Termodinámica a los sistemas biológicos permite:
1. Definir la dirección de los procesos; en los procesos espontáneos:
S UNIVERSO  0 y G SISTEMA  0
2. Conocer la cantidad de energía útil que se puede obtener:
G  H  TS
3. Determinar cuando una reacción ha llegado al equilibrio:
G SISTEMA  0 , GSISTEMA  Mínima , S UNIVERSO  0 y S UNIVERSO  Máxima
4. Saber que condiciones deben variar para lograr que reacciones no permitidas se lleven a cabo:
cambios en la relación [Productos]/[Reactivos] y acoplamiento de reacciones con +G, y reacciones con -G.
Tercera Ley. Esta ley, marca un punto de referencia absoluto para la medición de la entropía y,
al menos en teoría, para todas las propiedades de estado. El enunciado más simple de esta ley dice que: “Cuando la temperatura de un sistema se aproxima al cero absoluto, todos los procesos
cesan y la Entropía llega a un valor mínimo”.
Un corolario de esta ley es que cuando un sistema está cerca del cero absoluto, la Entropía depende únicamente de la Temperatura. Además, cuando un sistema se encuentra en el cero absoluto, la Entropía tiene un valor constante que depende de la degeneración del estado basal. Si un
sistema no tiene degeneración, como un cristal perfecto, a la temperatura de cero absoluto tendrá
cero Entropía.
Ley Cero o Cuarta Ley. Esta ley constituye la base de la definición del concepto de Temperatura estableciendo que: “Dos sistemas en equilibrio tienen la misma Temperatura si al ponerlos en
contacto térmico permanecen en equilibrio, o sea, sus propiedades permanecen constantes”. O
que: “Cuando no hay intercambio de calor entre dos sistemas en contacto térmico, es porque
ambos sistemas tienen la misma Temperatura”. Se dice que dos sistemas están en “contacto
térmico”, cuando existe la posibilidad de que intercambien calor, sin intercambiar trabajo o materia.
Limitaciones de la Termodinámica
Los principios de la termodinámica se desarrollaron en sistemas aislados y en equilibrio mientras
que las células son sistemas abiertos y alejados del equilibrio en los cuales se realizan procesos
irreversibles.
Durante parte de su vida las células se encuentran en estado estacionario. La termodinámica de
los seres vivos es disipativa porque para mantener su estado estacionario las células deben consumir energía en todo momento.
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La termodinámica no brinda ninguna información respecto de la velocidad a la cual se realiza un
proceso, porque es independiente del tiempo, esta información es el objeto de estudio de la Cinética Química.
Cinética Química
La Cinética Química estudia los cambios en la concentración de reactivos y productos, que se dan
durante el desarrollo de las reacciones químicas y su relación con el tiempo. También se ocupa de
estudiar la ruta o mecanismo a través del cual se lleva a cabo la reacción, y el efecto de los factores que la pueden modificar.
Velocidad de las Reacciones Químicas
La velocidad (v) de una reacción química se define como el cambio en la concentración de productos o reactivos en el tiempo:
v
dProductos
dReactivos

dt
dt
El signo negativo indica que la concentración de los reactivos disminuye con el tiempo.
Para explicar los factores que afectan la velocidad, se usa un modelo de las reacciones químicas
que considera las moléculas como partículas en movimiento aleatorio, con niveles de energía que
siguen la Ley General de Distribución de Energía de Maxwell-Boltzmann (Figura 4).
Figura 4. Ley de Distribución de Energía de Maxwell-Boltzmann
En estas condiciones, la velocidad de reacción depende de que:
1. Las moléculas que van a reaccionar, se encuentren.
2. Que el encuentro, choque o colisión, se efectué con suficiente energía.
3. Al momento de la colisión, las moléculas tengan la orientación adecuada.
Estas condiciones se pueden expresar como la probabilidad (p) de que se cumpla cada una de
ellas, de esta manera, es posible definir la velocidad como una función de probabilidades:
v  f ( pCOLISIÓN , pENERGÍA , pORIENTACIÓ N )
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Cualquier factor que modifique una o más de estas probabilidades, afectará la velocidad de la reacción. Estudiaremos tres de los factores más importantes que modifican la velocidad de una reacción química: (1) la concentración de reactivos, (2) la temperatura y (3) la presencia de un catalizador o una enzima.
Concentración de Reactivos
El efecto de la concentración de reactivos se resume en la Ley de Acción de Masas, que fue
enunciada en 1867 por los Noruegos Cato Maximilian Gouldberg y Peter Waage, y dice:
“La velocidad de una reacción química es proporcional a la concentración de los reactivos”.
Esta relación se expresa como una Ecuación de Velocidad:
v  Reactivos ó v  k Reactivos
Donde:
 = Símbolo de proporcionalidad
v = Velocidad de la reacción
k = Constante de proporcionalidad, denominada constante
de velocidad específica o simplemente velocidad específica
[Reactivos] = Concentración molar de los reactivos
En muchas reacciones, esta relación no se cumple porque
está influenciada por el Orden de reacción (N), que es un
exponente al cual se debe elevar la concentración de reactivos para que se cumpla la ecuación de velocidad:
Figura 5. Cato M. Gouldberg
(izq.) y Peter Waage.
v  k Reactivos N
El orden de reacción es un parámetro propio de cada reacción química; puede tener cualquier valor igual o mayor que cero, y se determina en forma empírica. En la cinética de las enzimas, hay
tres valores del orden de reacción que son importantes:
Orden Cero. En la cinética de orden cero, la velocidad de la reacción es independiente de la concentración de reactivo y se mantiene constante, aunque esta cambie:
v  k Reactivo 0  k
En este tipo de reacciones, la concentración de reactivos y productos depende en forma lineal del
tiempo de reacción transcurrido (t):
Reactivo  ReactivoINICIAL  kt
En forma práctica se observa un seudo-orden cero cuando en una reacción en la que participan
dos reactivos, uno de ellos se encuentra en exceso, entonces aunque se aumente su concentración,
no hay cambio importante en la velocidad. Esta situación corresponde a los casos de saturación
que se presentan en fenómenos biológicos como, unión a receptores, transporte a través de membrana y por supuesto, la catálisis enzimática.
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Orden Uno. En este caso, cuando aumenta la concentración de reactivo, la velocidad de la reacción aumenta en la misma proporción:
v  k Reactivo 1  k Reactivo 
En las reacciones de orden uno la concentración de reactivos y productos varía con el tiempo en
forma exponencial.
Reactivo  ReactivoINICIAL  e - kt
A concentraciones bajas de reactivo, casi todas las reacciones enzimáticas tienen cinética de orden uno respecto de la concentración de sustrato. Una característica importante de las reacciones
de orden uno es que su Tiempo de Vida Media, esto es el tiempo que tarda en reducirse a la mitad la concentración de reactivo, es constante. También siguen cinéticas de orden uno procesos
como la absorción y eliminación de fármacos
Orden Dos. Una reacción es de orden dos si su velocidad depende de la concentración de dos reactivos o del cuadrado de la concentración de un solo reactivo:
v  k Reactivo1 Reactivo 2 
ó
v  k Reactivo 2
En reacciones de este orden la concentración de un reactivo cambia en forma hiperbólica con el
tiempo:
Reactivo  ReactivoINICIAL
1  ReactivoINICIAL kt
Las enzimas que usan dos substratos, pueden presentar cinéticas de orden dos.
Un resumen de las características de cada orden de reacción se presenta en las ecuaciones de la
Tabla 1 y se muestra en forma gráfica en la Figura 6.
Reacción
Orden
Ecuación de
Velocidad
Ecuación
Diferencial
Forma Integrada
Forma Lineal
Vida Media
Tabla 1. Resumen de Ecuaciones de Orden de Reacción
RP
R S  P
0
1
2a (R=S)
2b (RS)
v = k  R
0
v=k R 
v=k R 
2
v = kRS 
d R 
d R 
 kdt
 k S dt
2
R 
R 
R   R0 e kt( R 0 S 0 )
R  R 0  kt R   R 0 e  kt R   R 0
1 R 0 kt
S  S 0
1
1
R 
R 
R  R 0  kt lnR  lnR0  kt R  R   kt ln S   ln S 0  kt( R0  S 0 )
0
0
S 
ln 0  ln 2
1

R 0
ln 2
t1/ 2 
t1/ 2 
t1/ 2 
S 
t1/ 2 
k R0
2k
k
k( R 0  S 0 )
d R   kdt
d R 
 kdt
R
El efecto de la concentración sobre la velocidad de las reacciones químicas, se puede explicar
porque al aumentar el número de partículas por unidad de volumen, aumenta la probabilidad de
colisiones entre moléculas.
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Termodinámica, Cinética y Enzimas
(A)
(B)
Figura 6. Orden de Reacción. (A) Velocidad en función de la Concentración. (B) Concentración
en función del Tiempo de reacción
Temperatura
La temperatura es una medida de la energía cinética molecular promedio de un sistema. En la
mayoría de las reacciones químicas la velocidad aumenta con la temperatura porque las moléculas se mueven con más velocidad. A mayor velocidad, aumenta la distancia recorrida por unidad
de tiempo y con ella, aumenta la probabilidad de encuentros. Además, mayor velocidad significa
que la energía de los choques también es mayor, y es más probable que sea suficiente para provocar la reacción. La relación entre la velocidad y la temperatura de las reacciones químicas está resumida en la ecuación de Arrhenius:
k
E A
Ae RT
Donde:
k = Constante de velocidad específica
A = Constante de Arrhenius
e = Base de los logaritmos naturales (2.71828)
EA = Energía de Activación
R = Constante de los gases ideales
T = Temperatura absoluta
Energía de Activación. Es la energía necesaria para que los reactivos alcancen el estado activado
intermedio. Representa una barrera que los reactivos deben rebasar para convertirse en productos
(Figura 7.A).
La energía de activación se relaciona en forma inversa con la velocidad (Figura 7.B). Las reacciones termodinámicamente espontáneas, pero que no se llevan a cabo debido que tienen energía
de activación elevada, se dice que están en un estado metaestable.
Constante de Arrhenius. El valor de esta constante está relacionado con el cambio de entropía
de la reacción porque depende de la forma y tamaño de las moléculas, mientras más complejas
son las moléculas de reactivo, menor es el valor de la constante.
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(A)
(B)
Figura 7. Energía de Activación. (A) Interpretación. (B) Relación con la velocidad
Catalizadores
Los catalizadores son substancias que aceleran las reacciones químicas, participando en
ellas pero sin consumirse. Los catalizadores
tienen algunas propiedades generales:
1. Actúan a concentraciones bajas.
2. Participan, pero no se modifican ni consumen durante la reacción.
3. No cambian el equilibrio de las reacciones.
4. No modifican las propiedades termodinámicas de las reacciones, solamente la
velocidad con que se alcanza el equilibrio.
Figura 8. Mecanismo de acción de los Catalizadores
5. Cambian el mecanismo de las reacciones, estabilizando los estados intermedios de alta energía.
6. Disminuye la energía de activación.
Estas propiedades se ilustran en la Figura 8.
Clasificación
Existen dos tipos de catalizadores, los inorgánicos, sintetizados en laboratorios, y los orgánicos
o enzimas que sintetizan los seres vivos. Aunque ambos tipos tienen las mismas propiedades generales, existen diferencias importantes entre enzimas y catalizadores inorgánicos.
1. Tamaño. Las enzimas son proteínas o ácidos nucleicos, más grandes que los substratos, grupos
funcionales y catalizadores inorgánicos. Las enzimas tienen pesos moleculares mayores (desde
12,000 a 1 millón de Daltons) que los catalizadores inorgánicos.
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Termodinámica, Cinética y Enzimas
2. Especificidad. La mayoría de las enzimas son específicas de los substratos que usan y/o las reacciones que catalizan, mientras que la especificidad de los catalizadores inorgánicos aún es
menor.
3. Capacidad Catalítica. Las enzimas aceleran las reacciones mucho más que los catalizadores
inorgánicos, en el orden de 106 a 1017 veces, comparadas con los 102 a 104 de los catalizadores
inorgánicos (Tabla 2).
4. Condiciones de Trabajo. Las enzimas son activas en condiciones de pH y Temperatura en las
que la mayoría de los catalizadores inorgánicos no funcionan.
Tabla 2. Capacidad catalítica de las enzimas
Constante de Velocidad Constante de Velocidad
Enzima
Aceleración
SIN Enzima
CON Enzima
Anhidrasa Carbónica
1 x 10-4
1 x 102
8 x 106
-9
-2
Quimotripsina
4 x 10
4 x 10
1 x 107
Lisozima
3 x 10-9
5 x 10-1
2 x 108
-6
3
Triosafosfato Isomerasa
4 x 10
4 x 10
1 x 109
Fumarasa
2 x 10-8
2 x 103
1 x 1011
-9
3
Amilasa
3 x 10
1 x 10
3 x 1011
Adenosina Desaminasa
2 x 10-10
4 x 102
2 x 1012
-10
4
Ureasa
3 x 10
3 x 10
1 x 1014
-15
2
Fosfatasa Alcalina
1 x 10
1 x 10
1 x 1017
Orotidin-5'-fosfato Descarboxi3 x 10-16
4 x 10
1 x 1017
lasa
ENZIMAS
Funciones de las Enzimas. Además de la catálisis, las enzimas también cumplen otras funciones.
1. Catálisis. La mayoría de las reacciones químicas del metabolismo son lentas, las enzimas aceleran las reacciones permitiendo que el metabolismo se efectúe a la velocidad que las células
requieren.
2. Dirección. Las enzimas no permiten la formación de productos secundarios, de esta manera
evitan que se pierdan precursores y energía que la célula necesita; esta característica también se
conoce como catálisis negativa.
3. Control. La actividad de las enzimas se puede regular para ajustarla a las necesidades del metabolismo. La velocidad del metabolismo es determinada por las enzimas.
4. Acoplamiento. Las enzimas son los agentes encargados de acoplar reacciones no permitidas
con reacciones espontáneas, permitiendo que se realicen.
Composición y Estructura
En 1905 Arthur Harden descubrió que la actividad de las enzimas requería de dos fracciones, una
no ultrafiltrable y sensible a la temperatura, a la que llamó zimasa, y otra filtrable y resistente al
calentamiento, la cozimasa. La zimasa de Harden, está formada por las proteínas, mientras que la
cozimasa contenía los sustratos y cofactores necesarios para que la actividad de las enzimas.
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Termodinámica, Cinética y Enzimas
La mayoría de las enzimas son proteínas, como lo descubrió James B. Sumner en 1926, al cristalizar la enzima Ureasa (EC 3.5.1.5) de la soya. Como tales, tiene todas las propiedades de las
proteínas. El descubrimiento de las propiedades catalíticas de moléculas de RNA bautizadas como Ribozimas, realizado en 1981 por Thomas Cech, no modifica en forma importante los temas
a revisar ya que en esencia la actividad enzimática de los RNA tiene las mismas características
cinéticas que la de las proteínas.
Figura 9. De izquierda a derecha Arthur Harden, James B. Sumner y Tomas Cech
La actividad enzimática depende de la integridad de la estructura. Todos los niveles estructurales
son importantes, 1º, 2º, 3º y 4º de proteínas, y 1°, 2° y 3° de ácidos ribonucleicos. Los agentes
que desnaturalizan proteínas, destruyen la actividad enzimática y lo mismo sucede con las ribozimas.
Su estructura puede estar constituida sólo por aminoácidos (como la Ribonucleasa pancreática
(EC 3.1.27.5) y la Pepsina de la digestión), o pueden ser proteínas conjugadas con otros grupos
químicos para realizar acciones que los aminoácidos no pueden. Las ribozimas conocidas sólo
necesitan nucleótidos para ser activas, aunque algunas se asocian con iones y proteínas.
Los grupos químicos no proteínicos de las enzimas conjugadas se dividen en tres categorías.
1. Cofactores. De naturaleza inorgánica, frecuentemente iones metálicos, entre los más comunes
están Fe2+, Cu1+, Mg2+, Mo2+, Mn2+ y Zn2+.
2. Coenzimas. Compuestos orgánicos, muchos de ellos derivados de vitaminas, también conocidos como Cosubstratos. Algunos ejemplos son ácido lipóico, pirofosfato de tiamina, biotina y
vitamina B12. Tradicionalmente, se llaman coenzimas a los cosubstratos libres, que se separan
de la enzima por diálisis.
3. Grupos prostéticos. Se denomina así a los Cofactores o Coenzimas que se unen con fuerza a
su enzima, a veces mediante enlaces covalentes, y no se separan por diálisis.
Las enzimas conjugadas pueden requerir tanto cofactores como coenzimas.
1. Holoenzimas. Son las enzimas conjugadas que tiene actividad catalítica alta porque están unidas a su coenzima o cofactor.
maov/mlvm/15
Termodinámica, Cinética y Enzimas
2. Apoenzima. Es la parte proteínica de una enzima conjugada, cuando no se encuentra presente
el cofactor o coenzima necesarios. En estas condiciones la proteína pierde parte o toda su actividad catalítica.
Basándose en lo anterior, se dice que la proteína es la parte responsable de la especificidad de la
enzima mientras que la coenzima o cofactor son responsables de la catálisis. Esta es una simplificación y debe interpretarse con cautela.
Muchas enzimas son proteínas oligoméricas y algunas de sus subunidades tiene funciones de regulación.
Varias enzimas tienen más de una forma molecular capaz de catalizar la misma reacción dentro
de un organismo, un tejido, e incluso una sola célula. A estas moléculas se les llama Isoenzimas.
Las isoenzimas catalizan la misma reacción pero tiene propiedades cinéticas diferentes, composición de aminoácidos distinta y se pueden separar por métodos de purificación. Un ejemplo conocido es la Lactato Deshidrogenasa (LDH EC 1.1.1.27) que tiene cinco formas isoenzimáticas,
todas con características cinéticas diferentes. La distribución de las isoenzimas en un organismo
es el reflejo de las diferencias que hay entre los distintos sitios en que se localiza, por ejemplo:
1. Patrones metabólicos diferentes. Las diferencias entre las isoenzimas de LDH de músculo
cardiaco y estriado reflejan las diferencia metabólicas entre ambos tejidos, el primero es esencialmente aeróbico mientras que el segundo es facultativo.
2. Localización y función diferente dentro de una misma célula. La enzima Malato Deshidrogenasa (EC 1.1.1.37) se encuentra en formas diferentes, en la mitocondria y en el citoplasma de las células, catalizando la misma reacción pero en vías metabólicas distintas.
3. Diferencias en desarrollo de los tejidos. La LDH del hígado muestra un patrón isoenzimático
en el feto distinto al del adulto
4. Ajustes en la velocidad del metabolismo. Varias enzimas reguladoras existen en distintas
formas isoenzimáticas que difieren en su respuesta a los moduladores, como la Glucocinasa
(EC 2.7.1.2) y la Hexocinasa (2.7.1.1).
El primer paso en la catálisis enzimática es la unión del substrato a la enzima para formar el llamado complejo Enzima-Substrato (ES). El substrato se une a la enzima en un lugar específico
de esta llamado Sitio Activo. En la Figura 9 se muestra el sitio activo de enzima Fosfofructocinasa (EC 2.7.1.11) ocupado por sus substratos, ATP y Fructosa – 6 - fosfato.
El complejo ES, se ha estudiado en varias enzimas usando técnicas como la microscopia electrónica, difracción de rayos X, Resonancia Magnética Nuclear y varios métodos espectroscópicos,
determinándose que las propiedades más importantes del sitio activo son:
1. Constituye sólo una pequeña parte de toda la estructura de la enzima.
2. Es el sitio de reconocimiento y unión del substrato.
3. Contiene los restos de aminoácidos que participan en las reacciones químicas.
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Termodinámica, Cinética y Enzimas
4. Tiene una forma tridimensional característica, determinada por el arreglo de restos de aminoácidos provenientes de diferentes secciones de la cadena de aminoácidos, que se aproximan entre sí, debido a las estructuras 2ª, 3ª y 4ª.
Figura 10. Modelo del Sitio Activo de Fosfofructocinasa
Los substratos se unen al sito activo mediante interacciones no covalentes como:
1. Enlaces electrostáticos.
2. Puentes de hidrógeno.
3. Fuerzas de van der Waals.
4. Interacciones hidrófobas.
Ocasionalmente también se pueden formar enlaces covalentes de corta duración.
Mecanismos de la Catálisis Enzimática
La complementariedad de forma tridimensional entre la enzima y el substrato permite disminuir
la energía de activación de la reacción, mediante factores como:
1. La orientación de los substratos en el sitio activo es la más apropiada para la reacción.
2. La participación de las cadenas laterales de los aminoácidos en el complejo ES, permite estabilizar los estados de transición.
3. La unión del substrato al sitio activo, aumenta la concentración efectiva de los grupos reactivos
y facilita la reacción.
4. Los cambios de conformación de la enzima, provocados por la unión del substrato al sitio activo, inducen tensión en la molécula y facilitan el rompimiento de enlaces.
Existen dos modelos para explicar la unión de la enzima y el substrato y la catálisis enzimática:
1. Modelo de la llave y la cerradura. Fue propuesto por Emil Fischer a finales del siglo XIX.
Considera que la enzima es una estructura rígida a la cual se debe ajustar el substrato.
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Termodinámica, Cinética y Enzimas
Figura 11. Modelo de la llave y la cerradura
2. Modelo de ajuste inducido. Desarrollado por Daniel Koshland en la década de 1960. Supone
que la enzima es flexible, capaz de cambiar de forma cuando es inducida por la unión del substrato apropiado, moviendo los grupos R hacia posiciones que facilitan la reacción.
Figura 12. Modelo de ajuste inducido
Especificidad
La especificidad de las enzimas por sus substratos es variable, y se pueden describir tres tipos generales:
Especificidad absoluta. Una enzima une sólo un substrato, cataliza una sola transformación y
forma un solo producto.
1. Aspartasa (EC 4.3.1.1). Esta enzima de plantas y bacterias cataliza la adición del amoniaco al
ácido fumárico para formar el aminoácido l-Aspartato. La enzima es absolutamente específica
para la geometría trans del ácido fumárico y la isomería óptica del l-Aspartato.
+NH
4
H
+
O
C
C
C
O
C
H
O
Amonio
Fumarato
O
O
+
C
O
H3N C H
CH2
C
O
O
l-Aspartato
Esquema 1. Reacción de la Aspartasa
2. Aconitasa (EC 4.2.1.3). Enzima del ciclo de Krebs que interconvierte en forma reversible el
Citrato y el Isocitrato. La especificidad es absoluta para los dos ácidos y de los cuatro isómeros
posibles del Isocitrato sólo forma y utiliza el isómero 2R, 3S.
maov/mlvm/18
Termodinámica, Cinética y Enzimas
O
C O
O
C O
H2C O
H2C O
HO C C O
CH2
H C C O
HO C H
O
C O
Citrato
O
C O
2R,3S-Isocitrato
Esquema 2. Reacción de la Aconitasa
Especificidad de grupo. Una enzima puede catalizar la misma reacción en un grupo de substratos con estructura semejantes.
1. Las enzimas digestivas Tripsina y Quimotripsina (EC 3.4.21.1) miembros de la familia de las
proteasas con serina, catalizan el rompimiento de cualquier enlace peptídico e incluso éster,
siempre que el grupo carboxilo provenga de aminoácidos específicos, aromáticos en el caso de
la Quimotripsina y catiónicos en el de Tripsina.
Esquema 3. Especificidad de Tripsina y Quimotripsina
2. Enzimas de la Oxidación de Ácidos Grasos. Este grupo de enzimas mitocondriales, es capaz
de oxidar ácidos grasos, sin importar la longitud de la cadena de carbonos
Esquema 4. Beta-oxidación de ácidos grasos
maov/mlvm/19
Termodinámica, Cinética y Enzimas
Especificidad de reacción. Estas enzimas catalizan una reacción en substratos que pueden tener
estructuras muy diferentes.
1. Las enzimas de destoxificación de fármacos son específicas para reacciones de oxidorreducción, hidrólisis, conjugación, etc., pero los substratos tienen estructuras muy variadas.
2. La Mono Amino Oxidasa (MAO EC 1.4.3.4), cataliza la desaminación oxidativa de varios neurotransmisores con estructura diferente.
+
HC O
H2C NH3
HC OH
HC OH
+
+NH
4
HO
HO
OH
3,4-Bihidroxifenilglicolaldehido
OH
Norepinefrina
Esquema 5. Ejemplo de reacción catalizada por la MAO
Algunos autores interpretan la especificidad enzimática de otra forma, diciendo que:
“Todas las enzimas son específicas porque la ausencia de una no puede ser substituida por ninguna otra”.
Medición de la Actividad Enzimática
La unidad de actividad enzimática se define como la cantidad de enzima que causa la transformación de 1 micromol (1 mol = 10-6mol) de substrato por minuto, a 25 °C, en condiciones óptimas
de actividad.
Actividad específica. Es el número de las unidades de actividad de enzima por miligramo de
proteína. La actividad específica es una medida de pureza de la enzima, aumenta durante la purificación y alcanza el valor máximo y constante cuando la enzima está pura.
Clasificación y Nomenclatura
En 1878. Friedrich Wilhelm Kühne usó por primera vez el término Enzima, que significa “en la
levadura”, para referirse al agente causante de la fermentación del azúcar, y distinguió dicho
agente del organismo que lo produce.
En 1883. Pierre Émile Duclaux introdujo la convención de nombrar las enzimas añadiendo el sufijo “asa”, al nombre del sustrato para el que se reporta por primera vez su acción.
1. Ureasa, cataliza la hidrólisis de Urea.
+
O
H2N
C
NH2
+ 2H2O
NH4 O
O
+
C O NH4
Urea
Esquema 6. Reacción de la Ureasa
maov/mlvm/20
Termodinámica, Cinética y Enzimas
2. Arginasa (EC 3.5.3.1) hidroliza el aminoácido Arginina.
COO+
COO-
H3N CH
+
H3N CH
CH2
CH2
+ H2O
CH2
HN
CH2
CH2
NH
CH2
C
NH3
O
+
H2N
C
NH2
+
NH2
Arginina
Ornitina
Urea
Esquema 7. Reacción de la Arginasa
Este esquema se modificó empleando el nombre del substrato o producto, seguido del tipo de reacción con terminación “asa”.
1. Glutamina Sintetasa (EC 6.3.1.2), cataliza la síntesis del aminoácido Glutamina a partir del
ácido Glutámico y amoniaco.
COO-
COO-
+
H3N CH
+
H3N CH
CH2
CH2
+
+ NH4 + ATP
CH2
COOGlutamato
CH2
CH2
+ ADP + Pi
CH2
C NH2
O
Glutamina
Esquema 8. Reacción de la Glutamina Sintetasa
2. La ya mencionada Lactato Deshidrogenasa, es la enzima que cataliza la oxido-reducción reversible del ácido láctico en ácido pirúvico.
COOHO CH + NAD+
CH3
l-Lactato
COOC O + NADH + H+
CH3
Piruvato
Esquema 9. Reacción de la LDH
Otros nombres no se relacionaron con el substrato o reacción, sino con la fuente de donde se obtenía la enzima.
1. Pepsina (EC 3.4.23.1) es una enzima digestiva que hidroliza proteínas y se obtiene del jugo
péptico.
2. Papaína (3.4.22.2) es otra proteasa que se obtiene de la cáscara de papaya.
Estas prácticas dieron como resultado posibles confusiones porque:
1. Una misma enzima puede tener varios nombres; por ejemplo, Citrato Sintetasa, Enzima
Condensante y Citrogenasa, son nombres que se han aplicado a la enzima que cataliza la
maov/mlvm/21
Termodinámica, Cinética y Enzimas
formación de Ácido Cítrico a partir de Ácido Oxalacético y Acetil-CoA en el ciclo de Krebs,
que hoy se conoce como Citrato Sintasa (EC 4.1.3.21).
2. Un mismo nombre se puede dar a enzimas diferentes; por ejemplo, las proteasas son enzimas
que catalizan hidrólisis de proteínas pero existen varios tipos extra e intracelulares.
Clasificación y Nomenclatura Digital
En 1972. La Comisión de Nomenclatura Enzimática, órgano creado por la Unión Internacional de
Bioquímica, hoy Unión Internacional de Bioquímica y Biología Molecular, propuso un esquema
de nomenclatura y clasificación de las enzimas, basado en los mecanismos de reacción que se
ilustran en la Tabla 3, acompañados de ejemplos de nombres recomendados para algunas enzimas representativas de cada categoría.
Tabla 3. Mecanismos de Reacción de la Clasificación Digital
N
o
CLASE
1
Oxidorreductasas
2
Transferasas
3
Hidrolasas
4
Liasas
MECANISMO GENERAL
Rred + Sox
R-G + S
R-S + HOH
R
S
C
X
Rox + Sred
R + S-G
R-OH + H-S
C
X = C, N, O
5
Isomerasas
6
Ligasas
X
+ R-S
EJEMPLOS
-
R1
R2
R + S +NTP
R S + NDP o NMP
N=A,G,C o U
-
Malato Deshidrogenasa
Fenilalanina Hidroxilasa
Citocromo Oxidasa
Ornitina Transcarbamilasa
Glucocinasa, Hexocinasa
Glucosa-6-fosfatasa
Arginasa
Citrato Sintasa
Enolasa
Fructosa-1,6-bifosfato aldolasa
Fumarasa
Glucosafosfato Isomerasa
Fosfoglicerato Mutasa
Carbamilfofato Sintetasa
Piruvato Carboxilasa
Acetil-CoA Carboxilasa
Este sistema se conoce como la Clasificación Digital, porque cada enzima se identifica con un
conjunto de cuatro números, separados con puntos. Antes de los números se escriben las iniciales
EC, correspondientes a “Comisión de Enzimas”, que es el organismo encargado de elaborar y
mantener dicha clasificación. La clasificación se hace con base en el mecanismo de la reacción
que cataliza cada enzima, en especial el del primer paso de la reacción que es determinante de
cualquier reacción posterior. Se reconocen seis tipos de mecanismos de reacción, que se designan
con números, los cuales se escribe como el primer número de la clasificación de las enzimas; los
tipos de mecanismos son:
1. Oxidorreductasas. Catalizan reacciones de transferencia de electrones en las que un substrato
se oxida (pierde electrones) y otro se reduce (gana electrones) con frecuencia, uno de los substratos es una coenzima.
maov/mlvm/22
Termodinámica, Cinética y Enzimas
2. Transferasas. Mueven radicales químicos entre dos moléculas distintas al agua.
3. Hidrolasas. Catalizan la transferencia de radicales químicos al agua, lo cual equivale al rompimiento de enlaces con adición de los elementos de una molécula de agua.
4. Liasas. Catalizan reacciones de eliminación, formando dobles enlaces, o reacciones de adición
a dobles enlaces.
5. Isomerasas. Forman isómeros, moviendo radicales químicos dentro de una misma molécula,
provocando cambios estructurales o geométricos.
6. Síntetasas o Ligasas. Forman enlaces C-C, C-S, C-O, ó C-N, acoplando la formación, al rompimiento de moléculas de Adenosín Trifosfato (ATP), u otro nucleótido de alta energía de
hidrólisis (XTP).
En cada clase principal existen subclases y sub-subclases, que se representan con el segundo y
tercer números, y proporcionan información sobre los substratos, productos, coenzimas, tipos de
enlace que se modifican, y datos característicos de cada tipo de reacción, como se muestra en la
Tabla 4.
Tabla 4. Información en las subclases de la clasificación digital
No
Clase
Subclase
Sub-subclase
1 Oxidorreductasas Grupo donador de electrones Grupo aceptor de electrones
2 Transferasas
Grupo transferido
Grupo donador y/o aceptor
3 Hidrolasas
Tipo de enlace hidrolizado Tipo de substrato
4 Liasas
Átomos unidos por el enlace Tipo de substrato
5 Isomerasas
Tipo de isomerización
Tipo de substrato
6 Ligasas
Tipo de enlace formado
Tipo de compuesto formado
Por último, se agrega un cuarto número secuencial que indica el orden en que se incluyen las enzimas en la clasificación.
Junto con la clasificación digital, la comisión de nomenclatura asigna a cada enzima un nombre
sistemático, que describe la reacción, separando con dos puntos los nombres de los participantes
y el tipo de reacción (ver Tabla 5). Estos nombres resultan engorrosos por ello, también se asigna
un nombre común permitido, frecuentemente el más usado antes de la clasificación.
Como ejemplo de la nomenclatura digital, en el Esquema 10 se presenta la reacción de transferencia de un grupo fosfato entre el ATP y la D-Glucosa.
O
11
27
CH2OH
H 2C O
HO
O
O O
O
OH
P
OH
+ ATP
OH
OH
Glucosa
+ ADP
HO
OH
OH
Glucosa-6-fosfato
Esquema 10. Reacción de fosforilación de Glucosa
maov/mlvm/23
Termodinámica, Cinética y Enzimas
A una de las enzimas que catalizan esta reacción, le corresponde el número de clasificación EC
2.7.1.1, que significa:
2 = Clase principal = Transferasa
7 = Subclase = Grupo transferido = Fosfato proveniente de ATP
1 = Sub-subclase = Aceptor = el aceptor es un radical hidroxilo
1 = Numero secuencial de la enzima particular dentro de esta categoría.
El nombre oficial asignado a la enzima es ATP : Glucosa : Fosfato Transferasa, y su nombre
común recomendado es Hexocinasa.
Tabla 5. Estructura de los Nombres Sistemáticos y Recomendados
No
Clase
Sistemático
Recomendado
1 Oxidorreductasas Donador : Aceptor Oxidorreduc- Donador Deshidrogenasa
tasa
Aceptor Reductasa
Donador Oxidasa (si O2 es el Aceptor)
2 Transferasas
Donador : Aceptor Grupo Trans- Aceptor Grupo Transferasa
ferasa
Donador Grupo Transferasa
3 Hidrolasas
Sustrato : Molécula Liberada Sustrato Hidrolasa
Hidrolasa
Sustratoasa
4 Liasas
Sustrato : Grupo Liberado Liasa
Sustrato Grupo Liberadoasa
Producto Sintasa (reacción de condensación)
5 Isomerasas
Sustrato : Tipo de isomerización Sustrato Isomerasa
Isomerasa
Sustrato Tipo de Isomerizaciónasa
6 Ligasas
Sustrato 1 : Sustrato 2 Ligasa Molécula Formada Sintetasa
(Nucleótido)
Cinética Enzimática
La cinética enzimática estudia el mecanismo, velocidad y los factores que modifican las reacciones catalizadas por enzimas. Los factores que estudiaremos son la concentración de substrato,
temperatura, pH, concentración de enzima, e inhibidores enzimáticos.
Concentración de Substrato
La concentración del substrato tiene un efecto importante en la velocidad de las reacciones enzimáticas. El análisis del efecto del cambio de concentración de substrato, proporciona información respecto del mecanismo de reacción, especificidad y propiedades cinéticas de las enzimas.
En 1902, al estudiar la cinética de la hidrólisis de Sacarosa, Adrian Brown descubre la saturación
de la enzima Invertasa (EC 3.2.1.26) y propone que la reacción se efectúa en dos etapas, primero
la enzima (E) y el sustrato (S), se unen para formar un complejo (ES):
E  S  ES
Que se disocia liberando el producto (P):
ES  E  P
maov/mlvm/24
Termodinámica, Cinética y Enzimas
Después, en 1903, Víctor Henri estudia el equilibrio de la formación del complejo enzimasubstrato y propone una expresión cuantitativa entre la concentración de sustrato y actividad enzimática. En 1913, Leonor Michaelis y Maude L. Menten corrigieron el trabajo de Brown y Henri. Aplican condiciones estrictas para la medición de la actividad enzimática, y suponen que la
formación del complejo ES, es rápida y reversible, mientras que la liberación del producto es lenta.
Rápida Lenta
E + S  ES  E + P
Con base en este supuesto, proponen el modelo del Equilibrio Instantáneo para determinar la
relación entre la concentración de substrato y la velocidad de las reacciones enzimáticas y obtienen una relación matemática que describe dicho efecto, la cual se conoce como la ecuación de
Michaelis y Menten:
v
VMAX S
K M  S
donde:
v = velocidad de la reacción
[S] = Concentración de substrato
VMAX = Máxima actividad enzimática
KM = Constante de Michaelis
Figura 13. Leonor Michaelis (izquierda) y Maud Leonora Menten (derecha)
Como se muestra en la Figura 14, la ecuación de Michaelis y Menten es una hipérbola; para valores pequeños de [S] la cantidad del substrato limita la velocidad;
mientras que con valores grandes el límite es la cantidad de enzima.
Las condiciones de equilibrio instantáneo, propuestas
por Michaelis y Menten consisten en suponer que E y S
reaccionan muy rápidamente para formar ES mientras
que la disociación del complejo hacia producto es relativamente lenta porque k2 es muy pequeña. Por lo tanto,
el complejo ES se encuentra en equilibrio con E y S. En
estas condiciones, KM es igual a la constante de equilibrio de la disociación del complejo ES:
Figura 14. Cinética de Michaelis
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Termodinámica, Cinética y Enzimas
k
K M  1
k1
Ya que k2 es pequeña, a menudo es el factor que limita la velocidad y por ello se conoce como la
constante catalítica (kcat) de la enzima.
Figura 15. Geroge Edward Briggs (izquierda) y John Burdon Sanderson Haldane (derecha)
Años después, en 1925 George E. Briggs y John B. S. Haldane corrigieron el trabajo de Michaleis al establecer que la suposición de que k1 y k-1 son mucho mayores que k2 no siempre se cumple, por lo tanto no se alcanza el equilibrio de la disociación de ES. En su lugar proponen que la
concentración de ES se encuentra en un Estado Estacionario (Figura 15) en el que la velocidad
de formación de ES, es igual a la de descomposición por disociación y por formación de producto. Con esta suposición la ecuación no cambia de forma pero KM ya no es igual a la constante de
disociación de ES, ahora es:
KM 
k 1  k 2
k1
Figura 16. Variación de la concentración de E, S y ES, durante una reacción enzimática
Significado de VMAX
Es la máxima actividad que puede alcanzar una enzima, teóricamente se logra en condiciones de
[S] grande, porque entonces la enzima se satura y trabaja tan rápido como es posible. En la
práctica es imposible que la enzima alcance el valor de VMAX, debido a limitaciones de difusión
de productos y sustratos, desde y hacia el sitio activo.
maov/mlvm/26
Termodinámica, Cinética y Enzimas
Significado y Propiedades de KM
Si la suposición de Michaelis y Menten es valida, KM es la constante de disociación de ES a E +
S, igual a k-1/k1. Por lo tanto, es una medida de la afinidad de la enzima por su substrato. Si KM es
grande significa que k-1 es grande o que k1 es pequeña por lo que la reacción inversa es mas favorecida que la reacción directa y con ello la afinidad de la enzima por su substrato es baja. Por el
contrario, si KM es pequeña, la afinidad de la enzima por el substrato es grande.
Por otro lado, según Briggs y Haldane, KM representa el cociente (k-1 +k2)/k1, este cociente sigue
siendo la constante de disociación de ES, pero ahora tanto hacia S como hacia P, porque se supone que k2 contribuye en forma significativa a la desaparición de ES. De cualquier manera, valores
de KM grandes representan baja afinidad por el substrato y valores pequeños afinidad alta.
El valor de KM también corresponde a la concentración de S en la cual v = VMAX/2, que se interpreta como la concentración a la cual la enzima está saturada sólo a la mitad.
Cuando más de una enzima catalizan una reacción, o si no estamos seguros de cual es el substrato
verdadero de una enzima, los valores de KM indican la relación más apropiada.
1. Típicamente, si la enzima trabaja con varios substratos podría suponerse que el substrato con el
KM más bajo es el substrato verdadero.
2. Para decidir qué enzima es la importante necesitamos saber la concentración del substrato y el
valor de KM.
Según las condiciones de [S], el orden de la reacción enzimática es diferente.
1. Cuando [S] es pequeña, esto es:
K M  S 
entonces:
K M  S   K M
y substituyendo en la ecuación de Michaelis y Menten:
v
VMAX S
KM
Como VMAX y KM son constantes, su cociente también lo es (k’) y se puede considerar que:
v  k' S
Que corresponde a la ecuación de una reacción de primer orden.
2. Cuando [S] es grande:
S  K M
se obtiene;
K M  S   S
y al sustituir en la ecuación de Michaelis y Menten:
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Termodinámica, Cinética y Enzimas
V
S
v  MAX
S
que se simplifica a:
v  VMAX
La reacción es orden cero; la velocidad es constante e independiente de [S]
3. Por ultimo, cuando la concentración es intermedia:
K M  S
entonces:
K M  S   2S ó 2K M
que en la substitución queda:
v
VMAX S
2S 
y finalmente:
v
VMAX
2
Por lo general, los valores de KM y VMAX se determinan usando la transformación propuesta por
Hans Lineweaver y Dean Burk, que consiste en obtener la inversa de la ecuación de Michaelis y
Menten, con lo cual la ecuación de la hipérbola se convierte en la ecuación de una línea recta.
K
1
1

 M
v VMAX VMAX
 1
 
 S 
Figura 17. Hans Lineweaver (izquierda) y Dean Burk (derecha)
En una gráfica de 1/v en función de 1/[S], se pueden calcular los parámetros cinéticos extrapolando hasta la intercepción en el eje de x = -1/KM y el eje de y = 1/VMAX.
maov/mlvm/28
Termodinámica, Cinética y Enzimas
Figura 18. Gráfica de Lineweaver-Burk
Otro parámetro importante es el número de recambio o constante catalítica de la enzima (kcat),
que se define como el número de moles de substrato transformados por mol de enzima por segundo. La kcat se puede determinar midiendo la velocidad a diferentes concentraciones de enzima,
en condiciones de saturación.
Eficiencia de la catálisis enzimática.
En condiciones fisiológicas, la mayoría de las enzimas no están saturadas con sustrato, el cociente [S]/KM está entre 0.01 y 1.0. Cuando [S] < KM, la actividad enzimática es menor que k2 porque
la mayoría de los sitios activos están vacíos; la concentración de la enzima libre [E] es casi igual
a la concentración total de la enzima [E]T y la velocidad de la enzima depende del valor de k
cat/KM y de [S].
Como ya vimos antes, sí [S] << KM entonces:
v
VMAX S
KM
y como VMAX = kcat[E]T:
v
k cat ET S
KM
v
k cat
ET S
KM
que se convierte en:
El cociente kcat / KM se utiliza a menudo para comparar la eficacia de las enzimas porque:
1. Mientras más bajo es el valor de KM, la afinidad de la enzima por el sustrato es mayor y más
alto es el valor de kcat / KM.
2. Un valor grande de kcat indica que la velocidad de reacción es alta y que el valor del cociente es
grande.
maov/mlvm/29
Termodinámica, Cinética y Enzimas
Por lo tanto, el valor de kcat /KM proporciona una estimación tanto de la eficacia como de la selectividad de una enzima.
El límite del valor de kcat/KM está determinado por k1, la constante de velocidad de la formación
del complejo ES. Esta velocidad no puede ser mayor que la velocidad con que se encuentran por
difusión una enzima y su substrato y por lo tanto, la velocidad de la catálisis está restringida solamente por la velocidad a la cual la enzima encuentra el substrato en la solución. El valor de cociente kcat/KM está entre 108 y 109 M-1 s-1.
Tabla 6. Velocidad y KM de algunas Enzimas
ENZIMA
kcat(s-1)
KM(M)
kcat / KM
Quimotripsina
0.14
1.5 x 10-2
9.3
5
-2
Anhidrasa Carbónica
4 x 10
2.6 x 10
1.5 x 107
2
-6
Fumarasa
8 x 10
5 x 10
1.6 x 108
El límite impuesto por el índice de la difusión en la solución puede ser superado en parte, confinando los substratos y los productos en el volumen limitado de un Complejo Multienzimático.
El Tiempo de Recambio es la inversa de kcat, y corresponde al tiempo que tarda la enzima en
transformar una molécula de substrato.
Temperatura
Igual que ocurre en las reacciones químicas, al aumentar la temperatura aumenta la velocidad de
las reacciones catalizadas por enzimas. Esto se debe a que un mayor número de moléculas alcanzan la energía cinética necesaria para superar la energía de activación de la reacción. Sin embargo, el aumento de temperatura también disminuye la estabilidad de la estructura de las proteínas y
las enzimas comienzan a desnaturalizarse, de modo que a medida que aumente la temperatura la
actividad enzimática tiende a bajar. Como consecuencia de estos efectos opuestos del aumento de
temperatura, existe una Temperatura Óptima en la cual la actividad enzimática tiene un máximo. Es de suponer que a la temperatura normal de los organismos las enzimas sean estables, y
por lo tanto estén por debajo de su temperatura óptima.
Figura 19. Efecto de la temperatura sobre la actividad enzimática
La mayoría de enzimas se desnaturalizan rápidamente a 100 °C y pierden mucha de su actividad
al ser expuestas a temperaturas superiores a 60 °C, aún por períodos de tiempo cortos. La particumaov/mlvm/30
Termodinámica, Cinética y Enzimas
laridad de algunas enzimas, por ejemplo, la Adenilato Cinasa (EC 2.7.4.3) y la Ribonucleasa de
resistir la ebullición, facilita enormemente su purificación ya que el resto de enzimas pueden ser
destruidas por un tratamiento preliminar con calor.
Una resistencia excepcional al calor se observa en las enzimas de bacterias que viven en aguas
termales, a temperaturas de 60 a 80 °C, como Thermophilus aquaticus, bacteria de la cual se extrajo la enzima Polimerasa de DNA (EC 2.7.7.7) que se usó para desarrollar la Reacción en Cadena de la Polimerasa (PCR) de gran importancia en la biología molecular actual. Quizá más
sorprendente sea el caso de algunas enzimas que pueden ser desnaturalizadas in vitro por una caída de la temperatura. Esto se explica suponiendo que a la energía libre de formación de los enlaces que determinan la conformación de estas enzimas, proviene al menos en parte, de la entropía
del medio, la cual disminuye al disminuir la temperatura.
La importancia para los animales homeotermos de mantener su temperatura corporal constante
alrededor de 310 K (37 °C) radica en que sí la temperatura del organismo varia con la del ambiente y esta disminuye a 10 °C (283 K) la velocidad del metabolismo disminuye en un factor de
6, respecto de la de 37 °C y esto es una desventaja para la supervivencia.
Para fines prácticos, una expresión conveniente de la relación entre la velocidad de reacción y la
temperatura es el llamado Q10, que corresponde al valor del cociente entre la velocidad de la reacción a dos temperaturas separada por 10 °C
Q 10 
v( T10)C
v TC
Los Q10 de las reacciones catalizadas por enzimas están comprendidos dentro de un margen estrecho, entre 1.5 y 2.5, mientras que los de las reacciones no enzimáticas están entre 2.0 y 4.0. El
valor de Q10 de una reacción enzimática es importante cuando la actividad de la enzima se mide a
temperaturas diferentes de la fisiológica.
pH
El pH del medio afecta la actividad de las enzimas, porque muchos de los aminoácidos tiene restos ionizables. Los cambios de pH modifican el grado de ionización de todos o alguno de estos
grupos, lo que repercute en la ionización total de la molécula de enzima modificando su actividad
al menos por tres mecanismos.
1. Los pH extremos, por debajo de 4.0, o por arriba de 10.0, cambian el grado de ionización de
casi todos los restos de aminoácidos de la enzima, de forma que puede alterarse su estructura
tridimensional. Si este cambio es suficientemente grande, se desnaturaliza la enzima y se pierde su actividad de forma irreversible. Incluso, la disminución del pH, que se presenta en las
muestras de fluidos corporales o de tejidos por daño o muerte celular, puede ocasionar la desnaturalización de las enzimas.
2. Las variaciones de pH más pequeñas, entre 4 y 10, afectan a un número menor de grupos ionizables, pero si éstos están presentes en el sitio activo, la actividad enzimática cambia en forma
importante. Sin embargo, este cambio normalmente es reversible.
3. La variación del pH también puede alterar la ionización del substrato, y modificar la unión enzima substrato.
maov/mlvm/31
Termodinámica, Cinética y Enzimas
Para muchas enzimas, el efecto del pH tiene forma de campana con un valor de pH óptimo bien
definido, pero para otras, la forma de la curva es muy diferente; por ejemplo, cuando en la interacción enzima substrato participan muchos grupos ionizables. Los puntos de inflexión de la curva
pH/actividad corresponderían a los pK de los grupos responsables de la dependencia frente al pH.
Este tipo de información se ha utilizado para identificar de los aminoácidos del sitio activo.
Figura 20. Efecto del pH sobre la actividad enzimática
Algunas enzimas están adaptadas para funcionar al pH propio de su ambiente. Por ejemplo, la
Pepsina tiene un pH óptimo de 2.0, que corresponde aproximadamente al pH del jugo gástrico.
Por otro lado, el pH óptimo de ciertas enzimas intracelulares está muy alejado del pH intracelular; por ejemplo, la Glicerato cinasa (EC 2.7.1.31) tiene un pH óptimo de 9.8, y la Fosfoglicerato mutasa (EC 5.4.2.1) de 5.9. Esto puede deberse a que las enzimas manifiestan propiedades diferentes in vitro e in vivo, donde la interacción con los componentes celulares pueda modificar su
dependencia del pH.
Concentración de Enzima
Como se explico antes, la velocidad de la actividad enzimática, depende de la constante catalítica
y la concentración del complejo enzima substrato.
v  k cat ES
Sí la enzima se encuentra en condiciones de [S] constante, o de saturación, su actividad depende
solamente de la concentración de enzima con una cinética de orden 1 esto es, al aumentar la concentración de enzima la actividad enzimática aumenta en la misma proporción. Este efecto tiene
relevancia biológica en los procesos de inducción enzimática, cuando la actividad de una enzima
que no existía o estaba a un nivel muy bajo, aumenta por la síntesis de la misma, provocada por la
acumulación de su sustrato
Inhibición Enzimática
Los inhibidores enzimáticos son moléculas que se unen a las enzimas y disminuyen su actividad.
Las células emplean como inhibidores moléculas de intermediarios metabólicos o iones, para
controlar la actividad enzimática como parte de la regulación del metabolismo. En investigación
se usan inhibidores para estudiar las propiedades de las enzimas. Muchos inhibidores enzimáticos
son usados como medicamentos, venenos, pesticidas, etc. Existen dos tipos generales de inhibidores enzimáticos: Reversibles e Irreversibles.
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Termodinámica, Cinética y Enzimas
Los inhibidores irreversibles se combinan o destruyen un grupo funcional de la enzima, necesario para la actividad catalítica. Los inhibidores irreversibles se disocian muy lentamente de la enzima porque se unen con fuerza, ya sea en forma covalente, la mayoría, o no covalente, por tal
motivo se dice que no se pueden eliminar mediante diálisis. Ejemplos de inhibidores irreversibles
son:
1. Diisopropilfluorofosfato (DIFP). Inhibidor de la enzima Acetilcolina esterasa (EC 3.1.1.7)
que cataliza la hidrólisis del neurotransmisor acetilcolina. Esta reacción es necesaria para la correcta transmisión nerviosa. Se usó como pesticida ha disminuido debido a su toxicidad elevada. El DIFP se une específicamente a un residuo de Serina en el sitio activo de la enzima.
Ser
CH2
OH
F
H3 C
CH3
HC O P O CH
H3 C
CH3
O
H
+
Ser
Ser
CH2
F
F
H3 C
CH3
O
HC O P O CH
H3 C
CH3
O
CH2
O
H3 C
CH3
HC O P O CH
H3 C
CH3
O
Esquema 11. Reacción del DIFP
2. La yodo-acetamida es un inhibidor irreversible que reacciona específicamente con los grupos
sulfhidrilo de la Cisteina.
O
I CH2 C NH2
Esquema 12. Yodacetamida
3. El Cianuro(1-) interfiere con el transporte de electrones en el grupo Hemo de los citocromos.
4. Los iones Mercurio(II) y Plomo(II) inhiben las enzimas que tienen grupos tiol (-SH), en su sitio activo, uniéndose a ellos.
Por su parte, los inhibidores reversibles se unen a las enzimas con menos fuerza, casi siempre en
forma no covalente, de modo que se disocian rápidamente y se pueden eliminar por diálisis. No
modifican la estructura de los grupos funcionales de las enzimas y cuando se disocian, la enzima
recupera su actividad. Los inhibidores reversibles se clasifican según su efecto cinético en tres
clases: Competitivos, No Competitivos e Incompetitivos.
1. Inhibidores Competitivos
a. Por lo general son análogos del substrato. Su estructura tridimensional es semejante a la del
substrato natural.
b. Compiten con el substrato por el sitio activo. La enzima puede unir al substrato o al inhibidor pero no ambos simultáneamente, la unión de uno inhibe la unión del otro.
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Termodinámica, Cinética y Enzimas
Figura 21. Unión de Inhibidores competitivos
c. El inhibidor unido a la enzima no es transformado, sólo ocupa el sitio activo y evita la formación del complejo ES, disminuyendo la proporción de moléculas de enzima que pueden
formar producto.
Esquema 13. Mecanismo de acción de los Inhibidores competitivos
d. La velocidad máxima de la enzima no cambia porque el efecto del inhibidor se puede revertir, aumentando la concentración de substrato; por eso se dice que la inhibición competitiva
es remontable.
(A)
(B)
Figura 22. Gráficas de Michaelis-Mente (A) y Lineweaver-Burk (B) del efecto cinético de los Inhibidores competitivos
e. La KM aumenta por un factor igual a (1+[I]/Ki) siendo [I] la concentración del inhibidor y Ki
la constante de afinidad del inhibidor por la enzima.
2. Inhibidores No Competitivos
a. Su estructura tridimensional no necesita estar relacionada con la del substrato.
maov/mlvm/34
Termodinámica, Cinética y Enzimas
b. No compiten con el substrato, se une a la enzima en un sitio distinto del sitio activo. La enzima puede unir al substrato y al inhibidor simultáneamente. Pueden formar complejos tanto
con la enzima libre como el complejo ES.
Figura 23. Unión de Inhibidores No competitivos
c. Al unirse a la enzima cambian la conformación de esta, evitando que transforme el substrato
en producto.
d. Disminuyen el número de recambio de la enzima y la inhibición no puede ser remontada con
concentraciones altas de substrato por lo que la VMAX disminuye en un factor igual a
(1+[I]/Ki).
Esquema 14. Mecanismo de acción los Inhibidores No Competitivos
e. La enzima que no está unida al inhibidor no cambia y por ello KM permanece constante.
(A)
(B)
Figura 24. Gráficas de Michaelis-Menten (A) y Lineweaver-Burk (B) del efecto cinético de los
inhibidores No competitivos
maov/mlvm/35
Termodinámica, Cinética y Enzimas
3. Inhibidores Incompetitivos o Acompetitivos
a. No tienen relación estructural con el substrato.
b. Son incapaces de unirse a la enzima libre, primero se debe formar el complejo ES para que
la enzima adquiera una conformación a la cual se une el inhibidor.
Figura 25. Unión de Inhibidores incompetitivos
c. La unión del inhibidor impide que la enzima adquiera la conformación necesaria para transformar el substrato en producto.
d. No se puede remontar la inhibición porque la presencia de mayor cantidad de substrato favorece la unión del inhibidor, y por ello VMAX disminuye en un factor igual a (1+[I]/Ki).
Esquema 15. Mecanismo de acción de los Inhibidores Incompetitivos
e. La interacción del inhibidor con el complejo ES desplaza el equilibrio hacia la formación del
complejo ES, por lo que KM también diminuye en un factor igual a (1+[I]/Ki).
(A)
(B)
Figura 26. Gráficas de Michaelis-Menten (A) y Lineweaver-Burk (B) del efecto cinético de los
Inhibidores incompetitivos
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Termodinámica, Cinética y Enzimas
Las características de los inhibidores enzimáticos reversibles se resumen en la Tabla 7.
Tipo de Inhibidor
Tabla 7. Propiedades de los Inhibidores Reversibles
Mecanismo de acción
KM
VMAX
Competitivo
Se unen sólo a la enzima libre
Aumenta
No cambia
No Competitivo
Se unen a al enzima libre y al
No cambia Disminuye
complejo enzima-sustrato
Incompetitivo
Se unen sólo al complejo enzima
Disminuye Disminuye
– sustrato
Ecuación
VMAX S 
 I  
K M 1    S 
 Ki 
VMAX S 
v


K M  S 1  I  
 Ki 
VMAX S 
v
 I  
K M  S 1  
 Ki 
v
Regulación de la Actividad Enzimática
Existen varios niveles de control de la actividad de las enzimas, los tres más importantes para nosotros son:
1. Regulando la concentración de enzima. La actividad de cualquier enzima es proporcional a
la cantidad que existe de ella.
2. Modificando la estructura covalente de la enzima. Diferentes formas de regulación de la actividad enzimática implican la formación y el rompimiento de enlaces covalentes.
3. Alterando la forma de las enzimas. Como cualquier otra macromolécula, la función de las
enzimas depende de su forma tridimensional, modificaciones de esta alteran la actividad.
Regulación de la Concentración de Enzimas. La actividad de algunas enzimas se encuentra
presente durante toda la vida de la célula, aún en momentos en los que no se usan. Este tipo de
enzimas se llama constitutivas. En contraste, existe otro grupo de enzimas que sólo se sintetiza
cuando se van a usar, son las llamadas enzimas inducibles. Ejemplos de enzimas constitutivas
son las de Glicólisis, síntesis de proteínas, metabolismo de ácidos grasos, etc. Todas estas enzimas son de gran importancia en el metabolismo energético y de síntesis en las células. Entre las
enzimas inducibles se encuentran las que se encargan de la destoxificación de fármacos, las enzimas de síntesis de colesterol y algunas encargadas de otras vías especiales y específicas de algunos tipos celulares.
La regulación de la concentración de enzimas se lleva a cabo a través del control de la síntesis de
proteína, mediante el mecanismo conocido como Operón. El operón es la unidad de regulación
de la expresión de la información genética, y su funcionamiento detallado se discutirá al estudiar
las funciones de los ácidos nucleicos. En este momento, basta decir que cuando hace falta el producto de una vía metabólica o se acumula el substrato de una enzima, se induce la síntesis de las
enzimas de la vía respectiva. Por otro lado, cuando se acumula el producto de una vía metabólica,
o se adquiere del exterior, se reprime la síntesis de una o más de las enzimas de la vía. Esta forma de regular la actividad de las enzimas tiene la característica principal de ser económica pues
las enzimas sólo se sintetizan cuando se necesita su actividad. Por otro lado, tiene la desventaja
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Termodinámica, Cinética y Enzimas
de ser lenta en respuesta porque es necesario que se sintetice la enzima, y además irreversible,
una vez sintetizada la enzima su actividad no se detiene hasta que se degrada.
Modificaciones covalentes. Esta forma de regulación se lleva a cabo mediante el rompimiento
y/o formación de enlaces covalentes. Existen dos tipos básicos.
1. Activación de zimógenos o proenzimas. Los zimógenos o proenzimas son moléculas de proteína sin actividad catalítica que se sintetizan, se guardan y se convierten en enzimas activas por
hidrólisis de una parte de su estructura, cuando se necesita su actividad.
Por ejemplo, la Tripsina una proteasa de la digestión, se sintetiza en el Páncreas en forma de
Tripsinógeno el cual se libera al intestino delgado donde es convertido en Tripsina por acción de
la enzima Enteropeptidasa (EC 3.4.21.9), que elimina seis aminoácidos del extremo carboxilo
de la cadena peptídica. Todas las enzimas digestivas del Páncreas (Tripsina, Quimotripsina,
Elastasa (EC 3.4.21.36), Carboxipeptidasa (EC 3.4.16.5)), se regulan de esta forma.
Este mecanismo de regulación tiene la ventaja de que la respuesta es más rápida que en la regulación de la síntesis, pero es menos económica porque se debe sintetizar la enzima, aunque no se
use, además, sigue siendo irreversible.
2. Regulación por Fosforilación - Desfosforilación. La adición de fosfatos a la estructura de algunas enzimas puede aumentar o disminuir su actividad. Sí la enzima desfosforilada es activa, la
fosforilación la inhibe. Por el contrario, sí la enzima sin fosfato no tiene actividad, la fosforilación la activa. La eliminación del fosfato devuelve la enzima a su estado de actividad inicial.
La fosforilación de las proteínas está a cargo de las
enzimas llamadas Proteín Cinasas (EC 2.7.1.n) y
la desfosforilación depende de las Proteín Fosfatasas (EC 3.1.3.n). Ambos tipos de enzimas también
se pueden regular. Las proteín cinasas se agrupan
en familias, según el resto de aminoácido al que
unen el fosfato, como proteín cinasas de Tirosina,
Treonina o Serina.
Figura 27 Regulación por fosforilación y
Un buen ejemplo de este tipo de regulación se en- desfosforilación
cuentra en las enzimas del metabolismo del Glucógeno. La síntesis de Glucógeno depende de la
enzima Glucógeno Sintasa (EC 2.4.1.11), que sin fosfato es activa y cuando es fosforilada disminuye su actividad. Por su parte, la Glucógeno Fosforilasa (EC 2.4.1.1) que degrada el Glucógeno, es inactiva cuando no tiene fosfato y se activa por fosforilación, de esta forma las dos vías
no pueden funcionar simultáneamente; los estímulos que favorecen la fosforilación de las enzimas, estimulan la degradación y detienen la síntesis, mientras que la desfosforilación activa la
síntesis y detiene la degradación.
Con frecuencia los estímulos externos, como neurotransmisores y hormonas, provocan cambios
dentro de la célula activando las proteín cinasas.
La regulación por Fosforilación - Desforforilación, es costosa en cuanto a energía porque los fosfatos que se usan para fosforilar las proteínas provienen de ATP y la energía se pierde al desfosforilarlas, pero es de respuesta muy rápida, por la intervención de enzimas, además, es reversible.
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Termodinámica, Cinética y Enzimas
Por último, la misma intervención de enzimas en este tipo de regulación, le da la capacidad de
amplificar señales, pues una sola proteín cinasa activa es capaz de transformar muchas proteínas.
Modificación de la Conformación. La actividad
de las enzimas depende de su forma tridimensional,
por lo tanto, la modificación de dicha forma provocará cambios en la actividad de la enzima; esta es la
base de la regulación alostérica. Todas las proteínas se encuentran en constante cambio de forma
tridimensional. En una enzima, una de esas conformaciones, llamada forma tensa, puede tener poFigura 28 Regulación por cambio de con- ca afinidad por el substrato y por lo tanto poca actiformación
vidad mientras que otra conformación, la llamada
forma relajada, tiene gran afinidad por el substrato y gran actividad.
Alguna molécula, puede unirse a la enzima y estabilizar la forma relajada, activando la enzima;
en cambio, otra molécula puede unirse y estabilizar la forma tensa, inhibiendo la enzima. Las
moléculas que se unen a la enzima y modifican su actividad se llaman moduladores alostéricos.
Los activadores se denominan moduladores positivo y los inhibidores, moduladores negativos. Con frecuencia los moduladores negativos son los productos finales de una vía sintética,
mientras que los positivos son intermediarios o el propio substrato de la enzima. También es frecuente que intermediarios metabólicos importantes sirvan como moduladores alostéricos, como el
ATP que activa las vías que usan energía e inhibe las que la producen. Cuando el modulador es el
mismo que el sustrato, se habla de una modulación homotrópica y cuando es diferente la modulación es heterotrópica. Los moduladores se unen a la enzima en sitios reguladores, diferentes
del sitio activo, de ahí el nombre de alostéricos, y su unión por lo general no es covalente. Las
enzimas alostéricas son oligoméricas, tienen estructura cuaternaria.
Las enzimas alostéricas tienen cinética sigmoidal, diferente a la cinética hiperbólica clásica (Figura 28.A). La unión de activadores alostéricos, desplaza la curva hacia una forma más hiperbólica, mientras que los inhibidores la hacen más sigmoidal (Figura 28.B). En las enzimas alostéricas la afinidad por el substrato se mide como la K0.5, que es la concentración a la cual se satura el
50% de la enzima. Al igual que KM, la K0.5, es inversamente proporcional a la afinidad de la enzima por su substrato. Los activadores aumentan la afinidad y disminuyen la K0.5, los inhibidores
disminuyen la afinidad y aumentan la constante.
(A)
(B)
Figura 29. (A) Cinética sigmoidal de enzimas alostéricas. (B) Efecto de moduladores alostéricos
maov/mlvm/39
Termodinámica, Cinética y Enzimas
La actividad de algunas enzimas alostéricas también es controlada por proteínas reguladoras como la Calmodulina. Esta familia proteínas cambian su conformación en respuesta a la variación
del nivel intracelular de Calcio y se unen a muchas proteínas, entre ellas varias enzimas, modificando su actividad a través de interacciones alostéricas. Muchas enzimas pueden ser reguladas
mediante más de un mecanismo, por ejemplo, algunas enzimas alostéricas al ser fosforiladas
pierden la capacidad de responder a los moduladores de actividad, inhibidores, activadores o ambos.
Aspectos de Interés Médico
El estudio de las propiedades de las enzimas es de importancia en Medicina por múltiples razones. Primero, son la clave para entender los estados de salud y enfermedad porque determinan el
balance y control metabólico. Muchas enfermedades son provocadas por defectos en la actividad
de las enzimas, ya sea por su ausencia o por deficiencias en su actividad o regulación. Algunos
ejemplos de estos desordenes incluyen los que se muestran en la Tabla 8.
Para remediar estas enfermedades se han intentado varias estrategias para reemplazar la enzima
defectuosa. Una de las más exitosas es el uso de enzimas encapsuladas. La terapia génica es una
promesa para el tratamiento de este tipo de desordenes pero aún se encuentra en etapa experimental y no es posible aplicarla en forma rutinaria.
Un aspecto interesante de la terapia génica relacionado con las enzimas, es el uso de ribozimas
con el fin de corregir las moléculas de RNA mensajero defectuosas. En experimentos realizados
recientemente, se empleó una ribozima para corregir el RNA mensajero de la Hemoglobina S, y
permitir la síntesis de Hemoglobina A, normal. Esta estrategia podría convertirse en una nueva
arma en la terapia enzimática de los desordenes genéticos.
Tabla 8. Enfermedades provocadas por defectos en la actividad de enzimas
Enzima
Desorden
Hidoximetilglutaril-CoA Reductasa
Hipercolesterlemia congenita, cuando no responde a la
regulación normal
Galactosa Cinasa
Cataratas en la Infancia por falta de la enzima
Galactosa-1-fosfato Uridil Transferasa Su ausencia es la causa de la Galactosemia.
UDP-Galactosa-4-Epimerasa
Galactosemia, cuando falta en el hígado
Fructocinasa
Su ausencia produce Fructosura esencial (asintomática)
Fructosabifosfato Adolasa (Aldolasa B) Cuando no está, se presenta la Intolerancia Hereditaria a
la Fructosa (variable)
Tirosina-3-Oxigenasa
Albinismo, cuando falta en las células de la piel
Homogentisato Oxidasa
Cuando falta se presenta Alcaptonuria
Titorina Hidroxilasa
Su ausencia se asocia al mal de Parkinson
Fenilalanian Hidroxilasa
Su ausencia provoca Fenilcetonuria
Hipoxantina-Guanina FosforribosilLa falta de la enzima provoca el Síndrome del LeschTransferasa
Nyhan
Adenosina Desaminasa
La falta de la enzima produce Inmunodeficiencia
congénita
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Termodinámica, Cinética y Enzimas
Otro uso importante de las enzimas en Medicina es el apoyo en el diagnóstico y seguimiento de
enfermedades. Varias enzimas se utilizan con fines de diagnósticos y seguimiento de desordenes.
Algunos ejemplos representativos se muestran en la Tabla 9.
Tabla 9. Algunas enzimas de empleadas en diagnóstico
Enzima
Uso Diagnóstico Principal
Aspartato Amino Transferasa Infarto del Miocardio
Alanina Amino Transferasa Hepatitis viral
Amilasa
Pancreatitis aguda
Ceruloplamina
Enfermedad de Wilson (Degeneración hepatolenticular)
Creatincinasa
Trastornos musculares e infarto del miocardio
Fosfatasa ácida
Carcinoma metastático de próstata
Fosfatasa alcalina
Enfermedades óseas y trastornos hepáticos obstructivos
Enfermedades hepáticas
-Glutamil transpeptidasa
Lactato deshidrogenasa
Infarto del miocardio
Lipasa
Pancreatitis aguda
Por último, las enzimas son el blanco de casi la mitad de todos los fármacos conocidos, el uso y
desarrollo racional de estos, requiere del conocimiento sólido de las propiedades de las enzimas y
de las vías metabólicas en que participan.
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