Tema 8: Regulación enzimática Enzimas alostéricas Efectores positivos y negativos Modelos que describen la regulación alostérica Regulación de la actividad enzimática Regulación por efectores Modificación covalente Activación de zimógenos Regulación por isoenzimas

Objetivos específicos - Conocer los mecanismos de regulación de la actividad enzimática - Conocer el concepto de modulador positivo y negativo. - Conocer el concepto de cooperatividad positiva y negativa.

Enzimas alostéricas En una secuencia metabólica hipotética, donde una biomolécula A, se transforma en un producto final P, cada una de las etapas está catalizada por distintas enzimas E1 E2 E3 E4 E5 E6 A  B  C  C  D  F  P La(s) enzima(s) reguladora(s) pueden ser influenciadas por: la concentración del o los producto(s) final(es) de la secuencia metabólica la concentración inicial del sustrato y del intermediario formado en la secuencia por algunos factores externos como una hormona o quizás por todos los factores mencionados

Enzimas alostéricas Tienen sitios específicos de unión para dos clases de ligandos: un sitio catalítico por el que se une al sustrato específico y un sitio regulador o alostérico por el que se unen a diversos efectores que alteran las propiedades cinéticas del sitio catalítico Son generalmente oligómeros de diversas unidades

Enzima alostérica hipotética Boyer, R. Conceptos de Bioquímica.

Efectores positivos y negativos Las biomoléculas que influyen en la acción de una enzima alostérica se conocen como efectores o moduladores. Estos pueden actuar como estimulantes (efectores positivos) o inhibidores (efectores negativos) de la enzima. Las moléculas efectoras actúan mediante la unión no covalente, reversible con una región de la enzima. E1 E2 E3 E4 E5 E6 A  B  C  D  E  F  P

Efectores positivos y negativos Las enzimas alostéricas no exhiben curvas de velocidad hiperbólicas; es decir, no siguen la cinética típica de Michaelis-Menten, sino que las curvas de velocidad de Vo contra [S] son sigmoideas. Este comportamiento que se observa también en transportadores, como la hemoglobina se denomina alosterismo.

Curvas de velocidad para enzimas alostéricas Boyer, R. Conceptos de Bioquímica.

Efectores positivos y negativos Como la velocidad de la reacción es una medida del grado de saturación de la enzima, el incremento en la pendiente de la curva de velocidad indica cooperatividad en la unión del sustrato al centro activo: la unión de una molécula de sustrato facilita la de las siguientes. La presencia de un efector positivo o negativo también da lugar a una curva sigmoidea, pero con una velocidad incrementada o inhibida, respectivamente.

Efecto de la unión cooperativa del sustrato en la cinética enzimática Mathews, C.K., van Holde, K.E. y Ahern, K.G. Bioquímica

Efecto de la unión cooperativa del sustrato en la cinética enzimática La unión de un sustrato favorece la unión de otros sustratos. La unión cooperativa favorece la reducción de la KM para la unión de sustratos después de la inicial. Mathews, C.K., van Holde, K.E. y Ahern, K.G. Bioquímica

Efecto de homoalosterismo A concentraciones de S por debajo de un punto crítico, [S] c, la enzima está casi inactiva, pero luego cambia rápidamente la actividad a concentraciones mayores de S que [S] c. Mathews, C.K., van Holde, K.E. y Ahern, K.G. Bioquímica

Enzima alostérica hipotética Boyer, R. Conceptos de Bioquímica.

Control heteroalostérico de una enzima Se muestra como un control heteroalosterico de una enzima afecta la forma de la curva V-vs-[S]. Los cambios hacia el estado R (activadores) aumentar la velocidad a una determinada concentración de sustrato, mientras que los cambios hacia el estado T tiene el efecto contrario. Mathews, C.K., van Holde, K.E. y Ahern, K.G. Bioquímica

Modelos que describen la regulación alostérica Modelo concertado o MWC, fue propuesto en 1965 por tres bioquímicos franceses: Jacques Monod, Jeffries Wyman y Jean-Pierre Changeux Modelo secuencial, propuesto por Daniel Koshland Jr, en 1966

Modelo concertado o MWC El modelo postula que en la proteína oligomérica, cada monómero puede existir en dos estados conformacionales, uno tenso (T), incapaz de unir al sustrato, y uno relajado (R), con afinidad alta por éste. Los dos estados conformacionales están en equilibrio. En ausencia de sustrato, el equilibrio esta muy desplazado hacia la forma tensa. La proteína oligomérica debe conservar siempre su simetría, por lo que todas las subunidades deben encontrarse en el mismo estado conformacional, es decir que el híbrido RT no existe en este modelo

Modelo concertado o MWC Al incrementar la concentración de sustrato, más y más moléculas de sustrato se unen con las moléculas que están en el estado R, cambiando el equilibrio hacia este estado Los efectores positivos se unen preferentemente con las moléculas de enzima en estado R, desplazándose así más moléculas T, hacia la forma catalíticamente activa. Es decir, el efector incrementa y estabiliza el estado R. Los efectores negativos tienen preferencia por unirse a moléculas de enzima en el estado T, desplazándolas hacia esta conformación menos activa

Modelo concertado o MWC Boyer, R. Conceptos de Bioquímica.

Modelo secuencial (Koshland) En este modelo, que también supone la existencia de los estados tenso y relajado, la unión del sustrato a cualquiera de las subunidades de la proteína alostérica provoca un cambio conformacional en la misma, que se comunica a las demás subunidades, produciendo una alteración moderada, en lugar de la transición concertada a la forma R. Pueden existir oligómeros formados por subunidades de los dos tipos, R y T.

Modelo secuencial (Koshland) El pequeño cambio conformacional provocado en las subunidades libres es suficiente para aumentar o disminuir su afinidad por el sustrato Cuando una molécula de sustrato se une en el sitio activo, sólo esa subunidad pasa hacia el estado R. Esto aumenta la probabilidad de que se desplacen las demás subunidades T hacia el estado R. El cambio conformacional sucede en forma secuencial, es decir que cada etapa de unión del sustrato promueve la siguiente etapa de unión.

Modelo secuencial (Koshland) Boyer, R. Conceptos de Bioquímica.

Diferencias entre los dos modelos El modelo secuencial se distingue del modelo MWC concertado en: no presupone un equilibrio inicial entre las conformaciones R y T, sino que el cambio hacia la forma R es inducido por la unión del sustrato la forma RT esta permitida en el modelo secuencial

Regulación de la actividad enzimática Regulación por efectores Modificación covalente Activación de zimógenos Regulación por isoenzimas

Regulación por efectores La existencia de efectores permite modificar la velocidad de las reacciones enzimáticas E1 E2 E3 E4 A  B  C  D  F

Modificación covalente La actividad de muchas enzimas puede modificarse mediante la unión covalente de un grupo químico a la cadena lateral de algún aminoácido de la proteína. Normalmente, esta modificación química requiere la participación de otra enzima

Modificación covalente Boyer, R. Conceptos de Bioquímica.

Activación de zimógenos Algunas enzimas son sintetizadas inicialmente en forma inactiva y deben pasar por una etapa de modificación covalente para adquirir una actividad enzimática completa. El precursor inactivo, llamado zimógeno, experimenta una ruptura en uno o varios enlaces peptídico específicos para que se produzca la forma activa de la enzima.

Activación de zimógenos Mathews, C.K., van Holde, K.E. y Ahern, K.G. Bioquímica

Activación de zimógenos Boyer, R. Conceptos de Bioquímica.

Regulación por isoenzimas Algunos procesos metabólicos están regulados por enzimas que existen en diferentes formas moleculares, llamadas isoenzimas o isozimas Tienen secuencias de aminoácidos semejantes pero no idénticas. Todas las formas presentan actividad enzimática y catalizan la misma reacción bioquímica, pero pueden diferenciarse por tener distintas propiedades cinética (diferente KM y Vmax), reguladoras (diferentes efectores); preferencias por las coenzimas, incluso por su distribución celular

Bibliografía Mathews, C.K., van Holde, K.E. y Ahern, K.G. Bioquímica. Tercera Edición. Pearson Education. 2002. Boyer, R. Conceptos de Bioquímica. International Thomson Editores, 2000. http://delicious.com/monica.fernandez.ie.edu Bioquímica. Mathews Conceptos de Bioquímica- Boyer