Ejercicio resuelto de Enzimas · Biología · Cantabria · 2021

Al representar la cinética de una reacción enzimática en presencia de determinado sustrato en diferentes condiciones de pH, manteniendo el resto de las condiciones de ensayo en todas ellas, se obtiene el resultado que aparece representado en la figura. Explique este resultado y razone el comportamiento de la enzima en el ensayo teniendo en cuenta criterios estructurales. ¿Cuál considera que sería el pH óptimo de funcionamiento de la enzima para esta reacción? [1,25 puntos]

$\textbf{Al representar la cinética de una reacción enzimática en presencia de determinado sustrato en diferentes condiciones de pH, manteniendo el resto de las condiciones de ensayo en todas ellas, se obtiene el resultado que aparece representado en la figura. Explique este resultado y razone el comportamiento de la enzima en el ensayo teniendo en cuenta criterios estructurales. ¿Cuál considera que sería el pH óptimo de funcionamiento de la enzima para esta reacción? [1,25 puntos]}$

EXPLICACIÓN DEL RESULTADO. Las tres curvas son ensayos de la MISMA enzima con el MISMO sustrato, y lo único que cambia entre ellas es el pH del medio. Sin embargo, el resultado es muy distinto:

A pH 7,3 la curva sube deprisa y alcanza la velocidad máxima más alta de las tres. Es una hipérbola de saturación de libro: la velocidad crece al aumentar la concentración de sustrato hasta que todos los centros activos están ocupados, y entonces se estabiliza en la meseta.

A pH 5,8 la curva tiene la misma forma, pero su meseta está mucho MÁS BAJA. La enzima sigue funcionando, y sigue saturándose, pero su velocidad máxima es bastante menor que a pH 7,3.

A pH 8,5 la curva es una LÍNEA HORIZONTAL sobre el eje: la velocidad es nula. Por mucho sustrato que se añada, no hay reacción; la enzima está completamente inactiva.

RAZONAMIENTO ESTRUCTURAL. Lo que explica estas diferencias es el efecto del pH sobre el ESTADO DE IONIZACIÓN de los grupos ionizables de la proteína, y de ahí sobre su estructura y su centro activo. Los radicales de los aminoácidos ácidos —aspártico y glutámico— y básicos —lisina, arginina e histidina— ganan o pierden protones según el pH del medio, y su carga eléctrica cambia con ello.

Eso tiene dos consecuencias. La primera afecta al CENTRO ACTIVO: los aminoácidos catalíticos y los de fijación deben tener una carga determinada para reconocer al sustrato y para intervenir en la catálisis. Si el pH los protona o los desprotona, la complementariedad de cargas con el sustrato se pierde, la afinidad disminuye y la reacción se ralentiza. La segunda afecta al PLEGAMIENTO GLOBAL: las interacciones electrostáticas entre radicales con carga opuesta son uno de los enlaces que sostienen la estructura terciaria, y al alterarse, la conformación se deforma; si el pH es lo bastante extremo, la proteína se DESNATURALIZA y la pérdida de actividad es total e irreversible. También el propio sustrato puede cambiar de estado de ionización y dejar de encajar.

Aplicado a los tres ensayos: a pH 7,3 la enzima conserva su conformación y su centro activo tiene la ionización adecuada, así que trabaja a pleno rendimiento. A pH 5,8, ligeramente ácido, parte de los grupos ionizables ha cambiado de carga y una fracción de las moléculas de enzima ya no es funcional o lo es peor; la actividad no desaparece, pero la velocidad máxima baja. A pH 8,5 el medio es lo bastante alcalino como para desnaturalizar la enzima: la estructura terciaria se ha perdido, el centro activo ya no existe como tal y la actividad es nula.

Conviene señalar que lo que cambia entre las curvas de pH 7,3 y 5,8 es la VELOCIDAD MÁXIMA y no la $K_m$ aparente, y que esa caída no se corrige añadiendo más sustrato: la meseta es el techo. Añadir sustrato solo sirve para saturar las enzimas que siguen activas.

EL pH ÓPTIMO. Es aquel en el que la enzima alcanza su mayor velocidad, y de los tres ensayados es claramente el pH 7,3, próximo a la neutralidad y coherente con el pH del citosol y del plasma sanguíneo. Cabe precisar que el óptimo verdadero podría estar en algún valor intermedio no ensayado, entre 6 y 8, ya que con solo tres puntos no puede trazarse la campana completa; lo que sí se puede afirmar es que está mucho más cerca de 7,3 que de los otros dos.

No todas las enzimas tienen un óptimo neutro: la pepsina del estómago lo tiene en torno a 2 y la tripsina intestinal en torno a 8, porque cada una ha evolucionado para trabajar en el medio en el que se encuentra. Que esta enzima tenga su óptimo cerca de 7 sugiere que actúa en el citoplasma o en la sangre.