Mecanismos y Factores Clave en la Catálisis Enzimática

Catálisis enzimática: El complejo enzima-sustrato

Las reacciones catalizadas enzimáticamente son del orden de 10³ a 10⁶ veces más rápidas que las reacciones no catalizadas. Obedecen a las leyes químicas y deben verificarse tres condiciones:

• Los reactivos, llamados sustratos en enzimología, deben colisionar.
• La colisión molecular tiene que ocurrir con una orientación adecuada.
• Los reactivos deben poseer suficiente energía de activación.

La enzima y el sustrato forman un complejo enzima-sustrato (ES) mediante interacciones iónicas, enlaces de hidrógeno o de Van der Waals, que hacen más accesible el sustrato al aparato catalítico de la enzima.

Cinética enzimática: Factores influyentes

En cualquier instante, la enzima se hallará bajo dos formas: libre (E) y combinada con el sustrato (ES).

La velocidad de reacción será máxima cuando la enzima esté predominantemente en la forma ES y la cantidad de enzima libre sea muy pequeña. Estas condiciones se dan cuando la concentración de sustrato es muy alta, ya que la enzima libre que va apareciendo queda inmediatamente unida a otra molécula de sustrato, y todas las moléculas de enzima se encuentran en acción.

En estas condiciones se alcanza un estado estacionario en el que la enzima está saturada y la velocidad de reacción es máxima (V_max). Se dice que la enzima presenta un efecto de saturación.

Influencia de la concentración del sustrato

Cuando la enzima está saturada de sustrato, la velocidad de reacción no depende de la concentración de sustrato, sino solo de la rapidez con que el sustrato pueda ser procesado (V_max).

A concentraciones bajas de sustrato, la velocidad es directamente proporcional a la concentración del sustrato.

Influencia de la temperatura

En general, las reacciones químicas, incluidas las enzimáticas, se aceleran al aumentar la temperatura. Según la ley de Van't Hoff, por cada 10 °C que aumenta la temperatura, la velocidad puede multiplicarse por dos o por cuatro, dentro de ciertos límites.

Así, la velocidad aumenta con la temperatura hasta alcanzar un máximo (temperatura óptima) y luego disminuye rápidamente debido a la desnaturalización térmica de la enzima (pérdida de su estructura tridimensional activa).

Influencia del pH

La actividad de las enzimas transcurre dentro de un rango específico de pH, con valores límite por encima y por debajo de los cuales la actividad es nula. Esto se debe a la desnaturalización que producen los valores de pH extremos sobre la estructura proteica, y también a la influencia sobre el grado de ionización de los radicales aminoácidos del centro activo y/o del sustrato, lo que puede impedir la formación del complejo ES o la catálisis misma. El pH óptimo (pH al cual la actividad es máxima) suele estar bastante próximo al fisiológico (pH ~7.4), aunque existen excepciones importantes (ej. pepsina gástrica, pH óptimo ~1.5-2.5).

Influencia de inhibidores: Tipos de inhibición enzimática

Un inhibidor es una sustancia capaz de disminuir o anular la velocidad de una reacción enzimática. Existen dos tipos principales de inhibición:

• Inhibición irreversible
• Inhibición reversible (dividida a su vez en competitiva y no competitiva, entre otras)

Inhibición Irreversible

La inhibición es irreversible cuando el inhibidor se fija fuertemente (a menudo covalentemente) al centro activo o a otro sitio esencial de la enzima, alterando su estructura de forma permanente y eliminando su actividad catalítica.

Inhibición Reversible

Es reversible cuando el inhibidor se une a la enzima mediante interacciones débiles (no covalentes) y puede disociarse, permitiendo que la enzima recupere su actividad. En este caso, nos encontramos con varios tipos, siendo los más comunes:

Inhibición Competitiva

Ocurre cuando el inhibidor (I) compite con el sustrato (S) por unirse al centro activo de la enzima libre (E). Esto sucede porque el inhibidor suele tener una estructura química similar a la del sustrato. La unión del inhibidor impide la unión del sustrato. Este tipo de inhibición puede superarse aumentando la concentración de sustrato. Afecta la afinidad aparente de la enzima por el sustrato (aumenta la K_m) pero no la velocidad máxima (V_max) si la concentración de sustrato es suficientemente alta. Un tipo especial es la inhibición por producto: el producto de la reacción, si se acumula, puede actuar como inhibidor competitivo de la enzima que lo formó. Este mecanismo es crucial para la regulación metabólica (retroinhibición o feedback negativo). Ej.: La inhibición de la hexoquinasa por su producto, la glucosa-6-fosfato.

Inhibición No Competitiva

En la inhibición no competitiva (en su forma pura), el inhibidor se une a un sitio distinto del centro activo (sitio alostérico), tanto en la enzima libre (E) como en el complejo enzima-sustrato (ES). La unión del inhibidor modifica la conformación de la enzima, reduciendo su eficiencia catalítica sin impedir necesariamente la unión del sustrato. Se forma un complejo ternario ESI que es catalíticamente inactivo o menos activo. Este tipo de inhibición disminuye la velocidad máxima (V_max) pero no afecta la afinidad de la enzima por el sustrato (K_m permanece constante).