Cinética enzimática y ecuación de Michaelis-Menten

Energética y complejo enzima-sustrato

Para que las moléculas entren en una reacción química, necesitan energía adicional: la energía de activación (Ea). Las enzimas actúan como catalizadores biológicos reduciendo la altura de esta barrera energética. Gracias a esto, una mayor proporción de moléculas de sustrato adquiere la capacidad de reaccionar y la velocidad de conversión aumenta drásticamente. Es importante señalar que la enzima no cambia la termodinámica general del proceso (la diferencia de energía entre los reactivos y los productos finales), sino que afecta exclusivamente a la cinética.

En el corazón de la catálisis se encuentra la formación del complejo enzima-sustrato (ES). El proceso se desarrolla de la siguiente manera: la enzima se une al sustrato, se produce una transformación química dentro del complejo intermediario y, a continuación, se libera el producto ya formado. La propia enzima se libera sin cambios y queda lista para iniciar un nuevo ciclo catalítico.

Ecuación de Michaelis-Menten y constantes principales

La dependencia de la velocidad inicial de la reacción (v) con respecto a la concentración de sustrato ([S]) se describe mediante la ecuación de Michaelis-Menten:

v = (Vmax · [S]) / (Km + [S])

En esta ecuación intervienen dos características cinéticas fundamentales:

• Velocidad máxima (Vmax). Es el valor límite al que tiende la velocidad cuando la concentración de sustrato aumenta infinitamente. Refleja la capacidad de trabajo máxima posible de la enzima en condiciones donde todos sus centros activos están saturados.
• Constante de Michaelis (Km). Numéricamente es igual a la concentración de sustrato a la cual la velocidad de reacción es exactamente la mitad de la máxima posible (1/2 Vmax).

Km actúa como el indicador principal de la afinidad de la enzima por el sustrato. Esta relación es inversamente proporcional: cuanto menor es el valor de Km, mayor es la afinidad. El significado físico de la constante está estrechamente relacionado con la constante de disociación del sustrato (Ks), que caracteriza el equilibrio de la primera etapa de la catálisis. Cuanto menor es Ks, mayor es la proporción de enzima que se encuentra en forma de complejo ES, lo que acelera el curso general de la reacción.

Análisis gráfico de la cinética

Si se grafica la velocidad de reacción en función de la concentración de sustrato, se obtiene una rama de hipérbola equilátera, la curva de saturación típica.

• A concentraciones bajas de [S], la velocidad aumenta de forma prácticamente lineal.
• A concentraciones altas de [S], la gráfica se estabiliza en una meseta, aproximándose gradualmente al límite: Vmax.

Para un análisis más cómodo de la cinética, se utiliza el gráfico de Lineweaver-Burk (método de los dobles recíprocos). Es un gráfico de 1/v frente a 1/[S]. En estas coordenadas, la hipérbola se convierte en una línea recta. Esta línea corta el eje de ordenadas en el punto 1/Vmax y el eje de abscisas en la zona negativa, en el punto -1/Km.

Reacciones complejas e influencia de los inhibidores

En la naturaleza son frecuentes las reacciones bisustrato, que se desarrollan mediante dos mecanismos principales:

1. Mecanismo secuencial: todos los sustratos deben unirse a la enzima antes de que comience la liberación de los productos.
2. Mecanismo de «ping-pong»: el primer sustrato se une, se escinde y el primer producto se libera, pero una parte de la molécula del sustrato permanece unida a la enzima. Solo entonces se une el segundo sustrato. Este mecanismo es característico, por ejemplo, de las transaminasas.

Los parámetros cinéticos de la enzima pueden cambiar bajo la influencia de reguladores. Así, en la inhibición competitiva, la velocidad máxima (Vmax) permanece sin cambios, ya que un exceso de sustrato es capaz de desplazar por completo al inhibidor del centro activo. Sin embargo, la constante de Michaelis (Km) aumenta, lo que indica una disminución aparente en la afinidad de la enzima por el sustrato.

Preguntas de clases y exámenes

Qué más repasar sobre el tema

• Cálculo de la concentración de sustrato a partir de Vmax y Km dadas (utilizando como ejemplo la peptidasa del intestino delgado)
• Significado físico de la constante de sustrato (Ks) y de las constantes de velocidad de las etapas individuales de la catálisis
• Modelos clásicos de unión al sustrato: «llave-cerradura» de Fisher y «ajuste inducido» de Koshland
• Análisis detallado de los mecanismos de reacciones bisustrato (secuencial y de «ping-pong»)
• Recálculo de la Vmax experimental por unidad de cantidad de enzima (actividad máxima)

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