Cómo calcular la eficiencia catalítica

Las enzimas son proteínas en los sistemas biológicos que ayudan a acelerar las reacciones que de otro modo se producirían mucho más lentamente que sin la ayuda de la enzima. Como tales, son una especie de catalizador. Otros catalizadores no biológicos juegan un papel en la industria y en otros lugares (por ejemplo, los catalizadores químicos ayudan en la combustión de gasolina para mejorar las capacidades de los motores de gas). Sin embargo, las enzimas son únicas en su mecanismo de acción catalítica. Funcionan reduciendo la energía de activación de una reacción sin cambiar los estados energéticos de los reactivos (las entradas de una reacción química) o los productos (las salidas). En cambio, crean un camino más suave desde los reactivos hasta los productos al reducir la cantidad de energía que se necesita "invertir" para recibir un "retorno" en forma de productos.

Dado el papel de las enzimas y el hecho de que muchas de estas proteínas naturales han sido cooptadas para uso terapéutico en humanos (un ejemplo es lactasa, la enzima que ayuda en la digestión del azúcar de la leche que el cuerpo de millones de personas no produce), no es sorprendente que los biólogos hayan idear herramientas formales para evaluar qué tan bien las enzimas específicas hacen su trabajo en condiciones dadas y conocidas, es decir, determinar su catalizador eficiencia.

Un atributo importante de las enzimas es su especificidad. Las enzimas, en términos generales, sirven para catalizar solo una de los cientos de reacciones metabólicas bioquímicas que se desarrollan dentro del cuerpo humano en todo momento. Por tanto, una enzima determinada puede considerarse una cerradura, y el compuesto específico sobre el que actúa, llamado sustrato, puede compararse con una llave. La parte de la enzima con la que interactúa un sustrato se conoce como el sitio activo de la enzima.

Las enzimas, como todas las proteínas, constan de largas cadenas de aminoácidos, de los cuales hay unos 20 en los sistemas humanos. Por lo tanto, los sitios activos de las enzimas generalmente consisten en residuos de aminoácidos o fragmentos químicamente incompletos. de un aminoácido dado, al que puede "faltarle" un protón u otro átomo y tener una carga eléctrica neta como resultado.

Las enzimas, críticamente, no cambian en las reacciones que catalizan, al menos no después de que termina la reacción. Pero experimentan cambios temporales durante la reacción en sí, una función necesaria para permitir que prosiga la reacción en cuestión. Para llevar más allá la analogía de la cerradura y la llave, cuando un sustrato "encuentra" la enzima requerida para una reacción dada y se une al activo de la enzima sitio (la "inserción clave"), el complejo enzima-sustrato sufre cambios ("giro clave") que resultan en la liberación de un recién formado producto.

La interacción del sustrato, la enzima y el producto en una reacción determinada se puede representar de la siguiente manera:

Aquí, mi representa la enzima, S es el sustrato, y PAG es el producto. Por lo tanto, puede imaginarse el proceso como algo similar a un trozo de plastilina (S) convirtiéndose en un cuenco completamente formado (PAG) bajo la influencia de un artesano humano (mi). Se puede pensar en las manos del artesano como el sitio activo de la "enzima" que esta persona encarna. Cuando el bulto de arcilla se "ata" a las manos de la persona, forman un "complejo" durante un tiempo, durante el cual la arcilla se moldea en una forma diferente y predeterminada por la acción de la mano a la que se une (ES). Luego, cuando el cuenco esté completamente formado y no sea necesario trabajar más, las manos (mi) suelte el cuenco (PAG) y el proceso está completo.

Ahora considere las flechas en el diagrama de arriba. Notarás que el paso entre mi + S y ES tiene flechas que se mueven en ambas direcciones, lo que implica que, al igual que la enzima y el sustrato pueden unirse para formar una complejo enzima-sustrato, este complejo puede disociarse en la otra dirección para liberar la enzima y su sustrato en su formas originales.

La flecha unidireccional entre ES y PAG, por otro lado, muestra que el producto PAG nunca se une espontáneamente con la enzima responsable de su creación. Esto tiene sentido a la luz de la especificidad de las enzimas señalada anteriormente: si una enzima se une a un sustrato dado, entonces lo hace. no se unirá también al producto resultante o, de lo contrario, esa enzima sería específica para dos sustratos y, por lo tanto, no específica en todas. Además, desde el punto de vista del sentido común, no tendría sentido que una enzima determinada hiciera que una reacción determinada funcionara más favorablemente en ambas cosas direcciones; esto sería como un automóvil que avanza cuesta arriba y cuesta abajo con la misma facilidad.

Piense en la reacción general de la sección anterior como la suma de tres reacciones competitivas diferentes, que son:

Cada una de estas reacciones individuales tiene su propia constante de velocidad, una medida de la rapidez con la que avanza una reacción determinada. Estas constantes son específicas de reacciones particulares y han sido determinadas experimentalmente y verificado para una plétora de diferentes sustrato-más-enzima y enzima-sustrato complejo-más-producto agrupaciones. Se pueden escribir de varias formas, pero en general, la constante de velocidad para la reacción 1) anterior se expresa como k₁, el de 2) como k_-1, y el de 3) como k₂ (esto a veces se escribe k_gato).

Sin sumergirse en el cálculo necesario para derivar algunas de las ecuaciones que siguen, probablemente pueda ver que la velocidad a la que se acumula el producto, v, es una función de la constante de velocidad de esta reacción, k₂, y la concentración de ES presente, expresado como [ES]. Cuanto mayor sea la constante de velocidad y más complejo sustrato-enzima presente, más rápidamente se acumula el producto final de la reacción. Por lo tanto:

Sin embargo, recuerde que otras dos reacciones además de la que crea el producto PAG están ocurriendo al mismo tiempo. Uno de ellos es la formación de ES de sus componentes mi y S, mientras que la otra es la misma reacción a la inversa. Tomando toda esta información en conjunto, y entendiendo que la tasa de formación de ES debe igualar su tasa de desaparición (por dos procesos opuestos), tienes

Dividiendo ambos términos por k₁ rendimientos

Dado que todos los "k"los términos de esta ecuación son constantes, se pueden combinar en una sola constante, K_METRO:

Esto permite escribir la ecuación anterior

K_METRO se conoce como la constante de Michaelis. Esto se puede considerar como una medida de la rapidez con la que desaparece el complejo enzima-sustrato mediante la combinación de la liberación y la formación de un nuevo producto.

Volviendo a la ecuación de la velocidad de formación del producto, v = k₂[ES], la sustitución da:

La expresión entre paréntesis, k₂/K_METRO, se conoce como constante de especificidad_, _ también llamada eficiencia cinética. Después de todo este álgebra molesta, finalmente tiene una expresión que evalúa la eficiencia catalítica, o eficiencia enzimática, de una reacción determinada. Puede calcular la constante directamente a partir de la concentración de enzima, la concentración de sustrato y la velocidad de formación del producto reorganizando para: