Control Metabólico de Procesos

Presentación del tema: "Control Metabólico de Procesos"— Transcripción de la presentación:

1 Control Metabólico de Procesos
Flujo Metabólico El concepto de flujo metabólico se desarrolló para describir en términos matemáticos la velocidad a la cual un intermediario metabólico se mueve a lo largo de varias rutas. Debemos tener en cuenta las enzimas involucradas en todos estos pasos. Las reacciones pueden ser reguladas ó su velocidad aumentada, de forma tal que se puede modificar la velocidad de una etapa limitante y aumentar la formación de producto. (Fig. 1) Desafortunadamente esto no se puede hacer porque las enzimas están relacionadas entre sí. Por Ingeniería genética es posible deregular una ruta para obtener un producto en particular. Se pueden lograr super producción de aminoácidos, ácidos orgánicos y antibióticos. La identificación de las enzimas claves que controlan el flujo de carbono a varios productos es importante, para aumentar la productividad de cualquier proceso. Algunos productos se obtienen a partir de microorganismos mutantes por manipulaciones genéticas. Lo común es alterar enzimas específicas, ó grupos de enzimas, para lograr mejoras de una manera precisa.

2 Fig. 1

3 Consumo de nutrientes El control del metabolismo celular comienza por la regulación del consumo de nutrientes por parte de las las células. La mayoría de los nutrientes, aparte del O2 y unas pocas fuentes de C, se toman por medio de mecanismos de transporte específicos, tal que los pueden concentrar dentro de la célula, de soluciones diluídas del exterior. Este sistema de transporte activo requiere consumo de energía. En algunos casos la velocidad a la cual la célula consume glucosa por ej es limitante para el proceso de crecimiento, y por tanto merece una atención especial cuando se quiere aumentar la productividad de un bioproceso. Compartamentalismo Una forma simple de control metabólico es el uso de compartimentos u organelas dentro de la célula, para mantener separados pools de metabolitos y mantenerlos. Un ej, es la mitocondria de las eucariotas donde se llevan a cabo las reacciones de Ciclo de Krebs, separadas de las otras reacciones del citoplasma. Otro sería donde se lleva a cabo la biosíntesis de ácidos grasos (citoplasma eucariótico, en los organelos peroxisomas eucarióticos). Las bacterias. sin embargo no tienen esos compartimentos, por lo que recurren a otros mecanismo de control.

4 Control de síntesis de Enzimas
La mayoría de las enzimas dentro de una célula son constitutivas, están allí bajo las condiciones totales de crecimiento. Otras enzimas aparecen solo cuando se las necesita, son enzimas inducidas. Por el contrario las enzimas pueden desaparecer, cuando ya no son requeridas, Ej, las enzimas para la biosíntesis de la histidina se detienen cuando hay suficiente histidina para satisfacer las necesidades de la célula. Esto se llama represión, cuando se agotó ese nutriente las enzimas vueven a aparecer, eso se llama derepresión de la síntesis. Esto sucede porque existen genes para la síntesis de las proteínas, que por un proceso de transcripción son inducidas ó reprimidas de acuerdo a los metabolitos presentes ó ausentes en la célula. (Fig. 1 y 2)

5 Fig. 2: Control de la síntesis
de enzimas por regulación de la expresión del DNA Represión En ausencia de un inductor el m RNA produce una proteína que se une a un gen operador. Como resultado de esta unión, el gen operador se inactiva y no se transcriben los genes estructurales se expresen.

6 Fig. 2 (b) Inducción. En la presencia de un inductor, la proteína den gen regulador se une al gen operador. El operador permite la transcripción de los genes estructurales.

7 Represión catabólica El tipo de control metabólico es una extensión de los procesos de inducción y represión. El término represión catabólica se refiere a fenómenos generales, ej cuando un microorganismo es capaz de seleccionar, de una ó mas diferentes fuentes de C simultánea , cual de todas ellas va a usar. Un microorganismo que tiene glucosa y lactosa, ignora la lactosa hasta que ha consumido totalmente la glucosa, originando un crecimiento diáuxico. El mecanismo de la represión catabólica varía de un organismo a otro. Los genes se pueden usar para sintetizar proteínas nuevas para el consumo y metabolismo de un sustrato nuevo, ej la lactosa. El sistema de control positivo es el inverso del control negativo de la (Fig. 2). La molécula clave es el c AMP, mientras están presentes ella ó sus catabolitos, no se forma el c AMP por que la enzima que lo sintetiza (adenilato ciclasa) está inhibida, por estos catabolitos, y así el consumo y metabolismo de lactosa no pueden ocurrir. Estos catabolitos reprimen la síntesis de enzimas nuevas. La represión desaparece cuando se remueven estos catabolitos, ó bien la glucosa ha sido consumida.

8 Fig. 3: Represión catabólica
El mecanismo es mediado por c AMP. Un operón se controla por el gen operador que se activa por un complejo formado entre la proteína activadora de catabolito, CAP, y el c AMP. cAMP se forma solamente cuando la glucosa está ausente. Los genes estructurales son reprimidos mientras hay glucosa ó sus catabolitos. Algunos operones responden a la señal c AMP –CAP.

9 Modificaciones post transcripcionales
Este proceso ocurre después que la enzima se ha sintetizado, después de su formación por transcripción. (Fig. 1) Las enzimas se pueden modificar de una forma activa a una inactiva: Enzima activa Enzima inactiva Este proceso de activar ó inactivar una enzima se lleva a cabo por una enzima separada que no participa con la catálisis de la reacción de la enzima original. Ej la fosforilación de una enzima, usando una enzima nueva como una proteína kinasa que es altamente específica. Ellas adicionan un grupo fosfato que proviene del ATP a un grupo hidroxilo específico (normalmente un residuo de serina) a una enzima. La enzima activada (forma fosforilada) y desactivada (des fosforilada, esto lo hace una enzima fosfatasa específica). Las actividades de las proteínas kinasa y fosfatasa se controlan por otros factores dentro de la célula, y trabajarán de acuerdo al status metabólico de la célula. Hay otros mecanismos como: la unión ó remoción de una molécula simple a un residuo amino particular de la enzima.

10 Acción de efectores Pueden ser promotores si ejercen un efecto +, ó inhibidores si el efecto es -. Un ej, de este proceso es el feed back inhibition, que se da en una secuencia de biosíntesis. El producto final E inhibe la actividad de la 1º enzima de la secuencia. Esto ocurre cuando la célula tiene una cantidad suficiente de este producto. A medida que la célula continúa su crecimiento consume E y este disminuye en la misma. Entonces recomienza la conversión de A a B y así susesivamente, hasta formar más E. Este proceso de feed back inhibition también ocurre si E se agrega al medio de crecimiento. Una concentración alta del producto final puede conducir a una represión (afecta a la velocidad de síntesis de las enzimas) para la ruta completa. Este proceso se complica porque no todas las rutas son lineales, sino que también hay rutas ramificadas, con productos finales múltiples. Esto es muy importante en la biosíntesis de aminoácidos como fenilaalanina, tirosina y triptofano.

11 Degradación de Enzimas
Las enzimas no son moléculas estables, y pueden ser destruídas irreversiblemente. Sus tiempos de vida media son muy variables, van de minutos a varios días. Aunque la síntesis de enzimas se puede regular a nivel genético, una vez que una enzima ha sido sintetizada puede permanecer funcional por algún tiempo. Si cambian las condiciones de entorno abruptamente, a lo mejor no se puede sintetizar la enzima porque está reprimida, la célula también puede necesitar inactivar la enzima para evitar la actividad metabólica. Además bajo condiciones de nitrógeno limitado, la célula cesa el crecimiento, las proteasas, que son enzimas proteolíticas, se pueden activar luego para degradar proteínas en aminoácidos que la célula usará para la síntesis de nuevas enzimas que pueden ser esenciales. Así las enzimas pueden cambiar más rápidamente, que si ocurre simplemente una desnaturalización.

12 Eficiencia del crecimiento microbiano
Se expresa en términos de rendimiento de células formadas por unidad de peso de sustrato (carbono) consumido. Ys (constante de crecimiento molar) es el rendimiento de la célula (peso seco) por mol de sustrato, mientras que el coeficiente de conversión de carbono, permite comparar sustratos diferentes, de tamaño molecular diferente, es el rendimiento de células por gr del sustrato carbono. (Tabla 1)

13 Tabla 1

14 Empíricamente, el rendimiento del crecimiento de un organismo depende de muchos factores:
La naturaleza de la fuente de carbono 2. Las rutas del catabolismo de sustratos Cualquier suministro de sustratos complejos que necesita una ruta anabólica para operar. Requerimientos de energía para asimilar otros nutrientes, especialmente nitrógeno. Las eficiencias variables de las reacciones que generan ATP. La presencia de sustratos inhibidores, balance iónico adverso, u otros componentes del medio que imponen demandas extras, sobre el sistema de transporte. El estado fisiológico del organismo, los organismos modifican su micro entorno de acuerdo al medio que los rodea, y los procesos diferentes (metabolismo primario y secundario) con balances de masa y energía diferentes. La naturaleza del sustrato limitante, el crecimiento limitado por carbono es más eficiente, que el limitado por nitrógeno.

15 La velocidad de crecimiento permitida: a medida que la velocidad de crecimiento disminuye, la proporción del sustrato para mantenimiento aumenta dentro de la célula, por lo que disminuye la cantidad de sustrato para transformarse en otros productos. La competencia del microbiólogo.

16 Bibliografía Ratledge Colin, Kristiansen Bjorn. “Basic Biotechnology”. Cambridge. 2º edición