Enzimas Reguladoras - Dra. Gil

Enzimas reguladoras. Son catalizadores biológicos, que además de las propiedades que caracterizan a las enzimas, presentan características que le confieren papeles reguladores del metabolismo. Existen dos tipos: Las enzimas alostéricas y Las enzimas moduladas covalentemente.

Enzimas alostéricas. La actividad catalítica de la enzima es modulada por la unión no covalente de un metabólito específico a un centro de la proteína, diferente al centro catalítico.

Centro alostérico

Centro activo

s

En ausencia de inhibidor, el substrato se fija normalmente al centro activo

Inhibición alostérica

Centro alostérico

i

Centro activo

s

Cuando el inhibidor ocupa el centro alostérico, tiene lugar un cambio conformacional en el centro activo que impide la fijación del substrato

Generalidades. 1:- Existen sistemas multienzimáticos donde el producto de la reacción actúa como inhibidor específico de una enzima situada al comienzo de la secuencia. 2:- Esta inhibición se asigna como inhibición por el producto final, inhibición feed-back o retroinhibición. Estas enzimas reciben el nombre de enzimas alostéricas, propuesto por J. Monod, et al. 3:- Presentan un sitio diferente al centro activo, al que se une reversiblemente y en forma no covalente al efector o modulador.

Generalidades. 4:- El centro alostérico es específico para la unión del modulador. 5:- Las enzimas pueden ser reguladas por moduladores positivos, que aumentan su actividad catalítica y moduladores negativos que la disminuyen. Ej: L-isoleucina es un modulador (-) para la treonin-deshidratasa. 6:- Cuando la enzima presenta un modulador específico es monovalente y cuando hay más de uno, polivalente.

Generalidades. 7:- Dos o más sistemas multienzimáticos, pueden estar conectados por una o más enzimas polivalentes, formando una red de control. 8:- Son enzimas oligoméricas, es decir, constituidas por dos o más cadenas polipeptídicas. Son inestables a 0ºC y estables a temperatura ambiente. 9:- La inhibición producida por el modulador negativo no se ajusta a las inhibiciones conocidas y muestra una dependencia atípica de la Ve. Inicial de la reacción, no cumpliendo con la teoría de Michaelis-Menten.

Reacción determinante. Se asigna a la primera etapa en una secuencia de reacciones multienzimáticas, que es irreversible en condiciones intracelulares. Constituye una estrategia de la célula para regular una ruta metabólica, desde la etapa inicial y así lograr la máxima economía de metabólitos.

Control de las enzimas alostéricas. Las enzimas alostéricas muestran dos tipos de control diferentes: Heterotrópico y homotrópico, según la naturaleza del modulador.

Enzimas homotrópicas. El sustrato actúa, también como modulador. Esta enzimas contienen dos o más centros de unión para el sustrato. La modulación dependerá de cuántos sean los centros del sustrato que están ocupados.

Enzimas heterotrópicas. Son estimuladas o inhibidas por un modulador diferente a la del sustrato.

Cinética de las enzimas alostéricas. Su comportamiento cinético esta alterado por las variaciones de la concentración del modulador alostérico. Las enzimas homotrópicas muestran una curva sigmoidal en las gráficas de velocidad de Michaelis - Menten. La curva sigmoidal implica que la unión de la primera molécula de sustrato con la enzima intensifica la unión de las moléculas de S subsiguientes a los otros centros activos.

Centro alostérico

Centro activo

s

En ausencia de inhibidor, el substrato se fija normalmente al centro activo

Inhibición alostérica

Centro alostérico

i

Centro activo

s

Cuando el inhibidor ocupa el centro alostérico, tiene lugar un cambio conformacional en el centro activo que impide la fijación del substrato

Una característica importante de las enzimas alostéricas es que presentan cinéticas anómalas, normalmente cinéticas sigmoides:

v La presencia de una sigmoide implica la existencia de cooperatividad en la fijación del substrato s

La cooperatividad (positiva) consiste en que la fijación de una molécula de substrato favorece la fijación del siguiente, y así hasta ocuparse toda la molécula

s

+ 1

s s

+ 2

s s s

+ 3

s s s s

En términos de Km veríamos que Km1 > Km2 > Km3 Existe también cooperatividad negativa, cuando la fijación de una molécula de substrato dificulta la fijación del siguiente.

El comportamiento cooperativo implica:

1. Que hay más de un sitio de fijación de substrato por molécula de enzima (estr.cuaternaria) 2. Que hay interacciones entre los sitios de fijación

Cinéticas michaeliana y sigmoide: Mioglobina y Hemoglobina 1.0

Y Mioglobina

0.8

0.6

0.4

Hemoglobina

0.2

0.0 0

2

4

6

8

10

12

s

Cooperatividad positiva. Cuando las curvas sigmoidales son muy inclinadas, debido a que un leve aumento en la concentración del sustrato, puede provocar una aceleración de la velocidad de la catálisis.

Cooperatividad negativa. Algunas enzimas muestran un comportamiento opuesto, la unión del sustrato provoca un descenso en la unión de las moléculas de sustrato subsiguientes, mostrando una curva más aplanada. La enzima en estas condiciones es menos sensibles a cambios pequeños de la concentración de sustrato y se aproxima a la saturación más lentamente, que la enzima no regulada.

Características. 1:- Un modulador negativo, producirá un incremento en la Km aparente y el modulador positivo un descenso de ésta. 2:- Un modulador negativo baja la Ve de reacción a una concentración de sustrato saturante y constante. Mientras que el modulador positivo producirá un incremento en la Ve. 3:- Las enzimas alostéricas que responden a moduladores (+) y (-) con cambio de la Km aparente, se asignan como enzimas K y las que afectan la Vmax, como enzimas M.

Inhibidores y activadores alostéricos

Y

1.0

(+ Activador) 0.8

V+ 0.6

(sin efectores)

V0

(+ Inhibidor)

0.4

V-

0.2

s 0.0 0

2

4

6

8

10

12

Características. 4:- Una enzima alostérica puede perder su regulación por los moduladores, sin afectar su actividad catalítica. Proceso llamado la enzima.

desensibilización

de

En estas condiciones la enzima se

comporta según la cinética descrita por MichaelisMenten.

Ejemplo enzima alostérica. La más estudiada es la Aspartatotranscarbamilasa, conocida como ATCasa, que cataliza la reacción: Carbamil fosfato + L-aspartato -------------------------------------> N-carbamil-L-aspartato + PPi Que corresponde a la etapa inicial de la biosíntesis del nucleótido de pirimidina (CTP). El CTP, producto final actúa como modulador negativo de la ATCasa. Un modulador positivo de esta enzima es el ATP, que invierte el efecto inhibidor del CTP.

ATCasa Síntesis de pirimidinas ATP + Asp + CP

ATCasa

Carbamil aspartato

CTP

El producto final de la vía, CTP (citidin trifosfato) inhibe a la primera enzima de la ruta metabólica, Aspartato transcarbamilasa Al mismo tiempo, dicha enzima puede ser activada por ATP

Retroalimentación negativa en vías metabólicas, 1 Síntesis de Isoleucina Thr

Treonina desaminasa

α-cetobutirato

Ile

El producto final de la ruta, Isoleucina, inhibe a la primera enzima de la misma, Treonina desaminasa

Mecanismos de actividad reguladora de las enzimas alostéricas. Estudia los mecanismos moleculares mediante los cuales la unión del modulador al centro regulador puede, alterar la actividad del centro catalítico. Esta explicación se ha obtenido de los estudios con la hemoglobina, a través de dos modelos: Secuencial y el de Simetría.

Modelo de simetría. Modelo propuesto por J. Monod et al. Establece que la unión de la primera molécula de sustrato incrementa la tendencia de las restantes subunidades a experimentar transición a la forma de elevada afinidad, a través de un efecto de todo o nada. Hallándose todas las subunidades en estado de baja o elevada afinidad.

Modelo MWC

Forma R s

s s

s s s

s s s s

i

i i

L

i Forma T

i

i

i

i

i i

Modelo secuencial. Modelo propuesto por D.E. Koshland. Aplicable a las enzimas alostéricas que poseen multiples subunidades y que se suponen que existen en dos conformaciones diferentes, donde cada una puede experimentar cambios secuenciales individuales en su conformación entre los extremos de todo o nada. Pueden existir diversos estados de conformación intermedios, cada uno con su propia actividad catalítica intrínseca. Este modelo propone una sintonización más fina de la actividad de la enzima alostérica.

Modificación covalente de las enzimas reguladoras Las formas activas e inactivas son interconvertibles por modificación covalente de sus estructuras que son catalizadas por otras enzimas. Ej: glucógeno fosforilasa de los tejidos animales, que cataliza la degradación del polisacárido de reserva glucógeno en glucosa -1-fosfato.

GLUCÓGENO FOSFORILASA 1:- Esta enzima presenta dos formas, la fosforilasa a, forma activa y la fosforilasa b menos activa. 2:- La fosforilasa a es una proteína oligomérica con 4 subunidades principales. Cada una con serina fosforilada en su OH. Estos grupos fosfatos presentes en las formas a, pueden separarse por la fosforilasa-fosfatasa, para entregar fosforilasa b. 3:- La fosforilasa b, puede reactivarse por la acción de la fosforilasa-quinasa 4:- Por tanto la actividad de la fosforilasa del glucógeno es regulada por enzimas que desplazan el equilibrio entre sus formas activa e inactiva.

Activación covalente de los zimogenos. Tipo de regulación enzimática que cataliza los precursores inactivos de las enzimas (zimógenos), para dar las formas activas. Ej. Pepsina, tripsina quimotripsina, que se sintetizan como zimógenos inactivos; pepsinógeno , tripsinógeno quimotripsinógeno.

y

y

Isozimas. Formas múltiples de una enzima determinada, que puede presentarse en una sola especie de organismo e incluso en una sola célula. Se pueden separar por electroforesis en gel de los extractos celulares. Las isozimas difieren en su composición en aminoácidos y por tanto en los valores de pH isoeléctricos. Ej: La lactato -deshidrogenasa, aparece en 5 formas isozimicas diferentes