Ejercicio resuelto de Enzimas · Biología · Islas Baleares · 2022

Las enzimas.

a) Describa brevemente la cinética enzimática propuesta por Michaelis y Menten, con su ecuación.

b) En esta cinética, aplicada al proceso fotosintético de las plantas, y para concentraciones bajas de ${\text{CO}}_2$, la $V_{\max }$ y la $K_M$ se referirían a la velocidad máxima y a la constante de Michaelis ¿de qué enzima?

c) A concentraciones elevadas de ${\text{CO}}_2$, la respuesta de la fotosíntesis (medida como asimilación de ${\text{CO}}_2$ por tiempo) a la concentración creciente de ${\text{CO}}_2$ ya no responde a la cinética de Michaelis-Menten. Basándose en lo que sabe de la cinética enzimática y del proceso fotosintético, está claro que entiende que esto quiere decir que el sustrato limitante ya no es el ${\text{CO}}_2$ y que la reacción limitante ya no es la que cataliza la Rubisco. Pero, ¿puede decir cuáles podrían ser en estas condiciones los factores limitantes o condicionantes de la fotosíntesis?

$\mathbf{\text{1.}}\mathbf{\text{Las}}\mathbf{\text{enzimas}}\mathbf{\text{(2}}\mathbf{\text{puntos)}}$

$\mathbf{\text{a)}}\mathbf{\text{Describa}}\mathbf{\text{brevemente}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{cin}}\acute{\mathbf{\text{e}}}\mathbf{\text{tica}}\mathbf{\text{enzim}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{tica}}\mathbf{\text{propuesta}}\mathbf{\text{por}}\mathbf{\text{Michaelis}}\mathbf{\text{y}}\mathbf{\text{Menten,}}\mathbf{\text{con}}\mathbf{\text{su}}\mathbf{\text{ecuaci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n.}}$

El modelo de Michaelis y Menten explica cómo varía la velocidad de una reacción catalizada por una enzima al aumentar la concentración de sustrato. Parte de suponer que la enzima y el sustrato forman primero un complejo reversible y que este se descompone después liberando el producto y la enzima libre:

$E+S\rightleftharpoons ES\to E+P$

Si se mantiene constante la concentración de enzima y se va aumentando la de sustrato, la velocidad crece al principio de forma casi proporcional, porque queda enzima libre disponible, pero después la curva se va aplanando y acaba tendiendo a una asíntota horizontal. La razón es que llega un momento en que todas las moléculas de enzima están ocupadas, es decir, saturadas de sustrato, y por mucho que se añada más ya no se puede ir más deprisa. Esa velocidad límite es la velocidad máxima.

La ecuación que describe esa hipérbola es

$v={\displaystyle \frac{V_{\max }[S]}{K_M+[S]}}$

donde $v$ es la velocidad inicial de la reacción, $[S]$ la concentración de sustrato, $V_{\max }$ la velocidad máxima y $K_M$ la constante de Michaelis.

La constante de Michaelis tiene un significado muy claro: es la concentración de sustrato a la que la reacción va a la mitad de la velocidad máxima. En efecto, sustituyendo $[S]=K_M$ en la ecuación se obtiene $v=V_{\max }\mathrm{/}2$. Su valor mide la afinidad de la enzima por el sustrato: cuanto menor es $K_M$, menos sustrato hace falta para alcanzar la media velocidad y mayor es la afinidad.





De la rubisco, es decir, de la ribulosa-1,5-bisfosfato carboxilasa-oxigenasa.

Es la enzima que cataliza la fijación del ${\text{CO}}_2$ en el ciclo de Calvin, en el estroma del cloroplasto: une el dióxido de carbono a la ribulosa-1,5-bisfosfato y forma un compuesto de seis carbonos que se escinde de inmediato en dos moléculas de ácido 3-fosfoglicérico. Cuando la concentración de ${\text{CO}}_2$ es baja, el ${\text{CO}}_2$ es el sustrato limitante y la reacción que marca el ritmo de toda la fotosíntesis es precisamente la que cataliza la rubisco, de modo que la asimilación de ${\text{CO}}_2$ medida experimentalmente sigue la cinética de esta enzima.

$\mathbf{\text{c)}}\mathbf{\text{A}}\mathbf{\text{concentraciones}}\mathbf{\text{elevadas}}\mathbf{\text{de}}\mathrm{<msub><mtext>CO</mtext><mn\; mathvariant="bold">2</mn></msub>}\mathbf{\text{,}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{respuesta}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{fotos}}\acute{\mathbf{\text{ı}}}\mathbf{\text{ntesis}}\mathbf{\text{(medida}}\mathbf{\text{como}}\mathbf{\text{asimilaci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{de}}\mathrm{<msub><mtext>CO</mtext><mn\; mathvariant="bold">2</mn></msub>}\mathbf{\text{por}}\mathbf{\text{tiempo)}}\mathbf{\text{a}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{concentraci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{creciente}}\mathbf{\text{de}}\mathrm{<msub><mtext>CO</mtext><mn\; mathvariant="bold">2</mn></msub>}\mathbf{\text{ya}}\mathbf{\text{no}}\mathbf{\text{responde}}\mathbf{\text{a}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{cin}}\acute{\mathbf{\text{e}}}\mathbf{\text{tica}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{Michaelis-Menten.}}\mathbf{\text{¿Puede}}\mathbf{\text{decir}}\mathbf{\text{cu}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{les}}\mathbf{\text{podr}}\acute{\mathbf{\text{ı}}}\mathbf{\text{an}}\mathbf{\text{ser}}\mathbf{\text{en}}\mathbf{\text{estas}}\mathbf{\text{condiciones}}\mathbf{\text{los}}\mathbf{\text{factores}}\mathbf{\text{limitantes}}\mathbf{\text{o}}\mathbf{\text{condicionantes}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{fotos}}\acute{\mathbf{\text{ı}}}\mathbf{\text{ntesis?}}$

Cuando el ${\text{CO}}_2$ deja de ser limitante, el cuello de botella se traslada a la fase luminosa y al resto de las condiciones del proceso, porque el ciclo de Calvin solo puede ir tan deprisa como se le suministren ATP y NADPH.

La intensidad luminosa es el primer factor. Es la que determina la velocidad de la fase luminosa y, con ella, la producción de ATP y de NADPH que el ciclo de Calvin consume. Si la luz es escasa, aunque sobre ${\text{CO}}_2$ el ciclo no puede acelerarse. También importa la calidad de la luz, es decir, su longitud de onda: el rendimiento es máximo en el rojo y en el azul, que es donde absorben las clorofilas.

La temperatura es el segundo. Como en toda reacción enzimática, la actividad aumenta con ella hasta un óptimo y cae bruscamente por encima, porque las enzimas se desnaturalizan. Además, una temperatura alta favorece la actividad oxigenasa de la rubisco frente a la carboxilasa y dispara la fotorrespiración, que reduce el rendimiento neto.

La disponibilidad de agua es el tercero, y actúa por dos vías: el agua es el dador de electrones de la fase luminosa, y su escasez provoca el cierre de los estomas, lo que a su vez impide la entrada de ${\text{CO}}_2$ por mucho que abunde en el aire.

Hay que citar además la concentración de ${\text{O}}_2$, que compite con el ${\text{CO}}_2$ por el centro activo de la rubisco; la disponibilidad de sales minerales, en especial de nitrógeno para fabricar enzimas y clorofila, de magnesio, que es el átomo central de la clorofila, y de fósforo para el ATP; y la propia cantidad de enzima y de pigmentos fotosintéticos, es decir, la capacidad instalada del cloroplasto, que en una cinética enzimática equivale a decir que lo que limita es $[E]$ y no $[S]$.