Cinética enzimatica

1. CINÉTICA ENZIMÁTICA

2. Catalizador
Un catalizador es una sustancia que aumenta la rapidez de una reacción sin
consumirse en el proceso. Una reacción en la que interviene un catalizador se
llama reacción catalizada o catalítica, y al proceso se le llama catálisis.
Un catalizador no influye en el equilibrio termodinámico entre los reactivos y
los productos. El catalizador cambia la velocidad de las reacciones entre el
reactivo y las moléculas de producto en la dirección de avance y retroceso por
el mismo factor

3. Características de un catalizador
• Un catalizador disminuye la energía de activación de Gibbs, pues
proporciona un mecanismo diferente para la reacción. Este mecanismo
aumenta la rapidez y se aplica a las direcciones de avance (directa) y de
retroceso (inversa) de la reacción al mismo tiempo.
• Un catalizador forma un compuesto intermedio con el o los reactivos, en
el paso inicial del mecanismo, y es liberado en el paso de formación de
producto. El catalizador no aparece en la reacción global.
• Independientemente del mecanismo y de las energías de una reacción,
un catalizador no puede afectar las entalpías ni las energía de Gibbs de
los reactivos y los productos. En consecuencia, los catalizadores
aumentan la rapidez de acercamiento al equilibrio, pero no pueden
alterar la constante de equilibrio térmico.

4. Cambio de energía libre de Gibbs

5. Tipos de Catálisis
Los humanos han usado
catalizadores durante
miles de años, para
preparar alimentos y
fabricar vino. En la
industria se producen
cientos de miles de
millones de dólares de
sustancias químicas cada
año con ayuda de
catalizadores. Hay tres
tipos de catálisis:
heterogénea,
homogénea y
enzimática.

6. Ejemplos de Catálisis Heterogénea y Homogénea
• En una reacción catalizada heterogénea, los reactivos y
el catalizador están en fases diferentes (gas/sólido o
líquido/sólido). Por ejemplo: la síntesis Haber de
amoniaco y la fabricación de ácido nítrico con el proceso
de Ostwald.
• Por otro lado la bromación de acetona, catalizada por
ácido es un ejemplo de catálisis homogénea, porque
todos los reactivos y el catalizador (H+) están presentes
en el medio acuoso.

7. La catálisis enzimática es una área de estudio de la cinética química. Este
proceso produce un aumento muy grande de la rapidez de reacción, del orden de
106 a 1018, y es de gran especificidad. Por especificidad se entiende que una
molécula de enzima es capaz de catalizar selectivamente ciertos reactivos,
llamados sustratos, y de discriminarlos frente a otras moléculas.
Catálisis Enzimática

8. Catálisis
Enzimática
Desde 1926, cuando James Summer, químico
estadounidense, cristalizó la ureasa (enzima
que cataliza la descomposición de urea en
amoniaco y dióxido de carbono), se sabe que la
mayor parte de la enzimas son proteínas. Una
enzima suele contener uno o más sitios
activos, donde se efectúan las reacciones con
los sustratos.
Un sitio activo puede abarcar sólo unos pocos
residuos de aminoácido, mientras que el resto
de la proteína se requiere para mantener la
integridad tridimensional de la red. La
especificidad de las enzimas hacia los sustratos
varía de molécula a molécula. Muchas enzimas
tienen especificidad estereoquímica, esto es,
catalizan las reacciones de una configuración,
pero no dela otra.

9. Las enzimas son catalizadores biológicos que disminuyen la energía de activación de
las reaccionesque catalizan, pero no modifican la constante deequilibrio. Por tanto
aceleran en igual proporción la velocidad dela reacción en las dos direcciones.
Enzimas

10. Teoría
Llave y
Cerradura
• En 1890 el alemán Emil Fischer propuso
una teoría para explicar la especificidad
de las enzimas. Según Físcher, se puede
suponer que el sitio activo tiene un
estructura rígida, parecida a una
cerradura, mientras que una molécula
de sustrato tiene una estructura
complementaria y funciona como una
llave.
• Hoy en día esta teoría se modificado
para incluir la flexibilidad de las
proteínas en solución y para explicar el
fenómeno del a cooperatividad.
• La cooperatividad se refiere a la unión
de un sustrato con un enzima de varios
sitios de unión puede alterar la afinidad
del sustrato hacia la unión con la enzima
en sus demás stios.

11. Aumento de
la rapidez
de una
reacción
𝑘 =
𝑘𝐵𝑇
ℎ
𝑒
∆𝑆°‡
𝑅 𝑒−
∆𝐻°‡
𝑅𝑇 (𝑀1−𝑚
)
Donde:
𝑘𝐵 = constante de Boltzman
𝑇 = temperatura
ℎ = Constante de planck
𝑅 = constante de los gases ideales
∆𝑆°‡= 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑜𝑝í𝑎 𝑒𝑠𝑡á𝑛𝑑𝑎𝑟 𝑚𝑜𝑙𝑎𝑟 𝑑𝑒 𝑎𝑐𝑡𝑖𝑣𝑎𝑐𝑖ó𝑛
∆𝐻°‡= 𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙𝑝í𝑎 𝑒𝑠𝑡á𝑛𝑑𝑎𝑟 𝑚𝑜𝑙𝑎𝑟 𝑑𝑒 𝑎𝑐𝑡𝑖𝑣𝑎𝑐𝑖ó𝑛
∆𝐺°‡= 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑑𝑒 𝐺𝑖𝑏𝑏𝑠 𝑒𝑠𝑡á𝑛𝑑𝑎𝑟 𝑚𝑜𝑙𝑎𝑟 𝑑𝑒 𝑎𝑐𝑡𝑖𝑣𝑎𝑐𝑖ó𝑛
𝑘 =
𝑘𝐵𝑇
ℎ
𝑒−
∆𝐺°‡
𝑅𝑇 (𝑀1−𝑚
)
Formulación
termodinámica
de la teoría del
estado de
transición
∆𝐺°‡
= ∆𝐻°‡
-T∆𝑆°‡
∆𝑮°‡
∆𝑮°‡
Complejo activado
∆𝑮°‡
Reactivos
Productos
∆𝐺°‡
= 𝐺°
𝑐𝑜𝑚𝑝𝑙𝑒𝑗𝑜 𝑎𝑐𝑡𝑖𝑣𝑎𝑑𝑜 − 𝐺°
(𝑟𝑒𝑎𝑐𝑡𝑖𝑣𝑜𝑠)

12. Aumento de
la rapidez de
una reacción
𝐸𝑎 = 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑑𝑒 𝑎𝑐𝑡𝑖𝑣𝑖𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝐾𝑗 𝑚𝑜𝑙−1
𝑇 = temperatura absoluta
𝑅 = constante de los gases ideales
A = factor de frecuencia
de las colisiones entre las molé𝑐𝑢𝑙𝑎𝑠 𝑟𝑒𝑎𝑐𝑡𝑖𝑣𝑎𝑠
𝑘 = 𝐴𝑒−𝐸𝑎/𝑅𝑇
Ecuación de
Arrhenius

13. Reacción
reversible
catalizada
por una
enzima
𝐸 + 𝑆 ⇌ 𝐸𝑆 ⇌ 𝐸𝑆‡
⇌ 𝐸𝑃 ⇌ 𝐸 + 𝑃
En este esquema, la enzima (E) y el sustrato (S) deben
encontrarse primero entre sí, en la solución, para formar el
compuesto intermedio enzima-sustrato (ES). Cuando está unido
al sustrato, las fuerzas dentro del sitio activo pueden alinear a los
grupos reactivos de enzima y sustrato hasta una posición
adecuada que forme el complejo activado enzima sustrato (𝐸𝑆‡).
Una vez formado, 𝐸𝑆‡
baja en energía hasta el compuesto
intermedio enzima-producto, y finalmente al producto (P), con
regeneración de la enzima (E).

14. Curva de Evolución de los componentes de la
reacción

15. Maud Leonora Menten (izq)
Leonor Michaelis (der)
Cinética de
Michaelis
Menten
El bioquímico alemán Leonor Michaelis
y la bioquímica canadiense Maud
Leonora Menten propusieron en 1913
un mecanismo basado en el trabajo del
químico francesVictor Henri, para
explicar la dependencia entre la
rapidez inicial de reacciones
catalizadas por enzima y la
concentración.

16. Ecuaciones de cinética enzimática
𝐸 + 𝑆
𝐾1
𝐸𝑆
𝐾𝑐𝑎𝑡
𝐸 + 𝑃
𝐾−1
𝑣0 =
𝑑 𝑃
𝑑𝑡 0
= 𝑘2 𝐸𝑆 =
𝑘2 𝐸 0 𝑆
𝐾𝑚 + 𝑆
Para deducir una ecuación de la rapidez en función de la concentración del
sustrato (lo cual se mide con mayor facilidad), Michaelis y Menten supusieron que
𝐾−1>>𝐾2, de modo que el primer paso (formación de ES) se pueda considerar
como un proceso de equilibrio rápido
𝐾𝑚 =
𝑘−1 + 𝑘2
𝐾1

17. Ecuaciones de cinética enzimática
𝑣0 =
𝑘2 𝐸 0 𝑆
𝐾𝑚 + 𝑆
Ya que 𝐸 0 = 𝑉
𝑚𝑎𝑥/𝑘2, la
ecuación anterior resulta:
𝑣0 =
𝑉
𝑚𝑎𝑥 𝑆
𝐾𝑚 + 𝑆
Esta es la ecuación fundamental en la cinética enzimática. Cuando la
rapidez inicial es igual a la mitad de la rapidez máxima (𝑣0 = 𝑉
𝑚𝑎𝑥/2)
la ecuación se transforma en:
𝑉
𝑚𝑎𝑥
2
=
𝑉
𝑚𝑎𝑥 𝑆
𝐾𝑚 + 𝑆

18. Transformación de la ecuación de
Michaelis-Menten
En la práctica usar la figura de V0 en función de 𝑆 no tiene mucho utilidad para
determinar el valor de Vmax porque con frecuencia es dificil localizar el valor
asintótico de Vmax a valores muy altos de sustrato. Un método más satisfactorio,
que sugirieron H. Lineweaver y Dean Burk, es emplear la gráfica doble recíproca
de
1
𝑉0
en función de
1
𝑆
𝑦 = 𝑚𝑥 + 𝑏

19. Paramétros cinéticos
Son las constantes que aparecen en la
ecuaciones de velocidad
Están compuestos por las constantes de
velocidad de los pasos que constituyen la
reacción catalizada

21. Unidades

22. Velocidad máxima

23. Constante catalítica (kcat)

24. Constante de Michaelis-Menten (Km)

25. Constante de especificidad

26. Concentración de sustrato o sustratos (cofactores)
Concentración de enzima
Inhibidores
Activadores
pH
Temperatura
Factores que afectan la velocidad

27. Sistemas
con varios
sustratos
En muchos casos en el proceso intervienen dos o más
sustratos. Por ejemplo la reacción es catalizada por la
enzima alcohol deshidrogenasa, que se une tanto al
𝑁𝐴𝐷+
como al sustrato que se va a oxidar.
𝐶2𝐻5𝑂𝐻 + 𝑁𝐴𝐷+ ⇌ 𝐶𝐻3𝐶𝐻𝑂 + 𝑁𝐴𝐷𝐻 + 𝐻+
Una reacción de bisustrato, es decir donde intervienen dos sustratos se
puede representar mediante:
𝐴 + 𝐵 ⇌ 𝑃 + 𝑄
Donde A y B son sustratos y P y Q son productos. En la mayor parte de los
casos esas reacciones implican la transferencia de un grupo funcional
específico de un sustrato (A) al otro (B). La unión de A y B con la enzima
pueden efectuarse en distintas formas, que se pueden clasificar como
mecanismos secuenciales y no secuenciales.

28. Mecanismos
secuenciale
s
En algunas reacciones, la unión de ambos
sustratos debe efectuarse antes de la liberación
de los productos. Un proceso secuencial se
puede subdividir en:
Mecanismo secuencial ordenado.
En este mecanismo un sustrato se debe unir antes de que se pueda unir un
segundo sustrato:
La enzima y los complejos de enzima-sustrato se representa con líneas
horizontales, y las adiciones sucesivas de sustratos, así como las liberaciones
sucesivas de productos, se representan con flechas verticales. Cada flecha
vertical representa la reacción directa e inversa.

29. Mecanismo secuencial
aleatorio
El caso en el que la unión de los sustratos y la liberación de los productos no
sigue un orden obligatorio definido, se llama mecanismo secuencial aleatorio:
La fosforilación de glucosa por ATP para formar glucosa-6-fosfato, con
hexocinasa como enzima para el primer paso de la glucólisis se aproxima al
mecanismo secuencial aleatorio.

30. Mecanismo no secuencial o de Ping
Pong
En este mecanismo un sustrato se enlaza y se libera un productoo. A
continuación se enlaza un segundo sustrato y se libera un segundo producto:
Se llama mecanismo de ping pong para subrayar el rebote de la enzima entre
los dos estados E y E*, donde E* es un estado modificado de E, que con
frecuencia lleva un fragmento de A. Un mecanismo de ping-pong es la acción
de la quimotripsina.

31. Inhibición
de enzimas
• Los inhibidores son compuestos que
reducen la rapidez de una reacción
catalizada por enzimas. El estudio
de la inhibición enzimática ha
ampliado nuestros conocimientos
acerca de la especificidad y
naturaleza de los grupos funcionales
del sitio activo. La actividad de
ciertas enzimas está regulada por
un mecanismo de
retroalimentación, de tal manera
que un producto final inhibe la
función de la enzima, en una etapa
inicial de una sucesión de
reacciones.

32. Regulación de la actividad enzimática por union
a la enzima de ligandos que no son sustratos

34. Tipos de Inhibidores

38. Sólo se afecta la Km

42. Afecta la Km y Vmax

47. Resumen de
fórmulas
• No competitiva o mixta

48. Resumen de
fórmulas
• Enzima
• Inhibidor competitivo
• Inhibidor Incompetitivo