Estrategias de regulación de la actividad enzimática

Tema 7. Estrategias de regulación de la actividad enzimática

  Los seres vivos han desarrollado diversos mecanismos para regular sus rutas metabólicas (a través de las enzimas). La regulación de la actividad enzimática es esencial para la vida:

- Para una optimización de los recursos y el mantenimiento de un estado ordenado.

- Para responder a variaciones ambientales (pH, [S], Temperatura, fuerza iónica).

-  Por economía celular (evitar gasto energético innecesario)

Una enzima puede estar regulada por más de un tipo de regulación

1.  Regulación transcripcional

  La actividad enzimática es proporcional a la cantidad de enzima en una célula. Este es el caso más simple de regulación de la actividad: cuanto más síntesis de enzima haya, mayor actividad y cuanto menor síntesis de enzima haya, menor actividad.

  La cantidad de una enzima en la célula dependerá de los niveles de transcripción: una inducción génica aumenta la síntesis enzimática y una represión génica disminuye la síntesis enzimática.

   A su vez, cantidad de una enzima en una célula depende de los niveles de síntesis y de la degradación de la misma. Las enzimas son constantemente degradadas por proteasas para su reciclado. La degradación proteica es un proceso irreversible compartimentalizado (lisosoma y proteosoma). Función:

-Eliminar proteínas mal plegadas, dañadas o desnaturalizadas

-Limitar la vida de ciertas proteínas que deben actuar por poco tiempo

  El proteosoma. Complejo multienzimático del citoplasma. Se trata de un comlejo cilíndrico hueco que destruye la estructura tridimensional de las enzimas y las hace pasar por su interior, degradándolas. Destruye aquellas enzimas marcadas con ubiquitina (señal química).

   El lisosoma. Orgánulo esférico membranoso que contiene enzimas hidrolíticas que permiten la digestión de enzimas (y otras macromoléculas y orgánulos celulares). Proceden del aparato de Golgi y contienen enzimas degradativas. Dichas enzimas son generadas en el retículo endoplasmático rugoso y glicosiladas en el aparato de Golgi con residuos de manosa-6-P.

2. Regulación covalente irreversible: proteólisis

Zimógenos: precursores enzimáticos inactivos. Los zimógenos son un mecanismo de regulación de la acción de determinadas enzimas, principalmente las digestivas y las involucradas en la coagulación sanguínea. Las enzimas se sintetizan inactivas y quedan listas para ser activadas cuando y donde sean necesarias. La activación es un proceso post-traduccional que se produce por la proteolisis del precursor enzimático (activación).

Zimógenos digestivos: Activación del Tripsinógeno, Quimotripsinógeno y Procarboxipeptidasa

[pic 1]

Activación del Tripsinógeno:

   Las células acinares pancreáticas (CAP) acumulan gránulos de zimógeno en ayunas. Síntesis del inhibidor de tripsina pancreático secretor para evitar actividad (en caso de activación accidental). Fallo del sistema de regulación: pancreatitis.

Activación del Quimotripsinógeno:

   El quimotripsinógeno debe ser inactivo hasta que llegue al tracto digestivo, para prevenir daños en el páncreas y otros órganos (de no estar inactivado, el páncreas se destruiría a sí mismo por la acción de la peptidasa). Es activado por otra enzima llamada tripsina. La forma activa es llamada π-quimotripsina y es utilizada para crear α-quimotripsina. La tripsina rompe el quimotripsinógeno en el enlace peptídico entre la arginina y la isoleucina. Esto crea dos moléculas de π-quimotripsina. Una molécula de π-quimotripsina actúa sobre la otra rompiendo el enlace peptídico entre la leucina y la serina. Esta reacción produce la α-quimotripsina.

Cascada de activación de la coagulación sanguínea:

   Zimógenos que activan a proteasas por acción de otra proteasa. El factor X es el que transforma protrombina en trombina que a su vez transforma el fibrógeno en fibrina (coagulo).

3. Regulación covalente reversible

Ocurre por modificación covalente de algún aa de la enzima. Muchas enzimas tienen este tipo de regulación. La modificación química hace que la enzima se active/desactive y las principales son:

Modificación                                             Forma de la enzima[pic 2]

Adición de un fosfato                          Fosforilada      Desfosforilada

Adición de un grupo acetato              Acetilada          Desacetilada

Adición de una adenina                      Adenilada          Desadenilada

Adición de uridina                               Uridilada             Desuridilada

Adición de un metilo                          Metilada            Desmetilada

   Ejemplo: Regulación por fosforilación. Se produce por adición/eliminación de grupos fosfato en residuos de Ser, Thr, Tyr en sitios específicos de la enzima. La fosforilación se lleva a cabo por proteín-quinasas y la desfoforilación por proteín-fosfatasas.

4. Regulación por isoenzimas

   Isoenzimas: diferentes formas moleculares de una misma enzima. Son enzimas con la misma actividad catalítica (actúan sobre el mismo sustrato para rendir el mismo producto) pero con secuencias aminoacídicas distintas. Se encuentran sintetizadas por genes distintos dentro de un mismo organismo. Presentan diferentes valores de Km y Vmax y sistemas de regulación. Al tener distinta secuencia de aa presentan distinta movilidad electroforética y se encuentran ubicadas en distintos compartimentos o tejidos.

   Ejemplo: Lactato deshidrogenasa

   Existen dos cadenas polipeptídicas con distinta composición aminoacídica (H y M), igual actividad enzimática y distintas constantes cinéticas. La enzima es un tetrámero, por lo cual pueden existir 5 posibles isoenzimas: H4, H3M, H2M2, HM3 y M4. Variando la composición de las isoformas hay un cambio en la actividad enzimática. La actividad de cada isoenzima está adaptada a las condiciones de cada tejido.

5. Regulación por formación de sistemas multienzimáticos

   Son asociaciones de enzimas que realizan funciones complementarias, actuando de modo secuencial, catalizando reacciones consecutivas: el producto de la reacción es el sustrato de la siguiente. La eficacia aumenta al favorecer el encuentro entre la enzima y el S. Existen dos niveles de asociación:

- Complejos multienzimáticos: existe una unión no covalente entre las enzimas (ej: ADN polimerasa)

- Asociación a membranas

6. Regulación alostérica

  Enzimas alostéricas: Son enzimas en las que la regulación de su actividad se debe a un cambio conformacional de la enzima. Suelen ser enzimas con estructura cuaternaria que poseen dos conformaciones nativas diferentes en equilibrio. La actividad de las enzimas alostéricas es diferente dependiendo de la presencia o ausencia de ligandos determinados. La regulación ocurre en un sitio diferente al sitio activo (sitio alostérico). Los ligandos que modulan la actividad de la enzima se llaman efectores o moduladores alostéricos y pueden ser positivos o negativos. Por lo general los efectores son moléculas pequeñas, aunque también pueden ser grandes e incluso proteínas. Este tipo de regulación tiene la ventaja de que es muy rápida y reversible sin depender de que el efector tenga una estructura similar al sustrato. Suelen ser enzimas situadas en pasos metabólicos importantes:

[pic 3][pic 4]  Efector positivo y negativo

   Las cinéticas de estas enzimas no son hiperbólicas sino sigmoideas. (Activador o efector positivo/ Inhibidor o efector negativo). Las enzimas alostéricas además de estar reguladas por efectores presentan fenómenos de cooperatividad. La cooperatividad consiste en que la unión del sustrato con un monómero de la enzima afecta la unión del S con el resto de monómeros.

La cooperatividad puede ser positiva (la E es más sensible a la [S])

La cooperatividad puede ser negativa (la E es menos sensible a la [S])

Modelos de alosterismo:

   · Modelo de Monod, Wyman y Changeux (MWC):

  Las enzimas alostéricas pueden existir en dos estados distintos el relajado (R) y el tenso (T). El estado T predomina en ausencia de sustrato. En este modelo todas las subunidades del oligómero están en el mismo estado y cambian de uno a otro a la vez, de forma concertada (modelo concertado). El sustrato se une mucho más firmemente al estado R que al T.

[pic 5]

Los sustratos y efectores positivos desplazan el equilibrio hacia R y los efectores negativos hacia T.

   · Modelo de Koshland, Nemethy y Filmer (KNF):

   Propone que la unión de un efector causa un cambio conformacional en una subunidad que, a su vez, promueve el cambio conformacional en las demás subunidades de forma secuencial.

[pic 6]

Tema 8. Obtención de enzimas

   Tecnología enzimática. Uso de la actividad de las enzimas para resolver problemas técnicos, industriales, de producción, etc. La tecnología enzimática es una actividad dentro de la Biotecnología y lleva miles de años realizándose, aunque el concepto moderno comenzó en los años 50.

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