Regulación alostérica Enzimas isostéricas y alostéricas

Regulación alostérica

Enzimas isostéricas y alostéricas

El modelo de catálisis enzimática de Michaelis-Menten (véase p. 76) parte del principio de que la estructura de la enzima (su conformación, véase p. 60) no se modifi­ca. Algunas enzimas, sin embargo, pueden presentar diversas conformaciones con dife­rentes cualidades catalíticas. Las enzimas alostéricas describen curvas de saturación en forma de S (sigmoidea) que no se aplican a la ecuación de Michaelis Menten. En las enzimas isostéricas (una única conformación enzimática), en cambio, la fuerza de unión (subida de la curva de saturación, línea punteada) disminuye a medida que aumenta ¡A], ya que el número de sitios activos baja progresivamente! En las enzimas alostéricas (2), la fuerza de unión aumenta a medida que sube [Al, ya que la enzima libre se transforma gradualmente pasando de una baja afinidad de conformación (símbolos rectangulares) hacia una forma con mayor afinidad (símbolos circulares). Únicamente cuando ¡A) alcanza niveles más altos es cuando se hace notar la falta de sitios activos libres y  la fuerza de unión comienza a decrecer.

Esto prueba que la afinidad de las enzimas alostéricas no es constante sino que depende del tipo de ligandos y  de su nivel de concentración. Los inhibidores y activadores (efectores) juegan un papel clave en la actividad de las enzimas alostéricas, ya que estabilizan ciertas conformaciones (B). Constituyen asi­ mismo un factor muy importante en la regu­ lación del metabolismo (véase p. 100 y  s.)

Efecto s alostéricos

El control alostérico de la actividad enzimática se describirá a continuación a partir del ejemplo del aspartato trans carbamilasa (ATCasa) de la bacteria Escherichiacoli. La ATCasa es una enzima clave (véase p. 100) de la biosíntesis de pirimidina (véase p. 182) y cataliza la transferencia de un resto de carbamil de la enzima carbamil fosfato al grupo amino de L-aspartato. Las enzimas alostéricas como las ATCasa se caracterizan por describir una curva de saturación de sustrato sigmoidea (A). Dado que en estos casos la afinidad de la enzima hacia el sustrato depende del nivel de concentración [A], se utiliza como constante la concentración de sustrato a una velocidad máxima media ([A lo,) en *uaarcle 'a constante de Michaelis Menten Km (véase p. 76). La forma sigmoidea de la curva está dada a partir del coeficiente de Hill h. En enzimas isostéricas h = 1; a medida que se exacerba la forma sigmoidea, h aumenta.

Los efectores alostéricos influyen, según cada enzima, sobre la velocidad máxima V, la concentración de saturación media [A]05 y el coeficiente de Hill h. Si el factor que sufre más modificaciones es V, se hablará entonces de un "sistema V". En los "sistemas K”, mucho más comunes que los sistemas V y entre los cuales se encuentra la ATCasa, los efectores alostéricos afectan únicamente a (A L 5 y h. La ATCasa es inhibida por el citidintrifosfato (CTP), un producto final del metabolismo anabólico de pirimidina, y activada por el elemento ATP. El inhibidor CTP provoca que la curva se desplace hacia la derecha mientras que (A l0 y h van en aumento (curva II). El activador ATP ocasiona, por el contrario, que la curva se desplace a la izquierda: disminuyen asimismo [A]os y h (curva III).

Las enzimas alostéricas son generalmente oligómeros compuestos por 2-12 subunidades (véase p. 56). La ATCasa, por ejemplo, está compuesta por 6 subunidades catalíticas (azul) y 4 reguladoras (amarillo). Estas últimas unen los efectores alostéricos CTP y ATP (verde). Al igual que la hemoglobina, la ATCasa puede presentarse con dos conformaciones diferentes: el estado T (del inglés tense, un estado menos activo) y el más activo estado R (del inglés relaxed).

Tanto los sustratos como los efectores pueden modificar el equilibrio entre ambos estados y ocasionar, como consecuencia, que la curva de saturación adopte una forma sigmoidea. El aumento de concentración de aspartato conduce a que el equilibrio se desestabilice a favor de la forma más activa R.

La ATP estabiliza asimismo la conformación R al unirse conias subunidades reguladoras.

La unión de CTP en el mismo sitio, sin embargo, provoca que las moléculas se desplacen al estado inactivo T.

En el caso de la ATCasa. las diferencias estructurales entre la conformación R y T son enormes. En la transición T -> R, las subunidades catalíticas se encuentran a 1,2 nm de distancia y rotan alrededor del eje de simetría. Es por ello que las conformaciones de las subunidades sufren apenas modificaciones mínimas.

Inhibidores

Existen sustancias que modifican el normal funcionamiento del metabolismo afectando la actividad enzimática. Entre las más importantes se encuentran los inhibidores de enzimas. La mayor parte de los medicamentos actúa como inhibidor de enzimas, lo que explica que los experimentos en cinética enzimática sean determinantes para el desarrollo de nuevos medicamentos y su aprobación. Existen asimismo metabolitos naturales que actúan como inhibidores en ciertos procesos de regulación metabólica.

Inhibición de enzimas

De acuerdo con lo descrito anteriormente en la página 78, existen factores físicos y químicos que ejercen una influencia no específica en la actividad enzimática. Entre ellos figuran factores como temperaturas y pH extremos, solventes orgánicos y metales pesados. Otras sustancias inhibidoras afectan únicamente enzimas específicas. La mayor parte de los inhibidores tiene un efecto reversible, es decir, no modifican la enzima de manera definitiva, mientras que los irreversibles la modifican de manera covalente y dejan rastros permanentes en la enzima (ej. la penicilina)

Tipos de inhibidores

Al comparar la cinética de una reacción no inhibida con la de una inhibida (C) se distinguen dos tipos de inhibidores: los com petitivos y los no com petitivos. La inhibición a lostérica resulta de vital importancia para la regulación del metabolismo.

Los inhibidores competitivos (columna izquierda) son generalmente análogos de sustrato, es decir uniones de características similares al sustrato de una enzima. El nombre de inhibidor competitivo proviene de la competencia que se libra entre el sustrato y el inhibidor por el mismo sitio activo. Los inhibidores competitivos se unen a la enzima pero no pueden seguir transformándose. Es por ello que poseen una parte de las moléculas de dicha enzima, proceso completamente reversible. Para alcanzar una velocidad máxima media es necesario que la concentración de sustrato sea mayor. En consecuencia aumenta la constante de Michaelis Km (C). Un alto nivel de concentración de sustrato contrarresta nuevamente los efectos del inhibidor, lo que nos permite observar que los inhibidores competitivos no influyen de ninguna manera sobre la velocidad máxima V mJx. Por lo general, los análogos del estado intermedio tienen también un efecto competitivo.

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