Cinética Enzimática y Catálisis
La cinética enzimática y la catálisis es el estudio cuantitativo de cómo las enzimas aceleran las reacciones químicas y de las velocidades de reacción que producen. Vincula la velocidad medible de una reacción catalizada por enzimas con las concentraciones de sustrato, enzima y modificadores, y con los eventos moleculares en el sitio activo que disminuyen la barrera energética entre el sustrato y el producto. Esta área proporciona el marco conceptual y matemático utilizado en toda la enzimología para describir el poder catalítico y el mecanismo de reacción.
Definition
La cinética enzimática es la rama de la enzimología que mide y modela las velocidades de las reacciones catalizadas por enzimas en función de las concentraciones de sustrato, enzima y efector; la catálisis se refiere a los mecanismos moleculares por los cuales una enzima disminuye la barrera de activación de una reacción sin ser consumida.
Scope
Esta área orienta al lector hacia las leyes de velocidad de las reacciones catalizadas por enzimas y hacia la base física de la catálisis. Abarca la descripción de Michaelis-Menten de la cinética de un solo sustrato, los mecanismos por los cuales los sitios activos logran la aceleración de la velocidad, el papel central de la estabilización del estado de transición, el tratamiento en estado estacionario de las reacciones con dos o más sustratos, y los métodos de pre-estado estacionario que resuelven los pasos catalíticos individuales. Los trata como temas de referencia en bioquímica, más que como una guía clínica.
Sub-topics
Core questions
- ¿Cómo depende la velocidad de reacción de la concentración de sustrato y enzima?
- ¿Qué características moleculares del sitio activo producen la aceleración de la velocidad?
- ¿Cómo se relaciona el poder catalítico con la estabilización del estado de transición?
- ¿Cómo se distinguen cinéticamente los mecanismos de las reacciones de múltiples sustratos?
- ¿Qué revelan las mediciones de pre-estado estacionario que ocultan las velocidades en estado estacionario?
Key concepts
- Velocidad de reacción y velocidad inicial
- Constante de Michaelis (Km) y velocidad máxima (Vmax)
- Número de recambio (kcat) y eficiencia catalítica (kcat/Km)
- Energía de activación y el estado de transición
- Regímenes de estado estacionario versus pre-estado estacionario
- Mecanismos de sustrato único y múltiple
- Inhibición y modulación enzimática
Key theories
- Modelo de Michaelis-Menten
- Un tratamiento de equilibrio rápido (posteriormente de estado estacionario) en el que la enzima y el sustrato forman un complejo que se descompone en producto, produciendo una dependencia hiperbólica de la velocidad con la concentración de sustrato caracterizada por los parámetros Vmax y Km.
- Teoría de la estabilización del estado de transición en la catálisis
- Las enzimas aceleran las reacciones principalmente al unirse al estado de transición con mayor fuerza que al sustrato en estado fundamental, disminuyendo la energía libre de activación; la eficiencia catalítica puede expresarse como la relación entre las constantes de velocidad catalizadas y no catalizadas.
Mechanisms
Una enzima une su sustrato en un sitio activo para formar un complejo enzima-sustrato, luego cataliza la conversión a producto y se regenera. La ventaja catalítica surge porque el sitio activo es complementario al estado de transición de la reacción, por lo que las interacciones de unión estabilizan preferentemente esa especie de alta energía y disminuyen la energía libre de activación en relación con la reacción no catalizada. Cinéticamente, la dependencia de la velocidad con la concentración de sustrato suele ser hiperbólica y se resume mediante Km (una medida de la afinidad aparente por el sustrato) y kcat (el número de recambio); su relación kcat/Km mide la eficiencia catalítica. Las reacciones con más de un sustrato siguen mecanismos secuenciales ordenados o aleatorios o de ping-pong que pueden distinguirse por sus ecuaciones de velocidad en estado estacionario, y los métodos de pre-estado estacionario pueden exponer pasos químicos y de unión individuales que el estado estacionario promedia.
Clinical relevance
Los parámetros cinéticos enzimáticos subyacen a la descripción de cómo muchos fármacos actúan como inhibidores enzimáticos y cómo las enzimas metabólicas procesan los sustratos, y forman parte del trasfondo conceptual de los ensayos enzimáticos de laboratorio. Esta área describe cómo se miden e interpretan las velocidades y los mecanismos catalíticos; es material de referencia y no constituye una base para decisiones diagnósticas o de tratamiento individuales.
History
La descripción cinética de las enzimas comenzó con Henri y con el análisis de la invertasa de Michaelis y Menten en 1913, que estableció la ley de velocidad hiperbólica que aún lleva sus nombres. Briggs y Haldane la generalizaron posteriormente con la suposición del estado estacionario. La propuesta de Pauling a mediados de siglo de que las enzimas son complementarias al estado de transición enmarcó la comprensión moderna de la catálisis, Cleland sistematizó la cinética de múltiples sustratos en la década de 1960, y las comparaciones cuantitativas de las velocidades catalizadas y no catalizadas realizadas por Wolfenden y sus colegas precisaron la imagen de la eficiencia catalítica.
Debates
- ¿Cuál es la contribución dominante a la aceleración de la velocidad enzimática?
- La estabilización del estado de transición, particularmente la preorganización electrostática del sitio activo, se considera ampliamente la principal fuente de poder catalítico, mientras que el papel adicional de la dinámica y los movimientos de las proteínas sigue siendo objeto de discusión activa.
Key figures
- Leonor Michaelis
- Maud Menten
- W. Wallace Cleland
- Richard Wolfenden
- Arieh Warshel
Related topics
Seminal works
- michaelis-menten-1913
- cleland-1963
- radzicka-wolfenden-1995
- benkovic-hammes-schiffer-2003
Frequently asked questions
- ¿Cuál es la diferencia entre cinética enzimática y catálisis enzimática?
- La cinética es la medición y el modelado de la velocidad a la que las reacciones catalizadas por enzimas proceden bajo condiciones dadas, mientras que la catálisis se refiere al mecanismo molecular por el cual la enzima disminuye la barrera de activación de la reacción.
- ¿Por qué son importantes Km y kcat?
- Km refleja la concentración de sustrato a la velocidad semimáxima e indica la afinidad aparente, mientras que kcat es el número de recambio; juntos, como kcat/Km, resumen la eficiencia catalítica de una enzima.