Tema 16 (2014)

Apunte Catalán
Universidad Universidad Autónoma de Barcelona (UAB)
Grado Bioquímica - 2º curso
Asignatura Biocatàlisi
Año del apunte 2014
Páginas 10
Fecha de subida 11/02/2015
Descargas 84
Subido por

Vista previa del texto

María Monteserín Cuesta Judith González Gallego Biocatàlisi. T16 Tema 16. REGULACIÓ DE L’ACTIVITAT ENZIMÀTICA SISTEMES GENERALS DE REGULACIÓ Els enzims han de tenir una gran afinitat pel substrat però per una altra banda han de poder regular-se per evitar que l’organisme no es col·lapsi.
Quan parlem de regulació de l’activitat enzimàtica podem parlar a diferents nivells i un d’aquest és regular l’activitat per la quantitat d’enzim o bé regular únicament l’activitat de l’enzim.
REGULACIÓ DE LA QUANTITAT D’ENZIM En aquest aspecte hem de tenir en compte tant la regulació de la biosíntesi de l’enzim i també la seva degradació.
Exemple 1. Operons Els operons són sistemes bacterians que constitueixen un mecanisme que permet regular l’expressió dels gens (que poden ser enzims). En aquest cas la regulació està associada al procés d’interacció proteïna – DNA, observem com la proteïna repressora interacciona amb el DNA de manera que, no és un procés de regulació immediat sinó que implica una sèrie de canvis. En funció de si tenim o no l’inductor tindrem l’associació o no amb el DNA i per tant, aquest DNA donarà l’expressió proteica.
Observem un exemple de l’enzim de la β – lactamasa: 1 María Monteserín Cuesta Judith González Gallego Biocatàlisi. T16 Exemple 2. Regulació síntesi de colesterol L’enzim que regula la síntesi de colesterol és el HMG-CoA reductasa; les estatines són molècules inhibidores d’aquest enzim i és el que forma part de la regulació més ràpida. La síntesi del colesterol però és molt més complexa ja que hi ha altres sistemes de regulació.
Regulació a curt termini L’enzim regulador de la síntesi de colesterol és inhibit per fosforilació i aquesta inhibició depèn de la presència d’AMPc, responent a nivells elevats d’aquest.
Regulació a llarg termini Nivell de síntesi del missatger La síntesi del missatger químic està regulada per un factor de transcripció que és una proteïna que s’uneix a la proteïna SREBP, una proteïna que interacciona a llocs del gen que codifica per la reductasa i en aquestes condicions s’activa el procés de síntesi de l’enzim. Així doncs, aquest mecanisme serveix per activar la síntesi d’enzim.
Nivell de traducció Per una altra banda, si el sistema ha d’inhibir aquest enzim es sap que un cop s’ha sintetitzat el missatger tant el colesterol de la dieta com precursors (com el mevalonat) actuen en el procés traducció del missatger, on son capaços d’inhibir-lo.
Nivell de degradació proteica Aquest és una resposta en quant a la concentració; quan la concentració de colesterol és mol elevada i a més hi ha la presència d’esterols o derivats d’aquests es facilita la degradació del entorn per mitjà de proteases. Aquests compostos a més, afavoreixen d’inhibició de l’enzim.
Exemple 3. Regulació per degradació, temps de vida de les proteïnes Alhora de regular la quantitat d’enzim és clau considerar quin és el seu temps de vida mitja com a proteïna. És cert que en funció del tipus de residu el temps de vida mitja d’una proteïna varia. Aquest aspecte permet regular la quantitat d’enzim que hi ha per efecte de degradació.
En el procés d’eliminació de proteïnes es dóna un marcatge per ubiquitines i participa el proteosoma.
2 María Monteserín Cuesta Judith González Gallego Biocatàlisi. T16 En el següent esquema observem el procés d’ubiquitinació: Els processos que estan regulats per degradació proteica són: transcripció gènica, progressió cicle cel·lular, formació d’òrgans, ritmes circadians, resposta inflamatòria, supressió de tumors, metabolisme del colesterol i processament d’antígens.
ISOENZIMS Els isoenzims són enzims que catalitzen la mateixa reacció però són codificats per gens diferents i per tant, tenen paràmetres cinètics diferents i una resposta a la seva regulació també diferent. Un exemple d’aquest enzim és la lactat deshidrogenasa.
La lactat deshidrogenasa pot presentar fins a 5 isoenzims diferents i aquests sempre són un tetràmer, un enzim constituït per 4 subunitats però hem de tenir present que aquestes poden ser dues subunitats diferents (H i M) de manera que, cada isoenzim té unes quantitat de cadascuna diferents:  Enzim predominant al cor: 4 subunitats H  Enzim predominant a múscul i fetge: 4 subunitats M Aquests isoenzims tenen propietats diferents que estan relacionades amb la funció de l’òrgan on es troben cadascun ja que l’existència d’isoenzims té una raó biològica. Per una altra banda cal dir que en la següent imatge veiem la localització dels isoenzims, que varia en funció del teixit.
3 María Monteserín Cuesta Judith González Gallego Biocatàlisi. T16 Sabem que la distribució de la formació dels isoenzims també varia en funció del desenvolupament, estudiat en el rata: així doncs, el dia 9 abans de nàixer tenim totes les subunitats en el cor en la forma del múscul mentre que això va canviat en llarg de la vida per les condicions en que treballar el cor.
La forma H4 del cor té una sèrie de característiques: aquesta és una forma que té millor activitat quan treballa en condicions aeròbiques (les del múscul cardíac) mentre que la forma M4 treballa millor en condicions anaeròbies, quan la pressió parcial d’oxigen és més baixa.
Els aspectes esmentats anteriorment té relació que en el fetge en condicions aeròbies la reacció facilitada és la conversió a lactat perquè es genera NADH reduït que va a la cadena de transport d’electrons. En el múscul esquelètic el que s’elabora és una altra transformació que afavoreix el cicle de cori.
Distribució dels isoenzims d’un mateix enzim: raons que expliquen la presència d’isoenzims: 1) Els isoenzims poden participar en la mateixa via metabòlica però en òrgans diferents i que per tant, la finalitat de la via sigui diferent. L’exemple més clar d’aquest aspecte és la glicogen fosforilasa, que en el fetge té com a funció la producció de glucosa que passarà a circulació sanguínia mentre que en el múscul degrada el glicogen per obtenir glucosa 6-fosfat i energia. La forma en que es regula aquest enzim en els diferents òrgans és diferent de manera que, en el fetge respondrà a un increment de glucagó o una disminució d’insulina mentre que en múscul respondrà a l’adrenalina.
2) Podem trobar la mateixa activitat en diferents orgànuls cel·lulars però amb la mateixa funció. Un exemple d’aquest aspecte és la isocitrat deshidrogenasa; en la seva forma mitocondrial utilitza NAD+ com acceptor d’electrons mentre que en la seva forma citosòlica utilitza NADP+ amb la finalitat de produir NADPH.
3) Presència d’isoenzims en diferents estadis de desenvolupament. Tal com hem vist anteriorment la lactat deshidrogenasa es mostra en el cor en diferents formes d’isoenzims durant el d’envolupament fins que es queda la forma que treballa millor en les condicions del múscul cardíac.
4) Els isoenzims poden tenir diferents resposta a reguladors. Tal com hem vist la regulació de l’hexoquinasa la trobem pràcticament a tots els tipus cel·lulars mentre que la glucoquinasa només actua en el fetge i en condicions de concentració de glucosa que són saturants per l’hexoquinasa.
4 María Monteserín Cuesta Judith González Gallego Biocatàlisi. T16 REGULACIÓ DE L’ACTIVITAT Regulació al·lostèrica Sabem que hi ha enzims que poden ser regulats al·lostèricament per altres molècules, que al interaccionar amb l’enzim poden modificar la seva activitat Activació per precursor i retroinhibició Aquestes son dues formes de regulació quan consideren l’enzim a una via metabòlica. D’aquesta manera Podem diferenciar dos tipus de sistemes de regulació:  Activació per precursor: l’increment d’un component de la via que tenim molt abans del efecte de l’enzim actua activant un enzim posterior.
 Retroinhibició: el producte final de la via metabòlica actua inhibint una tapa inicial per controlar tota la via metabòlica.
Observem dos exemples: Control hormonal: Adrenalina Continuant amb tipus de regulació, sabem que una bona part del control hormonal, a través de la cadena de senyalització, condueix a modificacions de l’enzim que modifica la seva activitat. En aquest cas la regulació de l’activitat té un origen metabòlic i no cinètic.
5 María Monteserín Cuesta Judith González Gallego Biocatàlisi. T16 Polimerització/despolimerització: Acetil CoA carboxilasa (mamífers i aus) Hi ha alguns casos de regulació que afecten fortament a l’estructura de l’enzim. Un exemple representatiu és l’acetil CoA carboxilasa que és el primer enzim que intervé en el procés de síntesi dels àcids grassos i amb el que obtenim malonil CoA. Trobem que hi ha un canvi en l’estructura quaternària de l’enzim. Així doncs, quan l’enzim s’activa per presència d’una elevada càrrega energètica el trobem en forma de grans polímers que estan constituïts per unitats individuals de la molècula enzimàtica.
En aquest cas trobem que el procés d’activació passa per un procés de polimerització de l’enzim i en trobem pocs exemples d’aquest mecanisme.
Regulació de l’activitat enzimàtica per unió a proteïnes Proteïna quinasa depenent d’AMP cíclic Un altre grup important de regulació és mitjançant la unió de proteïnes que per elles mateixes no tenen activitat. Un cas és la regulació de la proteïna quinasa depenent d’AMPc; en aquest cas, l’activitat depèn de si les subunitats catalítiques de l’enzim estan formant o no amb altres subunitats sense activitat que s’anomenen subunitats reguladores. A més, en aquest cas la activació del complex un cop s’han unit subunitats reguladores i catalítiques depèn de la interacció de les subunitats reguladores amb una altra molècula: AMPc.
Així doncs, en aquest cas trobem dos reguladors de l’activitat: 1.
Interacció de les subunitats reguladores amb les catalítiques.
2.
Interacció de la molècula reguladora (AMPc) amb les subunitats reguladores.
Calmodulina Un altre exemple d’aquest tipus de regulació és la calmodulina; aquesta proteïna interacciona amb diferents tipus de proteïnes alterant la seva activitat. Aquest seria un exemple similar a l’anterior ja que el fet que la calmodulina interaccioni amb la proteïna o no depèn dels nivells de calci.
Uns nivells elevats de calci afavoreixen la interacció del calci amb la calmodulina i aquesta pot regular l’activitat d’altres enzims. Per tant, en aquest cas el calci fa un paper similar a l’AMPc en el cas de l’enzim anterior.
6 María Monteserín Cuesta Judith González Gallego Biocatàlisi. T16 Galactosil transferasa Un exemple diferent és el que passa amb la galactosil transferasa. Aquest no es tracta d’un cas de regulació d’activitat sinó que es produeix un canvi en l’especificitat de l’enzim. Es un cas poc freqüent i que el trobem en un enzim amb activitat galactosil transferasa que el que fa és catalitzar la transferència d’unitats de galactosa d’un substrat cap a un altre.
En la major part de cèl·lules, aquesta activitat participa en el procés de biosíntesi de glúcids que trobem en glicoproteïnes, on trobem una part glucídica associada a la part proteica; en aquestes condicions utilitza com a substrat UDP – galactosa i com a acceptor n – acetil – glucosamina i es catalitza la reacció de transferència de la galactosa a l’acceptor, és a dir, estem sintetitzant un disacàrid a partir de dos monosacàrids.
Es troba una activitat alternativa en la glàndula mamària en un procés de la lactància. En aquestes condicions hi ha un augment de la α – lactoalbúmina i la seva presència el que fa és modificar el tipus de reacció que catalitza l’enzim.
Concretament, l’enzim fa el mateix tipus de reacció però en aquest cas el glúcid acceptor és diferent i és la D – glucosa; com a producte obtenim la lactosa que és el disacàrid característic de la llet. Per tant, la regulació és per part de la α – lactoalbúmina que canvia la especificitat.
Estructura del complex de la ribonucleasa A i l’inhibidor proteic Tenim un sistema de regulació diferent i passa per la interacció de l’enzim amb una proteïna que no té activitat. Per tant, en aquest cas observem la formació d’un complex on trobem l’enzim marcat en blau que és una ribonucleasa i una proteïna anomenada inhibidor proteic en color rosa; amb la formació del complex el centre actiu de l’enzim queda bloquejat per efecte de la proteïna inhibidora ja que d’alguna manera està embolicant la totalitat de l’enzim.
Cal tenir present que el substrat de les ribonucleases és el RNA que és una molècula polimèrica gran que no podrà accedir al centre actiu de l’enzim.
Aquest és un tipus de regulació intracel·lular i està associada a processos d’infeccions. És important veure que hi ha una forta interacció però l’enzim no està modificat.
7 María Monteserín Cuesta Judith González Gallego Biocatàlisi. T16 Efecte dels inhibidors de proteases: complex inhibidor pancreàtic de la tripsina – tripsina Un cas similar a l’anterior el trobem en moltes proteases, sobretot en les del tipus pancreàtics. Avui dia coneixem que la presència d’inhibidors proteics bloquegen el centre actiu.
Tant en aquest cas com en l’altre, la presència dels inhibidors proteics, entre altres funcions fisiològiques que tenen és evitar la degradació del sistema per part dels enzims ja que si tenen una activitat excessiva degradarien les proteïnes cel·lulars o els RNA.
Regulació de l’activitat de la glucoquinasa per una proteïna reguladora Aquest és un cas de regulació on el canvi d’activitat s’associa a la interacció de l’enzim amb una proteïna reguladora i més, aquesta interacció requereix el canvi de l’enzim des del citosol fins al nucli. Això ho trobem en un dels isoenzims de la hexoquinasa, el que trobem al fetge.
Quan les concentracions de glucosa plasmàtica són molt elevades, l’activitat de l’hexoquinasa I està saturant però la forma IV té una velocitat màxima i una Km que li permet treballar en aquestes condicions. Els nivells elevats de glucosa plasmàtica i la presència de fructosa 6 – fosfat promouen la dissociació de l’enzim amb la proteïna reguladora en el nucli i la sortida cap al citosol. Així doncs, en aquestes condicions trobem una activitat addicional que permet disminuir la glucosa de les cèl·lules.
Activació d’enzims per modificació covalent irreversible: zimògens i enzims pancreàtics gàstrics Com a modificació covalent irreversible veiem el cas dels zimògens que es defineixen com a proteïnes que se sintetitzen com a proteïnes precursores de la forma activa. En el procés de la síntesi proteica, la proteïna inicial no té activitat.
Els principals sistemes on trobem zimògens són en enzims implicats en el procés de digestió que actuen a nivell d’estomac o a nivell de pàncrees (que aniran a intestí prim). És en la forma sense activitat en la qual els trobem quan estan emmagatzemats en les cèl·lules precursores. Quan arriben al teixit diana hi ha un trencament proteolític dels precursors que eliminen una part de l’estructura i quan s’ha eliminat aquesta part és quan tenim la forma activa.
8 María Monteserín Cuesta Judith González Gallego Biocatàlisi. T16 Els zimògens normalment no són actius perquè la part que eliminem és la que està tapant el centre actiu. En aquest cas, la regulació que està situada a nivell de regulació de l’activitat, és una regulació per modificació covalent irreversible ja que un cop s’ha activat l’enzim no es pot revertir.
A la imatge veiem un sistema d’activació en cascada on trobem diverses proteïnes que actuen en el procés i finalment, obtenim l’enzim a partir del proenzim o zimogen.
Modificació covalent reversible També trobem modificacions covalents reversibles i la fosforilació és la més clàssica. És important veure que tot i que a la part metabòlica hi ha molts casos de fosforilació hi ha altres maneres de modificar reversiblement un enzim i que això condueixi a un canvi de la seva activitat.
Hi ha enzims que regulen perquè en certes posicions incorporen un nucleòtid, per exemple, nucleòtids d’uridina. També podem trobar regulacions per metilacions.
Generalment, la reacció sol ser per una activitat hidrolítica que elimina el grup. Cal tenir present que no sempre la forma modificada és la forma activa.
9 María Monteserín Cuesta Judith González Gallego Biocatàlisi. T16 Regulació de la fotosíntesi Podem trobar una regulació depenent de l’estat redox de l’enzim, per exemple, depenent si presenta els tiols en la forma reduïda o oxidada tenim activitats diferents. Un exemple són els diferents enzims que participen en la fase de fixació del carboni en el procés de la fase fosca de la fotosíntesi.
En l’estructura d’aquests enzims trobem que hi ha residus de cisteïnes que les podem trobar en la forma oxidada o la reduïda i això modifica la seva activitat. Concretament, són actius només en la forma reduïda; per tal de mantenir-ho en aquesta forma necessitem un donador d’electrons que en el cas concret dels enzims de la fotosíntesi es produeix durant la fase lluminosa de la fotosíntesi on l’acceptor final d’electrons és el NADP+ que passa a la forma reduïda NADPH. Aquest NADPH no és el donador d’electrons sinó que durant la fase lluminosa un dels acceptors transitoris d’electrons que provenen de l’aigua és una proteïna coneguda com a ferredoxina que la podem trobar de dues formes: oxidada i reduïda.
Per tant, quan a la fotosíntesi la fase lluminosa està en funcionament estem produint ferredoxina reduïda que pot cedir els electrons a dues parts:  La major part dels electrons van a parar al NADP+ per produir NADPH  Hi ha una petita part de ferredoxina reduïda que redueix els enzims que intervenen en la fixació del carboni i el que produeix és la seva activació.
Quan hi ha molta fase lluminosa, la reacció està desplaçada cap a la formació de ferredoxina reduïda i és per això s’estimula la fase fosca.
10 ...