enzimas reguladoras

Luz María Viñas Cerón BIOQUÍMICA I 15 de marzo de 2015

Capítulo 8: Enzimas Enzimas Reguladoras

Ahora giramos hacía una clase especial de enzimas que representan excepciones a

algunas de las reglas mencionadas a lo largo de este capítulo. En el metabolismo celular,

grupos de enzimas trabajan juntas dentro de caminos secuencia para realizar un proceso

metabólico dado, tal como la multireacción de la conversión de glucosa a lactasa en músculos

esqueléticos o la multireacción en la síntesis de un aminoácido a partir de precursores simples

en una célula bacteriana. En algunos sistemas de enzimas, la reacción producida por la

primer encima convierte el sustrato del siguiente, así sucesivamente.

La mayoría de las enzimas en cada sistema sigue patrones cinéticos ya descritos. Sin

embargo, dentro de cada sistema enzimático, hay por lo menos una enzima que determina la

tasa de reacción de todas las secuencias porque limita la tasa de reacción o es la enzima a la

que pertenece la velocidad limitante. Estas enzimas regulatorias muestran incrementos o

decrementos de su actividad catalítica en respuesta a determinadas señales. Con las acciones

de estas enzimas regulatorias, los procesos metabólicos son constantemente ajustados para

satisfacer los cambios en las demandas de energía y biomoléculas requeridas en el crecimiento

y reparación celular. En la mayoría de los sistemas multienzimáticos, la primera enzima en

canalizar es una enzima regulatoria. En el proceso de catálisis, incluso las primeras reacciones

de una vía que conduce a un productor innecesario, desvían energía y metabolitos de otros

procesos más importantes. Por tanto, un excelente sitio para regular una vía metabólica es el

punto critico de la vía metabólica. Las otras enzimas en la secuencia de reacción usualmente

se presentan en concentraciones que proveen un gran excesos de actividad catalítica, estas

pueden estimular sus reacciones tan rápido como sus sustratos están saliendo de las reacciones

precursoras.

La actividad de las enzimas regulatoria es modelada mediante varios tipos de moléculas

indicadoras, las cuales son generalmente pequeños metabolitos o cofactores. Hay dos clases

TRADUCCIÓN UNIDAD I !1

generales de encimas regulatoria dentro de las vías metabólicas. Las enzimas alostéricas que

actúan reversiblemente, mediante una unión no covalente con el metabolito regulatorio

llamado modulador. El termino alostérico proviene del griego allos que significa “otros” y

setteros que significa “sólido” o “figura”. Las enzimas alostéricas son aquellas que tienen

“otras formas” u arreglos espaciales inducidos por la unión con los moduladores. La segunda

clase incluye a las enzimas reguladas por modificaciones reversibles de los enlaces covalentes.

Ambas clases de enzimas regulatorias tienen a tener múltiples subunidades, y en algunos

casos, el sitio o sitios regulatorios y los sitios activos son unidades separadas.

Existen por lo menos otros dos mecanismos por los cuales cada actividad enzimática es

regulada. Algunas enzimas son estimuladas o inhibidas por otras proteínas de control que se

unen a ellas y afectan su actividad. Otras son activadas por el desdoblamiento proteico, el

cual, a comparación de otros mecanismos, es irreversible. Ejemplos importantes de estos dos

mecanismos se pueden observar en procesos fisiológicos como la digestión, la coagulación de

sangre, las acciones de las hormonas y la visión.

No hay una sola regla que defina la frecuencia de los diferentes tipos de regulación

dentro de los diferentes sistemas. En cierto grado, La regulación alostérica (no covalente)

puede permitir un ajuste de las vías metabólicas que son requeridas continuamente pero en

diferentes niveles de actividad, acordes a las cambiantes necesidades celulares. La regulación

dada por modificaciones en enlaces covalentes tiende a inhibir o permitir totalmente la

actividad enzimática, sin embargo, ambos tipos de regulación son estudiados en cierto

número de enzimas regulatorias.

Enzimas Alostéricas son reguladas por los enlaces no covalentes de Moduladores

En algunos sistemas multienzimaticos la enzima regulatoria es inhibida específicamente

por el producto final de la reacciones siempre que el producto final exceda las necesidades

celularesm cuando se reduzca la reacción de la enzima regulatoria, las enzimas subsecuentes

operaran a tasas de reacción menores debido a que sus sustratos se agotan. Así la tasa de

producción del producto final de las vías enzimáticas se encontrara en balance con las

necesidades celulares. Este tipo de regulación es llamado retroacción inhibido. La

acumulación del producto final desacalorará toda la vía enzimática.


Uno de los primeros ejemplos descubiertos de la inhibición por retroacción alostérica

fue en un sistema enzimasico bacteriano que cataliza la conversión de L-Treonina a L-

Isoleucina. En este sistema, la primera enzima, treonina deshidratasa* es inhibida por la

isoleucina, el producto de la ultima reacción del conjunto de reacciones enzimaticas. La

isoleucina es bastante específica como inhibidor, ningún otro intermediario en esta secuencia

de reacciones inhibe la Treonina deshidratasa, así como ninguna otra enzima en la secuencia

de reacciones lo hace. La isoleucina no se une al sitio activo, sino a otro sitio especifico en la

molécula enzimática: el sitio regulatorio. Este enlace es no covalente y, por tanto, fácilmente

reversible; si la concentración de isoleucina decrece, la tasa de acción de la reinan

deshidratasa aumenta, así la actividad de la treonina deshidratasa responde rápida y

reversiblemente a las fluctuaciones de las concentraciones de isoleucina en la célula.

Enzimas Alostéricas son la excepción a muchas reglas generales.

Los moduladores para las enzimas alostéricas pueden ser inhibidores o estimuladores.

Un activador es con frecuencia un sustrato por sí mismo, y las enzimas reguladoras, para las

cuales el sustrato y el modulador son idénticos, son llamadas homotrópicas. Cuando el

modulador es otra molécula diferente al sustrato, la enzima es heterotrópica. Algunas

enzimas tienen dos o más moduladores.

Como ya habrán notado, las propiedades de las enzimas alostéricas son

significativamente diferentes a las simples de las enzimas no regulatoria, discutidas en el

capítulo anterior. Algunas de estas diferencias son estructurales. En adición a sitios activos o

catalíticos, las enzimas alostéricas tienen generalmente un o más sitios regulatorios o

alostéricos para el enlace del modulador. Así como el sitio activo de las enzimas es específico

para su sustrato, el sitio o alostérico es específico para su modulador. Enzimas con varios

moduladores tienen generalmente sitios específicos de enlace para cada uno. En las enzimas

homotrópicas el sitio activo y el sitio regulador son el mismo.

LAs enzimas alostéricas son generalmente más largas y complejas que las enzimas

simples. La mayoría de ellas tiene dos o más cadenas o subunidades polipeptídicas. El

aspartarto transcarbomolasa, quién cataliza la primer reacción de la biosíntesis de los

nucleótidos pirimidicos, tienen doce cadenas polipeptídicas organizadas dentro de

subunidades catalíticas y regulatorias.


Otras diferencias entre enzimas no reguladas y enzimas alostéricas involucra sus

propiedades cinéticas. Las enzimas alostéricas muestran relación entre V0 y [S], que difieren

de la normalidad del comportamiento de Michaelis-Menten. Estas exhiben saturación con el

sustrato cuando [S] es suficientemente alto, pero para algunas enzimas alostéricas, cuando V0

esta en un punto intermedio, no podemos referimos con la designación Km porque la enzimas

no sigue la relación hiperbólica de Michaelis-Menten. En su lugar, el síbolo [S]0.5 o [K]0.5 es

frecuentemente usado para representar la concentración de sustrato dada a la mitad de la

velocidad máxima de la reacción canalizada por una enzimas alostérica.

El comportamiento cinético sigmoideo refleja generalmente interacciones cooperativas entre

las múltiples subunidades proteicas. En otras palabras, los cambios de una sub-unidad son

trasladados en cambios estructurales de subunidades adyacentes, un efecto que es mediado

por interacciones no covalentes en la interfase entre las subunidades. Los principios son

similares a los discutidos en la cooperación del oxígeno al momento de unirse a la

hemoglobina.

Las enzimas alostéricas homotrópicas generalmente tienen múltiples subunidades. En

muchos casos el mismo sitio de unión en cada subsidiad funciona como sitio activo y

regulador. El sustrato puede funcionar como un activador porque las unidades actúan

simultáneamente. La unión de una molécula del sustrato a un sitio de unión altera la

conformación de la enzimas y mejora considerablemente la unión de subsecuentes moléculas

de sustrato; esto explica porque se forma la gráfica sigmoidea, en lugar del incremento

hiperbólico en V0 con el incremento de [S].

Con respecto a las enzimas heterotrópicas, en las cuales el modulador es un

metabolismo distinto al propio sustrato, es difícil generalizar la condición de la curva de

saturación del sustrato. Un activador puede hacer que la curva de saturación de sustrato se

haga casi hiperbólica, con un decremento en K0.5 pero manteniendo constante Vmax , lo que

da lugar a un incremento de la velocidad de reacción a una concentración constante de

sustrato. [V0] es mas alto que cualquier valor de [S]. Otras enzimas alostéricas responden a

un activador mediante un incremento de Vmax , con un pequeño cambio en K0.5. Por lo tanto,

las enzimas alostéricas muestran diferentes tipos de respuesta en sus curvas de actividad con el

sustrato, debido a que algunas tienen moduladores inhibitorios, otras activadores, y algunas

otras ambos.


Dos Modelos que explican el Comportamiento Cinético de las Enzimas Alostéricas

La dependencia sigmoidal de V0 sobre [S] refleja subunidades cooperativas, y ha

inspirado a dos modelos a explicar estas interacciones cooperativas. En el primer modelo ( el

modelo simétrico), propuesto por Jacques Monod y colegas en 1965, una enzima alostérica

puede existir solamente en dos conformaciones, la activa y la inactiva. Todas las subunidades

están en la forma activa o bien todas están en la forma inactiva. Toda molécula de sustrato

que se une incrementa la posibilidad del estado inactivo al activo.

En el segundo modelo, propuesto por Koshland en 1996, hay dos conformaciones, pero

las subunidades pueden experimentar cambios conformacionales individualmente. La unión

de sustrato incrementoa la probabilidad de un cambio conformacional. Un cambio

conformacional en una subsidiad provoca un cambio similares la subunidad adyacente, así

como la unión de una segunda molécula de sustrato, y así sucesivamente. Hay más estados

intermediarios posibles en este modelo que en el modelo simétrico, ambos modelos no son

mutuamente excluyentes. El modelo simétrico puede verse como un sistema “activo o no

activo”, limitando el modelo secuencial.

El mecanismo preciso de las interacciones alostéricas no ha sido establecido. Diferentes

enzimas alostéricas pueden tener diferentes mecanismos en sus interacciones cooperativas.

Otros mecanismos de la Enzima Reguladora

En otra clase importante de enzimas reguladoras, la actividad es regulada por

modificaciones covalentes en la enzima. La modificación de grupos incluye el fosfato, la

adenosina monofosfato, urdirían monofosfato, ribosa adenosin bifosfato, y grupos metilo.

Estos son generalmente unidos y separados covalentemente de la enzima reguladora por

enzimas separdas.

Un ejemplo importante de regulación mediante la modificación de enlaces colvalentes

es la glicógeno fosforilasa (Mr 94,500) de músculo e hígado, el cuál cataliza la reacción:


Otrosmecanismosdelasenzimasreguladoras

Enotraclase importantedeenzimasreguladoras , laactividades reguladapor

modificaciones covalentes en la enzima. Lamodificación de grupos incluido el

fosfato, la adenosina monofosfato, uridina monofosfato, ribosa de adenosin

bifosfato, y grupos metilo. Estos son generalmente unidos y separados

covalentementedelaenzimareguladoraporenzimasseparadas.

Un ejemplo importante de regulación mediante la modificación de enlaces

covalenteseslaglicógenofosforilasa(Mr94,500)demúsculoehígado,elcual

catalizalareacción:

La glucosa‐1‐fosfato formadapuededegradarsehasta lactatoenmúsculoo ser

convertidaenglucosayliberadaenelhígado.Laglucógenofosforilasaactúade

dos formas: La forma activa∝‐fosforilasa y la relativamente forma inactiva b‐

fosforilasa.La∝‐fosforilasatienedossubunidades,cadacualesconunespecifico

tratamientodesuresiduoqueesfosforiladoenelgrupohidroxilo.Estosresiduos

de serina fosfato son indispensables para unamáxima actividad de la enzima.

Losgruposfosfatopuedenserremovidosmediantehidrólisisdela∝‐fosforilasa

porunaenzimaseparadallamadafosforilasafosfatasa:

Enestareacciónla∝‐fosforilasaesconvertidaenb‐fosforilasaporladivisiónde

dosenlacescovalentesdeserina‐fosfato.

La b‐fosforilasa puede reactivarse a ∝‐fosforilasa mediante otra enzima, la

fosforilasaquinasa,lacualcatalizalatransferenciadegruposfosfatodelATPa

loshidroxilosdelosresiduosespecíficosenlab‐fosforilasa.

(Glucosa)n+Pi

Glicógeno

(Glucosa)n‐1+Glucosa‐1‐Fosfato.

∝‐fosforilasa+2H2O

(Masactiva)

b‐fosforilasa+2Pi

(Menosactiva)

La glucosa-1-fosfato formada puede degradarse hasta lactato en músculo o ser

convertida en glucosa y liberada en el hígado. El glucógeno fosforilasa actúa de dos formas:

La forma activa α-fosforilasa y la relativamente forma inactiva β-fosforilasa. La α-fosforilasa

tiene dos subunidades, cada cuales con un específico tratamiento de su residuo que es

fosforilado en el grupo hidróxilo. Estos residuos de serina fosfato son indispensables para una

máxima actividad de la enzima. Los grupos fosfato pueden ser removidos mediante hidrólisis

de la α-fosforilasa por una enzima separada llamada fosforilasa fosfatasa:

En esta reacción la β-fosforilasa puede activarse a α-fosforilasa por la división de dos

enlaces covalentes de serina-fosfato.

La β-fosforilasa puede reactivarse a α-fosforilasa mediante otra enzima, la fosforilasa

quintasa, la cual cataliza la transferencia de grupos fosfato del ATP a los hidroxilos de los

residuos específicos en la β-fosforilasa.

La ruptura de glucógeno en el músculo esquelético y el hígado esta regulada por

variaciones de las proporciones de las dos formas de la enzima. Las formas “α” y “β” de la

fosforilasa difieren en su estructura, y como consecuencia, cambios en la actividad catalítica

cada vez que hay interconversiones de formas.

Algunas de las enzimas regulatorias más complejas se encuentran en los puntos de

particular importancia en el metabolismo, para que respondan a los múltiples metabólicos

regulatorio a través de modificaciones alostéricas y covalentes, glicógeno fosforilasa es un

ejemplo, aunque su regulación primaria es a través de modificación covalente, cabe decir que

también es modulada no covalentemente, de manera alostérica por AMP, el cual es un

activador de la β-fosforilasa; y muchas otras moléculas que son inhibidoras.


Otrosmecanismosdelasenzimasreguladoras

Enotraclase importantedeenzimasreguladoras , laactividades reguladapor

modificaciones covalentes en la enzima. Lamodificación de grupos incluido el

fosfato, la adenosina monofosfato, uridina monofosfato, ribosa de adenosin

bifosfato, y grupos metilo. Estos son generalmente unidos y separados

covalentementedelaenzimareguladoraporenzimasseparadas.

Un ejemplo importante de regulación mediante la modificación de enlaces

covalenteseslaglicógenofosforilasa(Mr94,500)demúsculoehígado,elcual

catalizalareacción:

La glucosa‐1‐fosfato formadapuededegradarsehasta lactatoenmúsculoo ser

convertidaenglucosayliberadaenelhígado.Laglucógenofosforilasaactúade

dos formas: La forma activa∝‐fosforilasa y la relativamente forma inactiva b‐

fosforilasa.La∝‐fosforilasatienedossubunidades,cadacualesconunespecifico

tratamientodesuresiduoqueesfosforiladoenelgrupohidroxilo.Estosresiduos

de serina fosfato son indispensables para unamáxima actividad de la enzima.

Losgruposfosfatopuedenserremovidosmediantehidrólisisdela∝‐fosforilasa

porunaenzimaseparadallamadafosforilasafosfatasa:

Enestareacciónla∝‐fosforilasaesconvertidaenb‐fosforilasaporladivisiónde

dosenlacescovalentesdeserina‐fosfato.

La b‐fosforilasa puede reactivarse a ∝‐fosforilasa mediante otra enzima, la

fosforilasaquinasa,lacualcatalizalatransferenciadegruposfosfatodelATPa

loshidroxilosdelosresiduosespecíficosenlab‐fosforilasa.

(Glucosa)n+Pi

Glicógeno

(Glucosa)n‐1+Glucosa‐1‐Fosfato.

∝‐fosforilasa+2H2O

(Masactiva)

b‐fosforilasa+2Pi

(Menosactiva)

Larupturadeglucógenoenelmúsculoesqueléticoyelhígadoestareguladapor

variacionesdelasproporcionesdelasdosformasdelaenzima.Lasformas“∝”&

“b” de la fosforilasa difieren en su estructura cuaternaria, el sitio activo sufre

cambiosensuestructura,ycomoconsecuencia,cambiosenlaactividadcatalítica

cadavezquehayínterconversionesdeformas.

Algunas de las enzimas regulatorias

mascomplejas seencuentranen los

puntosdeparticular importanciaen

elmetabolismo,paraquerespondan

a los múltiples metabolitos

regulatorios a través de

modificaciones alostéricas y

covalentes. Glicógeno fosforilasa es

un ejemplo. Aunque su regulación

primariaesatravésdemodificación

covalente,cabedecirquetambiénes

modulada no covalentemente, de

manera alostérica por AMP, el cual

es un activador de la b‐

fosforilasa, y muchas otras

moléculasquesoninhibidoras.

LaglutaminasintetasadeE.Coli,una

de las enzimas regulatorias mas

complejas conocidas, proporciona

ejemplos de regulación por

alosterismo, modificaciones

covalentesreversiblesydeproteínas

regulatorias. Tiene por lo menos

ochomoduladoresalostéricos.

La activación de una enzima por división proteica es un mecanismo de

regulación un tanto diferente. Un precursor inactivo de la enzima, llamado

zimógenooproenzima,secortaparaformarlaenzimaactiva.Muchasproteasas

del estomago y páncreas son reguladas de esta forma. La quimotripsina y la

tripsina son inicialmente sintetizadas como quimotripsinógeno y tripsinógeno

respectivamente. Rupturas especificas provocan los cambios conformacionales

queexponeelsitioactivode laenzima.Debidoaqueestetipodeactivaciónes

irreversible,otrosmecanismossonnecesariosparainactivarestasenzimas.Las

enzimas proteolíticas son inactivadas por proteínas inhibidoras que se unen

fuertementeal sitioactivode laenzima.El inhibidorde la tripsinapancreática

b‐fosforilasa+2ATP

(Menosactiva)

∝‐fosforilasa+2ADP

(Masactiva)

La glutamina sintetasa E. Coli, una de las enzimas regulatorias más complejas

conocidas, proporciona ejemplos de regulación por aloterismo, modificaciones covalentes

reversibles y de proteínas regulatorias. Tiene por lo menos ocho moduladores alostéricos. La activación de una enzima por división proteica es un mecanismo de regulación un tanto

diferente. Un precursor inactivo de la enzimas, llamado zimógeno o proenzima, se corta para

formar la enzima activa. Muchas promesas del estómago y páncreas son reguladas de esta

forma. La quimotripsina y la triplica son inicialmente sintetizadas como quimotripsinógeno y

tripsinógeno respectivamente. Rupturas específicas provocan los cambios conformaciones que

expone el sitio activo de la enzima, debido a que este tipo de activación es irreversible, otros

mecanismos son necesarios para inactiva estas enzimas. Las enzimas proteolíticas son

inactividas por proteínas inhibidoras que se unen fuertemente al sitio de la enzima. El

inhibidor de la tripsina pancreática (Mr 6,000) se le une a esta y la inhibe; la α1- antiproteasa

(Mr 53,000) primeramente inhibe la elastasa. Se cree que una insuficiencia de α1-

antiproteasa puede ser causada por la exposición al humo de cigarrillo, el cual conduce a un

daño pulmonar y a la condición conocida como enfisema.

Otros ejemplos de activación de zimógenos suceden en las hormonas, tejido conjuntivo,

y el sistema de coagulación sanguíneo. La hormona insulina es producida a partir de la

ruptura de la proinsulina, el colágeno es inicialmente sintetizada como un precursor soluble

llamado procolágeno, y la coagulación sanguínea es regulada por una compleja cascada de

activaciones de zimógenos.


enzimas reguladoras

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