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Biopolímero
s (4831)
4.7. Dependencia del pH de la catálisis enzimática.
4.7.1 Ionización de ácidos y bases: ecuaciones básicas.
Sea AH un compuesto con una constante de acidez Ka y sea L una propiedad
químico-física cualquiera (absorbancia, conductividad electrolítica, etc.) que
dependa de la concentración de sus formas ácida o básica, la forma en que L
depende del pH del medio viene dada por la ecuación
donde LAH y LA- son las constantes de proporcionalidad molares de la magnitud
L con la concentración de las especies ácida y básica respectivamente y Lap es
el coeficiente de proporcionalidad aparente, es decir, el valor de L dividido por
la concentración molar total del compuesto.
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En el caso de sistemas dipróticos, la ecuación anterior se transforma en:
La figura anterior representa el caso de una reacción química que depende de
la correcta ionización de dos grupos funcionales, uno es activo en su forma
básica (K1) y el otro es activo en su forma ácida (K2). Si en este caso se
hubiera utilizado la representación semilogarítmica, se hubiera obtenido una
curva con la típica forma de "campana" (bellshape), tan común a muchos
procesos catalíticos.
Un punto interesante a tener en cuenta en las ecuaciones anteriores es que,
los puntos de inflexión de estas funciones están determinados por el
denominador de la función, mientras que el numerador determina la
amplitud de la variación de la función. Una reordenación de estas ecuaciones
permite la determinación de pKas aparentes, es decir:
en donde la representación del inverso de la función frente al pH proporciona
un pKa aparente: Kap = Ka LA- / LAH
Este es el caso de la mayoría de los enzimas, en donde la actividad es máxima
en un rango de pH más o menos estrecho, dependiendo de los grupos
esenciales para el proceso catalítico, .
4.7.2 Efecto de la ionización de los grupos en la actividad enzimática
Aunque los enzimas tienen una multitud de grupos que pueden ionizarse en
función de la concentración de protones del medio, lo usual es que la actividad
enzimática dependa de la ionización de uno o dos grupos que son los
realmente importantes, bien porque estén directamente implicados en el
mecanismo catalítico, bien porque modifiquen la estructura terciaria global de
la proteína, esencial para su correcto funcionamiento.
Un análisis sencillo del efecto del pH sobre los parámetros catalíticos
enzimáticos requiere la asunción de una serie de simplificaciones:
•
•
•
•
Los grupos ionizables se valoran realmente como á cidos y bases
Sólo una de las formas ionizadas es la catalíticamente activa
Los intermedios están en equilibrio protónico (la transferencia de
protones es más rápida que los otros pasos químicos)
El paso determinante de la reacción no cambia con el pH
4.7.2.1 Mecanismo de Michaelis-Menten
En el ejemplo se supone
que la forma
catalíticamente activa
sólo depende de la
ionización de un grupo y
de que este esté en su
forma desprotonada.
Teniendo en cuenta el
ciclo termodinámico del
esquema de la izquierda
puede establecerse la
relación entre las
constantes de equilibrio
termodinámico de cada
uno de los pasos: KE K'S =
KES KS
Relación de la que pueden extraerse dos importantes conclusiones:
o
o
Si las constantes de ionización del enzima libre y del complejo son iguales,
entonces la unión no depende del pH.
Si el pKa enzimático cambia con la unión del sustrato, entonces la unión de S
es dependiente del pH (KS = K'S KE /KES)
La determinación de la ecuación de velocidad del anterior mecanismo da:
que comparada con la ecuación empírica de Michaelis indica:
Es decir la variación de kcat y KM con el pH (denominador) proporciona el valor
del pK del complejo de Michaelis, mientras que la variación de kcat/KM
proporciona el valor de la constante de ionización del enzima libre. Lo cual no
es mas que la confirmación de una la regla más amplia que dice: "La variación
con el pH de la constante de equilibrio o de la constante cinética del proceso X
→ Y sigue la ionización de X"
Por tanto en el caso de enzimas libres y de complejos enzimáticos la regla
general para la variación de los parámetros experimentales de la ecuación de
Michaelis con el pH es:
1.- Dependencia de kcat con el pH.
Proceso: ES → E + P
Sigue la ionización del complejo ES
2.- Dependencia de KM con el pH.
Proceso: ES → E + S
Sigue la ionización del complejo ES
3.- Dependencia de 1/KM con el pH.
Proceso: E + S → ES
Sigue la ionización del enzima libre y del substrato libre
4.- Dependencia de kcat/KM con el pH.
Proceso: E + S → E + P
Sigue la ionización del enzima libre y del substrato libre
Biopolímeros. J. Donoso.Página actualizada en Abril 2006