Fundamentos de Cinética Química y Enzimática: Velocidad y Mecanismos de Reacción

Segundo Parcial: Cinética Química y Enzimática

1. Cinética Química: Conceptos Fundamentales

• Cinética química: Estudia la relación y velocidad de una reacción química.
• Velocidad de reacción: Medida de la rapidez con la que se consume un reactivo o se forma un producto. A mayor concentración, generalmente se obtiene una mayor velocidad.
• Ley de velocidad: Se expresa matemáticamente como V = k[A]ˣ[B]ʸ.
  • La constante k define la fracción de reactivo que reacciona por unidad de tiempo.
  • Los exponentes x e y determinan el orden de la reacción, el cual es la suma de los exponentes de las concentraciones de los reactivos en la ecuación de la ley de velocidad.
• Tiempo de vida medio: Es el tiempo necesario para que la concentración inicial de un reactivo se reduzca a la mitad.
• Isótopos: Átomos de un mismo elemento que poseen una diferente cantidad de neutrones en su núcleo.
• Radiaciones: Derivan de las inestabilidades del núcleo atómico provocadas por un exceso de neutrones.

2. Teoría de las Colisiones y Catálisis

• Teoría de las colisiones: Postula que las reacciones ocurren por el choque entre los reactivos. La velocidad de reacción depende de la frecuencia de estos choques, los cuales deben ser efectivos y poseer la energía suficiente para romper los enlaces de los reactivos y formar nuevos enlaces en los productos.
• Catalizador: Sustancia que aumenta la velocidad de una reacción sin consumirse en el proceso. Su función es requerir una menor energía de activación (Ea); no reduce la Ea del complejo activado original, sino que permite la formación de uno nuevo con menor energía.

3. Cinética Enzimática

La cinética enzimática estudia la velocidad de las reacciones catalizadas por enzimas. Estas proteínas actúan de manera óptima en condiciones fisiológicas (pH cercano a 7, temperatura de 37 °C y 1 atm de presión). El incremento de velocidad que proporcionan es de un factor de 10⁶ a 10¹². Las enzimas son altamente específicas y catalizan solo reacciones con sustratos determinados o grupos de estos. La velocidad de reacción aumenta conforme se incrementa la concentración del sustrato.

Órdenes de Reacción

• Orden 0: La velocidad de reacción es independiente de la concentración de los reactantes.
• Orden 1: La velocidad de reacción es directamente proporcional a la concentración de uno de los reactantes elevado a la primera potencia.
• Orden 2: La velocidad de reacción es proporcional a la concentración de un reactivo elevado al cuadrado o al producto de las concentraciones de dos reactantes.

4. Modelo de Michaelis-Menten (1919)

Este modelo describe el comportamiento cinético de muchas enzimas:

• Velocidad inicial (Vi) en relación a la concentración de enzima: Manteniendo la concentración de sustrato constante y variando la concentración de enzima, la velocidad es directamente proporcional a la concentración de la enzima.
• Velocidad inicial (Vi) en relación a la concentración del sustrato: Manteniendo la concentración de enzima constante y variando la concentración del sustrato, se observa una transición de una fase dependiente del sustrato a una fase independiente. Las enzimas exhiben el efecto de saturación.

Mecanismo y Ecuación

El modelo propone que la enzima (E) se combina con el sustrato (S) para formar el complejo enzima-sustrato (ES), el cual puede disociarse nuevamente en E y S o avanzar para formar un producto (P).

• La velocidad total de la reacción está dada por: v = k₂[ES], que se traduce en la ecuación: v = (Vmax[S]) / (Km + [S]).
• El valor de la Km (Constante de Michaelis) depende del sustrato particular y de las condiciones ambientales.
• La Km representa la concentración de sustrato a la cual la mitad de los centros activos de la enzima están ocupados.
• Km como medida de afinidad: Una Km alta indica una afinidad o unión débil, mientras que una Km baja indica una afinidad o unión fuerte.

5. Gráfica de Dobles Recíprocos (Lineweaver-Burk)

Esta representación gráfica es fundamental para:

• Determinar con precisión el valor de la Vmax (Velocidad máxima).
• Distinguir entre diferentes tipos de mecanismos de reacción.
• Analizar detalladamente la inhibición enzimática.

6. Inhibición Enzimática

Un inhibidor es una molécula que interactúa con la enzima y disminuye su actividad catalítica. Se clasifican en:

• Irreversible: Produce un complejo enzima-inhibidor (EI) no disociable. La velocidad de inactivación está definida por una constante k.
• Reversibles: Se unen a la enzima de forma no covalente. Dependiendo de su sitio de unión, se dividen en:
  • Competitiva: El sustrato y el inhibidor compiten por el mismo sitio activo (son mutuamente excluyentes). En este caso, la Vmax no cambia, pero la Km aumenta.
  • No competitiva: El inhibidor se combina con la enzima en un lugar distinto al sitio catalítico. Se pueden formar complejos binarios (EI y ES) y el complejo ternario enzima-inhibidor-sustrato (EIS). Aquí, la Km permanece constante y la Vmax disminuye.