Los modelos de catálisis enzimática, el modelo Michaelis-Menten de cinética enzimática y los cambios de paradigmas en la ciencia.

Tarea 2, clases 5 y 6: Busca un ejemplo de modelo utilizado en ciencia y comenta cómo explica el fenómeno o fenómenos que modeliza.

Los enzimas son moléculas, mayoritariamente proteínas, que catalizan reacciones que, de otro modo, no se darían en las condiciones habituales de los sistemas biológicos. Son, por tanto, responsables de que la vida se extienda por todo el planeta (y quizás fuera también) en vez de estar limitada a unas condiciones muy concretas y restrictivas.

Los catalizadores, en este caso los biológicos, participan en la reacción, pero no alteran los estados iniciales y finales. Es decir, si tenemos una reacción A + B + enzima → C + D + enzima, tras la reacción, los sustratos se han transformado en los productos, pero el enzima se mantiene como al inicio. Esta reacción se podría dar sin enzima con los mismos resultados en otras condiciones, por ejemplo, aportando calor, es decir, energía. El enzima disminuye esa energía de activación, que es la cantidad de energía necesaria para que la reacción se pueda producir, permitiendo así que suceda en las condiciones propias de los seres vivos. Los enzimas son mucho más eficaces que los catalizadores inorgánicos, ya que pueden llegar a aumentar la velocidad de la reacción varios miles de veces más. Las características de las reacciones químicas están determinadas por las leyes de la termodinámica.

En ambos casos, los sustratos se unen al enzima formando un complejo, lo que provoca su transformación en productos:

Sustrato₁ + Sustrato₂ + Enzima → Sustrato₁Sustrato₂Enzima → Producto₁ + Producto₂ +Enzima

Las leyes cinéticas de la catálisis química estudian cómo los catalizadores aumentan la velocidad de las reacciones, y en 1903 Victor Henri mostró en su Tesis Doctoral que no servían para las catálisis enzimáticas. Esto suponía un cambio de paradigma y, como es habitual, no fue aceptado fácilmente por la comunidad científica.

En 1913, el bioquímico alemán Leonor Michaelis y la bioquímica canadiense Maud Leonora Menten presentaron un trabajo de enzimología sobre el comportamiento cinético de una reacción catalizada por un enzima y actuando sobre un solo sustrato. El modelo experimental que usaron era el mismo que el de Henri:

sacarosa (azúcar de mesa) + sacarasa → glucosa + fructosa + sacarasa S       +    E   → P1  + P2   + E

Los autores se habían dado cuenta que a muy pequeñas concentraciones de sacarosa la velocidad era dependiente de la concentración del sustrato, y que esa dependencia iba disminuyendo a concentraciones más altas y llegaba a ser muy baja a concentraciones elevadas de sustrato. De acuerdo con el modelo molecular del funcionamiento del enzima, supusieron que la sacarosa y el enzima formaban rápidamente un complejo muy inestable, que se descomponía en glucosa, fructosa y enzima libre:

sacarosa + sacarasa → sacarosa-sacarasa → glucosa + fructosa + sacarasa S      +     E   → SE → P1 + P2   + E

El modelo de Michaelis-Menten se puede resumir en los siguientes puntos:

• Es complicado estudiar los efectos que tiene la concentración de sustrato [S], ya que a medida que el sustrato se convierte en producto, [S] cambia.
• Se puede hacer una aproximación midiendo la velocidad inicial (V₀) en el momento en que [S] es mucho mayor que la concentración de enzima [E]. Así, durante un breve periodo de tiempo al inicio de la reacción, se puede aceptar que la variación de [S] es nula y considerar [S] constante.
• Al mantenerse [E] constante se puede observar el efecto de los cambios de [S] sobre V₀.
• A [S] bajas, V₀ crece casi linealmente cuando aumenta [S].
• A [S] altas, V₀ crece cada vez menos a medida que aumentamos [S].
• Por último, a partir de cierto punto, al aumentar [S], V₀ casi no crece. A esa meseta se le denomina Velocidad máxima V_max.
• Denominamos K_m a la [S] en la que se alcanza la mitad de la V_max.

Esto se puede expresar en la siguiente ecuación

y se representa en la siguiente gráfica:

De esta forma, obtenemos dos valores, V_max y K_m, que son iguales en cada enzima para un sustrato determinado, a pH y temperatura constantes, algo muy útil, ya que nos permite caracterizar fácilmente en el laboratorio cada enzima, y saber cómo va a funcionar con cada sustrato en unas condiciones determinadas. Sus aplicaciones son innumerables, desde la medicina hasta la industria alimentaria.

En este ejemplo hemos encajado tres modelos, dos de carácter mecánico que tratan de explicar el mecanismo molecular de un fenómeno químico, la catálisis, junto con una aproximación matemática, que simplifica el proceso de la reacción. Así podemos, de una forma sencilla, no solo entender la realidad (funciones heurística y pedagógica), sino prever qué va a pasar con cada enzima, con diferentes sustratos y en diferentes condiciones (función predicción de los fenómenos), y obtener, así, multitud de aplicaciones. Me resulta muy difícil caracterizarlos desde el punto de vista de la filosofía de la ciencia, pero, desde luego, desde el punto de vista práctico de la ciencia, su utilidad es enorme a pesar de sus simplificaciones.

Y en el caso del cambio de paradigma, desde luego no me parece que se pueda considerar este caso como una revolución kuhniana, ya que no ha habido una lucha entre partidarios de dos Marcos Generales irreductibles. Más que nada, porque el Marco General era el mismo, la cinética química, del que la cinética enzimática es solo una parte y, por lo tanto, utilizan ambas el mismo lenguaje, la misma metodología, los mismos razonamientos, etc. Lo único que cambiaron Michaelis y Menten fue el enfoque de la investigación, y 10 años más tarde pudieron explicar la observación que había hecho Henri, con un modelo tan simple que resultaba difícil rebatirlo.

Quizás esto sea así, por lo menos en parte, porque los planteamientos utilizados por Kuhn sean más cercanos a la Física que a la Biología y, como dice Popper rebatiendo a Kuhn, nada hay más fructífero que las discusiones entre marcos diferentes; y es en la ciencia, y no en la teología, donde siempre es posible una comparación crítica de las teorías que están en competencia.

Maud Leonora Menten, (1879-1960) y Leonor Michaelis (1875-1949).

By Smithsonian Institution from United States – Maud Leonora Menten (1879-1960), No restrictions, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=30433812; By H. Noack (see [2]) – retrieved from [1], Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=19249198

Bibliografía

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• Chalmers, Alan. (1982) ¿Qué es esa cosa llamada ciencia? Madrid: Siglo XXI, cap. 8.
• EHU/UPV. Modo de acción de las enzimas
• Khun, Thomas. (1962) La estructura de las revoluciones científicas. Fondo de Cultura Económica, México.
• Nuñez de Castro, Ignacio. (2012). Enzimología. Ediciones Pirámide, Madrid.
• Popper, Karl. La ciencia normal y sus peligros. En Lakatos, I. y Musgrave, A. (eds.), “La crítica y el desarrollo del conocimiento científico”, Barcelona, Grijalbo, 1975, pp. 149-158.