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Regulación y control metabólicos

Enviado por bart_j_s

      RESUMEN

      Los procesos de regulación y control metabólicos participan en la generación de energía y de biosíntesis, ya que los procesos de anabolismo y catabolismo se realizan por medio de enzimas, éstas formas de control se pueden llevar a cabo por medio de control por sustrato, alostérico, por retroalimentación, mediante carga energética y por modificaciones de la enzima, las cuales se basan en que la producción de algunos productos inhiben a ciertas enzimas y provocan la activación de otras para la producción de nuevos compuestos.

      DESCRIPTORES: Regulación metabólica/ Control por sustrato/ Control alostérico/ Control por retroalimentación/ Modificación de enzimas.

       

      CAPITULO 8

      REGULACIÓN Y CONTROL METABÓLICOS.

      8.1 Introducción.

      Para lograr el crecimiento equilibrado un microorganismo requiere la integración de un gran número de rutas metabólicas interconectadas que participan en la generación de energía y la de biosíntesis. Las rutas de anabolismo y del catabolismo se llevan a cabo mediante una serie de enzimas y es a través de ellas que se ejerce el control.

      Las vías enzimáticas tienen que ver con la descomposición de sustratos llevada a cabo por los microorganismos, esta actividad metabólica global de la célula en crecimiento representa el funcionamiento de un gran número de rutas enzimáticas interconectadas que necesitan un balance muy bueno para funcionar apropiadamente. El control de estas enzimas puede tomar dos formas básicas: alteración de la actividad enzimática y alteración en el número de moléculas de la enzima.

      8.2 Formas de control enzimático.

      Como ya se mencionó en la introducción existen dos formas básicas de control de las enzimas las cuales se pueden resumir en la tabla 8.2-1.

      Tabla 8.2-1

      Tipo de controles bioquímicos.

      2. Alteración de la actividad enzimática.

      2. Control por sustrato.

      2. Control alostérico.

      3. Control por retroalimentación.

      1. Simple.
      2. Secuencial.
      3. Múltiple.
      4. Concertado.
      5. Acumilativo.

      4. Control integral mediante la carga energética.

      1. Modificación de la enzima.

      a) Modificación irreversible.

      b) Modificación reversible.

      B. alteración en el número de moléculas de la enzima.

      1. Control transcripcional.
      2. Control traduccional.
      3. Degradación de la enzima.

       

      8.2.1 Control por sustrato.

      El nivel de control más simple se puede ejercer al cambiar la rapidez de reacción de una enzima, por ejemplo, al modificar la concentración del sustrato. Si ésta es cercana menor que la de la enzima, la rapidez se relaciona con la concentración del sustrato de acuerdo con la relación de Michaelis-Menten.

      ecuación 8.2.1-1

      Las enzimas que catalizan una reacción reversible y dependen de una cierta concentración de sustrato para operar, a menudo no parecen tener sustrato suficiente cuando éste se calcula por célula. Sin embargo, en las células eucarióticas, la compartimentalización permite a las enzimas asociarse espacialmente en las estructuras membranosas, que pueden dar concentraciones locales de sustrato muy altas. La misma puede ser enzimática cierto para otros factores necesarios para la actividad como los iones metálicos, co-enzimas y pH.

      8.2.2 Control alostérico.

      Las enzimas por tanto el control metabólico, puede ser afectado por ciertos metabolitos reguladores (efectores, modificadores o moduladores). Estos metabolitos pueden inhibir o activar la actividad enzimática.

      Hay enzimas que no siguen la cinética de Michaelis-Menten (figura 8.2.2-1). Cuando la velocidad de reacción V se grafica contra la concentración de sustrato, estas enzimas son complejos con múltiples componentes difíciles de aislar, se trata de enzimas reguladoras conocidas como enzimas alostéricas. De estas se pueden distinguir tres clases:

      1) Homotrópicas: Aquí el sustrato puede actuar como efector sobre la rapidez de la reacción enzimática, por lo general, incrementándola.

      2) Heterotrópicas: La inhibición o estimulación es causada por sustancias de origen natural que no sea el sustrato.

      3) Mixtas: Algunas enzimas muestran ambas características.

      Fig 8.2.2-1 Velocidad de la reacción enzimática vs concentración de sustrato.

      La naturaleza sigmoidal de la curva que depende del sustrato (fig 8.2.2-1) indica que la unión de las primeras moléculas de sustrato mejora la unión de las primeras moléculas posteriores. En las enzimas heterotrópicas la inhibición o estimulación daría como resultado cambios en la Km o en la Vmax de la enzima.

       

      1. Interacciones concertadas.

      El modelo concertado predice que la unión de una molécula de sustrato convierte a al enzima (todas las subunidades) a una forma de alta afinidad, la cual puede unir más rápidamente al sustrato (fig 8.2.2.1-1). El efecto de los inhibidores o de los activadores en una enzima heterotrópica también se puede explicar con este modelo.

      1. Fig 8.2.2.1-1 Modelo concertado para las interacciones alostéricas.

         

      2. Interacciones secuenciales.

      El modelo secuencial sugiere que hay dos estados conformacionales para las subunidades de la enzima. La unión del sustrato provoca un cambio en la conformación de la subunidad en cuestión. Este cambio no altera significativamente la otra subunidad, pero aumenta o disminuye la afinidad de las subunidades por el sustrato (fig 8.2.2.2-1). Nuevamente, un inhibidor o un activador puede encajar en el modelo.

      Fig 8.2.2.2-1 Modelo secuencial para las alteraciones alostéricas.

       

      1. El método por el cual las enzimas reguladoras con comportamiento alostérico controlan varias vías en su forma más simple, el que se conoce como retroinhibición o inhibición por producto final. Se ha encontrado que estas enzimas alostéricas se localizan en o cerca del comienzo de una vía enzimática y que son inhibidas o estimuladas por el producto final de esa vía. Muchos de estos tipos de control han sido investigados en la síntesis de aminoácidos en E. coli y se pueden identificar en muchos sistemas.

        1. Un ejemplo de este tipo de control se encuentra en la síntesis dl aminoácido isoleucina en la E. coli (fig 8.2.3.1-1). Aquí , si se permite que se forme la isoleucina inhibirá la actividad de la treonina desaminasa, la primera enzima en la cadena de la síntesis.

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          Fig 8.2.3.1-1 Retroinhibición simple, inhibición de la treonina desaminasa por la isoleucina.

        2. Control por retroalimentación simple.

          En ese caso, los productos de una ruta ramificada sólo afectan a la enzima que actúa desde el punto de ramificación, y el punto de ramificación intermedio afecta la vía común. Un ejemplo de esta forma de control es la síntesis de los aminoácidos aromáticos fenilalanina, tirosina y triptófano en Bacillus subtilis (fig 8.2.3.2-1). La formación de tri´ptófano, fenilalanina y tirosina, inhibe las enzimas en el punto de ramificación, lo cual provoca la formación de ácido corísmico. El exceso de ácido corísmico, a su vez, inhibe las primeras enzimas de la secuencia que conduce a este ácido.

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          Fig 8.2.3.2-1 Retroinhibición secuencial, control de la biosíntesis de tirosina, fenilalanina y triotófano.

           

        3. Control por retroalimentación secuencial.

          En este caso las enzimas reguladoras en el punto de ramificación de una vía enzimática, tienen sitios múltiples para efectores alostéricos diferentes, de modo que la inhibición completa se puede lograr sólo cuando ambos efectores estén presentes. Un ejemplo es el efecto de la fenilalanina y la tirosina sobre la enzima que forma al ácido frénico a partir del ácido corísmico (fig 8.2.3.3-1).

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          Fig 8.2.3.3-1 Retro control cortado, efecto combinado de la fenilalanina y la tirosina sobre la formación de ácido prefénico.

        4. Control por retroalimentación.

          La característica de este tipo de control es que la enzima en el comienzo de una ruta ramificada se presenta en más de una forma, cada una de las cuales es inhibida por uno de los productos finales.

          Un ejemplo es el control de la lisina, metionina y la isoleucina en la E. coli con la enzima controlante, asparto cinasa, que se presenta en tres formas, las cuales son afectadas en forma separada por la lisina, historina e isoleucina. (fig 8.2.3.4-1)

           

        5. Control enzimático múltiple.
        6. Control por retroalimentación acumulativa.

         

        Esto ocurre en algunas enzimas regulatorias donde los productos finales de la vía son muy diferentes. La enzima tiene múltiples sitios alostéricos en los que los efectores originan individualmente sólo la inhibición parcial. Se requieren cantidades saturantes de todos los efectores para completar la inhibición. Un ejemplo de esta case de control es la enzima glutamina sinteasa, la cual participa en las vías que conducen a varios compuestos como la histidina, el triptófano y la glucosamina-6-P (fig 8.2.3.5-1)

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        Fig 8.2.3.4-1 Control enzimático múltiple.

        Fig 8.2.3.5-1 Retrocontrol acumulativo de la glutamina sintetasa.

         

      2. Control por retroalimentación.
      3. Control integrado mediante la carga energética.

      No es razonable esperar el uso y la producción de ATP, el intermediario de alta energía, deban encontrarse balanceados dentro de la célula. En períodos cortos, el contenido de la célula de compuestos adenilados, AMP, ADP y ATO, se puede considerar constante. Por lo tanto, la cantidad de energía presente en la célula puede considerarse como la proporción de ATP y ADP con respecto al total de compuestos adenilados, el ATP es el doble de ADP. Esta suma se conoce como la carga energética:

      ecuación 8.2.4-1

      la carga energética tiene efecto sobre algunas enzimas y éste proviene de la función enzimática en el uso o generación del ATP, dos de estas enzimas son la fosfofructocinasa y la piruvato deshidrogenasa.

      La enzima fosfofructocinasa se sitúa en una etapa esencialmente irreversible de la glucólisis, la enzima es estimulada tanto por ADP como por AMP, e inhibida por ATP y nitrato. Por lo tanto, si la carga energética dentro de la célula es baja, la fosfofructocinasa se activa y el flujo de carbono a través de la glucólisis aumenta para producir más ATP. La formación de acetil CoA por la piruvato deshidrogenasa a partir de piruvato, el producto final de la glucólisis, también es esencialmente irreversible y, por lo tanto, controla la rapidez con la que funciona el ciclo de Krebs, así como la producción de ATP e intermediarios biosintéticos. La piruvato deshidrogenasa es inhibida por acetil CoA, NADH y ATP y activada AMP. Por lo tanto la enzima puede controlar el flujo de carbono a través del ciclo de Krebs dependiendo de los niveles de NADH, ATP y acetil CoA.

       

      2. Modificación de la enzima:

      Las enzimas pueden activarse o desactivarse por modificaciones ya sea reversibles o irreversibles, que a menudo son efectuadas por otras enzimas.

       

      1. Modificación irreversible.

      Algunas enzimas, en particular las enzimas digestivas, se sintetizan en una forma inactiva conocida como zimógeno. Esta forma se activa por la acción de una segunda enzima que rompe la molécula en un punto específico. Un ejemplo de esta forma de control es el quimotripsinógeno, la forma inactiva de la quimiotripsina, el quimotripsinógeno se sintetiza en el páncreas y consiste en una sola cadena polipeptídica, reticulada por cinco enlaces disulfuro. Cuando el enlace peptídico que une a la arginina 15 y la isoleucina 16 se rompe por la acción de la tripsina, el quimiotripsinógeno se convierte en la quimiotripsina totalmente activa.

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        Fig. 8.2.5-1. Modificación irreversible del quimotripsinógeno a

        quimotripsina activa

      2. Modificación reversible.

      La modificación de las enzimas de formas inactivas a formas activas puede ser reversible. Por ejemplo, una fosforilasa que se encuentra en el músculo existe en dos formas: una activa y otra inactiva. La forma inactiva pasa a la forma activa por la fosforilación de un residuo específico de serina mediante una enzima fosforilasa cinasa específica. Bajo diferentes condiciones, el grupo fosfato es removido de la enzima activa por una segunda enzima específica, fosforilasa fosfatasa, para producir la enzima inactiva.

      Se puede considerar un buen ejemplo, en el metabolismo del glucógeno, una forma de almacenamiento de glucosa, donde la síntesis y el rompimiento deben ser controlados y coordinados. En los animales, el metabolismo del glucógeno está bajo el control de hormonas en una serie compleja de reacciones que incluyen la modificación reversible de las enzimas.

      Otra forma de modificación reversible de la actividad enzimática, se encuentra en la enzima glutamina sintetasa de E. Coli. La enzima puede ser adenilada (adición del grupo adenina) por una enzima adenilil transferasa, la cual hace a la enzima más susceptible al control por retroalimentación por parte de la glutamina. Además, la glutamina inhibe a una enzima deadenilante, y por lo tanto, un aumento de la glutamina permitirá la formación de más enzimas susceptible, reduciendo así la formación de glutamina.

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      Fig. 8.2.5-2. Activación e inactivación de la fosforilasa por fosforilación reversible

      De un residuo específico de serina.

      Alteración del número de moléculas de enzima

      Hay un segundo tipo de control, posiblemente controles aproximados, que determinan el número de moléculas de enzima presentes dentro de una célula. Se puede ver que el control es ejercitado tanto en el estado transcripcional como en el traduccional. Un tercer control posible es un incremento en la degradación de la enzima en cuestión sin afectar su rapidez de síntesis, reduciendo así su concentración global.

      Sistemas procarióticos

      Los procariotas tienen cromosomas individuales en forma superior – arrollada. La expresión genética correcta en los procariotas depende de las secuencias de ADN que flanquean las secuencias de instrucciones. La transcripción de los genes requiere RNA polimerasas, que pueden tener asociados los factores polipeptídicos sigma y rho. El factor sigma promueve la unión de la RNA polimerasa al ADN en sitios específicos ubicados justo antes de las secuencias de instrucciones de la proteína, conocidos como región del promotor (figura 8.2.7). Algo importante en el sitio del promotor, son diez nucleótidos ubicados antes de su comienzo, conocidos como la caja de Pribnow y que contienen la secuencia TATAAT. El segundo sitio está aproximadamente de 23 a 25 nucleótidos cuesta arriba, con la secuencia TTGACA. En los genes cuya secuencia de bases de la región del promotor se ha analizado, se ha encontrado poca variación entre los promotores que puede tener algún efecto sobre la resistencia del promotor y la longitud de la copia.

      Una vez que se inicia la transcripción sobre la hebra con sentido del ADN. El factor sigma se disocia. Una característica adicional de la secuencia de nucleótidos ubicada cuesta arriba de la mayoría de los genes, es la presencia de un sitio de unión para los ribosomas o secuencia de Shine – Delgarno. Esto sucede a pocos pares de bases cuesta arriba del codón de iniciación, que comúnmente es AUG. La terminación de la transcripción también se realiza en sitios específicos del ADN, caracterizado por un par de secuencias repetidas invertidas, las cuales, por emparejamiento interno, originan una estructura de tallo y lazo.

      En algunos casos es necesario el polipéptido rho para la terminación de la transcripción, pero desconoce su participación.

      Promotor Gene estructural

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      Fig. 8.2.7. Estructura de las regiones promotoras, en el ADN de los

      organismos procariotas.

       

       

      1. Operones.

      En las bacterias, los genes para funciones relacionadas en un proceso metabólico, con frecuencia se localizan adyacentes entre sí y se transcriben como una molécula de RNA mensajero simple (RNA poliscistrónico). Este RNA mensajero contiene secuencias interpuestas cortas no codificadoras. Este acomodo de genes se conoce como un operón. Por lo tanto, el mRNA simple puede producir varias proteínas relacionadas rápidamente en la traducción.

      Algunos genes se expresan constantemente y se describen como genes con expresión constitutiva, mientras que otros pueden inducirse por una señal intracelular. Los genes indecibles presentan expresión elevada bajo el estímulo apropiado.

      Además de la región del promotor, existe otra secuencia de bases que es adyacente o traslapa la región del promotor conocida como región del operador. Esta región es responsable del control de la unión de la RNA polimerasa al promotor. Las proteínas conocidas como represores, se pueden unir al operador y evitar la transcripción. Este tipo de control puede funcionar como control positivo o negativo.

      1. En el control negativo el operón se transcribe en condiciones normales, pero es detenido por el enlace de un co – represor con un apo – represor ya presente para formar un represor activo que tiene la transcripción.
      2. En ele control positivo, por lo general el operón no se transcribe sino por la unión de un coactivador con el apo – activador que favorece la combinación para unir al operón que inicia la transcripción.

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      Fig. 8.2.7-1. Controles positivos y negativos de la transcripción

       

       

      1. El operón lac.

      El primer operón descubierto fue el operón lac, el cual se compone de tres genes estructurales que intervienen en la captación y metabolismo de la lactosa, la b -galactosidasa, una permeasa, y transacetilasa. A contra corriente de los genes estructurales se encuentra un operador, un promotor y un sitio que es reconocido por una proteína que encuentra un operador, un promotor y un sitio que es reconocido por una proteína que actúa como activador positivo, conocida como proteína activadora de catabolitos (CAP).

      Esta proteína tiene un sitio de enlace para el AMP cíclico AMP el cual se induce cuando baja la concentración de glucosa. La unión del AMPc activa a la proteína y lee permite unirse al ADN en el sitio cuesta arriba del sitio de reconocimiento de la RNA polimerasa lo cual presumiblemente facilita la unión de la RNA polimerasa.

      Además de la regulación inducible positiva del operón lac, también existe un elemento inducible negativo que reprime al operón en ausencia de lactosa. Una proteína represora de lac se une al operador y evita la transcripción. La inducción es causada por un isómero de la lactosa llamado alolactosa que se une a la proteína represora dando como resultado la detención del enlace del represor lac con el operador e induciendo así la transcripción.

      1. Sistemas eucarióticos

      Las células eucarióticas contienen un núcleo separado del resto de la célula por una membrana, el cual contiene cromosomas lineales múltiples. Cada cromosoma contiene un ADN individual de doble hélice, aunque generalmente los cromosomas se encuentran en pares y por lo tanto, contiene información homóloga. En los mamíferos, un par de cromosomas determina el sexo, con dos cromosas tipo X que determina las características femeninas y un cromosoma X y uno Y que determina las características masculinas.

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      Fig. 8.2.8. Estructuraa de la región promotora en el ADN de los

      Organismos eucariotas.

       

      El ADN nuclear se encuentra asociado con proteínas, las histonas. Estas proteínas son responsables de mantener la estructura y el metabolismo del ADN, incluyendo la expresión genética. En las células eucarióticas se encuentran tres RNA polimerasas. La RNA polimerasa I es responsable de la producción del RNA ribosomal, la polimeras III de la producción de RNA de transferencia y la polimeras II participa en la producción del mRNA.

      Estos tipos de secuencias que afectan la transcripción, pueden operar sobre grandes distancias. Las secuencias mejoradas identificadas en genes virales, pueden actuar sobre distancias de hasta 3 kb. Estos elementos exhiben homología secuencial, pero con frecuencia su efecto se restringe a tipos específicos de tejido. No existe información clara sobre señales de terminación de la transcripción en los eucariotas. En la expresión genética de los eucariotas, se han incluido otras características como la capacidad de la hélice para cambiar a la forma Z, así como la presencia de residuos metilados de citosina como mecanismo para desconectar genes.

      Luego de la transcripción en eucariotas, el RNA mensajero se modifica por adición de un cap. 5, a partir de un radical 7 – metilguanilil, le cual ayuda al RNA mensajero a unirse al ribosoma. También se adiciona una cola de 100 – 200 nucleótidos de longitud de poli – A en el extremo 3’ del RNAm y es señalada por unos 13 – 20 nucleótidos ubicados cuesta debajo de una secuencia AAUAAA:

      En conclusión en los sistemas eucarióticos se deben tener en cuenta dos cosas:

      • Existen tres tipos de ARN polimerasa I, II y III.
      • Los genes están fragmentados en zonas sin sentido o intrones y zonas con sentido o exones. Antes ha de madurar y eliminar los intrones.

      En la trascripción de eucariontes se distinguen las siguientes fases:

      a) Iniciación: la ARN polimerasa II se une a una zona del ADN llamada promotor (posee secuencias CAAT y TATA)

      b) Elongación: la síntesis continua en sentido 5´-3´. Al poco se añade una caperuza (metil-guanosín trifosfato) al extremo 5´.

      c) Finalización: parece que está relacionado con la secuencia TTATTT. Ahora interviene un poli-A polimerasa que añade una cola de poli-A al pre-ARNm (ARNhn).

      d) Maduración: se produce en el núcleo y la hace un enzima llamada RNPpn, que elimina los nuevos intrones (I) formados.

      Posteriormente las ARN ligasas empalman los exones (E) y forman el ARNm.

       

      1. La secuencia de instrucciones de genes eucarióticos también puede contener secuencias sin instrucciones llamadas intrones, los cuales se procesan o eliminen del RNAm en el núcleo. Las secuencias de instrucciones que son interrumpidas por los intrones se llaman exones.

      2. Intrones.
      3. Regulación por modificación post – traduccional.

      La secuencia de aminoácidos determina las estructuras secundaria y terciaria en las cuales se dobla la proteína. Puede ocurrir también otra modificación que afecte la especificidad, las propiedades y la actividad de las proteínas.

      Las proteínas destinadas a la exportación tienen una secuencia principal N-terminal de 15 – 30 aminoácidos, que tiene propiedades hidrofóbicas. Esta secuencia tiene alta afinidad por las membranas y permite la secreción posterior. En el proceso de secreción hay también remoción de la secuencia líder por una proteasa. El proceso proteolítico también es importante para producir otras proteínas precursoras, por ejemplo, la producción de insulina a partir de la proinsulina.

       

       

       

      8.3 Conclusiones.

      1. Los procesos enzimáticos de los microorganismos están regulados por ciertos tipos de controles ya que no se puede llevar a cabo en forma desordenada y aleatoria, de este modo se evita síntesis inadecuadas y mal funcionamiento del metabolismo.
      2. El control metabólico se lleva a cabo por medio de metabolitos que pueden inhibir o activar la actividad enzimática y cinética de las bioreacciones.
      3. Existen ciertos tipos de control como son los de retroalimentación que se realizan por medio de procesos de inhibición por medio de los cuales ciertos compuestos inhiben a las enzimas en algunos puntos, provocando la formación que éstos a su vez pueden inhibir a otras enzimas.
      4. La cantidad de energía presente en una célula tanto en forma de AMP, ADP o ATP también funciona como regulador de ciertos procesos metabólicos, ya que la presencia de uno de éstos compuestos activa o cataboliza la formación de otros compuestos energéticos.
      5. Las enzimas pueden activarse o desactivarse por modificaciones reversibles o irreversibles que son efectuadas por otras enzimas.
      6. Algunas enzimas se sintetizan en forma inactiva por la acción de una segunda enzima que rompe la molécula en un punto específico, esta forma inactiva se conoce como zimógeno.

       

       

      8.4 Bibliografía:

      1. Scragg Alan, "Biotecnología para ingenieros. Sistemas biológicos en procesos tecnológicos", Primera reimpresión, Editorial Limusa S.A, México, 1997.

       

       

       

      Autor:

      Arias Edison – Lastra Jorge