Cinética de Michaelis-Menten
# Cinética de Michaelis-Menten

La cinética de Michaelis-Menten describe la velocidad de reacción de muchas reacciones enzimáticas. Recibe este nombre en honor a Leonor Michaelis y Maude Menten. Este modelo sólo es válido cuando la concentración del sustrato es mayor que la concentración de la enzima, y para condiciones de estado estacionario, es decir, cuando la concentración del complejo enzima-sustrato es constante.

## Determinación de constantes

Para determinar la velocidad máxima de una reacción enzimática, la concentración de sustrato ([S]) se aumenta hasta alcanzar una velocidad constante de formación de producto. Esa es la velocidad máxima $(V_{max})$ de la enzima. En ese caso los sitios activos de la enzima están saturados con sustrato.

Diagrama de velocidad de reacción y constante de Michaelis-Menten.

## Velocidad de reacción

La velocidad V indica el número de moléculas del sustrato que se convierten en producto por segundo. Con concentraciones crecientes de sustrato[S], la enzima va acercándose asintóticamente a su velocidad máxima $V_{max},$ pero nunca la alcanza. Por esta razón, no hay un valor de [S] determinado para la $V_{max}.$ De todas formas, se puede definir un parámetro característico de la enzima empleando la concentración de sustrato a la cual se alcanza la mitad de la velocidad máxima $(V_{max}/2).$ Podemos resumir el significado de $V_{max}$ con las siguientes afirmaciones:

* Corresponde al límite superior de la velocidad de reacción.
* No es una velocidad máxima, sino un límite con unidades de velocidad
* Equivale al producto kcat*[E]t
* Permite inferir la concentración de enzima inicial
* Se obtiene gráficamente
* Graficando v vs. [S] es difícil encontrar V manualmente, por lo que se necesita usar un método de ajuste no lineal de los puntos experimentales.

## Constante de Michaelis-Menten

Aunque es imposible medir exactamente la concentración de sustrato que da $V_{max},$ las enzimas pueden caracterizarse mediante la concentración de sustrato a la cual la velocidad de reacción es la mitad de la velocidad máxima. Esta concentración de sustrato se conoce como constante de Michaelis-Menten $(K_M).$ Para enzimas que exhiben una cinética de Michaelis-Menten simple esta constante representa la constante de disociación del complejo enzima-sustrato (ES) (o la inversa de la afinidad entre enzima y sustrato). Valores bajos indican que el complejo ES está unido muy fuertemente y raramente se disocia sin que el sustrato reaccione para dar producto. En estos casos se obtendrá una $K_M$ diferente según el sustrato específico sobre el que actúe la enzima (como sucede en el caso de enzimas que actúan sobre sustratos análogos) y según las condiciones de reacción en que se realicen las mediciones.

El significado de km se puede resumir en las siguientes afirmaciones:

* Se expresa en unidades de concentración
* Numéricamente corresponde a la concentración a la que se alcanza el 50% de saturación de la enzima
* Está relacionada con la afinidad, es decir, la fuerza de unión entre la enzima y su sustrato. Valores grandes de km significan poca afinidad, mientras que valores pequeños de km (usualmente menores al rango milimolar) corresponden a una afinidad alta de la enzima por el sustrato.
* Es una constante aparente de disociación del complejo enzima - sustrato (E·S).

Nota: $K_M$ solo se puede usar para determinar la afinidad de una enzima por un sustrato, $k_2$ es limitante de la velocidad, por ejemplo, si $k_2$ << $k_{-1}$ y $K_M$ se convierte en $k_{-1}/k_1.$ Generalmente, $k_2$ >> $k_{-1}$ o bien $k_2$ y $k_{-1}$ son comparables.

## Ecuación

La derivación de Michaelis y Menten está descrita por Briggs y Haldane. Se obtiene de la siguiente manera:

Se supone que la reacción enzimática es irreversible, y que el producto no se liga con la enzima después de la reacción.

$E+S{\begin{matrix}k_{1}\\\longrightarrow \\\longleftarrow \\k_{-1}\end{matrix}}ES{\begin{matrix}k_{2}\\\longrightarrow \\\ \end{matrix}}E+P$

Siguiendo la aproximación del estado estacionario, que señala que la concentración del complejo enzima-sustrato ($ES$) es pequeña y se mantiene casi constante a lo largo de la reacción enzimática:

${\frac {d[ES]}{dt}}=k_{1}[E][S]-k_{-1}[ES]-k_{2}[ES]=0$

$[ES]={\frac {k_{1}[E][S]}{k_{-1}+k_{2}}}$

Se define:

$K_{m}={\frac {k_{-1}+k_{2}}{k_{1}}}$

Entonces:

$[ES]={\frac {[E][S]}{K_{m}}}$ (1)

La velocidad de reacción es:

${\frac {d[P]}{dt}}=k_{2}[ES]$ (2)

La concentración total de la enzima:

$[E_{0}]=[E]+[ES]$

Por lo tanto:

$[E]=[E_{0}]-[ES]$ (3)

Sustituyendo (3) en (1) da:

$[ES]={\frac {([E_{0}]-[ES])[S]}{K_{m}}}$

Reordenando:

$K_{m}[ES]+[S][ES]=[E_{0}][S]$

$[ES]={\frac {[E_{0}][S]}{K_{m}+[S]}}$ (4)

Sustituyendo (4) en (2) :

${\frac {d[P]}{dt}}=k_{2}[E_{0}]{\frac {[S]}{K_{m}+[S]}}=V_{max}{\frac {[S]}{K_{m}+[S]}}$

Esta ecuación se puede analizar experimentalmente con un diagrama de Lineweaver-Burke, un diagrama de Eadie-Hofstee o un diagrama de Hanes-Woolf.

* $E_{0}$ es el total de enzima. No es práctico medir la cantidad de complejo enzima-sustrato durante la reacción, por lo que debe escribirse ésta en términos de cantidad total o inicial de enzima, que es una cantidad conocida.
* $d[P]/dt$ o $V_{0}$ es la velocidad de formación del producto.
* $k_{2}[E_{0}]$ o $V_{max}$ es la velocidad máxima. $k_2$ se denomina con frecuencia $k_{cat}.$

Cabe observar que [S] es grande comparada con $K_m,$ $[S]/(K_m$ + [S]) tiende a 1. La velocidad de formación de producto es igual a $k_2[E_0]$ en ese caso.

Cuando [S] es igual a $K_m,$ $[S]/(K_m$ + [S]) vale 0.5. En ese caso, la velocidad de formación de producto es la mitad de la máxima (1/2 $V_{max}).$ Representando gráficamente $V_0$ frente a [S] se puede fácilmente determinar $V_{max}$ y $K_m.$ Esto requiere una serie de experimentos a $E_0$ constante y diferentes concentraciones de sustrato [S].

## Cómo se construye la gráfica

La gráfica de Michaelis - Menten se construye a partir de las velocidades iniciales de reacción de distintas concentraciones de sustrato obtenidas en un ensayo enzimático. El procedimiento a seguir es el siguiente:

* Obtener la velocidad inicial de reacción (V) para cada concentración de sustrato a partir de los datos de un ensayo enzimático.
* Tabular los valores de V para cada concentración de sustrato [S].
* Elaborar una gráfica de dispersión de V vs. [S].
* Trazar una curva hiperbólica desde el origen y extender la curva hacia valores mayores de [S].
* Analizar por inspección la tendencia de la curva. La curva debe mostrar un comportamiento asintótico hacia un límite superior de la velocidad. Este valor límite es $V_{max}.$ Teóricamente Vmax es la velocidad inicial de reacción cuando [S] tiende a infinito.
* Sobre el eje de las abscisas, encontrar $V_{max}$ y dividir este valor entre 2.
* Encontrar por interpolación el valor de [S] que corresponde a 1/2 de $V_{max}.$ Este valor de concentración es $K_m.$

## Fuentes

* Catalysis chapter from the Biochemistry textbook released under the GFDL
