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¿Qué le sucede a Km cuando la concentración de enzima es * muy * alta?

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Sea Km una medida empírica de una determinada enzima con concentración [E]. En teoría, este valor es constante y no debería variar cuando [E] sube o baja. Ahora sea [E '] = 10 * Km. Bajo esta concentración de enzima, está claro que si [S] = Km, V0 no puede ser 1/2 * Vmax (ya que solo hay suficiente sustrato para saturar una décima parte de las moléculas de la enzima). ¿Qué está sucediendo aquí y cómo se relaciona esto con la derivación de la ecuación de Michaelis-Menten?


Michaelis-Menten a menudo es un desafío para los estudiantes debido a la importancia de las condiciones que deben existir para que el modelo se mantenga. Puede resultar útil analizar la derivación y la relevancia de los supuestos. Berg's Bioquímica está disponible a través de NCBI, y la sección sobre cinética de Michaelis-Menten hace un buen trabajo aquí, ilustrando los siguientes puntos:

Supuesto 1: Las velocidades de todas las reacciones relevantes son lineales.

Esta suposición es la que nos permite escribir las ecuaciones con las que comienza la derivación. Observamos cada reacción por separado y decimos que la velocidad de esa reacción es igual a una constante de velocidad multiplicada por la concentración de cada cosa en el lado izquierdo. De la ecuación $ E + S rightleftharpoons ES rightarrow E + P $, obtenemos lo siguiente

  1. $ E + S rightarrow ES $

    • $ Tarifa = k_1 [E] [S] $
  2. $ ES flecha derecha E + S $

    • $ Tarifa = k _ {- 1} [ES] $
  3. $ ES flecha derecha E + P $

    • $ Tarifa = k_2 [ES] $

Esta suposición (la velocidad es lineal) solo coincide con la evidencia experimental al principio de la reacción, mientras que la mayor parte del sustrato es libre. $ [S] $ (en lugar de estar ligado a $ ES $). Recuerda esto. Entrará en juego cuando evaluemos el supuesto 3.

Supuesto 2: El $ ES flecha derecha E + P $ la reacción es irreversible

Para que podamos combinar las ecuaciones de tasas anteriores para derivar la ecuación de Michaelis-Menten, la solamente la fuente de ES debe ser de $ E + S rightarrow ES $. No podemos tener ninguna $ E + P rightarrow ES $. Experimentalmente, para las enzimas que siguen la cinética de Michaelis Menten, esto es cierto cuando $ [E] $ y $ [P] $ son pequeños en relación con [ES]. Así que aquí tenemos nuestro primer requisito de que $ [E] $ ser pequeño. Las reacciones bioquímicas tienden a no implicar cambios muy elevados de energía libre. La energía libre in situ de la hidrólisis de ATP es el extremo superior de una reacción en la célula y libera aproximadamente $ 50kJ mol ^ {- 1} $. No estamos hablando de combustión aquí. Entonces, de hecho, estas reacciones están a menudo reversible a niveles apreciables de $ [E] $ y $ [P] $

Supuesto 3: La formación y la ruptura de ES se encuentran en estado estacionario

Esta suposición a menudo se describe de manera confusa, es decir, la reacción completa ($ E + S flecha derecha E + P $) está en estado estable. Profundicemos en lo que realmente estamos hablando. Para derivar la ecuación MM. Necesitamos la tasa de formación de $ ES $ para igualar la tasa de descomposición de $ ES $, es decir, para $ frac {d [ES]} {dt} = 0 $. Ese es el estado estacionario. Digámoslo en palabras: el cambio en $ [ES] $ debe ser cero. Solo logramos el estado estable en un punto temprano de la reacción (recuerde, necesitamos que la mayor parte del sustrato esté libre $ [S] $ para que se mantenga el supuesto 1), si $ [S] $ es sustancialmente mayor que $ [E] $. $ E $ necesita estar saturado con $ S $ tiempo $ S $ todavía está mayoritariamente en forma libre. Esta es la combinación clave de supuestos que viola la situación que describió.

Una vez que cumplimos con los tres supuestos anteriores, podemos escribir la siguiente igualdad:

$ k_1 [E] [S] = (k _ {- 1} + k_2) [ES] $

Esta ecuación dice que la tasa de formación de $ ES $ (la tasa de la ecuación 1 en la parte superior) es igual a la tasa combinada de descomposición de $ ES $, ya sea en $ E + S $ o $ E + P $ (ecuaciones 2 y 3 en la parte superior). Una vez que tenemos esta igualdad, podemos derivar la ecuación de Michaelis-Menten: $ V_o = V_ {max} frac {[S]} {[S] + K_m} $, dónde $ K_m = frac {k _ {- 1} + k_2} {k_1} $. De nuevo, mira Bioquímica para caminar a través de esto.


La derivación de la ecuación de Michaelis-Menten hace una serie de suposiciones. Las suposiciones exactas dependen un poco de cómo se hace realmente la derivación, pero la mayoría de las formulaciones modernas dependen de la aproximación del estado estacionario. (Por ejemplo, vea aquí).

En su situación, donde la concentración de enzima excede en gran medida la concentración de sustrato, se viola esa suposición. Nunca alcanzarás un estado estable. Como tal, aplicar la ecuación de Michaelis-Menten a esta situación particular da resultados inexactos. Ciertamente puede modelar la cinética de la reacción en estas condiciones, pero necesita usar otras ecuaciones y enfoques.

Eso no quiere decir que la Kmetro no se aplica en esas situaciones. La Kmetro de una enzima es una propiedad de la enzima que se aplica incluso en el régimen de alto contenido de enzimas; es solo que la interpretación "convencional" de Kmetro ("la concentración de sustrato a la que la velocidad de reacción es la mitad de la máxima") no se aplica. Esa afirmación solo es cierta en las condiciones particulares que tiene la derivación de Michaelis-Menten.


El efecto de altas concentraciones de enzima en la ecuación de Michaelis-Menten ha sido considerado por M. F. Chaplin, "El efecto de la concentración de enzimas en la ecuación de Michaelis-Menten", publicado en la edición de enero de 1981 de Tendencias en ciencias bioquímicas, página VI, bajo el título 'Error de libro de texto' (pero, hasta donde puedo determinar, este artículo no está indexado en Pubmed o similar).

El autor saca dos conclusiones importantes:

  1. La suposición de que la concentración total de enzima, $ E_o $, debe ser menor que la concentración inicial de sustrato ($ S_o $) es innecesariamente restrictivo. La ecuación de Michaelis-Menten se mantiene, en una muy buena aproximación, cuando $ E_o $ es mayor que $ S_o $ pero es menor que la constante de Michaelis (!)
  2. A altas concentraciones de enzimas, se propone una ecuación modificada $$ v_i = frac {V_ {max} [S_o]} {K_m + [S_o] + [E_o]} $$

La derivación de esta ecuación se da en la referencia citada.

Editar

  • Un enlace de Dropbox a la referencia de Chaplin. No parece estar disponible desde ningún lugar, incluido el sitio de TIBS (y no parece estar indexado en PubMed o similar)
  • Un usuario preguntó (pregunta ahora eliminada) si $ K_m $ depende de alguna manera de E$ {_ o} $

Configuración

$$ K ^ {'} _ m = K_m + E_o $$

se ve que la concentración de sustrato a la mitad de V$ _ {max} $ es $ K ^ {'} _ m $

que es la `` verdadera '' constante de Michaelis de hecho dependerá de $ E_o $ 'solo un poquito' como sugirió el Usuario bajo los supuestos menos restrictivos considerados por M.F. Chaplin (donde $ K_m $ se define algebraicamente arriba).

  • ¿Quizás el usuario consideraría anular la eliminación de esta pregunta? En mi opinión, uno interesante.

Enzimas

7.2.3 Actividad específica

Las concentraciones de enzimas a menudo se dan en términos de "unidades" en lugar de en concentraciones molares o de masa. Rara vez conocemos la masa exacta de la enzima en una muestra, ya que generalmente se prepara mediante el aislamiento de la enzima de microorganismos o tejidos animales o vegetales, y a menudo contiene una gran cantidad de proteína no catalítica, cuya cantidad puede variar de la muestra. para muestrear. Por lo tanto, se debe adoptar un enfoque diferente y la concentración de enzima se informa en unidades de actividad específica. Una "unidad" se define como la cantidad de enzima (p. Ej., Microgramo) que proporciona una cierta cantidad de actividad catalítica en condiciones específicas (p. Ej., Producir 1,0 micromol de producto por minuto en una solución que contiene una concentración de sustrato suficientemente alta para estar en el Región de "saturación", como se muestra en la Fig. 7.9 donde [ES] y [E] son ​​relativamente invariantes).

Por lo tanto, diferentes proveedores de enzimas pueden tener preparaciones con diferentes unidades de actividad, y se debe tener cuidado al analizar los datos cinéticos. Por tanto, una preparación enzimática purificada tendrá una actividad específica más alta que una preparación cruda, a menudo una proteína se considera pura cuando se alcanza una actividad específica constante durante las etapas de purificación.

La actividad viene dada por la cantidad de producto formado o sustrato consumido en la mezcla de reacción, en las condiciones especificadas (temperatura, pH, tipo de tampón, concentraciones de sustrato y enzima, etc.). Si se conoce el peso molecular de la enzima, la actividad específica también se puede definir como


En una gráfica de velocidad versus concentración de sustrato (V versus [S]), la velocidad máxima (conocida como Vmax) es el valor en el eje Y al que la curva se acerca asintóticamente. Cabe señalar que el valor de V max depende de la cantidad de enzima utilizada en una reacción. Duplique la cantidad de enzima, duplique la Vmax. Si uno quisiera comparar las velocidades de dos enzimas diferentes, sería necesario usar las mismas cantidades de enzima en las diferentes reacciones que catalizan. Es deseable tener una medida de velocidad que sea independiente de la concentración de enzima. Para ello, definimos el valor Kcat, también conocido como número de facturación. Matemáticamente,

Para determinar Kcat, obviamente se debe conocer la Vmax a una concentración particular de enzima, pero la belleza del término es que es una medida de velocidad independiente de la concentración de enzima, gracias al término en el denominador. Por tanto, Kcat es una constante para una enzima en determinadas condiciones. Las unidades de K cat son ( text

Figura 4.7.2: Números de rotación comunes

Otro parámetro de una enzima que es útil se conoce como KM, la constante de Michaelis. Lo que mide, en términos simples, es la afinidad que tiene una enzima por su sustrato. Las afinidades de las enzimas por los sustratos varían considerablemente, por lo que conocer la KM nos ayuda a comprender qué tan bien se adapta una enzima al sustrato que se está utilizando. La medición de KM depende de la medición de Vmax. En una gráfica V vs. [S], KM se determina como el valor de x que da Vmax / 2. Un error común que cometen los estudiantes al describir V max es decir que KM = Vmax / 2. Por supuesto que esto no es cierto. KM es una concentración de sustrato y es la cantidad de sustrato que necesita una enzima para alcanzar Vmax / 2. Por otro lado, Vmax / 2 es una velocidad y no es más que eso. El valor de KM está inversamente relacionado con la afinidad de la enzima por su sustrato. Los valores altos de KM corresponden a una baja afinidad de la enzima por el sustrato (se necesita más sustrato para llegar a Vmax). Los valores bajos de KM para una enzima corresponden a una alta afinidad por el sustrato.


¿Qué es Km en una enzima?

En enzimología, KM se refiere a la constante de Michaelis. Esta constante tiene una definición operativa simple, considerando la ecuación de Michaelis-Menten (en honor a Leonor Michaelis y Maud Menten, dos de los principales "padres" de la enzimología): vo = Vmax [S] / KM + [S], donde vo es la velocidad inicial de la reacción, Vmax es la velocidad máxima, [S] es la concentración de sustrato y KM la constante de Michaelis.

La constante de Michaelis se explica como: a la concentración de sustrato donde [S] = KM, produce v o (la velocidad inicial de la reacción) = Vmax / 2 de modo que KM es la concentración de sustrato a la que la velocidad de reacción es la mitad de la máxima. Por lo tanto, si una enzima tiene un valor pequeño de KM, logra la máxima eficiencia catalítica a una baja concentración de sustrato. La magnitud de KM vare depende ampliamente de la identidad de la enzima y la naturaleza del sustrato. Además, es función de la temperatura y el pH.

La constante de Michaelis se puede expresar como: KM = k-1 / k1 + k2 / k1 = Ks + k2 / k1 (donde, k-1 es la constante de disociación del complejo enzima-sustrato en enzima y sustrato, k1 es la enzima-sustrato constante de asociación compleja, y k2 es la constante de disociación del complejo enzima-sustrato para formar el producto y la enzima). Dado que Ks es la constante de disociación del complejo de Michaelis, a medida que Ks disminuye, aumenta la afinidad de la enzima por el sustrato. Por lo tanto, KM también es una medida de la afinidad de la enzima por su sustrato, proporcionando k2 / k1 es pequeño en comparación con Ks, es decir, k2 Usuario Wiki


Efecto del pH sobre las enzimas

Para cada enzima, existe un valor de pH óptimo, en el que la enzima específica funciona de manera más activa. Cualquier cambio en este pH afecta significativamente la actividad enzimática y / o la velocidad de reacción. Para saber más sobre la relación entre el pH y las enzimas, y / o el efecto del pH sobre las enzimas, lea este artículo.

Para cada enzima, existe un valor de pH óptimo, en el que la enzima específica funciona de manera más activa. Cualquier cambio en este pH afecta significativamente la actividad enzimática y / o la velocidad de reacción. Para saber más sobre la relación entre el pH y las enzimas, y / o el efecto del pH sobre las enzimas, lea este artículo.

Las enzimas son catalizadores proteicos que aceleran la velocidad de una reacción bioquímica. Reducen la energía de activación que es fundamental para iniciar cualquier tipo de reacción química. Con un requerimiento de energía bajo para la activación, la reacción se produce más rápidamente. El rendimiento general de una enzima depende de varios factores, como temperatura, pH, cofactores, activadores e inhibidores. Es posible que tenga una idea clara sobre el efecto del pH sobre las enzimas. Pero, ¿por qué y cómo afectan el pH y la temperatura a las enzimas?

¿Por qué el pH afecta la actividad enzimática?

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La velocidad de una reacción química y / o la actividad enzimática está muy influenciada por la estructura de la enzima. O en otras palabras, un cambio en la estructura de la enzima afecta la velocidad de reacción. Cuando el pH de un medio en particular cambia, se produce una alteración en la forma de la enzima. No solo las enzimas, el nivel de pH también puede afectar la carga y la forma del sustrato.

Dentro de un rango estrecho de pH, los cambios en las formas estructurales de las enzimas y sustratos pueden ser reversibles. Pero para un cambio significativo en los niveles de pH, la enzima y el sustrato pueden sufrir desnaturalización. En tales casos, no pueden identificarse entre sí. En consecuencia, no habrá reacción. Por eso el pH es un factor determinante de la actividad enzimática.

¿Cómo afecta el pH a las enzimas?

Todas y cada una de las enzimas se caracterizan por un pH óptimo. A este nivel de pH específico, una enzima particular cataliza la reacción a la velocidad más rápida que a cualquier otro nivel de pH. Por ejemplo, la enzima pepsina (una enzima proteasa) es más activa a un pH ácido, mientras que la enzima tripsina (otra enzima proteasa) se comporta mejor a un pH ligeramente alcalino. Por tanto, el pH óptimo de una enzima es diferente al de otra enzima.

Cuando estudiamos el pH, se define claramente como la medida de la naturaleza ácida o alcalina de una solución. Para ser más precisos, el pH indica la concentración de iones de hidrógeno disueltos (H +) en la solución particular. Un aumento o disminución del pH cambia la concentración de iones en la solución.

Estos iones alteran la estructura de las enzimas y, en ocasiones, el sustrato, ya sea debido a la formación de enlaces adicionales o a la rotura de enlaces ya existentes. En última instancia, se cambia la composición química de la enzima y el sustrato. Además, se cambia el sitio activo de la enzima, después de lo cual el sustrato ya no puede identificar la enzima. Para obtener más información sobre las enzimas, puede consultar el complejo de sustrato enzimático.

Considere un caso en el que la reacción se ajusta a un nivel de pH diferente del valor óptimo. Aquí, la velocidad de reacción o la actividad de las enzimas no será la misma que la anterior. A veces, notará que no hay ninguna reacción. Esto ocurre cuando hay cambios en la estructura del sitio activo y el sustrato. Por lo tanto, para que tenga lugar la reacción química, debe ajustar el pH de la solución de tal manera que sea adecuada tanto para la enzima como para el sustrato. De esta forma, el efecto del pH sobre la actividad enzimática se puede estudiar de forma práctica.

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Vmax, Km, Kcat, Ki ayudan.

Estoy luchando por comprender cuál es el concepto de estos términos, especialmente cuando se trata de matemáticas.

Cosas como Km (aplicación) = 3.2x10 -5 M - & gt, ¿qué significa esto para un bioquímico? Sé que Km es la [S] a 1/2 Vmax, pero ¿qué indica el valor?

¿Alguien puede darme una explicación general de lo que realmente significan estos términos? Gracias.

Km es una medida de la facilidad con la que el sustrato se asocia con la enzima. Un Km alto significa que necesita más sustrato para alcanzar una determinada velocidad de reacción, mientras que un Km bajo significa lo contrario.

Kcat, o k2 o número de rotación (todos significan lo mismo) es una medida de cuántos sustratos puede convertir una (1) enzima en un producto por segundo. Vmax es simplemente Kcat multiplicado por la concentración de enzima.

Ki es como Km, pero para un inhibidor. Mide la afinidad que tiene el inhibidor por la enzima y si Ki es bajo, eso significa que la afinidad es alta (necesita una concentración más baja para alcanzar una cierta inhibición) y lo contrario para un Ki alto.

editar: Km (aplicación) es el Km cuando está involucrado un inhibidor. Por ejemplo, si tiene un inhibidor competitivo reversible, la Vmax permanecerá igual pero la Km aumentará, lo que le dará una Km aparente. Esto se debe a que necesita más sustrato para competir con el inhibidor, pero si obtiene suficiente sustrato, aún podrá alcanzar la misma Vmax. Sin embargo, si tiene un inhibidor irreversible, Vmax disminuirá, pero Km permanecerá igual.


¿Qué le sucede a Km cuando la concentración de enzima es * muy * alta? - biología

Figura 1. Las enzimas reducen la energía de activación de la reacción pero no cambian la energía libre de la reacción.

Una sustancia que ayuda a que ocurra una reacción química se llama catalizador y las moléculas que catalizan las reacciones bioquímicas se llaman enzimas. La mayoría de las enzimas son proteínas y realizan la tarea crítica de reducir las energías de activación de las reacciones químicas dentro de la célula. La mayoría de las reacciones críticas para una célula viva ocurren con demasiada lentitud a temperaturas normales como para ser de alguna utilidad para la célula. Sin enzimas para acelerar estas reacciones, la vida no podría persistir. Las enzimas hacen esto uniéndose a las moléculas reactivas y reteniéndolas de tal manera que los procesos químicos de ruptura y formación de enlaces tengan lugar más fácilmente. Es importante recordar que las enzimas no cambian si una reacción es exergónica (espontánea) o endergónica. Esto se debe a que no cambian la energía libre de los reactivos o productos. Solo reducen la energía de activación requerida para que la reacción avance (Figura 1). Además, una enzima en sí no se modifica por la reacción que cataliza. Una vez que se ha catalizado una reacción, la enzima puede participar en otras reacciones.

Los reactivos químicos a los que se une una enzima se denominan sustratos de la enzima. Puede haber uno o más sustratos, dependiendo de la reacción química particular. En algunas reacciones, un solo sustrato reactivo se descompone en múltiples productos. En otros, dos sustratos pueden unirse para crear una molécula más grande. Dos reactivos también pueden entrar en una reacción y ambos se modifican, pero dejan la reacción como dos productos. La ubicación dentro de la enzima donde se une el sustrato se denomina sitio activo de la enzima. El sitio activo es donde ocurre la "acción". Dado que las enzimas son proteínas, existe una combinación única de cadenas laterales de aminoácidos dentro del sitio activo. Cada cadena lateral se caracteriza por diferentes propiedades. Pueden ser grandes o pequeños, débilmente ácidos o básicos, hidrófilos o hidrófobos, con carga positiva o negativa o neutrales. La combinación única de cadenas laterales crea un entorno químico muy específico dentro del sitio activo. Este entorno específico es adecuado para unirse a un sustrato químico específico (o sustratos).

Los sitios activos están sujetos a las influencias del entorno local. El aumento de la temperatura ambiental generalmente aumenta las velocidades de reacción, catalizadas por enzimas o de otro modo. Sin embargo, las temperaturas fuera de un rango óptimo reducen la velocidad a la que una enzima cataliza una reacción. Las altas temperaturas eventualmente harán que las enzimas se desnaturalicen, un cambio irreversible en la forma tridimensional y, por lo tanto, en la función de la enzima. Las enzimas también son adecuadas para funcionar mejor dentro de un cierto rango de pH y concentración de sal y, al igual que con la temperatura, el pH extremo y las concentraciones de sal pueden hacer que las enzimas se desnaturalicen.

Durante muchos años, los científicos pensaron que la unión enzima-sustrato tenía lugar de una manera simple de "cerradura y llave". Este modelo afirmó que la enzima y el sustrato encajan perfectamente en un paso instantáneo. Sin embargo, la investigación actual respalda un modelo llamado ajuste inducido (Figura 2). El modelo de ajuste inducido se expande en el modelo de cerradura y llave al describir una unión más dinámica entre la enzima y el sustrato. A medida que la enzima y el sustrato se unen, su interacción provoca un cambio leve en la estructura de la enzima que forma una disposición de unión ideal entre la enzima y el sustrato.

Cuando una enzima se une a su sustrato, se forma un complejo enzima-sustrato. Este complejo reduce la energía de activación de la reacción y promueve su rápida progresión de una de las múltiples formas posibles. En un nivel básico, las enzimas promueven reacciones químicas que involucran a más de un sustrato al juntar los sustratos en una orientación óptima para la reacción. Otra forma en que las enzimas promueven la reacción de sus sustratos es creando un ambiente óptimo dentro del sitio activo para que ocurra la reacción.

Figura 2. El modelo de ajuste inducido es un ajuste al modelo de cerradura y llave y explica cómo las enzimas y los sustratos experimentan modificaciones dinámicas durante el estado de transición para aumentar la afinidad del sustrato por el sitio activo.

Carreras en acción: desarrollador de fármacos farmacéuticos

Figura 3. ¿Se ha preguntado alguna vez cómo se desarrollan los fármacos? (crédito: Deborah Austin)

Las enzimas son componentes clave de las vías metabólicas. Comprender cómo funcionan las enzimas y cómo se pueden regular son los principios clave detrás del desarrollo de muchos de los medicamentos farmacéuticos en el mercado actual. Los biólogos que trabajan en este campo colaboran con otros científicos para diseñar fármacos.

Considere las estatinas, por ejemplo: estatinas es el nombre que se le da a una clase de medicamentos que pueden reducir los niveles de colesterol. Estos compuestos son inhibidores de la enzima HMG-CoA reductasa, que es la enzima que sintetiza el colesterol a partir de los lípidos del cuerpo. Al inhibir esta enzima, se puede reducir el nivel de colesterol sintetizado en el cuerpo. De manera similar, el acetaminofén, comercializado popularmente bajo la marca Tylenol, es un inhibidor de la enzima ciclooxigenasa. Si bien se usa para aliviar la fiebre y la inflamación (dolor), su mecanismo de acción aún no se comprende completamente.

¿Cómo se descubren las drogas? Uno de los mayores desafíos en el descubrimiento de fármacos es identificar un objetivo farmacológico. Un objetivo de un fármaco es una molécula que es literalmente el objetivo del fármaco. En el caso de las estatinas, la HMG-CoA reductasa es el fármaco diana. Los objetivos de los fármacos se identifican mediante una minuciosa investigación en el laboratorio. Identificar el objetivo por sí solo no es suficiente, los científicos también necesitan saber cómo actúa el objetivo dentro de la célula y qué reacciones salen mal en el caso de una enfermedad. Una vez que se identifican el objetivo y la vía, comienza el proceso real de diseño de fármacos. En esta etapa, los químicos y los biólogos trabajan juntos para diseñar y sintetizar moléculas que puedan bloquear o activar una reacción en particular. Sin embargo, esto es solo el comienzo: si y cuando un prototipo de fármaco tiene éxito en el desempeño de su función, entonces se somete a muchas pruebas, desde experimentos in vitro hasta ensayos clínicos, antes de que pueda obtener la aprobación de la Administración de Alimentos y Medicamentos de EE. UU. El mercado.

Muchas enzimas no funcionan de manera óptima, o incluso no funcionan en absoluto, a menos que estén unidas a otras moléculas auxiliares no proteicas específicas. Pueden unirse temporalmente a través de enlaces iónicos o de hidrógeno, o permanentemente a través de enlaces covalentes más fuertes. La unión a estas moléculas promueve la forma y función óptimas de sus respectivas enzimas. Dos ejemplos de estos tipos de moléculas auxiliares son los cofactores y las coenzimas. Los cofactores son iones inorgánicos como los iones de hierro y magnesio. Las coenzimas son moléculas auxiliares orgánicas, aquellas con una estructura atómica básica formada por carbono e hidrógeno. Al igual que las enzimas, estas moléculas participan en reacciones sin cambiar ellas mismas y, en última instancia, se reciclan y reutilizan. Las vitaminas son fuente de coenzimas. Algunas vitaminas son precursoras de coenzimas y otras actúan directamente como coenzimas. La vitamina C es una coenzima directa de múltiples enzimas que participan en la construcción del importante tejido conectivo, el colágeno. Por tanto, la función enzimática está regulada, en parte, por la abundancia de varios cofactores y coenzimas, que pueden ser suministrados por la dieta de un organismo o, en algunos casos, producidos por el organismo.


Una regla general para la mayoría de las reacciones químicas es que un aumento de temperatura de 10 ° C duplica aproximadamente la velocidad de reacción. Hasta cierto punto, esta regla se aplica a todas las reacciones enzimáticas. Sin embargo, después de cierto punto, un aumento de temperatura provoca una disminución en la velocidad de reacción, debido a la desnaturalización de la estructura de la proteína y la interrupción del sitio activo (parte (a) de la Figura 18.14 "Temperatura y pH versus concentración"). Para muchas proteínas, la desnaturalización ocurre entre 45 ° C y 55 ° C. Además, aunque parezca que una enzima tiene una velocidad máxima de reacción entre 40 ° C y 50 ° C, la mayoría de las reacciones bioquímicas se llevan a cabo a temperaturas más bajas porque las enzimas no son estables a estas temperaturas más altas y se desnaturalizarán después de unos minutos.

Figura 18.14 Temperatura y pH versus concentración

(a) Este gráfico muestra el efecto de la temperatura sobre la velocidad de una reacción que es catalizada por una cantidad fija de enzima. (b) Este gráfico muestra el efecto del pH sobre la velocidad de una reacción que es catalizada por una cantidad fija de enzima.

A 0 ° C y 100 ° C, la velocidad de las reacciones catalizadas por enzimas es casi cero. Este hecho tiene varias aplicaciones prácticas. Esterilizamos los objetos colocándolos en agua hirviendo, lo que desnaturaliza las enzimas de cualquier bacteria que pueda estar en ellos. Conservamos nuestros alimentos refrigerándolos o congelando, lo que ralentiza la actividad enzimática. Cuando los animales entran en hibernación en invierno, su temperatura corporal desciende, disminuyendo la velocidad de sus procesos metabólicos a niveles que pueden mantenerse mediante la cantidad de energía almacenada en las reservas de grasa de los tejidos de los animales.


Una descripción general de las operaciones unitarias individuales existentes

Solmaz Aslanzadeh,. Mohammad J. Taherzadeh, en Biorefineries, 2014

1.3.2 Factores que afectan el proceso enzimático

La concentración de sustrato afecta la tasa primaria y el rendimiento de la hidrólisis enzimática. Las concentraciones altas de sustrato pueden resultar en la inhibición del sustrato, lo que reduce significativamente la tasa de hidrólisis [40]. Se han informado problemas relacionados con la reducción de la eficiencia de transferencia de calor y masa, problemas reológicos y un aumento de la concentración de inhibidores en asociación con una alta carga de sólidos [89]. Liberados durante la hidrólisis, los azúcares, que consisten principalmente en celobiosa y glucosa, inhiben la actividad de la celulasa. La celobiosa a una concentración de 6 g / l puede reducir la actividad de la celulasa en un 60% [84]. La glucosa también disminuye la actividad de la celulasa, pero tiene un efecto menor que la celobiosa. Una concentración de glucosa de 3 g / l puede causar una reducción del 75% de la actividad de la β-glucosidasa [88].

Los materiales lignocelulósicos poseen dos tipos diferentes de superficie, interna y externa. El área de la superficie interna depende de la estructura capilar de las fibras celulósicas, mientras que el área externa depende del tamaño y la forma de las partículas. Generalmente, las fibras celulósicas secas son de tamaño pequeño, alrededor de 15-40 µm, por lo que tienen una superficie específica externa sustancial, a saber, 0,6-1,6 m 2 / g. El área de la superficie interna de las fibras celulósicas secas es más pequeña en comparación con el área de la superficie externa [84] debido al colapso de los poros debido al secado, y esta es una razón importante para no secar los materiales lignocelulósicos después del pretratamiento. La interacción entre las enzimas y la superficie accesible del material lignocelulósico puede ser un factor limitante en el proceso enzimático [90].


¿Qué efectos tienen las concentraciones de un sustrato en las respuestas de laboratorio de enzimas?

Una enzima se describe como un catalizador biológico que acelera la velocidad de una reacción química. Para que una enzima realice su trabajo, necesita lo que se conoce como sustrato para unirse al sitio activo de la enzima para que la enzima pueda acelerar la reacción del sustrato. En este experimento dado, se iba a probar qué impacto tendrá el nivel de concentración del sustrato en la velocidad de reacción.

La enzima catalasa, que se encuentra en el jugo de papa, se usó para el catalizador junto con un sustrato conocido como peróxido de hidrógeno (H2O2). El trabajo de la catalasa en este experimento fue acelerar la descomposición del peróxido de hidrógeno en agua y oxígeno gaseoso. Después de observar y registrar cómo las diferentes concentraciones de un sustrato afectan la actividad de la enzima, los resultados se pusieron en una tabla y un gráfico para mostrar nuestras observaciones.

La tabla y el gráfico dados muestran los diferentes niveles de concentración del sustrato que se utilizó, junto con el tiempo que tardó en producirse la reacción.

Se supone que una enzima acelera la reacción, pero nuestras observaciones muestran que la concentración del sustrato también tuvo un efecto sobre la rapidez con la que podría ocurrir la reacción. Cuando hubo cero concentrados de peróxido de hidrógeno, lo que significa que el solvente era solo agua, no hubo reacción con la catalasa. A medida que aumenta la concentración de peróxido de hidrógeno, la velocidad de la reacción comienza a aumentar.

Esto ocurrió porque la adición de cantidades de peróxido de hidrógeno le dio a la catalasa la oportunidad de descomponer el peróxido de hidrógeno, mientras que cuando no había H2O2 presente, no había nada con lo que la catalasa reaccionara. La catalasa necesita su sustrato específico para unirse para que se produzca una reacción.

La forma del gráfico en sí muestra la disminución del tiempo de reacción necesario, lo que demuestra que nuestro análisis es correcto. Si hubiéramos continuado probando diferentes concentraciones de nuestro sustrato, el tiempo de reacción habría continuado disminuyendo hasta que la enzima alcanzara lo que se conoce como nivel de saturación, lo que significa que todas las enzimas están funcionando y la reacción no puede continuar aumentando porque hay ningún lugar en ese momento para que los sustratos se unan. Para este experimento, no se alcanzó el punto de saturación, pero podría haberlo hecho si el experimento hubiera continuado.

A partir de nuestras observaciones, se pudo concluir que cuanto mayor era la concentración de sustrato, peróxido de hidrógeno, en la reacción, se necesitaba menos tiempo para que ocurriera la reacción.