Decir que la vida sería imposible sin enzimas es superfluo para los lectores de SEBBM, que saben cuánto aceleran las enzimas las reacciones químicas del organismo, hasta 1017 veces [1]. Los estudios de la velocidad de acción (catálisis) de las enzimas son objeto de la cinética, esa parte de la asignatura de Bioquímica que muchos estudiantes dicen sufrir y olvidar pronto; y a la que los textos hacen escasa referencia, fuera del capítulo que le dedican.
Sin embargo, la cinética está implícita y cotidianamente presente en muchas actividades profesionales (medicina, biotecnología, biofarma, etc.), habiendo sido la gran introductora de las enzimas como protagonistas biológicos, con los pioneros estudios publicados en la primera década del siglo XX por el británico Adrian J. Brown (químico, profesor de fermentaciones cerveceras) y por el francés Victor Henri (doctor en química-física y en…¡psicología!) [2], conducentes a la ecuación principal de la cinética enzimática, que consolidarían y difundirían en 1913, Leonor Michaelis y (Miss) (sic) Maud L(eonora) Menten, padre y madre definitivos de la ecuación que lleva sus nombres.
Para paliar el olvido de la cinética, proponemos un “enzimokit” de primera ayuda, que incluye la hipérbola que pasa por el cero, en coordenadas lineales que relacionan velocidad de reacción enzimática (v, en el eje Y) frente a concentración de sustrato (S; eje X), y que corresponde a la ecuación de Michaelis y Menten, v=Vmax×S/(Km+S), con sus magnitudes asociadas: Vmax (v a concentración infinita, o sea saturante, de S), y Km (valor de S a la que v=Vmax/2). El enzimokit también nos recuerda la existencia de inhibidores de diversos tipos, y de otros factores que influyen sobre la velocidad de las enzimas, como el pH o la temperatura.
Pero el enzimokit estaría incompleto si no incluyera también la cinética sigmoide, así llamada porque la forma de la curva que la representa se desvía de la hipérbola para recordar una letra S mayúscula. El paradigma de cinética sigmoide es la representación del grado de oxigenación de la hemoglobina frente a la concentración de oxígeno, que caracterizó matemáticamente en 1910 el británico Archibald V Hill [3]. Algunas enzimas presentan cinética sigmoide, descrita por la ecuación de Hill, v=Vmax×SN/(S0.5N+SN), en la que S0.5 es la concentración de sustrato a la que v=Vmax/2 (Km en cinética “michaeliana”); y N es un número que, para un valor de 1 describe cinética hiperbólica y, para valores superiores cinéticas sigmoides.
Veamos dos ejemplos de lo que puede suponer en patología la diferencia entre que la cinética de una enzima sea michaeliana o sigmoide. El primero se refiere a una forma mutante de hipoxantina-guanina-fosforribosil-transferasa (HPRT) que causa síndrome de Lesch-Nyhan (síndrome neurológico con tendencia a la autoagresión mutiladora, asociado a gran producción de ácido úrico) [4]. La HPRT forma parte de la vía de recuperación de purinas, transfiriendo el fosforribosilo del pirofosfato de fosforribosilo (PRPP) a guanina e hipoxantina, dando respectivamente GMP o IMP. Aunque la cinética para el PRPP de la HPRT normal es michaeliana, en un paciente era sigmoide (Figura1) [4]. Ese hallazgo fue importante, ya que indicó (¡en 1971!) la heterogeneidad genética de esa enfermedad. Desgraciadamente no ha permitido desarrollar tratamientos para la misma.
Cinéticas para PRPP y CP de HRPT (arriba) y OTC (abajo) normales y mutantes halladas en pacientes con deficiencias parciales de esas enzimas. Las curvas para las formas normales son o se aproximan a hipérbolas michaelianas, mientras que las formas mutantes son sigmoides con valores de N≈2 e igual Vmax que las formas normales. Se indican en azul los valores de Km y S0.5 respectivos. Los datos para HRPT están tomados de [4] y los de OTC del laboratorio de uno de los autores (VR).
El segundo ejemplo es una variante de la ornitina transcarbamilasa (OTC), enzima que cataliza la síntesis de citrulina a partir de ornitina y de carbamil fosfato (CP) en el ciclo de la urea [5], ciclo que convierte en urea (poco tóxica) el amonio (neurotóxico) derivado del catabolismo proteico. Una mutación puntual en la OTC de un paciente convierte la cinética de esa enzima para CP de michaeliana en sigmoide (Figura 1) (datos no publicados de VR), lo que hace a la OTC inactiva a las concentraciones normales de CP en la mitocondria hepática [6], donde se localiza la OTC. El déficit funcional de OTC debido a esta mutación, y su posible secuela de hiperamoniemia, deben poder prevenirse o aliviarse con carbamilglutamato, un fármaco oral, activador artificial de la carbamil fosfato sintetasa 1 (CPS1), enzima que convierte el amonio en CP. Eso debe permitir aumentar la concentración intramitocondrial de CP a las concentraciones normales de amonio.
Estos ejemplos ilustran la importancia de la cinética enzimática aún en los tiempos de AlphaFold y de Next generation sequencing.
CG agradece a Juana M. Gancedo los comentarios a lo largo de la redacción de este artículo.
Referencias
- Radzicka A, Wolfenden R (1995) A proficient enzyme. Science 267 (1995) 90-93.
- Cornish-Bowden A. The origins of enzyme kinetics. FEBS Lett 587 (2013) 2725-30.
- Hill AV. The possible effects of the aggregation of the molecules of haemoglobin on its dissociation curves. J Physiol (Lond.) 40 (1910) 4-7.
- McDonald JA, Kelley WN. Lesch-Nyhan Syndrome: Altered kinetic properties of mutant enzyme. Science 171 (1971) 689-690.
- Häberle J et al. y Rubio V, Dionisi-Vici C. Suggested guidelines for the diagnosis and management of urea cycle disorders. Orphanet J Rare Dis 7 (2012) 32.
- Alonso E & Rubio V. Orotic aciduria due to arginine deprivation. Changes in the levels of carbamoyl phosphate and of other urea cycle intermediates in mouse liver. J Nutr 119 (1989) 1188-1195.
