Factores que Afectan la Función Enzimática
Oxidación y su Impacto
La oxidación, que implica la pérdida de H+ en la enzima, provoca la formación de puentes disulfuro (SH + SH → S-S + 2H+). Este proceso altera la estructura de la enzima y disminuye la velocidad de reacción.
Además, existe una acción indirecta sobre el DNA que puede llevar a mutaciones, resultando en una alteración de la estructura de la enzima y una disminución de la velocidad de reacción (VR).
Cinética de Michaelis-Menten
La ecuación de Michaelis-Menten describe la relación entre la velocidad de reacción y la concentración de sustrato:
- Cuando [S] es mucho menor que Km, la velocidad inicial (Vi) es proporcional a k[S]. Por ende, la velocidad de reacción inicial es directamente proporcional a [S].
- Cuando [S] es mucho mayor que Km, la velocidad de reacción es máxima (Vmáx) y no está afectada por aumentos adicionales de la concentración de sustrato.
- Cuando [S] = Km, la velocidad inicial es la mitad del máximo (Vmáx/2).
Ecuación y Constantes Cinéticas
La relación entre la velocidad de reacción inicial (Vi) y la concentración de sustrato ([S]) se describe mediante la constante Km, que representa la concentración de sustrato a la cual la velocidad inicial es la mitad de la velocidad máxima (Vmáx/2). La ecuación de Michaelis-Menten es:
Vi = Vmáx[S] / (Km + [S])
Gráfico de Lineweaver-Burk
- Una forma lineal de la ecuación de Michaelis-Menten se utiliza para determinar Km y Vmáx de manera más precisa.
Órdenes de Reacción en Enzimología
Reacción de Orden Cero
V = KEn una reacción de orden cero, la velocidad de reacción es constante y, por lo tanto, independiente de la concentración del reactante A.
Reacción de Primer Orden
V = k[A]En una reacción de primer orden, la velocidad de reacción es directamente proporcional a la concentración del reactante A.
Reacción de Segundo Orden
V = k[A]²En una reacción de segundo orden, la velocidad es proporcional al cuadrado de la concentración del reactante A.
Factores Clave que Modulan la Velocidad de Reacción Enzimática
Concentración de la Enzima
Es un factor que aumenta la velocidad de reacción (típicamente una reacción de primer orden).
Concentración del Sustrato
A medida que aumenta la concentración del sustrato (S), aumenta la velocidad de reacción (VR) (reacción de primer orden). Sin embargo, si la concentración del sustrato aumenta en mayor proporción, la VR ya no se incrementa y se mantiene constante (reacción de orden cero).
Concentración de la Coenzima
Presenta características de reacción de primer orden y de orden cero, dependiendo de las condiciones.
Radiación
Puede causar mutaciones a nivel del DNA, lo que lleva a malformaciones enzimáticas y, consecuentemente, a una disminución de la velocidad de reacción.
Energía de Activación (ΔG‡)
La ΔG‡ define la energía de activación. La energía libre de Gibbs de activación (ΔG‡) para llegar a un estado de transición a menudo se denomina energía de activación (Eact). Los parámetros termodinámicos que determinan la rapidez con la cual procede una reacción son los valores de ΔG‡.
Inhibición Enzimática: Tipos y Mecanismos
Inhibidores Competitivos
Un inhibidor competitivo no tiene efecto sobre la Vmáx, pero aumenta la K’m (Km aparente) para el sustrato. Los fármacos estatina, por ejemplo, actúan como inhibidores competitivos de la HMG-CoA reductasa.
Estos inhibidores típicamente se asemejan a los sustratos y se unen a la porción de unión a sustrato del sitio activo, lo que bloquea el acceso del sustrato. Se les conoce como análogos de sustrato. Los efectos de los inhibidores competitivos pueden superarse aumentando la concentración de sustrato.
Un inhibidor competitivo actúa al disminuir el número de moléculas de enzima libres disponibles para la unión al sustrato, es decir, para formar el complejo ES y, así, finalmente, el producto.
Inhibidores No Competitivos Simples
- La unión del inhibidor no afecta la unión del sustrato; es factible la formación de complejos tanto EI como EIS.
- Si bien la enzima aún puede unirse al sustrato, su eficiencia para transformar el sustrato en producto, reflejada por la Vmáx, está disminuida.
- Los inhibidores no competitivos se unen a las enzimas en sitios distintos del sitio de unión al sustrato.
Inhibidores Estrechamente Unidos
Algunos inhibidores se unen a las enzimas con alta afinidad. Una fracción importante del inhibidor total puede estar presente como un complejo EI.
Inhibidores Irreversibles
Estos inhibidores actúan de manera irreversible al producir una modificación química de la enzima. Rompen enlaces covalentes con residuos aminoacilo esenciales para la unión al sustrato, la catálisis o el mantenimiento de la conformación funcional de la enzima.
Una enzima que ha sido «envenenada» por un inhibidor irreversible, como un átomo de metal pesado o un reactivo alquilante, permanece inhibida incluso después de eliminar del medio circundante el inhibidor restante.
Inhibidores «Basados en Mecanismo» o «Suicidas»
Los inhibidores «basados en mecanismo» o «suicidas» son análogos de sustrato especializados. Después de la unión al sitio activo, la catálisis por la enzima genera un grupo muy reactivo que forma un enlace covalente con un residuo esencial desde el punto de vista catalítico, y bloquea la función del mismo.
Regulación de la Actividad Enzimática y Aplicaciones Farmacológicas
Mecanismos de Regulación
- Los cambios en la eficiencia catalítica intrínseca por unión de ligandos disociables (regulación alostérica) o por modificación covalente logran la regulación de la actividad enzimática en segundos.
Otro proceso importante es el recambio de proteína, que es válido incluso para las proteínas constitutivas.
Enzimas como Blancos Farmacológicos
Las enzimas constituyen blancos naturales para la creación de fármacos que son tanto potentes como específicos. Algunos ejemplos incluyen:
- Los fármacos estatina, por ejemplo, disminuyen la producción de colesterol al inhibir la 3-hidroxi-3-metilglutaril coenzima A reductasa.
- La emtricitabina y el tenofovir disoproxil fumarato bloquean la replicación del HIV al inhibir una transcriptasa inversa viral.
- La farmacoterapia de la hipertensión a menudo incluye la administración de un inhibidor de la enzima convertidora de angiotensina (ECA), lo que disminuye la concentración de angiotensina II, un potente vasoconstrictor.
Mecanismos de Reacción Enzimática: Reacciones Bi-Bi «Ping-Pong»
Las reacciones Bi-Bi de «ping-pong» son reacciones de doble desplazamiento.
- El término «ping-pong» aplica a mecanismos en los cuales uno o más productos son liberados de la enzima antes de que se hayan añadido todos los sustratos.
- Las reacciones de «ping-pong» comprenden catálisis covalente y una forma transitoria, modificada, de la enzima.