AO DE LA DIVERSIFICACION PRODUCTIVA Y FORTALECIMIENTO DE LA
EDUCACION UNIVERSIDAD NACIONAL
DEL CENTRO DEL PER
FACULTAD DE INGENIERA QUMICAESCUELA ACADMICA PROFESIONAL DE
INGENIERA QUMICA INDUSTRIAL CINETICA ENZIMATICA Y MICROBIANA
CATEDRTICO:Ms. HUGO SUASNABAR BUENDIACTEDRA:INENIERIA DE LAS
REACCIONES QUIMICASINTEGRANTE: ESPINOZA HUAMAN, SAUL
VII SEMESTRE
Huancayo Per 2015Ing. De las Rx Qumicas
i
INTRODUCCINPara poder analizar y saber de qu se hablara a lo
largo de este documento se darn a conocer algunos de los conceptos
bsicos que se manejaran y sus significados.La Cintica es la parte
de la Mecnica encargada de definir y calcular los atributos
cinticos de un sistema material arbitrario X en un movimiento
dado.Recalcar el hecho de que no existe ninguna restriccin sobre el
tipo de movimiento, y eso incluye al referente del mismo, hasta el
punto de que ser habitual usar un movimiento genrico que satisfaga
las ligaduras geomtricas. El movimiento real que tenga el sistema
vendr determinado a posteriori por las ecuaciones generales de la
Dinmica.Con el movimiento, adems de las magnitudes de la geometra
de masas, hacemos intervenir el tiempo, por lo que ya tenemos las
tres magnitudes fundamentales de la Dinmica: masa, longitud y
tiempo.Los atributos cinticos de inters van a ser: Cantidad de
movimiento, Momento cintico y Energa cintica.La cintica qumica es
la parte de la qumica que trata de la velocidad con que suceden las
reacciones, de los factores que influyen en ella y del mecanismo a
travs del cual los reactivos se transforman en productos. Velocidad
de reaccin: representa la rapidez con que tiene lugar la
transformacin qumica de unas sustancias, los reactivos, en otras
distintas, los productos. Velocidad media de una reaccin se mide a
partir de la disminucin de la concentracin de un reactivo o el
aumento de la concentracin de un producto en un intervalo de
tiempo. La cintica de crecimiento microbiano constituye una de las
operaciones ms utilizadas por la ingeniera alimentaria y la
biotecnologa, por lo tanto, es necesario conocer los diferentes
mecanismos, sus formas de aplicacin, ventajas y desventajas de los
diferentes mtodos, y sobre todo el monto econmico de cada uno de
ellos. Por tanto, el siguiente documento trata de proporcionar una
informacin general acerca de losDiferentes mecanismos de
reproduccin bacteriana, as como de dar una idea acerca de la
utilizacin de los mismos, sus caractersticas, especificaciones, y
un anlisis de las ventajas y desventajas de cada uno de ellos.Las
enzimas son protenas (RNA) que catalizan reacciones qumicas en las
clulas. Cada enzima es altamente especfica para la reaccin que
cataliza.
2. CATALISIS ENZIMATICA Existen molculas biolgicas capaces de
aumentar bastante la velocidad de reacciones qumicas, i.e., son los
llamados catalizadores. Estas molculas son genricamente denominadas
enzimas y son (en casi su totalidad) protenas. Las enzimas no
proteicas conocidas son constituidas por RNA. Las enzimas son
altamente especficas: cada enzima apenas reacciona con un conjunto
muy restringido de molculas (sus sustratos). Las enzimas no alteran
el equilibrio qumico de las reacciones catalizadas, apenas
disminuyen su energa de activacin.
El mecanismo ms simple para explicar la accin enzimtica es el
modelo de Michaelis-Menten:
E +S ES -> E + P
En este modelo la enzima (E) se liga al sustrato (S) para formar
un complejo enzima-sustrato (ES). Este puede separarse nuevamente
en enzima y sustrato libre o transformar el sustrato en producto
(P). Como en cualquier reaccin elemental (i.e. una reaccin que
ocurre por simple colisin entre reactivos), la velocidad de cada
paso ser proporcional a la concentracin de los reactivos de ese
paso. En cada caso, la constante de proporcionalidad ser una funcin
de la energa de activacin de ese paso.
En la mayor parte de las enzimas se verifica que el equilibrio E
+S ES se alcanza muy rpidamente (en pocas decenas de milisegundos).
Una vez alcanzado el equilibrio, la concentracin de ES se mantiene
constante, una vez que siempre que un complejo ES se disocia en
producto y enzima libre, esta se liga muy rpidamente a una nueva
molcula de sustrato regenerando el complejo ES. En estas
condiciones es obvio que la velocidad de degradacin ES es igual a
la velocidad de su formacin o sea:En principio, no nos es dado
saber en cada momento cual ser la concentracin de enzima que se
encuentra libre o bajo la forma de complejo enzima sustrato. Sin
embargo, sabemos que la suma de las dos concentraciones debe
igualar la concentracin de enzima total (Et). Sustituyndola en
(1)
Si el paso limitante de la reaccin fuese la transformacin del
complejo ES en enzima libre y producto, la velocidad de reaccin
enzimtica ser:
La expresin puede ser simplificada si juntamos todas las
constantes presentes e el denominador en una nueva constante:, que
es conocida como constante de Michaelis. Cuandoque es tambin la
constante de disociacin del complejo ES. Km es por tanto una medida
de la estabilidad del complejo enzima-sustrato. Substituyendo en la
expresin (2), esta toma as la forma:
Cuando
, que es por tanto la velocidad mxima de reaccin enzimtica.
Sustituyendo nuevamente se obtiene la forma familiar de la ecuacin
de Michaelis-Menten:
La representacin grfica de la velocidad de reaccin en funcin de
la concentracin de sustrato es por tanto una hiprbola, que se
representa debajo. La asntota horizontal corresponde a vmax. El
valor de Km tambin puede ser obtenido a travs del grfico, una vez
que cuando la [S]=KM , la ecuacin de Michaelis-Menten prev que la
velocidad sea
La constante de Michaelis Menten es por tanto la concentracin de
sustrato para la cual la velocidad de la reaccin es la mitad de la
velocidad mxima.
2.1. EL EFECTO DE INHIBIDORES COMPETITIVOS EN LA ACTIVIDAD
ENZIMTICAUn inhibidor competitivo de una enzima es una molcula
capaz de enlazarse a la enzima e impedir el enlace de la misma al
sustratoPara que esto suceda es necesario que el inhibidor se
enlace al lugar de la enzima normalmente ocupado por el sustrato
(este lugar se denomina centro activo), lo que obviamente solo es
posible cuando el inhibidor tiene una estructura qumica bastante
semejante a la del sustrato.Aplicando un tratamiento matemtico
anlogo al utilizado anteriormente, se prueba que en la presencia de
un inhibidor competitivo, la velocidad de la reaccin enzimtica es
dada por:
La comparacin de esta ecuacin con la ecuacin de Michaelis-Menten
muestra que: en la presencia de un inhibidor competitivo, la
velocidad de reaccin es inferior a la de la reaccin no inhibida (de
ah el nombre de inhibidor).La concentracin de sustrato para la cual
la velocidad es mitad de la velocidad mximaEs:
Este valor (llammosleKMaparente) es siempre superior al valor de
KMen la ausencia del inhibidor.Cuando, la velocidad de reaccin se
aproxima asintoticamente del vmax, tal como en la reaccin no
inhibida.
2.2 EL EFECTO DE INHIBIDORES NO COMPETITIVOS EN LA ACTIVIDAD
ENZIMTICA
Un inhibidor no competitivo de una reaccin enzimtica a una
sustancia que se enlaza a la enzima en un lugar diferente del
centro activo y que, mas all de que no impide el enlace del
sustrato al centro activo, impide su transformacin en producto: la
reaccin solo puede ocurrir luego que el sustrato se desenlace de la
enzima.Aplicando un tratamiento matemtico anlogo al utilizado
anteriormente, se prueba que en la presencia de un inhibidor no
competitivo, la velocidad de reaccin enzimtica esta dada por:
La comparacin de esta ecuacin con la ecuacin de Michaelis-Menten
muestra que: en la presencia de un inhibidor no competitivo, la
velocidad de reaccin es inferior a la de la reaccin no inhibida (de
ah el nombre de inhibidor)La concentracin de sustrato para la cual
la velocidad es mitad de la velocidad mxima es igual a la observada
en ausencia de inhibidor.Cuando, la velocidad de la reaccin se
aproxima asintticamente de, que es siempre inferior al de la
reaccin no inhibida.3. CLASIFICACION DE LAS ENZIMAS En funcin de su
accin cataltica especfica, las enzimas se clasifican en 6 grandes
grupos o clases:
Clase 1: OXIDORREDUCTASASClase 2: TRANSFERASASClase 3:
HIDROLASASClase 4: LIASASClase 5: ISOMERASASClase 6: LIGASAS3.1.-
OXIDORREDUCTASAS.- Catalizan reacciones de oxidorreduccin, es
decir, transferencia de hidrgeno (H) o electrones (e-) de un
sustrato a otro, segn la reaccin general:AH2+ BA + BH2
Ared+BoxAox+ Bred
Ejemplos son la succinato deshidrogenasa o la citocromo c
oxidasa.3.2.-TRANSFERASASCatalizan la transferencia de un grupo
qumico (distinto del hidrgeno) de un sustrato a otro, segn la
reaccin:A-B + CA + C-B
Un ejemplo es la glucoquinasa, que cataliza la reaccin
representada en la Figura de la derecha:glucosa + ATP ADP +
glucosa-6-fosfato
3.3.- HIDROLASASCatalizan las reacciones de hidrlisis:A-B +
H2OAH + B-OH
Un ejemplo es la lactasa, que cataliza la reaccin:
lactosa + aguaglucosa + galactosa
3.4.- LIASASCatalizan reacciones de ruptura o soldadura de
sustratos:
A-BA + B
Un ejemplo es la acetacetato descarboxilasa, que cataliza la
reaccin:
cido acetacticoCO2+ acetona
3.5.- ISOMERASASCatalizan la interconversin de ismeros:
AB
Son ejemplos la fosfotriosa isomerasa y la fosfoglucosa
isomerasa, que catalizan las reacciones representadas en la tabla
inferior:
fosfotriosa isomerasafosfoglucosa isomerasa
gliceraldehdo-3-fosfatodihidroxiacetona-fosfato
glucosa-6-fosfatofructosa-6-fosfato
3.6.- LIGASASCatalizan la unin de dos sustratos con hidrlisis
simultnea de un nucletido trifosfato (ATP, GTP, etc.):
A + B + XTPA-B + XDP + Pi
Un ejemplo es la piruvato carboxilasa, que cataliza la
reaccin:
piruvato + CO2+ ATPoxaloacetato + ADP + Pi
4. CINETICA DE REACCIONES ENZIMATICAS
4.1.-EACCIONES CON UN SUSTRATOLas enzimas que presentan un
mecanismo de nico sustrato incluyen isomerasas, tales como la
triosafosfato isomerasa o la bisfosfoglicerato mutasa, y liasas
intramoleculares, tales como la adenilato ciclasa o la ribozima
ARN-liasa.6 Sin embargo, existen ciertas reacciones enzimticas de
nico sustrato que no pertenecen a esta categora de mecanismos, como
es el caso de la reaccin catalizada por la catalasa. La catalasa
reacciona inicialmente con una molcula de perxido de hidrgeno (agua
oxigenada) y queda en un estado oxidado tras liberar el producto
(agua), y, posteriormente, es reducida por una segunda molcula de
sustrato. Aunque durante la reaccin solo participa un sustrato, la
existencia de un intermediario enzimtico modificado permite incluir
al mecanismo de la catalasa en la categora de mecanismos de
ping-pong, un tipo de mecanismo discutido ms adelante.4.2.-CINTICA
DE MICHAELIS-MENTENComo las reacciones catalizadas por enzimas son
saturables, la velocidad de catlisis no muestra un comportamiento
lineal en una grfica al aumentar la concentracin de sustrato. Si la
velocidad inicial de la reaccin se mide a una determinada
concentracin de sustrato (representado como [S]), la velocidad de
la reaccin (representado como V) aumenta linealmente con el aumento
de la [S], como se puede ver en la figura. Sin embargo, cuando
aumentamos la [S], la enzima se satura de sustrato y alcanza su
velocidad mxima (Vmax), que no sobrepasar en ningn caso,
independientemente de la [S].El modelo de cintica michaeliana para
una reaccin de nico sustrato se puede ver en la figura de la
izquierda. Primeramente, tiene lugar una reaccin qumica bimolecular
entre la enzima E y el sustrato S, formndose el complejo
enzima-sustrato ES. Aunque el mecanismo enzimtico para una reaccin
unimolecular ES \rightarrow E + P puede ser bastante complejo,
existe una etapa enzimtica limitante que permite que el mecanismo
sea simplificado como una etapa cintica nica cuya constante es k2.A
bajas concentraciones de sustrato, la enzima permanece en un
equilibrio constante entre la forma libre E y el complejo
enzima-sustrato ES. Aumentando la [S] tambin aumentamos la [ES] a
expensas de la [E], desplazando el equilibrio de la reaccin hacia
la derecha. Puesto que la velocidad de reaccin depende de la [ES],
la velocidad es sensible a pequeos cambios en la [S]. Sin embargo,
a altas [S], la enzima se satura y solo queda la forma unida al
sustrato ES. Bajo estas condiciones, la velocidad de la reaccin (v
k2[E]tot = Vmax) deja de ser sensible a pequeos cambios en la [S].
En este caso, la concentracin total de enzima ([E]tot) es
aproximadamente igual a la concentracin del complejo ES:.(3)
Representacin grfica de la curva de saturacin de una enzima
donde se puede observar como evoluciona la relacin entre la
concentracin de sustrato y la velocidad de la reaccin.Laecuacin de
Michaelis-Mentendescribe cmo la velocidad de la reaccin depende del
equilibrio entre la [S] y la constantek2.Leonor MichaelisyMaud
Mentendemostraron que sik2es mucho menor quek1(aproximacin del
equilibrio) se puede deducir la siguiente ecuacin:
(Ecuacin 4)Esta famosa ecuacin es la base de la mayora de las
cinticas enzimticas de sustrato nico.La constante de MichaelisKmse
define como la concentracin a la que la velocidad de la reaccin
enzimtica es la mitad de la Vmax. Esto puede verificarse
sustituyendo la concentracin de sustrato por dicha constante ([S]
=Km). Si la etapa limitante de la velocidad de la reaccin es lenta
comparada con la disociacin de sustrato (k2
