MECANISMOS DE REGULACIÓN ENZIMÁTICA

ENZIMAS REGULADORAS
• Enzimas que catalizan la reacción mas lenta de la ruta
metabólica= etapa limitante
• Controlan toda la ruta metabólica
ENZIMAS REGULADORAS
Tipo de control
Tema 13 (I)
Alosterismo
MECANISMOS DE REGULACIÓN ENZIMÁTICA
1. Control a nivel de sustrato
2. Inhibición reversible por productos (retroalimentación)
a) a nivel de S
b) Por retroacción
(feed back)
c) Control genético
Clases de enzimas reguladoras
1. E alostéricas
2. E reguladas por modificación covalente
3. Control genético
4. Activación/inhibición alostérica (nivel celular)
5. Modificación covalente (supracelular):
•
Reversible: fosforilación, metilación,
acetilación,
ADP-ribosilación, etc.
•
Irreversible: activación proteolítica
1
1. Enzimas alostéricas
Enzimas alostéricas
• Reguladas por metabolitos = “modulador” ó “efector”
• Se unen al E por enlace no covalente de forma reversible
• Se unen a un “sitio regulador” o centro alostérico”
(distinto al centro activo)
Centro de
fijación del S
• Etimológicamente:
Centro activo ó
catalitico
-”allos”= otra
-”steros”= forma
Centro alostérico
(unión del modulador)
Centro
alostérico
Centro
activo
s
• En ausencia de
inhibidor, el sustrato se
fija normalmente al
centro activo
Inhibición alostérica
Centro
alostérico
i
Centro
activo
s
• Cuando el inhibidor ocupa
el centro alostérico, tiene
lugar un cambio conformacional
en el centro activo que impide la
fijación del sustrato
(Jacob y Monod, 1960)
2
• La unión del efector ⇒ cambio conformacional del E
Activador:
↑ Afinidad del E por el S
Efector
Inhibidor:
↓ Afinidad del E por el S
Tipos de Enzimas alostéricas
Enzimas Homotrópicas (modulada por el S, presentan
cooperatividad de unión al S)
Enzimas Heterotrópicas (modulada por efectores y el S)
HOMOALOSTERISMO
ENZIMAS HOMOTRÓPICAS: el modulador y el sustrato
son idénticos.
HETEROALOSTERISMO
ENZIMAS HETEROTRÓPICAS: el modulador es distinto al
sustrato. El sitio regulador es distinto del centro catalítico
+
-
“Bioquímica” Mathews, van Holde y Ahern. Addison Wesley 2002
“Bioquímica” Mathews, van Holde y Ahern. Addison Wesley 2002
La unión de inhibidores o activadores alostéricos no afecta a la
Vmáx, per si altera la Km
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Tipos de Enzimas alostéricas
Rutas metabólicas controladas por retroalimentación
Enzimas Homotrópicas
• El propio S es el modulador ⇒ modifica la estructura del E
• Ejerce efecto positivo: > afinidad. Cooperatividad (+).
Curva sigmoidea
• Ejerce efecto negativo: < afinidad. Cooperatividad(-).
Curva hiperbólica
Introducción a la regulación alostérica
• Proteínas alostéricas son oligoméricas
• Eje de simetría en la estructura espacial de los protómeros
• Cada protómero posee “solamente un sitio de unión” para
cada uno de los diferentes ligandos que pueden ser:
S; activadores; inhibidores.
• La proteína puede existir en dos estados conformacionales
R y T, siempre en equilibrio
L
R
T
L: cte de equilibrio = [R]/[T]
• Todos los cambios de R
Ruta
Glicólisis
Gluconeogénesis
Bios. Ács. Grasos
Bios. Colesterol
Bios. Purinas
Enzima
Fosfofructoquinasa
FBPasa
AcetilCoA carboxilasa
HMGCoA reductasa
PRPP sintetasa
Inhibidor
ATP
AMP
AcilCoA
Colesterol
AMP,GMP,IMP
Un sistema alostérico clásico es la Hemoglobina:
1. La fijación de su “sustrato”, O2, es de tipo sigmoide
2. La fijación del “sustrato” puede inhibirse por efectores
(H+, CO2, 2,3-BPG) que no actúan sobre el “Centro Activo” (grupo hemo)
3. Las subunidades, por separado, presentan cinética
michaeliana en la fijación de O2
T son concertados.
4
Cinéticas michaeliana y sigmoide:
Mioglobina y Hemoglobina
Efecto del 2,3-bisfosfoglicerato (2,3-BPG)
sobre la saturación de la hemoglobina
1.0
100
Y
Mioglobina
80
Saturación de O2, %
0.8
0.6
0.4
Hemoglobina
0
0.1 mM
60
1 mM
40
20
0.2
0
0
0.0
0
2
4
6
8
10
20
40
12
60
80
100
PO2, mmHg
s
Tipos de Enzimas alostéricas
Enzimas Heterotrópicos
• El modulador es distinto al S
Inhibidores y activadores
alostéricos
1.0
Y
Disminuyen la Km ap
(+)
( ↑Activador)
• El sitio regulador es distinto al centro catalítico
• El modulador ó efector produce un efecto + ó – sobre la
afinidad del E por el S.
0.8
V+
• Se produce cambio conformacional del E
0.6
(sin efectores)
↓ Km ap
Efectores + V
máx igual
Curva se transforma en
hipérbola
V0
0.4
(↑ Inhibidor)
Aumentan la Km ap
(-)
V
+
activación
0.2
V-
s
0.0
0
2
4
6
8
10
12
Efectores inhibición
-
↑ Km ap
Vmáx igual
Curva se transforma en
sigmoidea
[S]
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Tipos de Enzimas alostéricos
Cinética de los Enzimas alostéricos . Ecuación de Hill
Enzimas Heterotrópicos
E + nS
• Unión del S y modulador (+)
E (S)n
E + nP
cinética sigmoidea
n= coef. de Hill. Parámetro empírico
Sitio de fijación
del S
C
Sitio de fijación
del modulador
R
v=
Vmáx [S]n
Sitio catalítico Sitio regulador
Diferentes subunidades
Enzima inactivo
M+
S
C
nº se sitios de unión que presenta el
E para el S
K´+ [S]n
K1/2 = K0,5 = K´
V
Corresponde a la [S] que produce
una
M+
R
v =1/2 Vmáx
M
Se representa como [S0,5]n ó [S1/2]n
Enzima –Sustrato activo
Reordenando la ecuación
V(K´+
[S]n)
=
[S]n
V=
[S]
K´
Vmáx [S]n
K´+ [S]n
. Vmáx
log
V
Vmax – V
+1
Pendiente= n
0
n> 1 cooperatividad +
Curva sigmoidea
VK´+ V[S]n = [S]n . Vmáx
-1
VK´= [S]n . Vmáx - V [S]n
VK´=
[S]n
V
Vmáx – V
-3
-2
=
+3
log[S]
V
log
= n log [S] – log K´
Vmáx – V
- a
Ecuación de una recta
n=pendiente
- log K´ su ordenada en
el origen
V
log
=0
Vmax – V
Aplicando logaritmos
bx
+2
log[S1/2]
log[S1/2] = 0
K´
y=
+1
0
( Vmáx – V)
[S]n
-1
n log[S]= log K´
log[S] =
n=1 Ec.Hill se transforma en Ec.M-M
No cooperatividad
logK´ logK´1/n
n =
log[S] = log[S1/2]
Vmax [S]
V=
K´+ [S]
n > 1 cooperatividad
Vmax [S]
Vmax [S]
=
=
[S1/2]+ [S]
Km+ [S]
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Cinética de los Enzimas alostéricos
Cinética de los Enzimas alostéricos
Enzimas Heterotrópicos
Enzimas Homotrópicos El S actúa < la afinidad del E por el S
Ec. de Hill representa cinética n<1
Existe cooperatividad pero no se obtienen curvas
sigmoideas
n>1
n=1
n>1
1/v
v
n<1
n=1
n<1
[S]
Enzimas Heterotrópicos
Clase K
Activador positivo(+)
Activador negativo(+)
Como el modulador es distinto al S es difícil
generalizar la curva de saturación con el S
Tipos de Enzimas Heterotrópicos
a) Clase K
b) Clase V
1/[S]
• Los mas abundantes
• Activador (+) hace que la
curva sigmoidea se vaya
aproximando a una
hipérbola(↑ v de reacción para
la misma [S])
• K 0,5 desciende
• Vmáx no se altera
• Activador (-) hace que la curva
sea sigmoidea pronunciada
• K 0,5 mayor
• Vmáx no se altera
Enzimas Heterotrópicos
Clase K
Presencia de
Sin modulador
activador(+)
v
Vmáx
Presencia de
activador(-)
K0,5(+)
K0,5
K0,5(-)
[S]
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Enzimas Heterotrópicos
Clase V
• Menos numerosas
• Activador (+) > la Vmáx
• Activador (-) < la Vmáx
• K 0,5 constante
• Vmáx varia
Efectos alostéricos de moduladores positivo y negativo
(al no ser cinética michaeliana no se puede usar el término
Km, sino el K0,5)
Presencia de activador(+)
Vmax
Modulador alostérico
Positivo (+): favorece la forma R
Sin modulador
El sustrato es
modulador positivo
Modulador alostérico
Negativo(-): favorece la forma T
Presencia de activador(-)
K 0,5
( ”Lehninger Principles of Biochemistry” 3th.ed.
Nelson, DL and Cox, M.M. Worth Publishers, 2000.)
Modelos que explican el comportamiento cinético de
los enzimas
a) Modelo simétrico ó concertado
+S
T
T
inactiva
Enzima tetramérica
a) Modelo simétrico ó concertado
Forma R
s
s s
+S
R
R
R
L
i
I
Estado R
Estabilizado por
activador (A)
activa
A
s s
s
s
i
i
i
(Cte. de equilibrio)
Estado T
Estabilizado por
Inhibidor (I)
A
s s
s
R
↓ La unión de S al E
I
Modelo MWC
(Monod, Wyman y Changeux)
i
i
i
i
i
i
↑ La unión de S al E
Forma T
8
b) Modelo secuencial simple = Modelo de encaje inducido
Se contemplan estados híbridos para la conformación enzimática
+S
T
T
I
R
A
r
R
R
Modulador positivo
Induce la
fijación del S
I
Modulador negativo
Induce una
< afinidad por el S
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