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?

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

$\textbf{a) Describa brevemente la cinética enzimática propuesta por Michaelis y Menten, con su ecuación.}$

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:

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

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

$v = \dfrac{V_{\max}\,[S]}{K_M + [S]}$

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 $v = V_{\max}/2$. 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.



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

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.

$\textbf{c) A concentraciones elevadas de } \boldsymbol{\text{CO}_2}\textbf{, la respuesta de la fotosíntesis (medida como asimilación de } \boldsymbol{\text{CO}_2}\textbf{ por tiempo) a la concentración creciente de } \boldsymbol{\text{CO}_2}\textbf{ ya no responde a la cinética de Michaelis-Menten. ¿Puede decir cuáles podrían ser en estas condiciones los factores limitantes o condicionantes de la fotosíntesis?}$

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 $[S]$.