domingo, 7 de febrero de 2016

Mecanismos de regulación metabólica

Resulta esencial para el correcto equilibrio de unas rutas metabólicas con otras en los diversos órganos y que se mantenga una correcta homeostasis del organismo que cada ruta pueda controlarse debidamente.
Si las rutas no se regularan de manera fina se desembocaría en una situación de ciclo inútil cuyo resultado neto es el consumo ineficiente de ATP sin generar ningún trabajo metabólico.

La célula (y el organismo entero) resuelve esta situación controlando algunos de los pasos críticos de cada ruta metabólica estableciendo lo que se conoce como ciclo de sustrato

Por tanto, sólo se controla la actividad de aquellas enzima que actúan lejos del equilibrio y que proporcionan una AG<0 al conjunto de la ruta.

¿Qué mecanismos se emplean para controla la actividad de la rutas metabólicas y el flujo de los metabolitos de unos tejidos y órganos a otros?

Existen varios mecanismos que actúa a varios niveles.
o   Compartimentación
o   Modulación por medio de ligandos (Concentración de sustrato y alosterismo).
o   Modificación de la enzima
o   Concentración enzimática
o   Acción hormonal

Los anteriores mecanismos se interrelacionan unos con otros para actuar de manera jerárquica a la hora de controlar la acción enzimática

Compartimentación

Las enzimas que participan en una misma ruta se encuentran en un mismo compartimento celular (célula eucariota) o agrupadas muy próximamente entre sí (célula procariota).
Parte esencial de la compartimentalización se basa en la permeabilidad selectiva de las membranas a los distintos metabolitos.
Los productos intermediarios de una ruta suelen quedar “encerrados” en el orgánulo en el que está teniendo lugar la ruta.
Transportadores de membrana permiten en dicho orgánulo la entrada y salida de sustratos iniciales y de productos finales.
*El receptor de insulina reside en la membrana. La insulina llega al receptor y la unión lleva una cascada de señales que transporta del transportador de glucosa hasta la membrana plasmática y ya puede entrar.
Primer paso de la glucólisis es el paso de glucosa a glucosa 6 P es para adquirir reactividad y porque al introducir carga a una molécula hace que no pueda escapar de la célula (aunque hay que asegurar que no haya transportadores).
Dentro de un mismo orgánulo, las enzimas de una misma ruta pueden asociarse unas con otras para formar complejos multienzimáticos.
Se producen interacciones estables (por enlaces covalentes. Por ejemplo: piruvato deshidrogenasa tiene 3 enzimas unidas covalentemente) como no estables (no covalentes, glucólisis)
Complejos multienzimáticos se unen a los elementos estructurales de la micromatriz celular.

Acción de ligandos y alosterismo

La acción de aquellos ligandos que pueden modificar la actividad de las enzimas se dividen en: feedback a nivel de sustrato y control por feedback (alosterismo)

A nivel de sustrato

Aunque a la hora de determinar la ecuación de Michaelis-Mentel empleábamos al modelo cinético:
E + S ßàES à E + P
En realidad, las enzimas funcionan más bien siguiendo el siguiente modelo
E + S ßàES ßàEPàE + P
En este sentido, sustratos y productos compiten para unirse al bolsillo catalítico, gana el que tiene más.
Las enzimas con acciones irreversibles son las que tienen una acción regulada. Hay una competición entre el sustrato y el producto por unirse al bolsillo catalítico de la enzima, pero si está unido el producto, no hay velocidad catalítica porque la enzima no puede actuar. Si hay mucho sustrato, es el sustrato el que se une y el producto lucha por unirse y así se regula.
Además tiene que haber una similitud estructural del producto y del sustrato porque si no la unión del producto y la enzima no  sería estable.
Los sustratos ejercerían un papel de activadores y los productos de inhibidores
Generalmente, los sustratos suelen mantener sus concentraciones intercelulares en el rango Km.
Así, ligeros cambios en la concentración de sustratos o de productos provocarán cambios importantes en la velocidad de catálisis de la enzima (activación o inhibición respectivamente).

Alosterismo

En muchos casos es necesario un control mucho más fino de las rutas que el ofrecido por control a nivel a sustratos.
El término alostérico procede de las palabras griegas que significan otra estructura, resaltando que las estructuras de los reguladores no tienen que parecerse al sustrato o al producto directo.
Por ejemplo:

Si actúa la G, como ya hay, y es producto, se une a la enzima e inhibe su ruta en (CàD) y viceversa.
El efecto del alosterismo dependerá de si la regulación actúa a distancia o no y de si la ruta es lineal o ramificada.
 (la enzima es la PFK-1)
El ATP funciona aquí como inhibidor porque se recurre al alosterismo. El ATP funciona como sustrato y además como regulador alostérico. Como sustrato debe activarlo pero como regulador, debe inhibirlo. Cuando el ATP se une al bolsillo catalítico funciona como sustrato y lo activa; pero cuando se une a las subunidades reguladoras, funciona como regulador alostérico e inhibe. No se une a las dos a la vez y se tiene mayor afinidad a la subunidad catalítica y funciona como sustrato y cataliza la transformación. Cuando la ruta vaya cumpliendo su objetivo y se forme ATP, se empezará a unir a la subunidad reguladora y actuará como inhibidor.   Además, cuando se une en la reguladora, bajará su afinidad por la catalítica y así se separará de esas subunidades.

Homoalosterismo: el modulador es el propio sustrato. El sustrato y el producto no sólo se unen a las cadenas catalíticas, también se pueden unir a las subunidades reguladoras. Si funcionan como inhibidores catalíticos.
Los principios por los que funciona este mecanismo de regulación son los mismos que los estudiados por la hemoglobina: unión de una molécula de sustrato a una de las subunidades provoca cambios en la estructura cuaternaria de la enzima que desembocan un aumento de la afinidad del resto de subunidades por el sustrato.
Una cinética de V frente a [S] de tipo hiperbólico, se corresponde con una unión no cooperativa; mientras que una de tipo sigmoideo se corresponde con una unión cooperativa.
Al pasar de estado T (baja afinidad por el sustrato) al estado R (alta afinidad por el sustrato) disminuye Km.
Función fisiológica:
En este sentido, el homoalosterismo permite una regulación más fina a nivel de sustrato.
Con respecto al heteroalosterismo, la unión de efectores (distintos al sustrato) en puntos concretos de la enzima provocarán un desplazamiento en el equilibrio entre las formas T y R de ésta.
Los activadores desplazarán el equilibrio hacia R, mientras que los inhibidores la desplazan hacia la forma T
Aspartato carbamoiltransferasa: Interviene en la síntesis de pirimidinas. Es heteroalosterismo retrógrado.
              
Es activada por la presencia de purinas e inhibida por la de pirimidinas. La aspartato carbamoiltransferasa consta de 6 subunidades catalíticas (agrupadas en 2 grupos de 3 subunidades) y 6 subunidades reguladoras (agrupadas en 3 dímeros).

·       A cada subunidad catalítica se le unen 1 molécula de aspartato y 1 de carbamoilfosfato.
·       A cada subunidad reguladora se le unen indistintamente 1 molécula de ATP o 1 de CTP. Existe una unión competitiva.
     

Modificación de la enzima


Al contrario que en el caso anterior (en el que se modifica la estructura de la enzima por la unión reversible de varios tipos de ligandos) en este caso la enzima sufre una modificación covalente.

Existen varios tipos de modificaciones covalente de las enzimas pero las más comunes en términos de enzimas metabólicas son: la fosforilación, la adenililación y la ADP-­‐ribosilación.

Estas modificaciones enzimáticas están, a su vez, catalizadas por otras enzimas (p. Ejplo. las fosforilaciones están catalizadas por enzimas denominadas quinasas).

Estas  modificaciones  resultan  irreversibles  a  menos  que  otra  enzima  catalice  la eliminación del grupo químico añadido (p. Ejplo. las fosfatasas revierten la acción de las quinasas al eliminar el grupo fosfato añadido al enzima).



Este mecanismo de regulación se asocia a cascadas reguladoras en las que se produce una amplificación exponencial de la señal inicial (sea activadora o inhibidora).

Concentración enzimática

El control de los niveles de enzima presente en la célula tiene que ver con la maquinaria de expresión génica y con la de degradación proteica.

El primer ejemplo de regulación de la expresión génica estudiado con detenimiento fue el del operon lac. El operon lac constituye el sistema que incluye al conjunto de genes encargados de regular la expresión de los genes que metabolizarán la lactosa más estos últimos genes.

El operon lac está constituido por los siguientes elementos:
·       Genes estructurales: Son el lac Z (que codifica para la β-­‐galactosidasa, codifica para la unión de la galactosa y la glucosa), el lac Y (que codifica para una galactósido permeasa) y el lac A (que codifica para una Nogalactósido transferasa).
·       Promotor: Secuencia de DNA de reconocimiento y unión por la RNA polimerasa, la polimerasa encargada de transcribir los anteriores genes.
·       Operador: Secuencia de unión de  una proteína represosa Lac I.

·       Gen represor (lac I): Secuencia que codifica para el represor Lac I, el cual, en ausencia de lactosa se une a la región operadora impidiendo que la RNA polimerasa transcriba los genes estructurales necesarios para metabolizar la lactosa

Acción hormonal

La acción hormonal es, jerárquicamente, el mecanismo de mayor importancia puesto que:
a) Interrelaciona unos órganos con otros,
b) Inicia en numerosas ocasiones los procesos de expresión genética
c) Desencadena procesos de modificación enzimática.

La célula ha de ser sensible a los mensajes procedentes de otros tejidos y órganos. Hay células diana con receptor específico y las que no las tengan serán insensibles a la presencia de la hormona.
El proceso de transmisión de estos mensajes y la realización de los procesos metabólicos recibe el nombre de transducción de señales.
Existen mensajeros extracelulares de muy diversa naturaleza (factores de crecimiento, neurotransmisores (mensajeros del sistema nervioso), hormonas (fabricados por órganos especializados)…).
Las hormonas son sustancias químicas señalizadoras producidas por células especializadas y que son vertidas al medio extracelular para que puedan ejercer su acción localmente o a distancia.
Las hormonas endocrinas son aquellas que tras haber sido sintetizadas por las células especializadas de un órgano determinado, son vertidas al torrente sanguíneo para actuar en otros órganos, a distancia.
Las hormonas exocrinas (o tisulares) son aquellas no son vertidas a la sangre sino que son vertidas al ambiente extracelular y actúan de manera relativamente local (respuesta paracrina).
Existen también hormonas cuya acción es ejercida sobre la propia célula que la ha sintetizado y vertido (respuesta autocrina).
Existen hormonas endocrinas cuya acción puede llevarse a nivel endocrino (a distancia) y al mismo tiempo a nivel paracrino.
Las hormonas también se pueden clasificar en función de su naturaleza química. Bajo este criterio encontramos hormonas lipófilas y hormonas hidrófilas.
Este último criterio de clasificación no sólo refleja la naturaleza química de las hormonas sino también su mecanismo de acción.
Las hormonas lipófilas (esteroides, ác. retinoico…) son moléculas de bajo peso molecular (300 a 800 Da) con escasa solubilidad en el medio acuoso. No son almacenadas sino que nada más ser sintetizadas son secretadas al torrente sanguíneo, a través del cual viajan asociadas a proteínas transportadoras. Actúan sobre receptores intracelulares, sobre todo a nivel de transcripción.

Acción de las hormonas lipófilas


Las hormonas hidrófilas (insulina, glucagón, adrenalina…) son aquellas que derivan de aminoácidos, péptidos o proteínas. Poseen pesos moleculares variables y pueden ser almacenadas por las glándulas endocrinas hasta ser secretadas al torrente sanguíneo en el momento en el que se requiera su acción. Debido a su naturaleza hidrófila, no requieren de la asociación con proteínas transportadoras para viajar por el torrente sanguíneo.
Estas hormonas actúan por medio de segundos mensajeros. La hormona (el primer mensajero)  actúa  de  manera  extracelular,  uniéndose  a  un  receptor  de  membrana.  El receptor (una proteína transmembrana) sufre una modificación que activa la generación intracelular de un segundo mensajero, que se encarga de transducir la información de la hormona, iniciando una cascada de señales.
Acción del glucagón en la degradación intracelular de las reservas de glucógeno en el hígado.
El sistema se constituye por tres componentes proteicos diferentes que poseen una naturaleza modular: un receptor, un transductor (transformador de señales a través del efector) y un efector.


El GDP se une a la subunidad alfa y mientras sea así, la alfa tiene una estructura que le obliga a estar unidad a beta y gamma y éstas hacen que permanezca inactiva. Se cambia el GDP a GTP y cuando esto pasa, se liberan de gamma y beta y así gamma se activa. Más adelante gamma puede hidrolizar el GTP a GDP y se vuelve a unir a beta y gamma. Alfa cuando está activa se une a la proteína efectora (adenilato ciclasa), que transforma el ATP con AMPcíclico, que es el segundo mensajero, que desencadena una cascada de señales (por modificación enzimática) que en última estancia activara a la enzima que degrada el glucógeno glucógeno fosforilasa y además inhibe a la enzima que sintetiza el glucógeno, el glucógeno sintetasa.
Es un sistema modular y se puede intercambiar uno de los elementos para conseguir efectos distintos.
Para controlar la degradación del glucógeno de manera independiente sin cambiar todo el sistema, sólo hay que cambiar el receptor y la hormona. El resto de elementos es igual en los demás tejidos (músculo e hígado). El hígado tiene el receptor del glucagón pero no de la adrenalina, y en el músculo lo contrario, sí para la adrenalina y no para el glucagón.
La unión de la hormona a la superficie celular estimula la síntesis del segundo mensajero en el interior celular, lo que provoca la respuesta metabólica deseada.
La naturaleza modular del sistema aporta una gran flexibilidad al sistema.
La adrenalina emplea el mismo sistema que el glucagón para liberar glucosa a través de la degradación del glucógeno en las células musculares. Distintas hormonas/distintos receptores-­‐mismo mecanismo de acción. Se puede controlar la liberación de glucosa en un tejido u otro en función de la hormona que se genere y secrete.

Un mismo segundo mensajero puede ejercer efectos antagónicos en una misma célula (cAMP inhibe las enzimas encargadas de sintetizar glucógeno o glucogenoneogénesis y activa a las encargadas de degradar el glucógeno ya existente o glucogenolisis).

Existen  diversos  tipos de  segundos  mensajeros como  el  cAMP, fosfatidilinositol-­‐4,5-­‐ bisfosfato, los iones Ca2+...

Una misma hormona puede tener efectos diversos en varios tejidos en función de la naturaleza  de  las  proteínas  receptora  y  transductora  y  de  los  conjuntos  de  proteínas efectoras y segundos mensajeros en las células diana.




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