La cinética de las reacciones catalizadas por las enzimas es muy similar a la de las reacciones en donde el agente catalizador no es proteína, con excepción de que las primeras exhiben el fenómeno de saturación. La Figura 6.10 nos ayudará a explicar este concepto.
En la gráfica de la figura aludida se encuentra, como variable independiente, la concentración de sustrato [S] y como variable dependiente la velocidad v0, de la reacción. Hay que recordar que ya en capítulos anteriores se ha definido a la velocidad de una reacción como la cantidad de producto que se forma por unidad de tiempo.
Figura 6.10 Gráfica en la que se aprecia el efecto de la concentración de sustrato [S], sobre la velocidad v0 de una reacción catalizada por enzima. (Material multimedia elaborado por el autor).
Este tipo de gráficas se obtiene experimentalmente. Para ello, se disponen varios tubos en donde se coloca la mezcla de reacción. Todos los tubos tienen la misma concentración de enzima [E] y la temperatura, presión, y pH es idéntica en todos los recipientes. Lo que varía en cada uno de los tubos es la concentración de sustrato [S], la cual se va aumentando gradualmente. El tiempo inicial t0, es el momento en que el sustrato entra en contacto con la enzima, iniciándose así la reacción, a la que se permite proseguir un determinado tiempo tn, (igual para todos los tubos), y al final la reacción es detenida. A continuación, por algún método analítico, se mide cuantitativamente la cantidad de producto que se formó en el lapso de tiempo tn, con lo que se puede obtener la velocidad de la reacción en cada uno de los tubos. Así se pueden agrupar parejas de puntos de concentración de sustrato y velocidad: ([S], v0), los cuales producen la gráfica que se aprecia en la Figura 6.10.
Con los resultados de experimentos como el descrito y cuyos datos son representados en gráficas como la de la Figura 6.10, es como se ha llegado a la conclusión de que las reacciones enzimáticas ocurren como se describe en la Ecuación 6.1 y la Figura 6.1, en donde se aprecia que la enzima E, reacciona con su sustrato S, para formar el complejo enzima - sustrato ES, el cual se disocia en la enzima E, mas el producto P.
En la figura se han marcado con números tres regiones de la gráfica, la primera (1), se presenta cuando se tienen bajas concentraciones de sustrato, en este intervalo se puede apreciar que a un aumento de la concentración de sustrato, corresponde un aumento de la velocidad de la reacción o sea que v0 es directamente proporcional a [S]. A medida que sigue aumentando S, (2), la curva empieza a "doblarse" y aunque todavía hay un aumento de v0, cuando aumenta [S], la relación ya no es directamente proporcional. Cuando se llega a la fase 3, cuando se encuentran cantidades elevadas de sustrato, la velocidad ya no varía, por lo que se puede afirmar lo siguiente: a altas concentraciones de sustrato la velocidad de reacción se hace independiente de [S].
Esto es lo que se observa experimentalmente, ¿cómo podemos interpretar estos resultados?
La respuesta es precisamente introduciendo el punto intermedio en la reacción de la ecuación y la Figura 6.1, es decir la formación de ES, antes de la obtención del producto P. Este paso no existe en las reacciones que no son catalizadas por enzimas y, por lo tanto, la concentración de reactivo es siempre directamente proporcional a la velocidad de la reacción (su gráfica proporciona una línea recta en todas las concentraciones de reactivo).
Para que se forme una molécula de ES, una partícula de S debe de chocar con otra de E y esta colisión es completamente al azar, de tal manera que aumentando la concentración (el número de moléculas), se aumenta la probabilidad de que ocurra un choque y por lo tanto la formación del complejo enzima sustrato. Figura 6.11.
Imagine el lector un número determinado y fijo de moléculas de enzimas, recuerde que en el experimento se ha dejado constante la concentración de enzimas ([E]), cuando hay pocas moléculas de sustrato, con respecto a la cantidad de enzimas, la mayor parte de ellas, en un tiempo determinado, van a estar en la forma libre E, muy pocas estarán unidas al sustrato formando el complejo ES. Cuando la concentración de sustrato se hace mucho mayor que el número de enzimas, lo que va a ocurrir es que en cuanto una molécula de enzima se desocupa, debido a la formación de producto, inmediatamente va a ser ocupada por un sustrato para formar ES, de tal forma que en estas condiciones, en un tiempo determinado, la concentración de enzima libre va a ser muy baja y [ES] muy alta. Se puede llegar a un punto en el que en cualquier momento todas las moléculas de enzima existentes estén ocupadas por sustrato y entonces la velocidad de la enzima se hace máxima e independiente de la concentración de sustrato (aunque la concentración de sustrato aumente la velocidad de reacción permanece constante).
Km y Vmax
En la gráfica de la Figura 6.10 se han marcado dos puntos muy importantes: en el eje de las abscisas se encuentra la Constante de Michaelis Km, y en el de las ordenadas la velocidad máxima, Vmax. Estos valores son únicos para una enzima determinada y por lo tanto muy útiles para caracterizarla.
Observe el lector que la velocidad máxima Vmax, es la velocidad que se alcanza a concentraciones elevadas de sustrato, cuando la velocidad se hace independiente de [S] (cuando la enzima se encuentra saturada). Si se toma en el eje de las ordenadas el punto que equivale a 1/2 de Vmax y se traza una recta paralela al eje x, hasta hacer contacto con la curva y de ahí se traza una recta, paralela al eje y hasta hacer contacto con el eje x, se llega a un valor que se ha denominado Km. Definida con palabras, la constante de Michaelis es la concentración de sustrato a la cual la enzima alcanza la mitad de la velocidad máxima. Como ya se mencionó estos dos valores son únicos para una determinada enzima, solamente hay que recordar que fueron obtenidos experimentalmente manteniendo constantes [E], pH, temperatura y presión.
Las unidades de Km son de concentración y su valor numérico se usa para medir la afinidad de la enzima por su sustrato. Imaginemos una enzima A con un valor de Kma igual a 0.00035 M y otra enzima B con Kmb = 0.35 M. Puede apreciarse que el primer valor es mil veces más pequeño que el segundo. Estos datos nos indican que la enzima A con una concentración muy baja de sustrato (0.00035 M), ya se encuentra trabajando a una velocidad considerable (1/2 Vmax), mientras que la enzima B para alcanzar la mitad de la velocidad máxima requiere de mil veces más de sustrato (0.35 M), que la A, por lo que podemos concluir que la enzima A es más afín por el sustrato que la B. Cuanto más pequeño sea el valor de Km la enzima es más afín por el sustrato.