Catálisis enzimática - Raymond Chang

Catálisis enzimática

De todos los procesos complicados que han evolucionado en los sistemas vivos, el más sorprendente, al mismo tiempo esencial, es la catálisis enzimática. Las enzimas son catalizadores biológicos. Lo más asombroso de las enzimas no sólo es que pueden aumentar la rapidez de las reacciones bioquímicas por factores que van de 10⁶ a 10¹⁸, sino que también son altamente específicas. Una enzima actúa sólo sobre determinadas moléculas, llamadas sustratos (es decir, reactivos), mientras el que deja resto del sistema sin afectar. Se ha calculado alrededor que una célula viva promedio puede contener de 3 000 enzimas diferentes, cada una de las cuales cataliza una reacción específica en la que un sustrato se convierte en los productos adecuados. La catálisis enzimática es homogénea porque el sustrato y la enzima están presentes en disolución acuosa.

Fig 1. Modelo de la cerradura y la llave para la especificidad de una enzima hacia las moléculas del sustrato

Básicamente, una enzima es una molécula grande de una proteína que contiene uno o más sitios activos donde se llevan a cabo las interacciones con los sustratos. En forma estructural, estos sitios son complementarios de las moléculas de un sustrato específico, de la misma forma que una llave embona en una cerradura en particular. De hecho, la idea de una estructura rígida de una enzima, que se une sólo con moléculas con cuya forma embona exactamente en el sitio activo, es la base de una de las primeras teorías sobre la catálisis enzimáica, conocida como teoría de la "cerradura y la llave", desarrollada en 1894 por el químico alemán Emil Fischer (figura 1). La hipótesis de Fischer explica la especificidad de las enzimas, pero está en contradicción con la evidencia experimental de que una misma enzima se une con sustratos de diferentes tamaños y formas. En la actualidad, los químicos saben que la molécula de una enzima (o por lo menos su sitio activo) tiene un alto grado de flexibilidad estructural, lo que le permite modificar su forma para acomodar más de un tipo de sustrato. En la figura 2 se muestra un modelo molecular de una enzima en acción.

Fig 2. De izquierda a derecha: la union de una molécula de glucosa (rojo) con la hexoquinasa (una enzima de la ruta metabólica). Observe cómo la región del sitio activo encierra la glucosa después de la unión. Con frecuencia, las geométricas tanto del sustrato como del sitio activo e altera para acoplarse entre sí

El tratamiento matemático de la cinética enzimática es muy complejo, incluso si se conocen las etapas básicas implicadas en la reacción. A través de las siguientes etapas elementales se muestra un esquema simplificado:

Cinética de la enzima y el sustrato

dónde E, S y P representan la enzima, el sustrato y el producto, y ES es el intermediario enzima-sustrato. Con cierta frecuencia se supone que la formación de ES y su descomposición en las moléculas de enzima y sustrato es un proceso rápido, y que el paso determinante de la reacción es la formación del producto. 

En general, la rapidez para dichas reacciones está dada por la ecuación

Rapidez de la una reacción entre una enzima y un sustrato

La concentración del intermediario ES es proporcional a la cantidad presente del sustrato, y una gráfica de la rapidez contra la concentración del sustrato suele formar una curva como la que se observa en la figura 3. Al inicio, la rapidez aumenta rápidamente al incrementarse la concentración del sustrato. Sin embargo, sobre ciertos niveles de concentración, todos los sitios activos están ocupados y la reacción se vuelve de orden cero respecto del sustrato. En otras palabras, la rapidez permanece constante, aun cuando se aumente la concentración del sustrato. Por todo esto, la rapidez de formación del producto depende sólo de qué tan rápido se rompe el intermediario ES y no del número de moléculas de sustrato presentes.

Fig 3. Gráfica de la rapidez de la formación del producto contra la concentración del sustrato en una reacción canalizada por una enzima.