Bioenergética, Metabolismo y Regulación Metabolismo Actividad Celular altamente coordinada en el cual numerosos caminos metabólicos cooperan para: 1) Obtener energía química 2) Convertir nutrientes en precursores 3) Sintetizar polímeros 4) Sintetizar y degradar biomoléculas

Características generales de la química del metabolismo celular Alta diversidad de actividades químicas (¡De varios cientos a algunos miles!) Altas tasas de conversión de sustratos Especificidad Interdependencia entre reacciones

El metabolismo mantiene concentraciones de metabolitos intermedios y energía en un estado estacionario v1 v2 A  S  P Si V1= V2 => [S] = cte Estrategias metabólicas

Los organismos difieren en sus fuentes de energía, poder reductor, y fuentes de carbono

Las reacciones se organizan en secuencias o caminos metabólicos

Ejemplos de vías metabólicas

El metabolismo procede en pasos discretos

Evolución de vías metabólicas Comparación de vías metabólicas en genomas de organismos totalmente secuenciados Se pueden obtener datos para formular hipótesis acerca de las vías metabólicas primitivas Hay muchos caminos posibles para la conformación de una vía metabólica -Adición de una enzima a un paso final o inicial de una ruta preexistente ( Ej: síntesis de glutamina a parir de glutamato) - Duplicación génica y divergencia (e.g., lactato deshidrogenasa y malato deshidrogenasa), Ej duplicación de la enzima E3 y adaptación a un nuevo sustrato. Ej 2: C->D y C->X - Evolución “hacia atrás” o retro evolución A->B->C y luego A<-B<-C (ganancia de enzimas) - Duplicación de una vía completa y aparición de vías homólogas. Ej: vías de síntesis de triptófano e histidina (enzimas de una vía se usan en la otra), enzimas homólogas - Reversión de una vía. Ej gluconeogénesis. Por aparición enzima nueva. - Nacimiento de una vía nueva mediante la fusión de dos vías distintas, Ej. Ciclo de Krebs

Las enzimas que catalizan secuencias de reacciones están asociadas entre si espacialmente. Compartamentalización A) Intracelular Citosol Mitocondrias/Cloroplastos Peroxisomas B) En tejidos en organismos multicelulares C) En cianobacterias (heterocistos)

B) Actividades enzimáticas asociadas espacialmente mediante interacciones funcionales Metabolones Gradient of PEP. The glycolytic hyperstructure containing 56 metabolons was localized to a pole, and the distribution of PEP and the enzymes were displayed. A freely diffusing enzyme consumed PEP. GlyC is the number of glycolytic metabolons, other abbreviations as in Fig. 1. Amar et al. BMC Systems Biology :27 doi: /

B) Varias actividades enzimáticas asociadas Polipéptidos con varias actividades enzimáticas

C) Enzimas de membranas Schematic of the glycerol metabolic pathway in E. coli. Protein members of the glycerol metabolic pathway includes glycerol facilitator (GlpF/AQP), a member of the aquaporin family of major intrinsic proteins. The soluble glycerol kinase (GK) phosphorylates glycerol to G3P. Another membrane protein constituent of this pathway is the transporter for the uptake of G3P (GlpT) with concomitant exit of Pi. Oxidation of G3P to DHAP is catalyzed by the monotopic membrane enzyme, glycerol- 3-phosphate dehydrogenase (GlpD), a primary dehydrogenase. Concurrent with oxidation of G3P is reduction of flavin adenine dinucleotide (FAD) to FADH2, which passes on electrons to ubiquinone (UQ) forming the reduced form (UQH2) and ultimately shuttling electrons to oxygen or nitrate

Las vías metabólicas muestran acoplamientos funcionales. Ej: acoplamiento de catabolismo y anabolismo

Los sistemas ATP-ADP median conversiones en dos direcciones

Las conversiones ¨opuestas¨ están reguladas cinéticamente. Ej: ppk1/F16BPasa

Las vías metabólicas están reguladas mediante el control de la actividad enzimática, así como de la cantidad de enzima

Selección natural de estrategias regulatorias que: 1) Maximizan la eficiencia de las vías. 2) Particionan metabolitos en caminos alternativos para proveer distintos productos finales. 3) Emplea el combustible mas conveniente para las necesidades del organismo. 4) Anulan caminos biosintéticos cuando se acumulan productos.

Regulación Rápida o “Fina”: actúa a nivel de la actividad enzimática Lenta o “Gruesa”: actúa a nivel de la cantidad y localización de las enzimas

Regulación rápida o “Fina” Regulación por disponibilidad de sustrato Regulación alostérica Inhibición por producto final Metabolones Modificaciones covalentes

Regulación por disponibilidad de sustrato

Regulación alostérica I A nivel del Km o Vm

Regulación alostérica II

Modificación Covalente Irreversible – Activación por rotura proteolítica de precursores inactivos Enzimas de la digestión Cascada de coagulación Activación de caspasas en la apoptosis

Reversible – Unión covalente de un grupo químico que altera las Propiedades catalíticas de la enzima –Fosforilación/desfosforilación –Oxidación-reducción –Acetilación-desacetilación –Adenililaciones

Ejemplo de modificaciones covalentes Puentes disulfuro

Regulación lenta o “Gruesa” Regulación transcripcional Estabilidad de los mRNA Traducción Vida media de las proteínas Asociación con proteínas regulatorias

¿Dónde regular? Enzimas claves Pasos exergónicos

¿Desde dónde regular? Regulación intracelular Regulación externa

Regulación intracelular

Regulación externa

Y ahora… Lo que se pretende con esta asignatura…

FEEDBACK REGULATION IS NOT SYNONYMOUS WITH FEEDBACK INHIBITION In both mammalian and bacterial cells, end products “feed back” and control their own synthesis, in many instances by feedback inhibition of an early biosynthetic enzyme. We must, however, distinguish between feedback regulation, a phenomenologic term devoid of mechanistic implications, and feedback inhibition, a mechanism for regulation of enzyme activity. For example, while dietary cholesterol decreases hepatic synthesis of cholesterol, this feedback regulation does not involve feedback inhibition. HMG-CoA reductase, the rate-limiting enzyme of cholesterologenesis, is affected, but cholesterol does not feedback-inhibit its activity. Regulation in response to dietary cholesterol involves curtailment by cholesterol or a cholesterol metabolite of the expression of the gene that encodes HMG-CoA reductase (enzyme repression) (Chapter 26)