TEMA 5: Otras biomoléculas de importancia biológica.

BIOLOGÍA CELULAR Y MOLECULARUNIDAD NO. 1. INTRODUCCIÓN AL ESTUDIO DE LA BIOLOGÍA CELULAR Y

MOLECULAR. BASES MOLECULARES DE LA VIDA.

Regulación enzimática. Concepto. Tipos.

• Inducción y represión.

• Modificación alostérica.

• Modificación covalente.

• Otros tipos de regulación: proteólisis e isomerización.

Cofactores enzimáticos.

• Generalidades.

• Ejemplos

REGULACIÓN

Cap. 17: Págs. 299-300

Se da en sistemas o procesos

Capaz de variar su comportamiento en respuesta a

los cambios del entorno

La respuesta puede ser directa o indirecta

La respuesta tiende a modificar el estimulo

volviendo a la situación inicial.

Existe un patrón estructural o funcional en los organismos que tiende a mantenerseestable frente a los cambios que se operan en el entorno. El sistema de regulación estáencaminado a mantener ese patrón estructural o funcional.

COMPONENTES DE UN SISTEMA DE REGULACIÓN

Convierte estímulo en señal

interna

SEÑAL

ESTÍMULO

RECEPTOR

TRANSDUCTOR

Amplificador Efector Respuesta

Aumento de c(sust. Específ)

Aumento intensidad de señal

Modifica estímulo inicial

Una o varias enzimas

MECANISMOS DE REGULACIÓNENZIMÁTICA

• Mecanismos que modifican la cantidad de enzimas: Inducción. Represión.

• Mecanismos que modifican la actividad enzimática: Modificación alostérica. Modificación covalente.

MECANISMOS QUE MODIFICAN LA [ENZIMAS]

• Inducción: la presencia de una sustancia en lacélula puede activar el proceso de síntesis de laenzima y por tanto aumentar su cantidad.

• Represión: el estímulo determina la disminuciónde la síntesis enzimática por lo cual la cantidadde enzima disminuye.

Ambos son mecanismos lentos porque implican síntesis o degradación de

enzimas involucradas y en ellos se da respuesta a una señal química

(metabolito)

MODIFICACIÓN ALOSTÉRICA

Mecanismo por el cual una sustancia denominada

efector alostérico se une a la enzima en un lugar llamado

sitio alostérico, mediante interacciones débiles y provoca

cambios conformacionales, que modifican la velocidad

de la reacción.

MECANISMOS QUE MODIFICAN LA ACTIVIDAD DE LAS ENZIMAS

La regulación

alostérica se

fundamenta en la

existencia de dos

conformaciones de

la enzima

oligomérica, cada

una con actividad

diferente: una forma

activa o relajada (R)

y una forma inactiva

o tensa (T).

El modelo simétrico o concertado fue elaborado en 1965 por

Jacques Monod, Jeffries Wyrnan y Jean-Pierre Changeux del

Instituto Pasteur de París, fue el primer modelo propuesto en

términos moleculares y el más sencillo.

Propone que las enzimas están formadas por varias subunidades

(estructura cuaternaria) y todas se encuentran en el mismo estado

conformacional (simetría).

Ambas formas se encuentran en equilibrio

R T

El paso de una forma a la otra se produce por la unión, al

sitio alostérico, de un efector.

Los efectores son sustancias del propio metabolismo

celular.

El modelo se nombra como concertado porque se transita

de un estado conformacional hacia otro, trasmitiéndose a

las otras subunidades haciendo que todas ellas adopten

la misma conformación.

MODELO SIMÉTRICO O CONCERTADO

Supongamos que tenemos:

Enzima (E) Sustrato (S) Ligando A (A) Ligando B (B)

(estado R activo) (estado T inactivo)

A BSI ENTONCESR

R

ENZIMA EN

EQUILIBRIO

SI S ENTONCES

R

R

S

T

TMAYOR

V

SI

A ENTONCES

R

R

SA

T

TMUCHA

MAYOR

V

S

LOS COMPLEJOS RA, RS, RAS VAN A AUMENTAR LA V DE REACCIÓN

T

T

MODELO SIMÉTRICO O CONCERTADO

Supongamos que tenemos:

Enzima (E) Sustrato (S) Ligando A (A) Ligando B (B)

(estado R activo) (estado T inactivo)

B ENTONCES

R

R

T

T

B

MUCHA

MENOR

V

EL LIGANDO B POSEE CONFORMACIÓN T, POR LO QUE SE DESPLAZA

EL EQUILIBRIO HACIA EL AUMENTO DE LA CONFORMACIÓN T EN LA

ENZIMA, Y AL SER ESTA INACTIVA, LA VELOCIDAD DE REACCIÓN

DISMINUYE

LAS UNIONES R+A, RA+S, RS+A VAN A INCREMENTAR

CONSIDERABLEMENTE LA VELOCIDAD AL SER A UN ACTIVADOR

ALOSTÉRICO (EFECTO POSITIVO)

EN CAMBIO SI:R

R

T

T

AÑADIMOS

MODELO SECUENCIAL

Propone que:

• Existen dos conformaciones (R y T) posibles para

cada subunidad de la enzima.

• La unión del sustrato cambia la conformación de la

subunidad a la que se une, pero no altera de forma

apreciable la del resto de las subunidades.

• La transformación que ocurra en esa subunidad

puede determinar si la velocidad va a aumentar o

disminuir porque influye en la afinidad por el sustrato

del resto de las unidades (la incrementa o disminuye).

La curva que se obtiene de [S] vs velocidad es en forma sigmoidal (forma de S alargada).

Curvas de velocidad de una de las reacciones la síntesis de pirimidinas. La

Aspartato transcarbamoilasa (ATCasa) cataliza la formación de N-

carbamoilaspartato de carbamoil fosfato y ácido aspártico

CARACTERÍSTICAS DE LAS ENZIMAS ALOSTÉRICAS

• Son proteínas oligoméricas de elevado peso

molecular.

• Existen en varios estados conformacionales

interconvertibles y con afinidad diferente para cada

uno de sus ligandos.

• Los ligandos se unen a la enzima en sitios

específicos por fuerzas no covalentes y de forma

reversible, afectando el estado conformacional de

las enzimas.

• Los cambios conformacionales en una subunidad se

comunican en mayor o menor grado al resto de las

subunidades.

EJEMPLO DE REGULACIÓN ALOSTÉRICA

La pareja que con mayor frecuencia cumple estas funciones es la

formada por el ATP y el ADP, sus concentraciones relativas controlan

un gran número de actividades enzimáticas.

Formación de ATP:

ADP + Pi ATP + H2O

Formación de ADP:

ATP + H2O ADP + Pi

Al aumentar las concentraciones de ATP disminuyen las de ADP y

viceversa.

Ej: En la fosfofructoquinasa el ATP es un efector negativo (inhibidor) y

el ADP es positivo (activador), como las concentraciones de ambos

no pueden aumentar simultáneamente, en cada momento la enzima

sólo estará expuesta a elevadas concentraciones de uno de ellos y así

será su respuesta.

MODIFICACIÓN COVALENTE

Es el mecanismo mediante el cual la unión por enlace

covalente de un grupo químico a la enzima, le provoca

un cambio conformacional que produce una variación

de la velocidad de reacción.

Los tipos mis difundidos de modificación covalente son:

Fosforilación – desfosforilación (P),

Adenilación - desadenilación (AMP grupo adenilato); y

Intercambio de sulfihidrilos (SH) – disulfuros (SS).

OH

ADPATP

Quinasa

H2OPi

La forma activa puede ser la fosforilada o la no

fosforilada en dependencia de la enzima.

O-(P)

Ciertos residuos de serina, treonina o tirosina de la

proteína enzimática pueden ser fosforilados por

determinadas quinasas.

Fosforilación-Desfosforilación

Fosfatasa

Cap. 17: Págs. 306-309 y 311

CARACTERÍSTICAS DE LA

MODIFICACIÓN COVALENTE

• Se modifica la composición de la

enzima, que conduce a un cambio

conformacional secundario y

modificación de la actividad.

• Menor rapidez que la modificación

alostérica.

+

Zimógeno (precursor inactivo

de la enzima)

Enzima activa

Este tipo de regulación está presente en varias enzimas digestivas

(Ej: quimotripsina, que participa en la proteólisis de proteínas y

tiene como precursor el quimotripsinógeno enzimáticamente

inactivo).

Proteólisis parcial (por hidrólisis)

OTROS MECANISMOS DE REGULACIÓN

Es una variedad de modificación covalente (por la ruptura de

enlaces peptídicos), aunque no posee carácter irreversible.

H2O

Enzima

proteolítica

(se sintetizan enzimas inactivas y se activan por ruptura de enlace peptídicos)

HHHH HHHM HHMM HMMM MMMM

IsoenzimasIsoenzimas: son formas diferentes de una misma enzima que se diferencian

en sus propiedades cinéticas y químicas y hacen que las reacciones que ellas

catalizan presenten características diferentes.

LDH: está presente en todos los tejidos y en ellos cataliza la misma

reacción (conversión de ácido láctico a ácido pirúvico y viceversa)

presente, por ejemplo, en el metabolismo anaerobio de la glucosa con el fin

de obtener energía en células musculares esqueléticas.

Formada por la combinación de dos tipos de cadenas diferentes: las designadas H

del miocardio (con afinidad por el lactato) y las M del músculo estriado esquelético

(poseen afinidad por el piruvato).

Enzima

tetramérica

ISOENZIMAS

OTROS MECANISMOS DE REGULACIÓN

COFACTORES

Sustancias de carácter no proteico y

bajo peso molecular; son moléculas o

iones imprescindibles para la acción

catalítica de muchas enzimas.

• Contribuyen a la unión entre la enzima

y el sustrato.

• Estabilizan la enzima en su

conformación más activa.

• Constituyen frecuentemente parte del

grupo catalítico principal.

• Son transportadores intraenzimáticos

o interenzimáticos en la reacción

catalizada.

FORMAS DE ACTUACIÓN DE LOS

COFACTORES

Cap. 19: Págs. 334-335

TIPOS DE COFACTORES

Grupos Prostéticos

Coenzimas (Vit B)

INORGÁNICOS ORGÁNICOS

Iones

(Mg2+ Zn2+ Ca2+

Fe2+ Mn2+ K+

Ej: en la catalasa el grupo prostético hemo se une al Fe para darle

actividad a la enzima que posee función protectora contra peróxidos.

APOENZIMA + COFACTOR = HOLOENZIMA (ENZIMA ACTIVA)

3’ Fosfoadenosín difosfato

Ácido pantoténicoβ Mercaptoetilamina

Coenzima A

Cap. 19: Págs. 343-344

Nicotinamín adenín dinucleótido (NAD+

Nicotinamida

Cap. 19: Págs. 335-337

Flavín adenín dinucleótido (FAD)

Riboflavina

Cap. 19: Págs. 337-338

Enlaces anhidridos de ácidos

Adenosín trifosfato (ATP)

Cap. 19: Págs. 347-348

CONCLUSIONES• Las enzimas aceleran la velocidad de las reacciones disminuyendo

la energía de activación y su mecanismo básico de acción consta

de dos etapas, la de unión y la de transformación.

• La estructura tridimensional del centro activo y sus componentes

determinan la especificidad de sustrato y de acción de las

enzimas.

• Existen factores que influyen en la velocidad de la reacción

enzimática, modificando la estructura de la enzima y en particular

de su centro activo, aspecto de gran importancia en la práctica

médica.

• Las formas básicas de regulación enzimática se manifiestan por

variación en la cantidad, ya sea por inducción o represión y por

variación en su actividad, como la regulación alostérica y

covalente.

TAREA EVALUATIVA INDIVIDUAL

Explique porqué se realiza la determinación de

los niveles de enzimas séricas como la LDH

para detectar casos de infarto agudo del

miocardio.

ENTREGAR:

POR ESCRITO

FECHA DE ENTREGA:

VIERNES 12/10/2012