Cinética de lar reacciones químicas

Una reacción química tiene dos características de importancia: la posición de equilibrio (estabilidad de la concentración de productos y reactivos) y la velocidad de reacción (las reacciones tienen por objeto determinar el mecanismo y la velocidad con que interaccionan las moléculas bajo determinadas condiciones).

La velocidad de una reacción química puede medirse como la velocidad de formación de uno o más de su productos o bien la velocidad de utilización de sus reactivos. Intuitivamente podemos suponer que al aumentar la concentración de los reactivos la probabilidad de interacción de los mismos aumenta conjuntamente con la velocidad que procede tal reacción. Ambas variables (velocidad de reacción y concentración de los reactivos) son directamente proporcionales, así que matemáticamente debe existir un valor constante, de esta manera podemos escribir:

v_r = k. [reactivos]ⁿ.

(velocidad de reacción) = (constante) . (concentración de reactivos)ⁿ

El valor del exponente n es el orden de la reacción. Así si n = 1, estamos en presencia de una reacción de primer orden donde la velocidad es proporcional a la reacción de un solo reactivo.    v_r = k. [A]

Análogamente, cuando n = 2, la velocidad es proporcional al producto de las concentraciones de dos reactivos o al cuadrado de la concentración de uno solo. Este tipo de reacciones reciben el nombre de segundo orden.  v_r = k. [A] [B] = k [A] ²

La importancia de determinar el orden de una reacción química radica en que a partir de ese parámetro puede obtenerse información sobre el mecanismo molecular en que opera.

En un estado de equilibrio químico las velocidades de reacciones directa e inversa son exactamente iguales. Considerando una reacción de primer orden:

        k₁ [A] = k _{– 1} [B]

Este principio nos permite llegar fácilmente a una reacción entre las constantes de velocidad y de equilibrio:

Efecto de la temperatura sobre la velocidad de reacción: Energía de activación

La clave llevó al descubrimiento del criterio más importante para las reacciones químicas, las velocidades de reacción son generalmente sensibles a la temperatura. En el caso de las reacciones biomoleculares, un aumento de 10º C incrementa su velocidad entre 1,5 y 5 veces. Para explicar este hecho se postuló que al acrecentar la temperatura aumenta la fracción de moléculas capaces de tener una energía suficiente para alcanzar un "estado activado" que luego se transforme en producto de la reacción por formación o ruptura de enlaces químicos.

Se admite que las únicas moléculas que reaccionan son aquellas que al chocar llevan consigo una energía mayor que un cierto valor mínimo. A este valor de energía necesaria se lo denomina energía de activación y es un factor de suma importancia para determinar la magnitud de la velocidad de reacción.

Para que una reacción química tenga lugar se debe superar el valor de la energía de activación. Una vez vencida esa barrera el sistema evoluciona de forma tal que llegará al estado final de la reacción. La velocidad de reacción podría incrementarse de dos maneras: aumentando la concentración del "complejo activado" o eventualmente disminuyendo la energía de activación. Este último mecanismo es el que se pone de manifiesto cuando se emplea determinadas sustancias llamadas catalizadores. Estas sustancias aceleran las reacciones químicas disminuyendo la energía libre de activación, se combinan con los reactivos para producir un estrato de transición de menor energía que el estado de transición de la reacción no catalizada. Cuando los productos de la reacción se forman, se regenera el catalizador al estado libre.

Las reacciones químicas en sistemas biológicos raramente ocurren en ausencia de un catalizador. Estos catalizadores se denominan enzimas y son en su totalidad moléculas de naturaleza proteica (aunque ha habido estudios acerca de enzimas de naturaleza glucosídica).

Es razonable pensar en la necesidad que tienen los seres vivos de poseer estos catalizadores, ya que las funciones vitales de cualquier célula serían imposibles de mantener si las reacciones que ocurren en ella fueran extremadamente lentas.

Además de incrementar la velocidad las enzimas exhiben una elevada especificidad y en algunos casos pueden ser reguladas por diferentes metabolitos, aumentando y otras veces disminuyendo, de acuerdo a las necesidades del momento, su actividad.

Todas estas propiedades pueden ser cumplidas por moléculas altamente complejas, que al ser moléculas orgánicas (macromoléculas) comparten características con las proteínas no enzimáticas y difieren de los catalizadores inorgánicos:

a) Son termolábiles y su actividad depende en ciertos casos del pH del medio.

b) El reconocimiento de la enzima con el reactivo a procesar (denominado sustrato) es altamente específico.

c) Tienen gran eficiencia, es decir, transforman un gran número de moléculas de sustrato por unidad de tiempo.

d) Están sujetas a una gran variedad de controles celulares, genéticos y alostéricos .

Como todos los catalizadores las enzimas aceleran notablemente la velocidad de una reacción química y cumplen con las siguientes características:

1) Son efectivas en pequeñas cantidades

2) No sufren modificaciones químicas irreversibles durante la catálisis. Es decir que luego de la reacción enzimática, las moléculas de enzimas que reaccionaron son indistinguibles de las que no lo han hecho, (la estructura de la molécula se mantiene, al principio y final de la reacción, exactamente igual).

3) No afectan la posición de equilibrio de la reacción que catalizan. El estado inicial y final de la reacción es el mismo, solo que se llega al equilibrio mucho más rápidamente.

Una forma general de denominar a las enzimas es añadir el sufijo "asa" al nombre del sustrato. Así, la ureasa es la enzima que cataliza la hidrólisis de la urea formando amoníaco y dióxido de carbono.

Sin embargo con el descubrimiento de nuevas enzimas esta nomenclatura resulta a veces confusa. Actualmente se ha adoptado ciertas recomendaciones de la Internacional Enzime Comission, que pretende sistemetizar la nomenclatura y clasificación de las diferentes enzimas conocidas. Este sistema divide a las enzimas en seis clases que a su vez pueden tener diferentes subclases.

Los nombres propuestos en este sistema son los que se emplean cuando es necesaria una identificaciones exacta de las enzimas, (por ejemplo en revistas científicas). Sin embargo, cotidianamente pueden emplearse los nombres triviales por ser mucho más conocidos.

Algunas enzimas dependen para su actividad catalítica además de la estructura proteica, de otras moléculas de naturaleza no proteica. Estas estructuras reciben el nombre de cofactores. Estos son resistentes al calor mientras que las proteínas generalmente no lo son.

El complejo enzima – cofactor recibe el nombre de holoenzima. A la fracción proteica aislada del cofactor que es inactiva se la denomina apoenzima. Los cofactorespueden ser simpemente iones metálicos o en algunos casos moléculas orgánicas complejas. Estas últimas el nombre de coenzimas.

En ciertos casos las coenzimas están estrechamente unidas a la molécula de la enzima y reciben el nombre del grupo prostético. Un ejemplo clásico lo constituye el grupo hemo del citocromo C, unido covalentemente a la proteína. Entre los cofactores que requieren las enzimas para su funcionamiento están las coenzimas: NADPH + H (nicotinamida adenina dinucleótido fosfato reducido), NAD (nicotinamida adenina dinucleotido), FAD (flavina adenina dinucleótido), piridoxal, biotina, tiamina, ácido tetra hidrofólico , cobalamina.

En principio, las consideraciones generales de la cinética química pueden aplicarse a las reacciones catalizadas enzimáticamente, aunque estas últimas tienen la particularidad de mostrar el fenómeno de saturación por el sustrato.

A una concentración constante de enzima, si vemos el gráfico de la velocidad de la reacción catalizada enzimáticamente en función de la concentración del sustrato, es evidente que a bajas concentraciones del mismo la velocidad de formación de producto es proporcional a la concentración del sustrato. A medida que se aumenta la concentración de sustrato se aprecia una pérdida de la proporcionalidad, en esta zona la reacción es de orden mixto y finalmente, a altas concentraciones, la velocidad de la reacción es independiente de esta.

Ya se ha dicho que el sustrato se une a la enzima en una región determinada del mismo llamada sitio activo. El fenómeno de saturación junto con otras evidencias llevaron a postular la existencia de un complejo enzima – sustrato (E – S) como etapa previa a la formación de productos.

En 1913 Lenor Michelis dedujo la relación entre la velocidad máxima (v_m) de una reacción catalizada enzimáticamente en términos de la formación del complejo E – S. En base a estas consideraciones es lógico suponer que a altas concentraciones de sustrato, todos los sitios activos de la enzima están ocupados y por lo tanto la velocidad alcanza un máximo. El modelo propuesto sirve de base para explicar las propiedades de la mayoría de las enzimas y como se dijo antes asume la existencia de un complejo E – S como intermediario en la catálisis.

Una enzima E se combina con un sustrato S para formar el complejo E – S, con una constante de velocidad k₁. Este complejo E – S puede seguir dos caminos: a) puede proceder para formar el producto con una constante de velocidad k₃; b) el camino alternativo es disociándose, generando nuevamente E y S con una constante de velocidad k₂.

En base al modelo, la velocidad de la reacción catalizada enzimáticamente será : 

v = k₃ [E – S]

El valor [E – S] no es fácilmente estimable de modo que se necesita una expresión equivalente con valores conocidos. Mediante desarrollo matemático se ha desarrollado la siguiente ecuación:

Efecto de la concentración del sustrato sobre la velocidad de una reacción catalizada enzimáticamente. Obtención del k_m y la v_max.

Resumiendo, si se mantiene la concentración de la enzima constante y variamos la concentración de substrato se obtiene una curva hiperbólica como la de la figura (arriba izquierda). Al principio un aumento de la concentración de substrato produce un aumento rápido de la velocidad de reacción, pero si se sigue aumentando la concentración de substrato, la velocidad de reacción comienza a disminuir; vemos que a muy altas concentraciones de substrato se observa que no cambia la velocidad de reacción, se dice que los centros activos de la enzima se encuentran saturados. La velocidad de reacción que se obtiene a esa alta concentración de substrato se define como la velocidad máxima (v_m) de la reacción enzimática bajo las condiciones especificadas. La concentración de substrato [S], a la semivelocidad máxima de reacción (½ v ) se puede determinar de la figura y representa la constante de Michaelis o k_m, la cual es una característica para cada enzima. La inversa de k_m, o 1/ k_m, mide aproximadamente la afinidad de la enzima por el substrato. Mientras más pequeño sea el valor de k_m, mayor será la afinidad de la enzima por el substrato. Si varias enzimas compiten en el metabolismo por el mismo substrato, éste será transformado preferentemente por la enzima con mayor afinidad.

Así tendremos: 

    (simplificando)   

Si reordenamos la ecuación tendremos que: [S] + k_m = 2 [S] (despejamos) k_m = [S]

Esto significa que la concentración del sustrato necesaria para alcanzar la mitad de la velocidad es el valor de k_m de la enzima.

La expresión de Michelis – Menten puede ser transformada algebraicamente en otras formas, que son más útiles para la expresión de los datos experimentales. Una de esas formas consiste en tomar los recíprocos (inversa) de ambos miembros de la ecuación.

Esta expresión conocida con el nombre de ecuación Lineweaver – Burk, corresponde a una recta de ecuación :

y = a.m + b

Midiendo las velocidades para distintas concentraciones de sustrato y representando gráficamente (al lado) obtendremos una gráfica del tipo lineal.

Centro activo de una enzima

Ya se había mencionado que la porción de la molécula en la enzima que se una al o a los sustratos es una zona relativamente pequeña de la misma. Esta zona , responsable de la actividad catalítica, que favorece la orientación de los grupos químicos (que reaccionan para dar los productos de la reacción) recibe el nombre de centro activo.

Los grupos responsables de la actividad catalítica propiamente dicho se los denomina sitios catalíticos. En algunos casos esos grupos pueden corresponder a los grupos prostéticos de los cuales ya se ha hablado.

La cantidad de enzimas presentes en un fluido biológico es muy difícil de determinar en valores absolutos, mg. o moles, una forma de resolver este problema es midiendo la velocidad de reacción catalizada por la misma empleando un sustrato específico. La velocidad de reacción puede expresarse como la cantidad de reactivo que se transforman en producto por unidad de tiempo. De allí que la unidad internacional (UI) de cualquier enzima se define como la cantidad de la misma que cataliza la transformación de un mol de sustrato por minuto, bajo condiciones definidas: pH, temperatura, concentración de sustrato/s y cofactores, etc.

En base a lo que se acaba de explicar es posible expresar la cantidad de una enzima en un fluido biológico en UI/cm³ o en UI/ mg. de proteína total. Esta última expresión denominada actividad específica es la cantidad de moles de sustrato transformados por minuto y por mg. de proteína, debiéndose indicar la temperatura, el pH, etc.

Es importante recordar que la actividad específica de una enzima es una medida indirecta de la fracción de la proteína total en una preparación que contienen a la enzima.

Temperatura: Un aumento en la temperatura provoca un aumento de la velocidad de reacción hasta cierta temperatura óptima, ya que después de aproximadamente 45⁰ C se comienza a producir la desnaturalización térmica. Las enzimas de muchos mamíferos tienen una temperatura óptima de 37⁰ C, por encima de esa temperatura comienzan a inactivarse y se destruyen Sin embargo existen especies de bacterias y algas que habitan en fuentes de aguas termales y en el otro extremo ciertas bacterias árticas tienen temperaturas óptimas cercanas a 0⁰ C.

Efecto Del pH Sobre La Actividad Enzimática: El pH no afecta la actividad enzimática directamente sino que modifica la concentración de protones. Los protones además de alterar la estructura de la enzima y el substrato, pueden participar también en la reacción como substrato o producto. En esos casos, la concentración de protones afecta directamente la velocidad de la reacción.

Cualquier cambio brusco de pH, sabiendo que las enzimas son proteínas, puede alterar el carácter iónico de los grupos amino y carboxilo en la superficie proteica, afectando así las propiedades catalíticas de una enzima. A pH alto o bajo se puede producir la desnaturalización de la enzima y en consecuencia su inactivación .

Enzimas:     Pepsina 1,5 (pH óptimo)

Tripsina 7,7

Catalasa 7,6

Arginasa 9,7

Fumarasa 7,8

Ribonucleasa 7,8

La actividad enzimática puede ser disminuida o eliminada por la acción de ciertas sustancias a las cuales se les conoce con el nombre de inhibidores enzimáticos. Mediante el uso de inhibidores enzimáticos se ha obtenido información muy valiosa sobre la conformación del centro activo de algunas enzimas.

Las distintas formas de interacción se traducen en varios tipos de inhibición perfectamente diferenciables experimentalmente. Los dos tipos más comunes son la competitiva y la no competitiva. La primera es cuando el inhibidor compite con el substrato por la unión con el centro activo de la enzima. Este tipo de inhibición puede reducirse si se aumenta la concentración de substrato. Un ejemplo clásico lo constituye la inhibición del malonato sobre la enzima succinato deshidrogenasa quecataliza la eliminación de dos átomos de hidrógeno de los átomos de carbono metilénico del succinato. En la segunda el inhibidor forma un enlace covalente con las enzimas cerca del centro activo sin modificarla irreversiblemente. Un ejemplo son los gases nerviosos, como el fluorofosfato de di isopropilo (DFP) que forma un complejo con la enzima acetilcolinesterasa. Los animales envenenados con este gas quedan paralizados, debido a la imposibilidad de transmitir adecuadamente los impulsos nerviosos.

Ciertos metales como el plomo, mercurio y arsénico inhiben enzimas que tienen en su centro activo grupos – SH libres.

El proceso de inhibición enzimática es útil para comprender los mecanismos de acción tóxica y farmacológica de algunos compuestos.

Son enzimas que difieren en su forma estructural pero que poseen la misma actividad catalítica, catalizan la misma reacción.