REGULACION ENZIMATICA

I. INTRODUCCION

Existen factores reguladores de las actividades, en el citoplasma celular del óvulo, éstos actúan en determinados momentos proporcionando estímulos precisos para provocar una respuesta.

La transcripción genética controla la regulación de la actividad genética. Uno de los materiales más utilizados para estudios de este tipo son, los bacteriófagos ya que su genoma en comparación a otros organismos es de diminuta proporción.

En los fagos y en los organismos procariotas se ha demostrado que el nivel de regulación está en la transcripción.

En estudios realizados a la bacteria Escherichia coli se ha demostrado que existe u gen que codifica a la enzima llamada B-galactodsidasa que sintetiza el disacárido lactosa y produce la galactosa y la glucosa (La presencia de la lactosa induce a la bacteria a la producción de más galactosa).

Estas enzimas siempre son requeridas por la célula para realizar funciones es por ello importante su presencia, mientras que las enzimas represoras no necesitan estar constantemente en la célula, solo cuando hay requerimiento de glucosa.

Muchas enzimas se activan se producen y se activan independientemente del medio donde se, éstas se denominan enzimas constitutivas.

II. REGULACION DE LA ACTIVIDAD ENZIMATICA

La célula es una máquina química que debe ser capaz de autoajustarse o regular su propio funcionamiento para no desperdiciar tiempo ni energía en realizar procesos que no le son útiles en un momento dado, siguiendo así un principio de máxima economía molecular. Este autoajuste se lleva a cabo a varios niveles entre los que destaca la regulación de la propia actividad enzimática.

II.1.CONTROL DE LOS NIVELES ENZIMATICOS:

Implica el control de la síntesis de las enzimas regulatorias involucradas en un camino metabólico. Se habla entonces de inducción enzimática o represión enzimática según que la velocidad de producción de una dada enzima, o de un conjunto de enzimas metabólicamente relacionadas, y por ende su concentración celular, sea aumentada o disminuida respectivamente como respuesta a las necesidades de la célula, actuando por lo general un metabolito particular como señal desencadenante del proceso. En el caso de la inducción, ese metabolito puede ser el mismo sustrato de la enzima (metabolito inductor), y en la represión, el producto final de la vía metabólica de la cual la enzima reprimida forma parte (metabolito represor). Este mecanismo es

mucho más lento que los anteriores ya que implica la síntesis o degradación de las enzimas involucradas.

II.2.REGULACION POR MODULACION DE LA ACTIVIDAD

Los enzimas alostéricos son aquellos que, además del centro activo mediante el cual interactúan con el sustrato, poseen otro centro de unión llamado centro alostérico mediante el cual interactúan con otra molécula denominada efectora o moduladora (la palabra “alostérico hace referencia a la existencia de ese otro lugar”. La interacción del modulador con el centro alostérico es tan específica como lo es la interacción del sustrato con el centro activo y también está basada en la complementariedad estructural (Figura 14.13). Los enzimas alostéricos presentan pesos moleculares en general superiores a los de otros enzimas y en la mayor parte de los casos son proteínas oligoméricas, es decir están formados por varias subunidades(normalmente en número par).

Los moduladores alostéricos pueden ser de dos tipos: unos estimulan la actividad del enzima al unirse al centro alostérico, reciben el nombre de moduladores positivos o activadores; otros la inhiben y se llaman moduladores negativos o inhibidores. Los inhibidores alostéricos no responden a ninguno de los modelos de inhibición enzimática estudiados en el apartado anterior.

Los enzimas alostéricos presentan siempre dos formas, una activa y otra inactiva, interconvertibles por efecto del modulador (Figura 14.10). Existen dos tipos de control alostérico: el control heterotrópico que se da cuando el modulador es una molécula diferente del sustrato, y el control homotrópico que se da cuando el modulador es el propio sustrato. En ambos casos el modulador puede ser positivo o negativo. Los enzimas con control homotrópico poseen dos o más centros de unión para el sustrato; en ellos la interconversión entre las formas activa e inactiva depende de cuántos sean los centros de unión que estén ocupados por moléculas de sustrato.

Un caso muy común de regulación del metabolismo mediante enzimas alostéricos es la inhibición por el producto final, también llamada retroinhibición o control feed-back. En ella, el producto final de una ruta metabólica inhibe alostéricamente al enzima que cataliza la primera reacción de dicha ruta, interrumpiendo así su propia síntesis cuando ésta ya no es necesaria. Este tipo de control es muy rentable para la célula, ya que no se interrumpe solamente la síntesis del producto final sino la de todos los intermediarios. Se trata de un control heterotrópico mediante un modulador negativo.

Otro caso es el del sustrato de la primera reacción de una ruta metabólica que actúa como activador del enzima que cataliza dicha reacción. Se trataría aquí de un control homotrópico mediante modulador positivo.

Aunque existen enzimas alostéricos monovalentes, que responden a un sólo modulador, la inmensa mayoría son enzimas polivalentes, que poseen varios centros alostéricos mediante los cuales interactúan con distintos moduladores positivos y/o negativos, presentando un tipo de control mixto homotrópico-heterotrópico.

II.3.REGULACION POR MODIFICACION COVALENTE:

Es la regulación de ciertas enzimas por la interconversión reversible entre su forma activa y desactiva. Esto ocurre primordialmente por la fosforilación y desfosforilación en residuos específicos de las cadenas laterales.

Este es un proceso enzimático: una enzima causa la modificación covalente de otra enzima (que actúa como sustrato). En algunos casos, la modificación transforma la enzima activa en la inactiva; en otros, es lo contrario. Por ejemplo

Otras enzimas pasan de una forma menos activa a otra más activa uniéndose covalentemente a un grupo químico de pequeño tamaño como el Pi o el AMP. También se da el caso inverso, en el que un enzima muy activo se desactiva al liberar algún grupo químico. En las enzimas de las vías degradativas del metabolismo, la forma fosforilada es más activa que la no fosforilada, mientras que en las vías biosintéticas ocurre lo contrario.

III. EFECTO FISIOLOGICO DE LAS VARIACIONES DE Km DE LA ENZIMA ALDEHIDO DESHIDROGENASA.

La inusual sensibilidad de los orientales a las bebidas alcoholicas tiene una base una base bioquímica. La cantidad de etanol que se necesita para provocar la vasodilatación responsable de la taquicardia y enrojecimiento facial es muy inferior para algunos chinos y japoneses que para los europeos. Los efectos fisiológicos son provocados por el acetaldehído liberado por alcohol deshidrogenasa hepática.

El acetaldehído es normalmente eliminado por un aldehído deshidrogenasa mitocondrial que le convierte en acetato. En algunos asiáticos, la forma normal del aldehído deshidrogenasa mitocondrial con una Km para acetaldehído baja, está ausente. Estos individuos poseen únicamente la forma citosolica Km alta(menor afinidad) del enzima, la cual conlleva a un nivel estacionario elevado de acetaldehído en la sangre tras el consumo de alcohol. Esta es la causa del incremento de la sensibilidad al alcohol.

IV. FARMACOS E INHIBICION ENZIMATICA

Los inhibidores enzimáticos son utilizados principalmente como fármacos en el tratamiento de diversas enfermedades. Muchos de estos inhibidores son capaces de actuar sobre enzimas

humanas y así corregir determinadas patologías. Sin embargo, no todos los fármacos son inhibidores enzimáticos. Algunos de ellos, tales como los fármacos anti-epilépticos, alteran la actividad enzimática de forma indirecta, aumentando o disminuyendo la síntesis de dicha enzima. Estos efectos son denominados inducción e inhibición enzimática y consisten en alteraciones en el patrón de expresión génica, lo cual no está relacionado con el tipo de inhibición enzimática discutido aquí. Otras drogas interactúan con otras dianas celulares que no son enzimas, como los canales iónicos o los receptores de membrana.

Un ejemplo de inhibidor enzimático terapéutico es el sildenafil (Viagra), utilizado como tratamiento de la disfunción eréctil. Este compuesto es un potente inhibidor de la fosfodiesterasa tipo 5 específica de GMPc, una enzima que degrada una molécula de señalización celular, el GMPc.30 Esta molécula de señalización es la responsable de la relajación del músculo liso y permite el flujo de sangre hacia el interior de los cuerpos cavernosos del pene, lo cual causa la erección. El sildenafil inhibe la actividad de la enzima que degrada la señal, el GMPc, uniéndose al mismo sitio que éste debido a su similaridad estructural. Esto permite que el GMPc no sea degradado y pueda permanecer activo durante períodos más largos de tiempo.

Otro tipo de inhibidores enzimáticos son utilizados con el fin de inhibir aquellas enzimas necesarias para la supervivencia de patógenos. Por ejemplo, las bacterias presentan una gruesa pared celular compuesta principalmente de un polímero denominado peptidoglicano. Ciertos antibióticos como la penicilina y la vancomicina inhiben a la enzima responsable de la producción y el entrecruzamiento de las hebras de peptidoglicano, lo cual da lugar a una pérdida de fuerza de la pared celular y, por consiguiente, a la lisis de la célula, incapaz ahora de resistir la elevada presión osmótica.

BASES TERMODINAMICAS DE LAS REACCIONES BIOQUIMICAS Y BIOENERGETICAS

I. INTRODUCCION

Con este término se designan los intercambios de energía que se desarrollan en el metabolismo, los cuales obedecen las mismas leyes físicas que cualquier otro proceso natural, y dentro de estas leyes, los principios de la termodinámica son la base para comprender estas transducciones o cambio de energía.

El primer principio o ley de la termodinámica establece que en cualquier cambio físico o químico la cantidad total de energía en el universo permanece constante, aunque pueda cambiar la forma de la misma.

La segunda ley establece que en todos los procesos naturales la entropía o desorden del universo aumenta. Tal y como se ha observado al inicio de este capítulo, una característica de los seres vivos es el alto grado de organización que presentan, por lo que se deduce que los procesos vitales consisten en una lucha constante contra la segunda ley de la termodinámica, dejando el aumento de desorden para el resto del entorno o universo y buscando para la materia viva el máximo orden.

BIOENERGETICA:

Las células y los organismos vivos son sistemas abiertos que intercambian materiales y energía con su entorno. La Bioenergética es el estudio cuantitativo de la transferencia y utilización de la energía en los sistemas biológicos.

Rama de la bioquímica que estudia la transferencia y utilización de energía en los sistemas biológicos.

Aprovechan la energía:

A partir de la energía solar (Autót.)

A partir de componentes químicos de su entorno (Heterót.)

Utilizan la energía para la producción de un trabajo biológico.

- Biosíntesis (anabolismo)

- Trabajo mecánico (contracción muscular)

- Gradientes osmóticos (transporte contra gradiente)

- Trabajo eléctrico (transmisión del impulso nervioso)

TIPOS DE ENERGÍA

De todas las posibles formas de energía, interesa analizar las siguientes:

- La energía térmica o calor: Debida a la agitación molecular o energía cinética de las moléculas, es medida a través de la temperatura o de cambios en el estado físico de la materia. La unidad de calor es la caloría, o cantidad de calor necesario para elevar la temperatura de1 gramo de agua, 1°C.

- La energía mecánica o trabajo: Debida a la aplicación de una fuerza que consigue el desplazamiento de un cuerpo o su deformación. La unida de trabajo es el Julio (J), o trabajo realizado al aplicar a un cuerpo la fuerza de 1 Newton desplazándolo 1 m.

- La energía libre de Gibbs (G): Consiste en un tipo de energía química contenida en los compuestos que participan en una reacción química. Expresa la cantidad de energía capaz de generar trabajo durante una reacción a presión y temperatura constantes. La unidad de medida es la caloría o joule, o bien Kcal/mol o Kjoule/mol (1caloría = 4,184 joules).

En los seres vivos se utiliza la diferencia entre la energía libre de los alimentos y los productos de su degradación para poder desarrollar trabajo.

La determinación en cualquier reacción de ∆G se realiza mediante la diferencia entre la energía libre de los sustratos y la de los productos de la reacción. Por convenio las variaciones de G se miden en unas condiciones constantes o estándar, que son 25°C, 1 atmósfera de presión, pH = 0, y concentración 1 molal de reactantes y productos, indicándose estas condiciones en su símbolo como un superíndice ° (∆G°). Si además se tiene en cuenta el pH de los medios biológicos próximo

a la neutralidad y la determinación se realiza a pH = 7, se añade el superíndice (´) (∆G°´), variación de energía libre de Gibbs medida en condiciones estándar bioquímicas).

En una reacción como la siguiente:

Glucosa + 6O2 = 6CO2 + 6 H2O

G°´ = (6 G°´CO2 + 6 G°´H2O) - (G°´Glucosa + 6 G°´O2)

G°´ = [ 6(-94,5) + 6(-56,7)] - [-219,2 + 6 (0)] = -698,0 Kcal/mol

Se puede observar las grandes diferencias de ΔG°´ que existen entre ambas reacciones. Cuanto mayor sea la variación de energía libre, más espontáneamente tendrá tendencia a desarrollarse la reacción. Cuando la variación de energía libre es negativa, los productos contienen menos energía que los sustratos, y la reacción será espontánea porque todas las reacciones químicas tienden a ir en la dirección que permite una disminución de la energía libre del sistema. Las reacciones que se desarrollan con una ΔG°´< 0 se denominan exoergónicas (liberadoras de energía, ergon en griego significa trabajo), mientras que las que tienen una ΔG°´> 0 son endoergónicas (consumidoras de energía). Las primeras se realizan de forma espontánea y las segundas son imposibles termodinámicamente, aunque su existencia es factible mediante un sistema de acoplamiento a las primeras.

Una propiedad de las ΔG°´ es que son aditivas, de tal forma que los valores de varias reacciones secuenciales pueden sumarse. Si tenemos dos reacciones secuenciales A - B y B - C, cada una de ellas tendrá su correspondiente ΔG°´, y la reacción global A C, tendrá la suya. Este principio de la bioenergética explica cómo se puede impulsar una reacción termodinámica.

La reacción global es posible, porque es exoergónica. Esta estrategia es utilizada por las células para poder salvar el obstáculo de reacciones necesarias para ella, pero imposibles desde el punto de vista termodinámico. Cuando ∆G°´= 0 el sistema está en equilibrio, y la reacción transcurre a la misma velocidad en los dos sentidos. En el equilibrio se define la relación de concentraciones entre productos y sustratos como la constante de equilibrio, un parámetro característico de cada reacción, al igual que ∆G°´, existiendo una relación matemática entre ambas.

ΔG°´ = − RT ln Keq

Cada reacción tiene una variación de energía libre estándar (ΔG°´) característica, que puede ser positiva, negativa o cero según sea la constante de equilibrio de la reacción. Esta constante indica en qué dirección y hasta qué punto transcurrirá la reacción para alcanzar el equilibrio, cuando la concentración inicial de cada componente es 1 M, el pH = 7 y la temperatura es de 25°C. Pero la variación real de energía libre para una reacción química concreta dependerá de las concentraciones y la temperatura en esa situación, que no tienen por qué ser las condiciones estándar. Así, para una reacción en nuestro organismo, el cambio de temperatura estándar de 25 a 37°C (temperatura en el organismo humano) puede ser poco relevante, pero la relación de concentraciones puede influir de forma importante.