Monografias | Biotecnología - Regulación y control metabólicosBiotecnología - Regulación y control metabólicosResumen: Formas de control enzimático. Control por sustrato. Control alostérico. Interacciones concertadas. Interacciones secuenciales. Control por retroalimentación. Control integrado mediante la carga energética. Modificación de la enzima. Modificación irreversible. Modificación reversible. Alteración del número de moléculas de enzima. Sistemas procarióticos. Índice
Resumen Los procesos de regulación y control metabólicos participan
en la generación de energía y de biosíntesis, ya que los procesos de
anabolismo y catabolismo se realizan por medio de enzimas, éstas formas de
control se pueden llevar a cabo por medio de control por sustrato, alostérico,
por retroalimentación, mediante carga energética y por modificaciones de la
enzima, las cuales se basan en que la producción de algunos productos inhiben a
ciertas enzimas y provocan la activación de otras para la producción de nuevos
compuestos. DESCRIPTORES: Regulación metabólica/ Control por sustrato/ Control alostérico/
Control por retroalimentación/ Modificación de enzimas. CAPITULO 8 REGULACIÓN Y CONTROL METABÓLICOS. Para lograr el crecimiento equilibrado un microorganismo
requiere la integración de un gran número de rutas metabólicas
interconectadas que participan en la generación de energía y la de biosíntesis.
Las rutas de anabolismo y del catabolismo se llevan a cabo mediante una serie de
enzimas y es a través de ellas que se ejerce el control. Las vías enzimáticas tienen que ver con la descomposición
de sustratos llevada a cabo por los microorganismos, esta actividad metabólica
global de la célula en crecimiento representa el funcionamiento de un gran número
de rutas enzimáticas interconectadas que necesitan un balance muy bueno para
funcionar apropiadamente. El control de estas enzimas puede tomar dos formas básicas:
alteración de la actividad enzimática y alteración en el número de moléculas
de la enzima. 8.2 Formas de control enzimático. Como ya se mencionó en la introducción existen dos formas básicas
de control de las enzimas las cuales se pueden resumir en la tabla 8.2-1. Tabla 8.2-1 Tipo de controles bioquímicos.
2. Control alostérico. 3. Control por retroalimentación. 4. Control integral mediante la carga energética.
a) Modificación irreversible. b) Modificación reversible. B. alteración en el número de moléculas de la enzima. El nivel de control más simple se puede ejercer al cambiar
la rapidez de reacción de una enzima, por ejemplo, al modificar la concentración
del sustrato. Si ésta es cercana menor que la de la enzima, la rapidez se
relaciona con la concentración del sustrato de acuerdo con la relación de
Michaelis-Menten.
Las enzimas que catalizan una reacción reversible y dependen
de una cierta concentración de sustrato para operar, a menudo no parecen tener
sustrato suficiente cuando éste se calcula por célula. Sin embargo, en las células
eucarióticas, la compartimentalización permite a las enzimas asociarse
espacialmente en las estructuras membranosas, que pueden dar concentraciones
locales de sustrato muy altas. La misma puede ser enzimática cierto para otros
factores necesarios para la actividad como los iones metálicos, co-enzimas y
pH. Las enzimas por tanto el control metabólico, puede ser
afectado por ciertos metabolitos reguladores (efectores, modificadores o
moduladores). Estos metabolitos pueden inhibir o activar la actividad enzimática. Hay enzimas que no siguen la cinética de Michaelis-Menten
(figura 8.2.2-1). Cuando la velocidad de reacción V se grafica contra la
concentración de sustrato, estas enzimas son complejos con múltiples
componentes difíciles de aislar, se trata de enzimas reguladoras conocidas como
enzimas alostéricas. De estas se pueden distinguir tres clases: 1) Homotrópicas: Aquí el sustrato puede actuar como
efector sobre la rapidez de la reacción enzimática, por lo general, incrementándola. 2) Heterotrópicas: La inhibición o estimulación es
causada por sustancias de origen natural que no sea el sustrato. 3) Mixtas: Algunas enzimas muestran ambas características.
Fig 8.2.2-1 Velocidad de la reacción enzimática vs
concentración de sustrato. La naturaleza sigmoidal de la curva que depende del sustrato
(fig 8.2.2-1) indica que la unión de las primeras moléculas de sustrato mejora
la unión de las primeras moléculas posteriores. En las enzimas heterotrópicas
la inhibición o estimulación daría como resultado cambios en la Km
o en la Vmax de la enzima. El modelo concertado predice que la unión de
una molécula de sustrato convierte a al enzima (todas las subunidades) a una
forma de alta afinidad, la cual puede unir más rápidamente al sustrato (fig
8.2.2.1-1). El efecto de los inhibidores o de los activadores en una enzima
heterotrópica también se puede explicar con este modelo.
Fig 8.2.2.1-1 Modelo
concertado para las interacciones alostéricas. El modelo secuencial sugiere que hay dos estados
conformacionales para las subunidades de la enzima. La unión del sustrato
provoca un cambio en la conformación de la subunidad en cuestión. Este cambio
no altera significativamente la otra subunidad, pero aumenta o disminuye la
afinidad de las subunidades por el sustrato (fig 8.2.2.2-1). Nuevamente, un
inhibidor o un activador puede encajar en el modelo.
Fig 8.2.2.2-1 Modelo secuencial para las alteraciones alostéricas. Control por retroalimentación. El método por el cual las enzimas reguladoras
con comportamiento alostérico controlan varias vías en su forma más simple,
el que se conoce como retroinhibición o inhibición por producto final. Se ha
encontrado que estas enzimas alostéricas se localizan en o cerca del comienzo
de una vía enzimática y que son inhibidas o estimuladas por el producto
final de esa vía. Muchos de estos tipos de control han sido investigados en
la síntesis de aminoácidos en E. coli y se pueden identificar en muchos
sistemas. Control por retroalimentación simple. Un ejemplo de este tipo de control se encuentra
en la síntesis dl aminoácido isoleucina en la E. coli (fig 8.2.3.1-1). Aquí
, si se permite que se forme la isoleucina inhibirá la actividad de la
treonina desaminasa, la primera enzima en la cadena de la síntesis. Fig 8.2.3.1-1
Retroinhibición simple, inhibición de la treonina desaminasa por la
isoleucina. Control por retroalimentación secuencial. En ese caso, los productos de una ruta
ramificada sólo afectan a la enzima que actúa desde el punto de ramificación,
y el punto de ramificación intermedio afecta la vía común. Un ejemplo de
esta forma de control es la síntesis de los aminoácidos aromáticos
fenilalanina, tirosina y triptófano en Bacillus subtilis (fig 8.2.3.2-1). La
formación de tri´ptófano, fenilalanina y tirosina, inhibe las enzimas en el
punto de ramificación, lo cual provoca la formación de ácido corísmico. El
exceso de ácido corísmico, a su vez, inhibe las primeras enzimas de la
secuencia que conduce a este ácido. Fig 8.2.3.2-1
Retroinhibición secuencial, control de la biosíntesis de tirosina,
fenilalanina y triotófano. Control por retroalimentación. En este caso las enzimas
reguladoras en el punto de ramificación de una vía enzimática, tienen
sitios múltiples para efectores alostéricos diferentes, de modo que la
inhibición completa se puede lograr sólo cuando ambos efectores estén
presentes. Un ejemplo es el efecto de la fenilalanina y la tirosina
sobre la enzima que forma al ácido frénico a partir del ácido corísmico
(fig 8.2.3.3-1). Fig 8.2.3.3-1 Retro
control cortado, efecto combinado de la fenilalanina y la tirosina sobre
la formación de ácido prefénico. Control enzimático múltiple. La característica de este tipo de control es que
la enzima en el comienzo de una ruta ramificada se presenta en más de una
forma, cada una de las cuales es inhibida por uno de los productos finales. Un ejemplo es el control de la lisina, metionina
y la isoleucina en la E. coli con la enzima controlante, asparto cinasa, que se
presenta en tres formas, las cuales son afectadas en forma separada por la
lisina, historina e isoleucina. (fig 8.2.3.4-1) Control por retroalimentación acumulativa. Esto ocurre en algunas enzimas regulatorias donde
los productos finales de la vía son muy diferentes. La enzima tiene múltiples
sitios alostéricos en los que los efectores originan individualmente sólo la
inhibición parcial. Se requieren cantidades saturantes de todos los efectores
para completar la inhibición. Un ejemplo de esta case de control es la enzima
glutamina sinteasa, la cual participa en las vías que conducen a varios
compuestos como la histidina, el triptófano y la glucosamina-6-P (fig
8.2.3.5-1) Fig 8.2.3.4-1 Control enzimático
múltiple. Fig 8.2.3.5-1 Retrocontrol
acumulativo de la glutamina sintetasa.
No es razonable esperar el uso y la producción de ATP, el
intermediario de alta energía, deban encontrarse balanceados dentro de la célula.
En períodos cortos, el contenido de la célula de compuestos adenilados, AMP,
ADP y ATO, se puede considerar constante. Por lo tanto, la cantidad de energía
presente en la célula puede considerarse como la proporción de ATP y ADP con
respecto al total de compuestos adenilados, el ATP es el doble de ADP. Esta suma
se conoce como la carga energética:
la carga energética tiene efecto sobre algunas enzimas y éste
proviene de la función enzimática en el uso o generación del ATP, dos de
estas enzimas son la fosfofructocinasa y la piruvato deshidrogenasa. La enzima fosfofructocinasa se sitúa en una etapa
esencialmente irreversible de la glucólisis, la enzima es estimulada tanto por
ADP como por AMP, e inhibida por ATP y nitrato. Por lo tanto, si la carga energética
dentro de la célula es baja, la fosfofructocinasa se activa y el flujo de
carbono a través de la glucólisis aumenta para producir más ATP. La formación
de acetil CoA por la piruvato deshidrogenasa a partir de piruvato, el producto
final de la glucólisis, también es esencialmente irreversible y, por lo tanto,
controla la rapidez con la que funciona el ciclo de Krebs, así como la producción
de ATP e intermediarios biosintéticos. La piruvato deshidrogenasa es inhibida
por acetil CoA, NADH y ATP y activada AMP. Por lo tanto la enzima puede
controlar el flujo de carbono a través del ciclo de Krebs dependiendo de los
niveles de NADH, ATP y acetil CoA. Las enzimas pueden activarse o desactivarse por
modificaciones ya sea reversibles o irreversibles, que a menudo son efectuadas
por otras enzimas. Algunas enzimas, en particular las enzimas
digestivas, se sintetizan en una forma inactiva conocida como zimógeno.
Esta forma se activa por la acción de una segunda enzima que rompe la molécula
en un punto específico. Un ejemplo de esta forma de control es el
quimotripsinógeno, la forma inactiva de la quimiotripsina, el quimotripsinógeno
se sintetiza en el páncreas y consiste en una sola cadena polipeptídica,
reticulada por cinco enlaces disulfuro. Cuando el enlace peptídico que une
a la arginina 15 y la isoleucina 16 se rompe por la acción de la tripsina,
el quimiotripsinógeno se convierte en la quimiotripsina totalmente activa. Quimotripsinógeno (inactivo) Tripsina QUIMOTRIPSINA (activa) Quimotripsina a -QUIMOTRIPSINA (activa) Fig. 8.2.5-1. Modificación irreversible del quimotripsinógeno a
quimotripsina activa La modificación de las enzimas de formas inactivas a formas
activas puede ser reversible. Por ejemplo, una fosforilasa que se encuentra en
el músculo existe en dos formas: una activa y otra inactiva. La forma inactiva
pasa a la forma activa por la fosforilación de un residuo específico de serina
mediante una enzima fosforilasa cinasa específica. Bajo diferentes condiciones,
el grupo fosfato es removido de la enzima activa por una segunda enzima específica,
fosforilasa fosfatasa, para producir la enzima inactiva. Se puede considerar un buen ejemplo, en el metabolismo del
glucógeno, una forma de almacenamiento de glucosa, donde la síntesis y el
rompimiento deben ser controlados y coordinados. En los animales, el metabolismo
del glucógeno está bajo el control de hormonas en una serie compleja de
reacciones que incluyen la modificación reversible de las enzimas. Otra forma de modificación reversible de la actividad enzimática,
se encuentra en la enzima glutamina sintetasa de E. Coli. La enzima puede ser
adenilada (adición del grupo adenina) por una enzima adenilil transferasa, la
cual hace a la enzima más susceptible al control por retroalimentación por
parte de la glutamina. Además, la glutamina inhibe a una enzima deadenilante, y
por lo tanto, un aumento de la glutamina permitirá la formación de más
enzimas susceptible, reduciendo así la formación de glutamina. Fig. 8.2.5-2. Activación e inactivación de la
fosforilasa por fosforilación reversible De un residuo específico de serina. Alteración del número de moléculas de
enzima Hay un segundo tipo de control, posiblemente
controles aproximados, que determinan el número de moléculas de enzima
presentes dentro de una célula. Se puede ver que el control es ejercitado tanto
en el estado transcripcional como en el traduccional. Un tercer control posible
es un incremento en la degradación de la enzima en cuestión sin afectar su
rapidez de síntesis, reduciendo así su concentración global. Los procariotas tienen cromosomas individuales en
forma superior – arrollada. La expresión genética correcta en los
procariotas depende de las secuencias de ADN que flanquean las secuencias de
instrucciones. La transcripción de los genes requiere RNA polimerasas, que
pueden tener asociados los factores polipeptídicos sigma y rho. El factor sigma
promueve la unión de la RNA polimerasa al ADN en sitios específicos ubicados
justo antes de las secuencias de instrucciones de la proteína, conocidos como
región del promotor (figura 8.2.7). Algo importante en el sitio del promotor,
son diez nucleótidos ubicados antes de su comienzo, conocidos como la caja de
Pribnow y que contienen la secuencia TATAAT. El segundo sitio está
aproximadamente de 23 a 25 nucleótidos cuesta arriba, con la secuencia TTGACA.
En los genes cuya secuencia de bases de la región del promotor se ha analizado,
se ha encontrado poca variación entre los promotores que puede tener algún
efecto sobre la resistencia del promotor y la longitud de la copia. Una vez que se inicia la transcripción sobre la
hebra con sentido del ADN. El factor sigma se disocia. Una característica
adicional de la secuencia de nucleótidos ubicada cuesta arriba de la mayoría
de los genes, es la presencia de un sitio de unión para los ribosomas o
secuencia de Shine – Delgarno. Esto sucede a pocos pares de bases cuesta
arriba del codón de iniciación, que comúnmente es AUG. La terminación de la
transcripción también se realiza en sitios específicos del ADN, caracterizado
por un par de secuencias repetidas invertidas, las cuales, por emparejamiento
interno, originan una estructura de tallo y lazo. En algunos casos es necesario el polipéptido rho
para la terminación de la transcripción, pero desconoce su participación. Promotor Gene estructural Fig. 8.2.7. Estructura de las regiones
promotoras, en el ADN de los organismos procariotas. Operones. En las bacterias, los genes para funciones relacionadas en un
proceso metabólico, con frecuencia se localizan adyacentes entre sí y se
transcriben como una molécula de RNA mensajero simple (RNA poliscistrónico).
Este RNA mensajero contiene secuencias interpuestas cortas no codificadoras.
Este acomodo de genes se conoce como un operón. Por lo tanto, el mRNA simple
puede producir varias proteínas relacionadas rápidamente en la traducción. Algunos genes se expresan constantemente y se describen como
genes con expresión constitutiva, mientras que otros pueden inducirse por una
señal intracelular. Los genes indecibles presentan expresión elevada bajo el
estímulo apropiado. Además de la región del promotor, existe otra secuencia de
bases que es adyacente o traslapa la región del promotor conocida como región
del operador. Esta región es responsable del control de la unión de la RNA
polimerasa al promotor. Las proteínas conocidas como represores, se pueden unir
al operador y evitar la transcripción. Este tipo de control puede funcionar
como control positivo o negativo. Fig. 8.2.7-1. Controles positivos y negativos de la
transcripción del ADN en mRNA. El primer operón descubierto fue el operón lac, el cual se
compone de tres genes estructurales que intervienen en la captación y
metabolismo de la lactosa, la b -galactosidasa, una
permeasa, y transacetilasa. A contra corriente de los genes estructurales se
encuentra un operador, un promotor y un sitio que es reconocido por una proteína
que encuentra un operador, un promotor y un sitio que es reconocido por una
proteína que actúa como activador positivo, conocida como proteína activadora
de catabolitos (CAP). Esta proteína tiene un sitio de enlace para el AMP cíclico
AMP el cual se induce cuando baja la concentración de glucosa. La unión del
AMPc activa a la proteína y lee permite unirse al ADN en el sitio cuesta arriba
del sitio de reconocimiento de la RNA polimerasa lo cual presumiblemente
facilita la unión de la RNA polimerasa. Además de la regulación inducible positiva del operón lac,
también existe un elemento inducible negativo que reprime al operón en
ausencia de lactosa. Una proteína represora de lac se une al operador y evita
la transcripción. La inducción es causada por un isómero de la lactosa
llamado alolactosa que se une a la proteína represora dando como resultado la
detención del enlace del represor lac con el operador e induciendo así la
transcripción.
Las células eucarióticas contienen un núcleo separado del
resto de la célula por una membrana, el cual contiene cromosomas lineales múltiples.
Cada cromosoma contiene un ADN individual de doble hélice, aunque generalmente
los cromosomas se encuentran en pares y por lo tanto, contiene información homóloga.
En los mamíferos, un par de cromosomas determina el sexo, con dos cromosas tipo
X que determina las características femeninas y un cromosoma X y uno Y que
determina las características masculinas. Fig. 8.2.8. Estructuraa de la región promotora en el
ADN de los Organismos eucariotas. El ADN nuclear se encuentra asociado con proteínas, las
histonas. Estas proteínas son responsables de mantener la estructura y el
metabolismo del ADN, incluyendo la expresión genética. En las células eucarióticas
se encuentran tres RNA polimerasas. La RNA polimerasa I es responsable de la
producción del RNA ribosomal, la polimeras III de la producción de RNA de
transferencia y la polimeras II participa en la producción del mRNA. Estos tipos de secuencias que afectan la transcripción,
pueden operar sobre grandes distancias. Las secuencias mejoradas identificadas
en genes virales, pueden actuar sobre distancias de hasta 3 kb. Estos elementos
exhiben homología secuencial, pero con frecuencia su efecto se restringe a
tipos específicos de tejido. No existe información clara sobre señales de
terminación de la transcripción en los eucariotas. En la expresión genética
de los eucariotas, se han incluido otras características como la capacidad de
la hélice para cambiar a la forma Z, así como la presencia de residuos
metilados de citosina como mecanismo para desconectar genes. Luego de la transcripción en eucariotas, el RNA mensajero se
modifica por adición de un cap. 5, a partir de un radical 7 – metilguanilil,
le cual ayuda al RNA mensajero a unirse al ribosoma. También se adiciona una
cola de 100 – 200 nucleótidos de longitud de poli – A en el extremo 3’
del RNAm y es señalada por unos 13 – 20 nucleótidos ubicados cuesta debajo
de una secuencia AAUAAA: En conclusión en los sistemas eucarióticos se deben tener
en cuenta dos cosas:
En la trascripción de eucariontes se distinguen las
siguientes fases: a) Iniciación: la ARN polimerasa II se une a una zona del
ADN llamada promotor (posee secuencias CAAT y TATA) b) Elongación: la síntesis continua en sentido 5´-3´. Al
poco se añade una caperuza (metil-guanosín trifosfato) al extremo 5´. c) Finalización: parece que está relacionado con la
secuencia TTATTT. Ahora interviene un poli-A polimerasa que añade una cola de
poli-A al pre-ARNm (ARNhn). d) Maduración: se produce en el núcleo y la hace un enzima
llamada RNPpn, que elimina los nuevos intrones (I) formados. Posteriormente las ARN ligasas empalman los exones (E) y
forman el ARNm.
La secuencia de instrucciones de genes eucarióticos
también puede contener secuencias sin instrucciones llamadas intrones,
los cuales se procesan o eliminen del RNAm en el núcleo. Las secuencias
de instrucciones que son interrumpidas por los intrones se llaman
exones. La secuencia de aminoácidos determina las estructuras
secundaria y terciaria en las cuales se dobla la proteína. Puede ocurrir también
otra modificación que afecte la especificidad, las propiedades y la actividad
de las proteínas. Las proteínas destinadas a la exportación tienen una
secuencia principal N-terminal de 15 – 30 aminoácidos, que tiene propiedades
hidrofóbicas. Esta secuencia tiene alta afinidad por las membranas y permite la
secreción posterior. En el proceso de secreción hay también remoción de la
secuencia líder por una proteasa. El proceso proteolítico también es
importante para producir otras proteínas precursoras, por ejemplo, la producción
de insulina a partir de la proinsulina.
1. Scragg Alan, "Biotecnología para ingenieros.
Sistemas biológicos en procesos tecnológicos", Primera reimpresión,
Editorial Limusa S.A, México, 1997. Compartir Publicación enviada por Arias Edison - Lastra Jorge Contactar mailto:Bart_j_s@hotmail.com Código ISPN de la Publicación EpZyVkkZAlddrdZofe Publicado Wednesday 11 de February de 2004 Ultimas Publicaciones en ilustrados.com
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