Bioquímica Cinética Enzimática | Inhibición competitiva

Cinética Enzimática | Inhibición competitiva

La función de las enzimas es unirse a sus sustratos y convertirlos en un producto. Pero además de la unión al sustrato, existen moléculas denominadas inhibidores, que son capaces también de unirse a una enzima. Al unirse, estas moléculas interfieren de alguna forma en la reacción enzimática e impiden la formación de los productos, ya sea disminuyendo la velocidad a la que se producen, o inhibiendo completamente la reacción.

Los inhibidores competitivos, son un tipo de inhibidor que se unen de forma reversible a las enzimas, es decir, una vez que se han unido a la enzima es posible que se separen espontáneamente. Estos inhibidores tienen la característica de que se unen a la enzima en su sitio activo, de forma que la inhiben impidiendo que el sustrato pueda ocupar su lugar.

Los inhibidores competitivos suelen ser moléculas similares en estructura a los sustratos con los que compiten. Esta característica les permite poder encajar en el sitio activo, pero además son lo suficientemente distintos como para que la enzima no los pueda modificar.

El resultado de añadir un inhibidor competitivo a una reacción enzimática, es que se disminuye la probabilidad de que la enzima se una a su sustrato y lo pueda convertir a producto. Esto se ve reflejado en que se necesita mucho más concentración de sustrato para que la reacción alcance su velocidad máxima. De hecho, la Km, que refleja la concentración de sustrato a la que la reacción alcanza la mitad de Vmax, parece aumentar. A este valor aumentado de Km de una reacción en presencia de inhibidor se le suele denominar Km aparente.

En resumen, un inhibidor competitivo afecta aumentando la Km aparente de la reacción enzimática, pero la velocidad máxima se mantiene igual.

Si se traza un diagrama de Lineweaver-Burk de la reacción sin inhibir junto con la reacción con inhibidor, se verá cómo las rectas se intersectan en el eje vertical en el mismo punto. Esto es de esperarse pues este punto corresponde al inverso de la Vmax, que en el caso de la inhibición competitiva se mantiene constante.

Sin embargo, el cruce de la recta con el eje horizontal si se ve modificado. Veremos que el punto se acerca más hacia el origen para el caso de la gráfica con inhibición, puesto que la Km aumenta en ese caso. Además, la pendiente de la recta será mayor en la reacción con inhibidor, puesto que ésta es directamente proporcional a la Km.

En conclusión, los inhibidores competitivos son moléculas similares al sustrato de una enzima, los cuales se unen al sitio activo de ésta, disminuyendo la probabilidad de unión al sustrato e incrementando el valor de Km aparente de la reacción, sin alterar la Vmax.

Cinética Enzimática | Inhibición no competitiva y mixta

Los inhibidores no competitivos son moléculas que inhiben la actividad de una enzima uniéndose reversiblemente en un sitio diferente al sitio activo de dicha enzima. Pueden unirse tanto a la enzima libre, como al complejo enzima-sustrato y cuando lo hacen, inactivan la actividad catalítica de la enzima,  impidiendo la formación del producto hasta que el inhibidor se haya disociado de la enzima.

El resultado es que del 100% de la enzima presente en el medio, sólo una fracción es catalíticamente útil, mientras la fracción restante se encuentra temporalmente inactiva por su unión al inhibidor. Como el inhibidor no competitivo se une en un sitio diferente al sitio activo, no interfiere con la unión de la enzima a su sustrato.

La inhibición se da porque al haber menos enzima total útil, la velocidad máxima de la reacción disminuye, y no importa que se agreguen cantidades mayores de sustrato, la vmax no puede ser restaurada.

Si se realiza un gráfico de Lineweaver-Burk para comparar el comportamiento de la reacción con y sin inhibidor, se observará cómo la recta correspondiente a la reacción con inhibición cruza el eje Y en un valor mayor. Como en este tipo de gráficos la intersección con el eje vertical equivale al inverso de la Vmax, esto refleja el hecho de que un inhibidor no competitivo disminuye la Vmax de la reacción.

Sin embargo, dado que el inhibidor no interfiere con la unión del sustrato a la enzima, ambas rectas cruzan el eje x en el mismo punto. Esto quiere decir que la Km, que es un indicador de la afinidad de la enzima por su sustrato, no se ve modificada.

La inhibición no competitiva es un caso especial de la llamada inhibición mixta, en la cual, la afinidad del inhibidor por la enzima libre es igual que la afinidad por el complejo enzima sustrato. Pero generalmente, en la inhibición mixta, el inhibidor se une con diferentes afinidades a ambos estados de la enzima. El resultado de esto es que en la inhibición mixta, tanto la vmax como la km de la reacción se modifican.

Se puede distinguir la inhibición mixta de la no competitiva en un diagrama de lineweaver-burk, puesto que a diferencia de la no competitiva, la recta de la inhibición mixta también cruza en diferente punto el eje de las x.

Cinética Enzimática | Inhibición acompetitiva

Los inhibidores acompetitivos son un tipo especial de moléculas que únicamente son capaces de unirse a una enzima si ya se ha unido a su sustrato, es decir, sólo pueden unirse al complejo enzima-sustrato y no a la enzima libre.

El complejo enzima-sustrato-inhibidor es incapaz de convertir al sustrato en producto y por tanto, es en este paso donde se da la inhibición. Debido a que este proceso es reversible, el complejo inhibido puede liberarse espontáneamente del inhibidor acompetitivo, con lo que vuelve a ser catalíticamente activo.

Como la inhibición se da solamente al unirse al complejo enzima-sustrato, este proceso es interesante, pues al incrementar la concentración del sustrato, también se incrementa la inhibición.

El diagrama de lineweaver-burk para una inhibición acompetitiva muestra un patrón característico. En él, las rectas que corresponden a la reacción normal y a la reacción con inhibición tienen la misma pendiente, es decir, se encuentran paralelas una con la otra.

Debido a que la pendiente es igual a la Km entre la Vmax, resulta evidente que ambos parámetros cambian en la inhibición acompetitiva. Lo especial del caso, es que los parámetros disminuyen de forma proporcional: si la Vmax disminuye a la mitad, la km disminuirá en esa misma proporción.  

Por último, cabe destacar que este tipo de inhibición es infrecuente en reacciones enzimáticas que dependen de un solo sustrato. Sin embargo, es común en reacciones que requieren varios tipos de sustratos.

Cinética Enzimática | Inhibición irreversible e inhibidores suicidas

Los inhibidores irreversibles son moléculas que se unen a una enzima, y después de eso, bloquean su actividad enzimática permanentemente, ya sea cambiando la estructura tridimensional de la enzima o bien, bloqueando el sitio activo de ésta.

La capacidad de estos inhibidores de eliminar completamente la actividad de una enzima, es debida a que estas moléculas son capaces de formar enlaces covalentes con la enzima, de forma que una vez que se ha formado el enlace, el inhibidor no puede separarse de la enzima, por lo que ya no se puede regresar al estado activo de nuevo.

Los inhibidores irreversibles pueden modificar una enzima de dos formas diferentes: la primera, consiste en formar enlaces covalentes con alguno de los aminoácidos que forman parte del sitio activo de la enzima, bloqueando directamente la capacidad de que el sustrato pueda unirse.

La segunda, es formando los enlaces covalentes en alguna otra parte de la enzima, que sea relevante para su estructura tridimensional. Al unirse el inhibidor, la enzima cambiará de forma, a una conformación que se vuelve enzimáticamente inactiva.

Existe un tipo especial de inhibidores irreversibles llamados inhibidores suicidas. Estas moléculas existen en su forma inactiva, pero cuando se unen al sitio activo de la enzima blanco, son modificados por la enzima. Es en este proceso de modificación que el inhibidor se activa y se une covalentemente al sitio activo, inutilizándolo por completo.

Los inhibidores irreversibles son utilizados ampliamente como fármacos. Múltiples antibióticos, antivirales, agentes quimioterapéuticos, etcétera, son inhibidores irreversibles de enzimas cruciales en la supervivencia de agentes patógenos.  Algunos otros, son inhibidores de enzimas sobreexpresadas en enfermedades metabólicas.

Cinética Enzimática | Factores que afectan la actividad enzimática

Las enzimas son proteínas y dependen de su estructura tridimensional para realizar su actividad catalítica, puesto que la unión del sustrato al sitio activo en la enzima, está íntimamente relacionada con la estructura de ambos. Además, como las enzimas son proteínas, el sitio activo está formado por aminoácidos, y en ocasiones algunos cofactores, los cuales tienen cargas eléctricas que dirigen la conversión del sustrato a producto.

Por lo tanto, existen muchos factores en el entorno en el que la enzima se encuentra que pueden modificar la actividad enzimática, modificando en cierta forma la estructura de las enzimas, sus cargas, o bien, la interacción entre la enzima y el sustrato. Los factores más importantes y comunes a considerar son los siguientes:

-Temperatura.

Las enzimas suelen tener un rango de temperatura en el cual trabajan de manera óptima, el cual depende en mayor medida del organismo del que provienen. Las enzimas humanas por ejemplo, encontrarán ese rango de temperatura alrededor de los 37 grados, mientras que otros organismos, como las bacterias termófilas, tendrán enzimas con temperaturas óptimas muy superiores.

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