Orden de Reacción y Cinética Química

Cinética enzimática

• La cinética enzimática abarca el estudio de las velocidades de las reacciones catalizadas por enzimas.
• Incluye temas como la ecuación de Michaelis-Menten, la determinación de parámetros cinéticos y la inhibición enzimática.

Reacciones Enzimáticas

• Un catalizador es una sustancia acelera la velocidad de una reacción química sin alterarse en el proceso.
• El sustrato es la sustancia sobre la que actúa una enzima.
• Los catalizadores modifican la velocidad de las reacciones sin afectar la posición de equilibrio.
• Los catalizadores no vuelven más favorable un proceso termodinámicamente favorable ni cambian uno desfavorable a favorable.
• Conceptos esenciales en este contexto incluye velocidad de reacción y energía libre.

Velocidad de Reacción

• La velocidad de reacción (v) se define como la velocidad de formación del producto en cualquier instante.
• La velocidad v representa la cantidad de reactivo A que desaparece por unidad de tiempo.
• En una reacción irreversible A → B, la velocidad se expresa como el aumento en la concentración de B con el tiempo, es decir, v = d[B] / dt.
• Las unidades de velocidad (v) son concentración por unidad de tiempo, por ejemplo, Ms-1.
• El signo negativo indica que la concentración de A disminuye con el tiempo.
• La velocidad es proporcional a la concentración de A.
• El factor n en la ecuación de velocidad representa la dependencia de la velocidad observada con respecto a la concentración de A.
• Si n = 1, la velocidad de reacción es directamente proporcional a la concentración del reactivo A, y se denomina reacción de primer orden.
• La constante k1 se llama constante de velocidad.

Reacciones de Primer Orden

• La constante de velocidad k1 proporciona una medida directa de la rapidez con que se produce una reacción.
• El decaimiento de elementos radiactivos es un ejemplo común.
• El orden de una reacción se determina experimentalmente comparando los datos cinéticos con modelos matemáticos.
• La concentración de A disminuye exponencialmente con el tiempo, como se describe en la ecuación [A]t = [A]0e-k₁t.
• La vida media (t1/2) es el tiempo requerido la concentración de A disminuya a la mitad.
• Para una reacción de primer orden, la vida media es inversamente proporcional a k1.
• Para confirmar si una reacción es de primer orden, se debe graficar In [A] frente a t, obteniéndose una línea recta con pendiente de -k1 y una intersección de [A]0.

Reacciones de Segundo Orden

• Las reacciones bioquímicas pueden ser más complejas e involucrar la unión unión de dos o más moléculas.
• En una reacción de segundo orden, dos moléculas se unen para formar un producto.
• La velocidad depende de ambos sustratos y está dada por v = k₁[Mb]ⁿ[O₂]ᵐ.
• En esta reacción, es de primer orden en [Mb] (n = 1) y de primer orden en [O2] (m = 1), pero de segundo orden global (n + m = 2).
• La constante de velocidad en una reacción de segundo orden K1 se expresa en (concentración)-1 (tiempo)-1.
• La unión del sustrato (S) a una enzima para formar un complejo enzima sustrato es un proceso de segundo orden.
• Las reacciones enzimáticas incluyen muchos procesos complejos de varios pasos que a menudo se simplifican en una cadena de reacciones.
• El paso limitante de la velocidad es la reacción más lenta y determina la velocidad observada experimentalmente para todo el proceso.

Constante de equilibrio

• En la naturaleza, la velocidad de una reacción reversible A ⇌ B se describe como v = k₁[A]ⁿ - k₋₁[B]ᵐ.
• Si n y m = 1, k1 y k-1 son las constantes de velocidad para las reacciones directa e inversa de primer orden, respectivamente.
• El estado de equilibrio es donde no hay cambio aparente en las concentraciones de [A] o [B] en el tiempo.
• La constante de equilibrio K se define mediante las constantes de velocidad de ambas reacciones: K = [B]/[A] = k₁/k₋₁.
• Las enzimas no alteran las leyes de la termodinámica ni el equilibrio de una reacción química.
• Aceleran el alcance, pero no cambia la posición del equilibrio, que depende de la diferencia de energía libre entre reactivos y productos.

Conceptos de Energía Libre y Estado de Transición

• Las diferencias de energía entre reactivos y productos determinan si las reacciones pueden tener lugar y el grado en que la enzima acelera la reacción.
• La energía libre de Gibbs (G) es una propiedad termodinámica que mide la energía útil o la energía capaz de realizar trabajo.
• Para entender cómo operan las enzimas , es necesario considerar dos propiedades termodinámicas de la reacción: la diferencia de energía libre (ΔG) entre productos y reactivos y la energía requerida para iniciar la conversión (ΔG‡).
• La diferencia de energía libre (ΔG) determina si la reacción tendrá lugar espontáneamente.
• La energía requerida (ΔG‡) determina la velocidad de la reacción, y las enzimas afectan esta conversión.
• ΔG proporciona información sobre la espontaneidad, pero no sobre la velocidad.
• Una reacción ocurre espontáneamente solo si ΔG es negativa (exergónica); no ocurre cambio neto si ΔG = 0; y requiere energía libre para impulsarla si ΔG > 0 (endergónica).
• ΔG depende únicamente de la diferencia de energía libre entre los productos y los reactivos, independientemente del mecanismo.
• ΔG no indica la velocidad de la reacción; solo indica tiene potencial de ocurrir espontáneamente.

Estado de Transición

• El estado de transición es una estructura molecular ya no es el sustrato, pero no es el producto final.
• Es menos estable y menos abundante, debido a su alta energía libre.
• La activación de Gibbs (ΔG‡) es la diferencia de energía libre entre el estado de transición y el sustrato.
• La catálisis facilita la formación del estado de transición.
• Las enzimas disminuyen la energía de activación (ΔG‡).
• La combinación de sustrato y enzima crea una vía con menor energía en el estado de transición que en ausencia de enzima.
• Como la energía de activación es menor, más moléculas tienen la energía para alcanzar el estado de transición.

Ecuación de Michaelis-Menten

• Describe la cinética de las reacciones enzimáticas.
• Fue desarrollada por Leonor Michaelis y Maud Leonora Menten en 1913.
• Ofrece expresiones para la afinidad enzima-sustrato, eficiencia enzimática y modos de inhibición.
• La ecuación de M-M es un modelo simple de las reacciones enzimáticas que se basa en dos asunciones:
  • Reacción simple: un solo sustrato y producto.
  • Al analizar la velocidad inicial de una reacción catalizada por enzimas y suponiendo que la transformación química de ES a EP es limitante de la velocidad, la ecuación se simplifica.
• Kcat es la constante aparente de velocidad para la conversión de sustrato a producto y condiciona la velocidad de reacción.
• La velocidad de reacción, definida como la velocidad observada de formación de productos.
• En condiciones iniciales, la reacción inversa entre E y P es despreciable, haciendo que la formación catalítica del producto sea una reacción simple de primer orden cuya velocidad está determinada únicamente por [ES] y el valor de kcat.
• Kcat representa el número de reacciones enzimáticas que una sola molécula saturada de enzima puede catalizar por unidad de tiempo, expresado en s-1.
• Kcat es un parámetro valioso permite comparar distintas enzimas.
• Medir [ES] experimentalmente puede ser difícil, pero se pueden medir la velocidad y la cantidad inicial de sustrato, y la cantidad total de enzima añadida, que es la suma de enzima libre y unida al sustrato.

Estado Estacionario

• Después de un periodo de tiempo corto, [ES] alcanza un estado estacionario.
• Sugiere que E y S deben estar en equilibrio con ES.
• Presentado por G. E. Briggs y J. B. S. Haldane en 1925, considera que a mayor [ES], más rápido se disociará el complejo ES en productos (Kcat) o de vuelta a los reactivos (K-1).
• [ES] aumenta al principio de la reacción, alcanza un estado estacionario casi constante hasta que casi todo el sustrato se consume.

Puntos Importantes Ecuación de Michaelis-Menten

• La ecuación de Michaelis-Menten se puede simplificar asumiendo el estado estacionario y expresando la velocidad de reacción en términos de [S] y [E]t.
• KM es una relación de las constantes de velocidad para una reacción específica y es una característica de esa reacción.
• KM tiene unidades de concentración.
• A altas concentraciones de sustrato ([S] >>> KM), la reacción se aproxima a un máximo de velocidad, Vmax, donde cada molécula de enzima está unida a sustrato.
• En estas condiciones, [ES] = [E]t.
• KM es una medida indica la cantidad de sustrato necesario para una catálisis eficaz y es igual a la concentración del sustrato a la que la velocidad de reacción ha alcanzado la mitad de su máximo.
• Kcat mide directamente la tasa de formación del producto bajo condiciones óptimas (enzima saturada) y se expresa en s-1 o min-1.
• El recíproco de Kcat representa el tiempo requerido por una molécula de enzima para procesar una molécula de sustrato.
• Kcat/KM es una medida de la eficiencia enzimática.
• Un valor grande de Kcat o un valor pequeño de KM resultan en un Kcat / KM mayor.

Eficiencia enzimática

• A bajas concentraciones de sustrato ([S] << KM), la mayor parte de la enzima se encuentra libre, y [E]t es muy pequeño.
• La relación Kcat/KM es cercana a constantes de difusión y proporciona una medida directa de la eficiencia y especificidad de la enzima.
• Permite la comparación directa de la efectividad de una enzima hacia diferentes sustratos.

Determinación de parámetros cinéticos

• Para determinar si una reacción catalizada por enzimas sigue el modelo de Michaelis-Menten, se mide la velocidad de reacción en función de la concentración de sustrato y se determinan las constantes KM y Kcat.
• Se usan ensayos de actividad a la misma concentración de enzima pero con diferentes concentraciones de sustrato.
• Se miden las velocidades iniciales, conociendo con precisión la [S] inicial.
• Los datos se analizan para obtener una curva y mediante programas para determinar KM y Kcat.
• El diagrama de Lineweaver-Burk transforma la expresión en un gráfico lineal, sirve como test rápido de adherencia a cinética de Michaelis-Menten y mejora la evaluación de constantes cinéticas importantes.

Efecto de la Temperatura y el pH

• El incremento de temperatura aumenta la energía cinética y la frecuencia de colisión de las moléculas que reaccionan.
• Puede interrumpir las interacciones no covalentes y desnaturalizar la estructura tridimensional de la enzima.
• El rango de temperatura normal de las células está entre 45 a 55 °C.
• La actividad enzimática óptima suele ocurrir en valores de pH entre 5 y 9 y existe un equilibrio entre la desnaturalización enzimática en pH alto o bajo y los efectos sobre el estado cargado de la enzima, los sustratos, o ambos.
• Enzimas específicas requieren mecanismos de catálisis ácido y reconocimiento de sustrato.

Cooperatividad y Centros Alostéricos

• Las proteínas oligoméricas están compuestas por más de una subunidad (cadena polipeptídica).
• La unión inicial del ligando a una subunidad cambia la conformación de otras subunidades, facilitando su unión a otras moléculas de ligando, conocido como unión cooperativa.
• La unión alostérica ocurre cuando la enzima se une a otras moléculas que cambian la conformación del sitio activo para favorecer o impedir la unión del sustrato al sitio activo.
• Las enzimas alostéricas determinan la velocidad y son fundamentales en el control e integración de procesos metabólicos.

Inhibición Enzimática

• Los estudios de inhibición enzimática son importantes porque proporcionan conocimientos críticos sobre los mecanismos catálisis enzimática.
• La acción terapéutica de muchos fármacos depende de su actuación como inhibidores de enzimas y comprender estos mecanismos proporciona información sobre el modo de acción de tales fármacos.
• Dos grandes grupos de inhibidores: reversibles e irreversibles.
• Los inhibidores reversibles se unen mediante enlaces no covalentes y se pueden revertir eliminando el inhibidor.
• Los inhibidores irreversibles se unen covalentemente a la enzima y la inactiva.

Inhibición Enzimática Reversible

• En la inhibición enzimática reversible competitiva, una molécula compite con el sustrato para unirse al mismo sitio e impide la catálisis, reduciendo la disponibilidad de la enzima.
• En presencia de un inhibidor competitivo, la KM aparente aumenta.
• La tasa de inhibición competitiva depende de las concentraciones relativas de I y S.
• La KM original no cambia, pero en presencia de un inhibidor competitivo aumenta la [S] necesaria para alcanzar la mitad de Vmax.
• En la inhibición competitiva, Vmax no cambia porque al aumentar [S], v se aproxima a Vmax.
• En la inhibición enzimática reversible no competitiva, un inhibidor se une fuertemente al complejo ES pero muestra baja o nula afinidad por la enzima libre, o se une a un segundo sitio en la superficie de una enzima (no el sitio activo) e impide la conversión del sustrato unido a producto.
• El inhibidor no competitivo reduce tanto la Vmax como Km aparentes y estos efectos no se revierten con el aumento de [S].
• En presencia de un inhibidor no competitivo, tanto Vmax como KM aparecen reducidas.
• En la inhibición enzimática reversible mixta, una molécula o ion puede unirse a la enzima libre como al complejo ES.
• Si ambas constantes de equilibrio (KI y K'I) son iguales, el modo mixto de inhibición también se denomina inhibición no competitiva.
• El grafico de un diagrama de Lineweaver-Burk mixto refleja esta disminución de Vmax y aumento de KM