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.
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.
