Regulación Metabólica: Principios y Vías en Biología Universitaria

BLOQUE 3: REGULACIÓN METABÓLICA

TEMA 6: PRINCIPIOS DE REGULACIÓN METABÓLICA

INTRODUCCIÓN AL METABOLISMO

El metabolismo es una de las tres funciones de los seres vivos, los tres hechos distintivos que nos separan de los seres (o estructuras) inanimados (como las rocas) son:

• Complejidad estructural
• Reproducción
• Nutrición: asimilar energía para usarla en procesos vitales (obtención de materia y energía para transformarla).

El metabolismo estudia el último paso (la transformación y obtención de energía), es el estudio de la suma de transformaciones químicas que se producen en una célula u organismo (vías metabólicas). Las transformaciones químicas tienen lugar gracias a enzimas (tambien pueden suceder sin ellas, pero tardarían demasiado). Se puede dividir el metabolismo en dos grandes grupos:

• Catabolismo: se produce energía transformando moléculas complejas en moléculas más sencillas. Es un metabolismo convergente porque al final todas las moléculas acaban en el ciclo de Krebs donde la energía pasa a la cadena de transporte electrónico para producir aún más energía (en forma de ATP). Es decir, todas las moléculas van convergiendo hacia el mismo punto. (reacciones de oxidación).
• Anabolismo: se construyen moléculas complejas a partir de sencillas, se necesita un aporte energético que viene dado por el ATP generado en el catabolismo. (reacciones de reducción).

RUTAS METABÓLICAS

Las enzimas tienen la función de acelerar los procesos para que ocurran a una velocidad compatible con la vida. Las reacciones no están aisladas, sino que están acopladas, es decir, el producto de una reacción es el sustrato de la siguiente. Esto constituye las vías metabólicas (también se llaman rutas), que tampoco están aisladas (se pueden cruzar, igual que las vías de señalización). En las rutas metabólicas alguna reacción tiene que ser irreversible para que no se este yendo de un lado a otro y evitar que se generen ciclos fútiles. Esa enzima que está catalizando la reacción irreversible está regulada, lo que permite que la vía vaya a una velocidad determinada (en la glucolisis hay 10 reacciones y solo 3 están reguladas), en general la primera reacción de la ruta siempre está regulada (para no gastar energía a lo tonto).

Otra característica propia de las rutas metabólicas es que en ocasiones están compartimentalizadas (se distribuyen en distintos compartimentos de la célula), esto también es un mecanismo que permite evitar ciclos fútiles, por ejemplo, si la degradación de ácidos grasos y su síntesis tuvieran lugar en el mismo compartimento celular las todas las enzimas implicadas estarían actuando y no se conseguiria nada, al compartimentar se consigue que en una parte ocurra un proceso y en otra ocurra otro.

REGULACIÓN ENZIMÁTICA

Hay dos mecanismos principales para regular la actividad enzimática: regulando su eficacia catalítica o regulando la cantidad de la enzima

REGULACIÓN DE LA EFICACIA CATALÍTICA

UNIÓN DE LIGANDOS: se puede regular la eficacia catalítica de una enzima mediante la unión de ligandos de forma covalente o no covalente.

Unión no covalente: se denomina regulación alostérica (lo que ocurre en un sitio repercute en el otro). Son moléculas que se unen en un dominio regulador y que tienen un efecto en el dominio catalítico. Cuando a estas enzimas se les une un activador se induce un cambio conformacional y le enzima pasa a la forma R (T= tensa, R= relajada), en esta forma la enzima necesitará menor concentración de sustrato para alcanzar la misma velocidad de reacción. Sin embargo, tambien hay represores que favorecen la forma tensa (forma T), en estos casos al unirse el represor a la zona reguladora de la enzima disminuirá la velocidad de la reacción.Unión Covalente: es cuando las moléculas se unen de manera covalente (no lábil como en el caso anterior). Un ejemplo de esto es la fosforilación (tambien hay metilación, acetilación, etc) que es la unión covalente más importante (en regulación). En el metabolismo intervienen quinasas:

• Quinasas señalización celular que intervienen en metabolismo: PKA, PKC, CaMK, AKT, AMPK, etc.
• Quinasas específicas de las vías metabólicas: glucógeno fosforilasa quinasa, etc.
• Fosfatasas: PP1, PP2, etc

RUPTURAS PROTEOLÍTICAS: hay zimógenos que son activos únicamente cuando se cortan ciertas partes de ellos.

MULTIPLES FORMAS DE LA ENZIMA: las isoenzimas son enzimas que realizan la misma función, pero tienen alguna característica (o propiedad) diferente, el ejemplo más representativo es la lactato-deshidrogenasa.

REGULACIÓN POR CAMBIOS EN LA CANTIDAD DE ENZIMA

La cantidad de una enzima se puede regular controlando su síntesis y degradación. Es decir, la cantidad se puede modificar expresando la enzima más o menos, los niveles suelen aumentar por regulación génica (permite un control a largo plazo). Los genes de las enzimas metabólicas se regulan por la actividad, pero tambien por su cantidad.

Un mecanismo muy nuevo para regular la cantidad de estas enzimas es mediante los microRNAs (me da pereza explicar el mecanismo, pongo una imagen del proceso). De hecho, hoy sabemos que hay muchas enzimas metabólicas que se regulan por miRNAs, pues permiten conseguir una regulación génica muy precisa.

Este sistema permite aumentar o disminuir la expresión de las proteínas implicadas en metabolismo. Tambien hay miRNAs implicados en la síntesis y secreción de insulina.

miR-1-1 gene Drosha DGCR8 7mGpppG- pri-miR-1-1 :Jim tomtommmr"um" Drosha Pasha pre-miR-1-1 Nucelus Exportin 5 TRBP Dicer Cytoplasm TRBP Dicer pre-miR-1-1 3'-AUGUAUGAAGAAAUGUA GGUAU CGAAU 1 miR-1-1 CAUACUUCUUUAUAU AUGCCCAUA-3' 3'-UGUAUGAAGAAAUGUA - GGUP- S' Mature miR-1-1 bound to an Argonaute protein RISC CAUGUARAGANG

MODULACIÓN POR CARGA ENERGÉTICA. AMPK

La modulación por carga energética es el mecanismo que usan las células para manear sus niveles energéticos. En las células hay una proteína AMPK que es el sensor energético de la célula, pues tiene la capacidad de activarse en respuesta a bajos niveles energéticos y puede inhibirse a altos niveles (cuando hay poco AMP). En las células hay un ratio ATP/AMP, pero la concentración total de las moléculas siempre es igual en la células (esto se explica un poco más adelante). Puede haber tres situaciones en cuanto al ratio ATP/AMP:

• Cuando hay mucho ATP (y poco AMP): AMPK estará inhibida (carga energética alta). Mismas cantidades de AMP y ATP
• Cuando hay mucho AMP (y poco ATP): AMPK estará estimulada (carga energética baja).

Pero el número de moléculas totales de AMP y ATP tiene que ser el mismo, de esta forma cuando aumenta la concentración de uno disminuirá la concentración del otro, porque la suma de ambas moléculas siempre tiene que ser igual (porque al final son lo mismo, no se produce síntesis de ATP, sino que se le añaden fosfatos al AMP), es decir, los nucleótidos que hay son los que hay. Estas cantidades depende del tipo celular.

Cuando la AMPK está estimulada (niveles energéticos bajos) será capaz de estimular el catabolismo (captura y oxidación de glucosa y lípidos) e inhibirá el anabolismo (diversas génesis) con el objetivo de conseguir energía y recuperar los niveles normales de ATP. Por este motivo se le denomina sensor energético o celular.

AMPK La enzima está constituida por 3 subunidades: una subunidad catalítica (a) que tiene un residuo de treonina fosforilable para su activación y dos dominios reguladores, uno ß para los glúcidos y uno y (gamma) para los nucleótidos. La enzima tiene una regulación dual, es decir, se regula por fosforilación (covalente) y por la unión de AMP o ATP (regulación alostérica).

P AMPKa Y MUGAACCICLO DE ACTIVACIÓN Y DESACTIVACIÓN: cuando los niveles de AMP son altos (y los de ATP bajos) el AMP se une alostericamente a al subunidad gamma provocando un cambio conformacional que hace que la AMPK pueda ser fosforilada en una treonina por dos quinasas (se fosforila en la subunidad alfa). Cuando AMPK se encuentra unida a AMP y fosforilada (las dos cosas) será totalmente activa.

Una vez que es activa es capaz de fosforilar enzimas que favorecen el catabolismo (activándolas) y también de fosforilar enzimas anabólicas (inhibiéndolas). Cuando ha pasado un tiempo de acción el AMP se libera de la enzima, pero aún sigue fosforilada, para desfosforilar a la AMPK entran en juego unas fosfatasas, una vez que han actuado y la enzima se ha desfosforilado se vuelve inactiva y une ATP. Los glúcidos son un mecanismo de acción secundario, actúan como moduladores alostéricos que se unen a la subunidad beta y determinan que no hace falta catabolizar.

ESTIMULACIÓN DEL CICLO: cualquier estímulo que implique un gasto energético, una disminución del ATP o una mala combustión de nutrientes tiene la capacidad de estimular el ciclo. Algunos ejemplos son:

• Bajos niveles de glucosa
• Hipoxia o isquemia: para producir el ATP se necesita O2 (para la cadena respiratoria) pues es el aceptor final de electrones (es el que tira de todo). En ausencia de O2 no se puede oxidar la glucosa, aunque se disponga de ella (sin O2 no eres nada).
• Ejercicio: durante el ejercicio aumentan los niveles de AMP (que es el modulador alostérico positivo), esto suele ir de la mano de alguna hormona o neurotransmisor para ayudar a que se fosforile.
• Altos niveles de energía: cuando hay insulina (por ejemplo) se ha visto que es capaz de inhibir AMPK aumentando la actividad de las fosfatasas.

Brain Leptin Insulin Receptor a-Adrenergic Receptor Histamine Thrombin Low Glucose, Hypoxia, Ischemia, Heat Shock [AICAR] Metformin Adiponectin Receptor Exercise 10000 oba 1000 PLCB Guq Î [AMP]/[ATP] LKB1 STATS [Ca2+] PI3K [ATP] ] ¥[Phosphocreatine] APPL1 CaMKK Akt B Y AMPKa

• Otros: adiponectina, adrenalina (que aumenta la oxidación de la glucosa, ácidos grasos, etc), leptina (a través de las JAK).

Una vez que la enzima está activa tiene un montón de sustratos relacionados con el metabolismo de muchos compuestos (siempre actúa por fosforilación). Hay casos en los que fosforila directamente a las enzimas implicadas en el metabolismo, mientras que en otros casos actúa aumentando su expresión (regulación génica).

Metabolismo glucosa Captura glucosa (GLUT4) 1 Síntesis glucógeno Captura glucosa (GLUT1) Enzimas gluconeogénicas (transcripción) Glucolisis (fosfofructoquinasa) Glycogen synthase TBC1D1 , Síntesis rRNA (Pol I) CRTCZ, HDACSK PFKFB3, PFKFB4 Captura ácidos grasos (?) TIFIA Metabolismo proteínas Sintesis proteinas RAPTOR (mTOR) AMPK ACC2- Oxidación ácidos grasos 1 TSC2 ACC1 Síntesis proteínas (mTOR) PGC1a, SIRT17 SREBP1C ULK1/2 GPAT? Biogenesis mitocondrial Enzimas lipogénicas (transcripción) Metabolismo lípidos Î Autofagia Síntesis triacilglicéridos Biogénesis mitocondrial y autofagia Síntesis colesterol SRPB es el factor de transcripción por excelencia de enzimas de ácidos grasos y colesterol. Inhibe síntesis de proteínas inhibiendo mTOR (la quinasa por excelencia), al inhibir síntesis de ribosomas se está inhibiendo síntesis de proteínas. Tambien se estimula la autofagia y síntesis de mitocondrias. Al final todo se traduce en un aumento de catabolismo y disminución del anabolismo.

A nivel cerebral aumenta la ingesta (por retroalimentación), en músculo y corazón aumenta la captura de glucosa. En el páncreas se lleva a cabo una función muy importante que consiste en una disminución de secreción de insulina (que es una enzima anabólica).

Síntesis ácidos grasos HMGR Insulin