Complejo enzima-sustrato

Qué es el complejo enzima-sustrato

Las enzimas son proteínas que actúan como catalizadores biológicos: aceleran reacciones químicas sin consumirse en el proceso. Para que la catálisis tenga lugar, el sustrato debe encajar en una zona concreta de la enzima denominada sitio activo. Allí, residuos de aminoácidos con grupos funcionales específicos establecen enlaces débiles (puentes de hidrógeno, fuerzas electrostáticas, interacciones hidrofóbicas) con la molécula de sustrato, formando el complejo ES.

Ya en 1882 se introdujo la idea de un intermediario enzima-sustrato en el proceso catalítico, pero fue el trabajo de Michaelis y Menten, tres décadas después, el que dotó a esta idea de un soporte matemático riguroso. La reacción general se escribe como E + S ⇌ ES → E + P, donde E es la enzima, S el sustrato y P el producto. Nótese que la enzima se recupera al final: no se gasta.

El sitio activo y los modelos de unión

El sitio activo es una cavidad o hendidura tridimensional formada por el plegamiento de la cadena polipeptídica. Solo ocupa una pequeña fracción de la superficie total de la enzima, pero concentra todos los residuos necesarios para reconocer al sustrato y catalizar la reacción.

El modelo clásico de unión es el de la llave y la cerradura, propuesto por Emil Fischer en 1894: el sustrato encaja en el sitio activo como una llave en su cerradura. Este modelo explica bien la especificidad, pero no da cuenta de un fenómeno observado experimentalmente: muchas enzimas cambian de forma al unir al sustrato. Daniel Koshland propuso en 1958 el modelo de ajuste inducido, según el cual el contacto con el sustrato provoca un cambio conformacional en la enzima que optimiza la geometría del sitio activo. Los dos modelos no se excluyen; representan los extremos de un espectro de comportamientos.

Cinética de Michaelis-Menten

El modelo de Michaelis y Menten describe la relación entre la velocidad de reacción y la concentración de sustrato. A concentraciones bajas de sustrato, hay enzima libre de sobra: cada molécula de sustrato que llega encuentra un sitio activo disponible, y la velocidad crece de forma proporcional a la concentración de sustrato. A medida que la concentración aumenta, los sitios activos se van ocupando hasta que, en un momento dado, todos están saturados. La velocidad alcanza entonces su valor máximo (V_max) y deja de crecer por mucho más sustrato que se añada.

La constante de Michaelis (K_M) es la concentración de sustrato a la cual la velocidad es la mitad de V_max. Un valor bajo de K_M indica que la enzima alcanza la mitad de su velocidad máxima con poco sustrato, lo que equivale a decir que tiene alta afinidad por él. A la inversa, un K_M elevado delata una afinidad menor.

Factores que influyen en la formación del complejo

La estabilidad del complejo ES y la velocidad a la que se transforma en producto dependen de varias condiciones. La temperatura influye: dentro de un rango fisiológico, un aumento de temperatura acelera la reacción, pero por encima de cierto umbral la enzima pierde su estructura tridimensional (se desnaturaliza) y el sitio activo deja de funcionar. El pH óptimo varía según la enzima; la pepsina gástrica trabaja mejor a pH 2, mientras que la tripsina pancreática lo hace cerca de pH 8. Los cofactores (iones metálicos) y las coenzimas (moléculas orgánicas derivadas a menudo de vitaminas) son a veces necesarios para que el sitio activo adopte la configuración adecuada.

Ciertas moléculas pueden interferir con la formación del complejo ES. Los inhibidores competitivos se parecen al sustrato y ocupan el sitio activo sin ser transformados, bloqueando el acceso del sustrato real. Otros inhibidores actúan sobre zonas distintas de la enzima y alteran su conformación de manera que el sustrato ya no puede unirse correctamente.

Preguntas frecuentes

Qué ocurre con la enzima después de la reacción

Se libera intacta. Esa es la propiedad que define a un catalizador: participa en la reacción pero no se consume. Una sola molécula de enzima puede catalizar miles de reacciones por segundo (el número de recambio o k_cat de la catalasa, por ejemplo, supera las 40 000 moléculas de peróxido de hidrógeno por segundo).

Qué significa que una enzima tiene alta afinidad por su sustrato

Que se necesita muy poca concentración de sustrato para ocupar la mitad de los sitios activos disponibles. En términos de Michaelis-Menten, una K_M baja refleja una unión firme entre enzima y sustrato.

Todas las enzimas siguen el modelo de Michaelis-Menten

No. Las enzimas alostéricas, que poseen sitios reguladores además del sitio activo, muestran una cinética diferente con curvas sigmoideas en lugar de hiperbólicas. El modelo de Michaelis-Menten se aplica bien a las enzimas llamadas michaelianas, que son muchas, pero no todas.

Referencias

1. MedlinePlus en español. Enzima. Enciclopedia médica.
2. Real Academia Española. Enzima. Diccionario de la lengua española.
3. NCBI Bookshelf. The Central Role of Enzymes as Biological Catalysts.
4. Labster Theory. Michaelis-Menten.