Enzimas

Las enzimas son proteínas globulares — un tipo de proteína con forma redondeada y soluble. Son catalizadores biológicos: catalizan (aceleran) las reacciones químicas en los seres vivos y no se consumen, por lo que cada enzima funciona una y otra vez.

Enzymes work in two places:

• Las enzimas intracelulares trabajan dentro de la célula que las produjo. Un ejemplo es la catalasa, que descompone el peróxido de hidrógeno dañino.
• Las enzimas extracelulares se secretan (se expulsan) para trabajar fuera de la célula. Un ejemplo es la amilasa, que se libera en el intestino para digestionar el almidón.

Cada enzima tiene un bolsillo especial llamado sitio activo 活性位点. La molécula sobre la que actúa es su sustrato 底物. El sustrato encaja en el sitio activo para formar un complejo enzima-sustrato 酶底物复合物. Luego ocurre la reacción, y los productos 产物 salen, liberando el sitio activo para el siguiente sustrato.

Specificity

Una enzima es específica: generalmente funciona solo sobre un sustrato. Esto se debe a que la forma del sitio activo es complementaria 互补 a (encaja con) la forma de ese sustrato y ninguna otra. Llamamos a esto especificidad 专一性.

Two ideas explain how the substrate fits:

• la hipótesis de la llave y la cerradura: el sitio activo tiene una forma fija, y solo un sustrato con la forma adecuada encaja, como una llave en una cerradura.
• la hipótesis del ajuste inducido: el sitio activo no tiene exactamente la forma correcta al principio. Cuando el sustrato se une, el sitio activo cambia ligeramente de forma para ajustarse a él firmemente. Esta idea se ajusta mejor a las evidencias.

Lowering activation energy

Cada reacción necesita un pequeño "empujón" de energía para comenzar, llamado energía de activación 活化能. Una enzima reduce la energía de activación. Esto permite que la reacción ocurra rápidamente a la temperatura 温度 normal de la célula, en lugar de necesitar calor alto.

Puedes seguir una reacción enzimática de dos maneras:

• medir qué tan rápido se produce el producto. Con la catalasa, el gas oxígeno es un producto, por lo que se recoge el gas y se mide su volumen a lo largo del tiempo.
• medir qué tan rápido desaparece el sustrato. Con amilasa, se retiran muestras y se utiliza la prueba de yodo; el color azul-negro se desvanece a medida que se consume el almidón.

Un colorímetro 比色计 hace esto exacto. Emite luz a través del tubo y mide cuánta luz se absorbe, por lo que un cambio de color se convierte en un número que puedes graficar.

La velocidad de reacción 反应速率 es más pronunciada al inicio (mayor presencia de sustrato), por lo que la velocidad inicial (la pendiente en el tiempo cero) es el valor más justo para comparar.

Ejemplo resuelto. En los primeros $20$ segundos de una reacción de catalasa, se recogen $16\ \text{cm}^3$ de oxígeno. Estimar la velocidad de reacción.

Debido a que la reacción es más rápida al inicio, medir durante este breve intervalo temprano da un valor cercano a la velocidad inicial; promediar durante un tiempo más largo incluiría las etapas posteriores más lentas y lo subestimaría.

Temperatura

A medida que aumenta la temperatura, las moléculas ganan más energía cinética 动能 y colisionan 碰撞 con mayor frecuencia, por lo que la velocidad aumenta. Pero por encima de la temperatura óptima 最适温度 la enzima comienza a desnaturalizarse 变性: el calor rompe los enlaces que mantienen su forma, por lo que el sitio activo cambia y ya no encaja con el sustrato. La velocidad entonces cae rápidamente.

pH

Cada enzima tiene un pH óptimo. Si el pH se aleja demasiado de él, la enzima se desnaturaliza y la velocidad disminuye. Para estudiar el pH de manera justa, debes mantenerlo estable con una solución tampón 缓冲液.

Enzyme concentration

Con abundante sustrato, más enzima significa más sitios activos, por lo que la velocidad aumenta proporcionalmente a la concentración de enzima.

Substrate concentration

Al principio, añadir más sustrato acelera la reacción. Pero una vez que todos los sitios activos están ocupados, añadir más no hace diferencia: la velocidad se nivela en un máximo.

Inhibitor concentration

Un inhibidor 抑制剂 es una molécula que ralentiza una enzima. Cuanto más inhibidor esté presente, menor será la velocidad.

La velocidad de nivelación, cuando todos los sitios activos están llenos, es la velocidad máxima, escrita $V_{\text{max}}$.

La constante de Michaelis–Menten 米氏常数 ($K_{\text{m}}$) es la concentración de sustrato que produce mitad de $V_{\text{max}}$. Te dice sobre la afinidad 亲和力 (poder de atracción) de la enzima por su sustrato:

• un bajo $K_{\text{m}}$ significa que la enzima alcanza la mitad de su velocidad a una baja concentración de sustrato, por lo que tiene una alta afinidad.
• a alto $K_{\text{m}}$ means a bajo affinity.

Así que $K_{\text{m}}$ te permite comparar qué tan fuertemente diferentes enzimas mantienen sus sustratos.

Algunos inhibidores son reversibles: pueden abandonar la enzima nuevamente. Hay dos tipos.

Una enzima inmovilizada está fija en su lugar —por ejemplo, atrapada dentro de pequeñas perlas de alginato— en lugar de flotar libremente en solución. La solución de sustrato fluye junto a las perlas.

Una enzima libre suele funcionar un poco más rápido, porque el sustrato puede alcanzarla fácilmente. Pero las enzimas inmovilizadas tienen grandes ventajas prácticas:

• la enzima no se lava, por lo que puede usarse una y otra vez.
• el producto es puro: no se mezcla con la enzima.
• la enzima es más estable, por lo que sobrevive mejor a cambios de temperatura y pH.
• el proceso puede ejecutarse continuamente, con sustrato entrando y producto saliendo.

• Explicar la acción enzimática mediante el modelo de ajuste inducido (el sitio activo se moldea alrededor del sustrato), actualmente preferido sobre la llave y la cerradura.
• Por encima del óptimo, la enzima se desnaturaliza (se rompen enlaces de hidrógeno y la estructura terciaria): escribir "se desnaturaliza", nunca "muere" o "es asesinada".
• Distinguir inhibidores: competitivo se une al sitio activo (se supera con más sustrato, mismo $V_{max}$); no competitivo se une en otro lugar (baja $V_{max}$).
• Comparar velocidades usando la velocidad inicial (tangente en el tiempo cero): la medida más justa, antes de que el sustrato se vuelva limitante.