Regulación Enzimática: objetivos y mecanismos de control en Biología

Regulación Enzimática

BIO 042 Bioquímica del Metabolismo Jessica Flood, MSc, PhD

Objetivos de la Regulación del Metabolismo

• Mantener el estado ordenado: las reacciones bioquímicas producen moléculas necesarias para mantener la estructura y funcionamiento celular impidiendo el aumento de entropía
• Mantener el balance energético: usar solo la energía que se requiere y el resto almacenarlo en forma de materia
• Capacidad de respuesta a cambios ambientales: aumentan productos necesarios para soportar las nuevas condiciones

-PROTEÍNAS -CARBOHIDRATOS -LÍPIDOS

Balance Energético

METABOLISMO BASAL EFECTO TERMOGÉNICO DE LOS ALIMENTOS ACTIVIDAD FÍSICA APORTE ENERGÉTICO GASTO ENERGÉTICO BALANCE ENERGÉTICO

Regulación del Metabolismo

La regulación del metabolismo y sus rutas metabólicas se consigue a través de la regulación enzimática usando estos mecanismos bioquímicos:

1. Regulación de la expresión (niveles) de enzimas y transportadores
2. Efectos alostéricos y modificación covalente de enzimas que modifican su actividad
3. Distintas afinidades o Km de enzimas y transportadores

• Las concentraciones de muchas enzimas están influenciadas por una amplia gama de factores fisiológicos, hormonales o dietéticos.
• La cantidad absoluta de una enzima refleja el equilibrio neto entre su tasa de síntesis y su tasa de degradación.

Mecanismos de Regulación Enzimática

Una enzima puede tener varios mecanismos de regulación Covalent control Phosphorylase kinase P Phosphoprotein phosphatase 1 P Phosphorylase b Inactive (T state) Phosphorylase a Inactive (T state) 1 AMP ATP Glucose-6-P Glucose Caffeine Noncovalent control Glucose Caffeine P P Phosphorylase b Active (R state) Phosphorylase a Active (R state)

Regulación del Metabolismo

Dos tipos principales de regulación:

Pasiva: Equilibrio químico o disponibilidad de [S], cosustratos o formación de P Ej: Las KM de muchas E tienden a ser cercanos a la concentración necesarias de sus S (Ej. Hexocinasade eritrocito y páncreas)

Activa: Equilibrio regulado ya sea por hormonas o por regulación de enzimas por producto y metabolitos "la regulación de una vía se adecua a su función"

Regulación del Metabolismo

• Las enzimas de una ruta trabajan en conjunto
• La disminución de la eficiencia catalítica o la cantidad del catalizador responsable de la reacción limitante de la velocidad en una vía metabólica reduce inmediatamente el flujo de metabolitos a través de toda la vía.
• Por el contrario, un aumento de su cantidad o de la eficiencia catalítica mejora el flujo a través de la vía en su conjunto.

. Las enzimas que catalizan los pasos limitantes de la velocidad constituyen objetivos eficientes para la intervención reguladora de los fármacos.

Flujo de Metabolitos

Narrow opening (rate determining) Reactant Sand Slow (rate determining) > Intermediate 1 Fast Large openings Intermediate 2 Fast > Product Sand

Regulación del Metabolismo

• La Enzima ideal para la regulación activa (enzima reguladora) es aquella cuya reacción sea irreversible y cuyo kcat Km sea lenta en comparación con todas las otras enzimas de la vía (reducirá el flujo de metabolitos por la vía);
• Estas también son blanco terapéuticos
• Normalmente se encuentran en bajas concentraciones
• Se hace a través de la modulación de la actividad enzimática:
• Del paso limitante
• Primer paso obligatorio de la vía
• Reacción relacionada o influida al primer paso
• En procesos ramificados se puede modular una enzima para dirigir el flujo a esa ramificación
• En cuestión de segundos; es una respuesta transitoria a corto plazo

AVB 1 V AVA I Km AS AS

Regulación del Metabolismo

Vías con efectos opuestos normalmente se contrarregulan en uno o más pasos

Gluconeogénesis y Glucólisis

Gluconeogenesis Glycolysis ATP Glucose< PI hexokinase glucose 6-phosphatase ADPK Glucose 6-phosphate H20 ATP Fructose 6-phosphate Pi AG® =- 16KJ/mo phospho- fructokinase-1 1,6-bisphosphatase ADPK Fructose 1,6-bisphosphate ·H20 Dihydroxyacetone phosphate Dihydroxyacetone phosphate (2) Glyceraldehyde 3-phosphate (2) Pi > (2) P (2) NAD+ (2) NADH + (2) H+ (2) NADH + H+ (2) 1,3-Bisphosphoglycerate (2) ADP (2) ADP (2) ATP (2) ATP (2) 3-Phosphoglycerate AG=61.9 KJ/mol (2) 2-Phosphoglycerate AG =- 61.9 KJ/mol (2) GDP (2) ADP (2) Phosphoenol- pyruvate PEP carboxykinase pyruvate kinase (2) Oxaloacetate (2) ATP (2) ADP (2) Pyruvate pyruvate carboxylase (2) ATP Gluconeogénesis T T (2) GTP Glicolisis fructose

Inhibidores Enzimáticos como Reguladores

first enzyme in pathway

Regulación Alostérica en la Glucólisis

Glucose ATP- ADP « Hexose Kinase Glucose-6-Phosphate PhosphoGlucose Isomerase Fructose-6-Phosphate ATP - ADP & PhosphoFructose Kinase Fructose-1,6-BisPhosphate AldoLase GLAP < DHAP 2NAD+ + 2Pi- 2NADH & Triose Phosphate Isomerase GLAP Hydrogenase 1,3-BisPhosphoGlycerate 2ADP 2ATP & V PhosphoGlycerate Kinase 3-PhosphoGlycerate PhosphoGlycerate Mutase 2-PhosphoGlycerate Enolase PhosphoEnolPyruvate 2ADP - 2ATP Ł Pyruvate Kinase Pyruvate Tres enzimas de la vía de la glucólisis están bajo regulación alostérica: 1. la hexoquinasa, 2. la fosfofructoquinasa 3. la piruvato quinasa.

Regulación de la Hexoquinasa

Glucose ATP ADP « Hexose Kinase Glucose-6-Phosphate 1 PhosphoGlucose Isomerase Fructose-6-Phosphate ATP ADP PhosphoFructose Kinase Fructose-1,6-BisPhosphate AldoLase GLAP < DHAP Triose Phosphate Isomerase 2NAD+ + 2Pi 2NADH & GLAP Hydrogenase 1,3-BisPhosphoGlycerate 2ADP 2ATP Ł PhosphoGlycerate Kinase 3-PhosphoGlycerate 1 PhosphoGlycerate Mutase 2-PhosphoGlycerate Enolase > PhosphoEnolPyruvate 2ADP 2ATP & Pyruvate Kinase Pyruvate · La hexoquinasa convierte la glucosa en glucosa-6-fosfato. . Cuando hay demasiada glucosa-6- fosfato, puede funcionar como un regulador negativo de la hexoquinasa y puede causar inhibición por retroalimentación.

Inhibición por ATP

Glucose ATP ADP & Hexose Kinase Glucose-6-Phosphate 1 PhosphoGlucose Isomerase Fructose-6-Phosphate ATP ADP & PhosphoFructose Kinase Fructose-1,6-BisPhosphate AldoLase GLAP DHAP Triose Phosphate Isomerase 2NAD+ + 2Pi 2NADH & GLAP Hydrogenase 1,3-BisPhosphoGlycerate 2ADP [ATP] is high 2ATP & V PhosphoGlycerate Kinase 3-PhosphoGlycerate PhosphoGlycerate Mutase 2-PhosphoGlycerate Enolase PhosphoEnolPyruvate 2ADP - 2ATP Ł V Pyruvate Kinase Pyruvate · Cuando hay demasiado ATP, las células no necesitan ejecutar la vía glucolítica para obtener ATP. · En este caso, el ATP inhibe la piruvato quinasa y la fosfofructoquinasa

Modulación por AMP

Glucose ATP ADP & Hexose Kinase Glucose-6-Phosphate 1 PhosphoGlucose Isomerase Fructose-6-Phosphate ATP ADP & PhosphoFructose Kinase Fructose-1,6-BisPhosphate AldoLase GLAP < DHAP 2NAD+ + 2Pi 2NADH & Triose Phosphate Isomerase GLAP Hydrogenase 1,3-BisPhosphoGlycerate 2ADP 2ATP € PhosphoGlycerate Kinase 3-PhosphoGlycerate PhosphoGlycerate Mutase 2-PhosphoGlycerate Enolase PhosphoEnolPyruvate 2ADP 2ATP & Pyruvate Kinase Pyruvate [AMP] is high F [ATP] is high • El AMP es una señal de que no hay tanto ATP. · Un nivel bajo de ATP requiere que la vía glucolítica comience a funcionar y, como resultado, el AMP funciona como un modulador positivo de la fosfofructoquinasa y la piruvato quinasa.

Regulación del Metabolismo

Ej: la acetil-CoA carboxilasa cataliza la síntesis de malonil-CoA, la primera reacción comprometida de la biosíntesis de ácidos grasos. Al inhibir síntesis de malonil-CoA, las reacciones posteriores de síntesis de ácidos grasos cesan.

Ej: los fármacos "estatinas" reducen la síntesis de colesterol al inhibir la HMG-CoA reductasa, que cataliza la reacción limitante de la velocidad de la colesterogénesis.

Biosíntesis de Ácidos Grasos

Pyruvate CoA+NAD+ NADH Paso limitante de la velocidad Acetyl-CoA ATP+HCO3 ACCase T Malonyl-CoA ACP Mal-CoA acyltrans Malonyl-ACP CO2 - 0-ketoacyl-ACP syn hase (KS) Butyryl-ACP YAS NADP+ NADPH +H+ B-ketoacyl-ACT reductase (R) B-enoyl-ACP read dase (BER) NADPH +H+ NADP+ 3-hydroxyacyl- ACP B-hydroxyacl- ACP dehydrase Enoyl-ACP (DH) H2O C16:0-ACP C18:0-ACP 3-ketoacyl-ACP

Regulación del Metabolismo

La capacidad de las enzimas para discriminar entre las coenzimas NAD+ y NADP+, estructuralmente similares, también da lugar a una forma de compartimentación (regulación).

Las formas reducidas de ambas coenzimas no se distinguen fácilmente. Sin embargo:

• las reacciones que generan y luego consumen electrones destinados a la generación de ATP se segregan en el NADH,
• los utilizados en los pasos reductores de muchas vías biosintéticas, son transportados por el NADPH.

Coenzimas NAD+ y NADP+

NADH HH O NH2 N O O HO OH o-P=0 2-0-0 O-P=O NH2 N N O N N O H HO OH NADPH HH O NH2 N O HÒ OH O-P=O -- 0-0 NH2 0-P=O N N Adenosine monophosphate (AMP) N C H HỒ 1 0-P=O 2-0 Nicotinamide mononucleotide (NMN)

Regulación de enzimas por producto y metabolitos

Una de las fuentes más relevantes de moléculas reguladoras son los productos de las propias reacciones metabólicas celulares. Las células han evolucionado para utilizar los productos de sus propias reacciones para la inhibición por retroalimentación de la actividad enzimática.

Inhibición por Retroalimentación

1st intermediate substrate 2nd intermediate substrate End product C first enzyme in pathway Substrate Enzyme 1 Enzyme 2 Enzyme 3 Inhibition of process La inhibición por retroalimentación implica el uso de un producto de reacción para regular su propia producción posterior. La célula responde a una abundancia de productos ralentizando la producción. La inhibición por retroalimentación, en la que el producto final de la vía inhibe un paso anterior, es un mecanismo regulador importante en las células.

Regulación de Vías Metabólicas

• Prácticamente todas las vías se desarrollan a través de uno o más pasos para los cuales el AG alto.
• Vías con efectos opuestos normalmente se contra regulan en uno o más pasos
• Por ejemplo, la glucólisis, la descomposición de la glucosa para formar dos moléculas de piruvato, tiene un AG general favorable de -96 KJ/mol, un valor demasiado alto para operar simplemente en "reversa" cuando se desea convertir el exceso de piruvato en glucosa.
• En consecuencia, la gluconeogénesis se desarrolla a través de una vía en la que los tres pasos más desfavorecidos energéticamente de la glucolisis son reemplazados por nuevas reacciones catalizadas por enzimas distintas.

Glucólisis y Gluconeogénesis

Glucose GLYCOLYSIS GLUCONEOGENESIS Fructose 6-phosphate F-2,6-BP + AMP + F-2,6-BP ATP Phosphofructo- kinase Fructose 1, 6-bisphosphatase AMP 1 Citrate Citrate H+ Fructose 1,6-bisphosphate 1 Seveal steps Phosphoenolpyruvate 2 ADP F-1,6-BP + ATP - Pyruvate kinase Oxaloacetate Alanine - Pyruvate carboxylase Pyruvate +) Acetyl COA 3 ADP Phosphoenol- pyruvate carboxykinase