TEMA 1. Bases del Metabolismo 2023 PDF

Grado de Medicina (UIB) - Comisión de apuntes Asignatura: Bioquímica II TEMA 1. BASES DEL CONTROL METABÓLICO Profesor: Mariona Palou March Comisionista: Alejandro Garrido Palacios Revisor: Sonia López Gómez Fecha: 20/02/2023 – 24/02/2023 Índice 1. Concepto de control metabólico. ....................

Grado de Medicina (UIB) - Comisión de apuntes Asignatura: Bioquímica II TEMA 1. BASES DEL CONTROL METABÓLICO Profesor: Mariona Palou March Comisionista: Alejandro Garrido Palacios Revisor: Sonia López Gómez Fecha: 20/02/2023 – 24/02/2023 Índice 1. Concepto de control metabólico. ......................................................................................................... 2 2. Elementos efectores del control metabólico a nivel molecular y celular. ............................................... 5 2.1 Disponibilidad de sustrato: ...........................................................................................................5 2.2 Concentración de proteínas: .........................................................................................................6 2.3 Por compartimentación: ...............................................................................................................7 2.3.1- Control por compartimentación derivado de la existencia de biomembranas: ......................7 2.3.2- Por compartimentación no relacionados con membranas ....................................................9 2.4- Control por existencia de isoformas ........................................................................................... 10 2.5- Control de la actividad de proteínas por: .................................................................................... 11 2.5.1- Regulación alostérica ........................................................................................................ 12 2.5.2- Asociación de proteínas reguladoras. ................................................................................ 13 2.5.3- Modificación covalente reversible. ................................................................................... 14 2.5.4- Proteolisis. ....................................................................................................................... 16 1 Grado de Medicina (UIB) - Comisión de apuntes Asignatura: Bioquímica II 1. Concepto de control metabólico. Para entender qué es el control metabólico, hay que recordar el término “homeostasia u homeostasis”. Este término hace referencia al conjunto de todos los procesos fisiológicos coordinados entre sí, por los que el organismo se mantiene en estado estable (condición de equilibrio) frente a los cambios externos o internos que puedan aparecer, es decir, la homeostasia va a promover el equilibrio del medio interno, que va a experimentar una serie de fluctuaciones originados por el propio medio interno (reacciones metabólicas) o el medio externo. La homeostasia permite relacionarnos con el medio ambiente y con el metabolismo. ¿Cómo mantiene nuestro organismo la homeostasis? Como cualquier tipo de comunicación, hay una respuesta ante un estímulo o cambio. Estos cambios no son siempre los mismos y podemos diferenciarlos en dos tipos: ● Predecibles: todos los organismos de la Tierra se han adaptado a unos ritmos circadianos (fase actividad-reposo, ciclo luz-oscuridad…) para optimizar su supervivencia. En el caso particular de los seres humanos somos diurnos: por la noche dormimos, nuestro metabolismo baja, las funciones se desaceleran para después, durante en la fase de actividad, estar con la máxima energía. ● Impredecibles: una bajada de la temperatura (estímulo) ocasiona una respuesta en nuestro organismo. Esta respuesta no sucede cuando se modifican los parámetros normales (como un descenso en nuestra temperatura corporal) sino que el organismo actúa de forma anticipatoria para asegurar que la respuesta sea suficiente. En este ejemplo, la respuesta comenzaría cuando los termorreceptores de las células de la epidermis detectan un cambio de temperatura, emitiendo una señal al cerebro que se traduce más adelante en cambios para contrarrestar este cambio (vasoconstricción, contracción muscular…) Ejemplo de clase: Un claro ejemplo de control metabólico (o respuesta) lo encontramos en el ciclo de ayunoalimentación. No ingerimos alimentos de forma constante durante el día, sino que lo hacemos a unas determinadas horas y en otras nos encontraremos en ayuno. Durante estas etapas se originan una serie de respuestas de adaptaciones metabólicas (las reacciones metabólicas varían en función de las necesidades particulares) Si no se produjeran estas adaptaciones se producirían hipoglucemias, hiperglucemias… Cuando hay un fallo en estas adaptaciones, surgen las enfermedades como por ejemplo la obesidad, diabetes tipo II o anorexia, entre otras. Estos cambios no se producen de forma aislada, existe una interrelación siendo la base del metabolismo, lo que sucede en un tejido en un determinado momento no tiene por qué estar sucediendo en otro. Cada tejido tiene una función específica y actúa de forma coordinada, si hay un error en esta etapa se originaría una enfermedad. Ejemplo de clase: Ingerimos un alimento que a través del sistema digestivo se digiere y absorbe, los lípidos (como triglicéridos) se almacenarán en el tejido adiposo que podrán ser movilizadas en caso de necesidad. En el caso de que necesiten, por ejemplo, por una actividad física, se movilizarían al músculo donde se oxidan y producen energía. Por su parte, el hígado es el tejido central de metabolismo y conversor de energía más importante de nuestro cuerpo, además, es el reservorio principal de energía a corto plazo de nuestro cuerpo en forma de glucógeno (que nos permite estabilizar los niveles de glucemia durante el ayuno). El músculo es un tejido conocido como “egoísta”, porque todo lo que acumula lo utiliza para él mismo y, por último, el Sistema Nervioso Central realiza una regulación a través de señales del Sistema Nervioso Simpático respondiendo a diferentes hormonas. El tejido adiposo se había considerado como un tejido pasivo dedicado al almacenamiento y movilización de triglicéridos, no obstante, se ha demostrados que es, además, un órgano endocrino, secretando hormonas como la leptina que irá al cerebro (estímulo)para que este coordine una respuesta. 2 Grado de Medicina (UIB) - Comisión de apuntes Asignatura: Bioquímica II El proceso de respuesta es el siguiente: 1. 2. 3. 4. Se produce un estímulo, el cual es detectado por un receptor. Dicho receptor manda una señal al centro de control, el cual la procesa. Una vez procesada, dicho centro va a enviar otra señal al efector. El efector, el cual suele ser una proteína, permite reestablecer la homeostasia mediante su acción. Ejemplo: ante una variación de temperatura en el medio, existen unos mecanismos de reparación del ADN. Una vez introducidos estos términos, definimos CONTROL METABÓLICO como la capacidad de los seres vivos de adaptarse a un entorno y a una fisiología cambiante (ejemplo: cambio de temperatura) sumado a la capacidad de corregir o minimizar el impacto de errores internos (ejemplo: apoptosis celular, o reparación del ADN). Todos estos procesos nos permiten mantener la homeostasia y tener una “robustez metabólica”. Para continuar hay que tener en cuenta que la biología molecular y el metabolismo están íntimamente relacionados. Imagen 1. Ciclo efector-receptor La Biología Molecular es la disciplina científica que estudia los procesos que se desarrollan en los seres vivos desde el punto de vista molecular y mantiene relación con la biología, la genética, la química y la bioquímica. La biología molecular gira entorno a moléculas (carbohidratos, vitaminas, lípidos…) y no es una ciencia aislada, avanza en relación con otras disciplinas como la Medicina, Química, Genética, Biología y Bioquímica. Esta estudia: - El funcionamiento y las interacciones de los diferentes sistemas de la célula (relación ADN/ARN, síntesis de proteínas y rutas metabólicas). La regulación de todas estas interacciones entre los diferentes órganos para conseguir un correcto funcionamiento de la célula. Por otro lado, el metabolismo es el conjunto de todas las reacciones químicas que se producen en una célula u organismo. Así, una ruta o vía metabólica, engloba el conjunto de reacciones catalizadas enzimáticamente a través de las cuales un precursor (sustrato) se convierte en un producto final a través de una serie de reacciones que producen metabolitos intermediarios (productos intermedios). Por tanto, son reacciones enzimáticas consecutivas que generan productos finales específicos. Recordatorio: Glucólisis 🡪 hexoquinasa (enzima inicial) y el piruvato (producto final). Imagen 2. Esquema visual ruta metabólica. 3 Grado de Medicina (UIB) - Comisión de apuntes Asignatura: Bioquímica II Existen 2 grandes grupos de rutas metabólicas, las cuales coexisten entre sí, y están coordinadas y relacionadas, es decir, comparten reacciones contrapuestas que son reversibles. Los puntos irreversibles de dichas reacciones serán los puntos de regulación. 1. Rutas Catabólicas: son reacciones degradativas, las cuales parten de productos complejos que son degradados en productos simples. Son exergónicas ya que a través de la degradación de macromoléculas se genera energía (en forma de ATP y poder reductor en forma de NADH). Además, son rutas convergentes, ya que los productos finales son CO2 y H20. 2. Rutas Anabólicas: son reacciones de síntesis de biomoléculas, en las cuales partimos de precursores simples para dar lugar a moléculas complejas. Son endergónicas ya que, se necesita energía (ATP y poder reductor), y son reacciones divergentes. Imagen 3. Esquema anabolismo y catabolismo. El metabolismo es muy complejo, todas las vías metabólicas centrales están relacionadas, formando la red metabólica con una regulación muy fina y que, además, debe funcionar mediante una regulación flexible, capaz de adaptarse a distintas situaciones (las células tienen planes B, C, D…). Cuanto mayor sea la regulación y la flexibilidad, mayor será la capacidad de respuesta. La alteración de una de las rutas implica la alteración completa del metabolismo. ¿A qué señales responden las células? 1. Señales extracelulares: físicas (luz), químicas (nutrientes/metabolitos, neurotransmisores…) 2. hormonas, Cambios intracelulares (por ejemplo, cambios en la actividad, una bajada de los niveles de ATP, disminución de un determinado cofactor para una reacción enzimática…) Ejemplo de clase: me como un donut y se genera glucosa, que pasa al torrente sanguíneo y ocasiona la liberación de insulina produciendo cambios en diferentes ámbitos: - Cantidad o concentración: En los enzimas de rutas metabólicas concretas. Los puntos de control son muchos, por lo que estos cambios están sujetos a muchas variables activándose/inhibiéndose la expresión génica para ese determinado enzima. - Localización: la insulina generada provoca una translocación del transportador de la glucosa GLUT-4 en el músculo esquelético y tejido adiposo a la membrana celular. Por tanto, en el momento en el que hay mucha glucosa en sangre, estos tejidos captan la glucosa. Cuando no hay glucosa, el receptor se encuentra retenido en el citoplasma en forma de vesículas. - Actividad enzimática: mayor o menor actividad. - Ajenos a los enzimas: cambios en la permeabilidad de las membranas, voltaje 🡪 apertura/cierre de canales… 4 Grado de Medicina (UIB) - Comisión de apuntes Asignatura: Bioquímica II 2. Elementos efectores del control metabólico a nivel molecular y celular. No todos los enzimas de una ruta metabólica son susceptibles al mismo grado de regulación. El control metabólico se ejerce sobre las enzimas reguladoras o limitantes (como la hexoquinasa en la glucólisis), que son aquellas susceptibles de regulación y que, normalmente, catalizan la primera reacción irreversible (una etapa limitante de la ruta metabólica) o el primer paso crítico de una ruta (punto de control de la vía) aunque no siempre se cumple esta premisa. A veces es una enzima intermedia, como en el caso de la glucólisis, cuya enzima limitante principal y más susceptible a la regulación es la fosfofructoquinasa I (tercer enzima). Recordatorio rutas anabólicas/catabólicas: Aunque estas rutas son antagónicas, no son de doble sentido. La mayoría de enzimas reguladores o limitantes son enzimas irreversibles. Por ejemplo, en la glucólisis, las 3 reacciones irreversibles son los 3 principales puntos de regulación de dicho proceso. Estas enzimas reguladoras van a estar muy reguladas mediante elementos efectores del control metabólico a nivel molecular y celular, cuanto más importante es una enzima, mayor será el control que se realice sobre ella. Los elementos efectores del control metabólico son los siguientes: 2.1 Disponibilidad de sustrato: El sustrato es la molécula sobre la cual actúa una enzima y se transforma en un producto. La velocidad varía según su concentración: a mayor concentración, mayor velocidad hasta llegar al punto limitante o de saturación. Todos los enzimas tienen un lugar específico de unión al sustrato donde se realiza la acción catalítica. La velocidad dependerá de varios factores (concentración de sustrato, temperatura, pH…). Por norma general, cuanto mayor es la concentración mayor es la velocidad. Los enzimas de nuestras células responden muy bien al aumento de los niveles de sustrato porque generalmente trabajan por debajo de su velocidad máxima. Dentro de la regulación de sustrato se incluye la regulación por producto o retroalimentación negativa: el producto de la reacción enzimática inhibe el enzima que desempeña la propia reacción enzimática que origina dicho producto. De esta forma, si se empieza a acumular el producto, se inactivará la generación de más producto. Un ejemplo: La hexoquinasa en la glucólisis. Este enzima se encuentra en la mayoría de los tejidos (en el hígado se encuentra otra isoforma) y tiene gran afinidad por la glucosa, a la cual fosforila (para impedir que atraviese la membrana debido a que el grupo fosfato le otorga carga negativa) originando glucosa-6-P, que inhibe a la propia hexoquinasa. 5 Grado de Medicina (UIB) - Comisión de apuntes Asignatura: Bioquímica II Otra forma de retroalimentación negativa se produce en algunas ocasiones cuando el producto final de una ruta metabólica inhibe una enzima reguladora de esa ruta, que generalmente, es el primer enzima. Esto sucede en el glucolisis cuando la fosfofructoquinasa es inhibida por el piruvato. Esta pregunta no la menciona la profesora, pero la dejo por su interés: *POSIBLE PREGUNTA DE EXAMEN. 🡪 NO TODAS LAS ENZIMAS SON SUSCEPTIBLES A LA REGULACIÓN POR SUSTRATO. VERDADERO. 2.2 Concentración de proteínas: En general, la actividad catalítica es proporcional a la concentración de enzima presente en la célula (cuantas más enzimas, mayor velocidad de reacción siempre y cuando haya suficiente sustrato). La concentración intracelular de muchas proteínas varía ampliamente en respuesta a señales, se podrá activar o inactivar la síntesis de las proteínas en función a las condiciones. La proteostasis hace referencia al mantenimiento del equilibrio en la concentración de proteínas a través del ajuste de cada uno de estos mecanismos (todos susceptibles de regulación por enzimas limitantes): ● ● ● ● La traducción regulada de proteínas. El plegamiento de proteínas asistido por chaperones. Las vías de degradación de proteínas. Tráfico proteico. Imagen 4. Mecanismos que favorecen la proteostasis en función de la necesidad de proteínas específicas, es fundamental para mantener todas las funciones celulares. La concentración de proteínas también estará sujeta a nivel transcripcional (cuanto más mRNA, más proteína por norma general, transporte, degradación). Por tanto, la concentración intracelular de cualquier proteína depende del balance entre su tasa de síntesis y su tasa de degradación (intracelular), ambas susceptibles de control. La proteostasis es muy importante, muchas enfermedades son causadas por alteraciones del equilibrio proteico. Algunas de estas enfermedades son: - Párkinson (aumento de las proteínas mal plegadas formando agregados proteicos que son citotóxicos) Alzheimer (aumento en la producción proteica) Fibrosis Quística (aumento de la degradación proteica), una proteína denominada CFTR es constantemente degradada. Además, las proteínas juegan un papel muy importante en el control de la expresión génica, por lo que debe ser regulada/controlada en muchos puntos. El control puede ser transcripcional, de procesamiento (a nivel del ARNm), de traducción, de degradación proteica y a nivel de la actividad de la propia proteína. 6 Grado de Medicina (UIB) - Comisión de apuntes Asignatura: Bioquímica II Imagen 5. Diferentes localizaciones de control de la expresión proteínas. 2.3 Por compartimentación: 2.3.1- Control por compartimentación derivado de la existencia de biomembranas: En eucariotas encontramos membranas intracelulares que están delimitando orgánulos y cambios de localización de proteínas por interacción con proteínas de anclaje/de reclutamiento (captan a proteínas para que su ruta sea más eficiente) o lípidos de membrana. Así, podemos decir que la separación en distintos compartimentos celulares de las rutas metabólicas (biosintéticas o degradativas) es otro sistema de control metabólico, pues estos compartimentos están especializados para albergar dichas reacciones. En la siguiente imagen observamos un esquema general de la localización de los principales procesos: Imagen 6. Rutas metabólicas clasificadas por los compartimentos que los albergan La membrana o bicapa fosfolipídica forma una barrera que tiene un centro altamente hidrofóbico en contra del ambiente natural de la célula, que es polar. Esto permite que determinadas moléculas queden atrapadas por lo que existe otro punto de control metabólico que gira en torno a los sistemas de transporte de un compartimento a otro. La importancia de este proceso reside en que, dentro de una misma ruta metabólica, normalmente los intermediarios son impermeables a la membrana, no pudiendo abandonar dicho compartimento. Por tanto, el control se ejerce a través de la entrada sustrato y la salida del producto a través de transportadores específicos. Ejemplo de clase: en el caso de la oxidación de los ácidos grasos que tienen lugar en la matriz mitocondrial, la entrada está regulada por Carnitina Aciltransferasa I (también conocida como proteína adaptadora de carnitina) que es el enzima limitante de la beta-oxidación. Los ácidos grasos que entran en la matriz mitocondrial serán rápidamente oxidados, sin embargo, si estos permanecen en el citosol, se desviarán para la síntesis de triglicérido mediante esterificación. La vía que tomen dependerán del compartimento. En algunas ocasiones, los enzimas que participan en una ruta metabólica se encuentran unidos a la membrana celular para favorecer la secuencialidad de la ruta, como sucede en la cadena respiratoria. Además, se puede controlar el “targeting” (diana de reacción que tiene cada enzima, altamente regulado por señales). También permite que determinadas vías se organicen de manera que el sistema alcance una máxima eficacia. La profesora no comenta nada del targeting aunque aparece en las diapositivas. 7 Grado de Medicina (UIB) - Comisión de apuntes Asignatura: Bioquímica II Otro punto de control secundario a la permeabilidad selectiva de la membrana se centra en el transporte de cofactores (vitaminas), direccionado de proteínas (aminoácidos) como sucede en los ejemplos siguientes: 1. TRANSPORTADOR DE GLUCOSA GLUT 4. La glucosa no puede entrar a la célula por sí misma, necesita de un transportador denominados GLUT. Existen diferentes isoformas, pero en este ejemplo nos centraremos en la isoforma 4 que es la específica de las células adiposas, de la grasa o de las células del musculo esquelético es dependiente de insulina, lo que no quiere decir exactamente que se sintetice en respuesta a la insulina (explicación en imagen 1) Imagen 7. Se observan dos células en las que los receptores GLUT-4 han sido marcadas con un fluoróforo (pigmentos verdes) a través de un microscopio óptico de fluorescencia. En la célula A estos receptores que se expresan de forma constitutiva (constante) se encuentran almacenados en vesículas en el citosol, concretamente en el centro de la célula. En respuesta a niveles de insulina altos, como se observa en la célula B, se transportan a la membrana plasmática de forma muy rápida (milisegundos) para introducir glucosa. Esto ocasiona que rápidamente los dos tejidos de nuestro organismo que son mayoritarios y, además, insulinodependientes, se pongan a captar glucosa. En pacientes diabéticos tipo II, la masa grasa y la masa magra (musculo-esquelético) no son capaces de responder a la insulina. Otras patologías pueden aparecer debido a que la respuesta no se produce tan rápido como debería. Cuando aumenta la glucemia, el páncreas libera insulina, ésta se une a su receptor de los adipocitos blancos o del músculo esquelético, esto activa una vía de transducción de señales, esta señal es captada por las vesículas que rodeaban a GLUT-4, se produce exocitosis de estos receptores, se translocan a la membrana y comienzan a captar glucosa. 2. CAVEOLAS Y BALSAS LIPÍDICAS O LIPIDS RAFTS. Son zonas muy pequeñas de la membrana (100-200 nm) en los cuales los lípidos, que fundamentalmente son colesterol y esfingolípidos, crean una zona de rigidez que actúa como una balsa. Su monocapa externa es rica en esfingolípidos y colesterol, su monocapa interna es rica en fosfatidilinositoles. En ambos lados de la balsa, se encontrarían los lípidos normales, que son mucho más fluidos. Esto ocasiona que por difusión lateral puedan moverse a lo largo de la membrana. Ejemplo: colocar en una sartén llena de aceite un pedazo de mantequilla, aunque ambos son grasas, debido a la diferencia de fluidez, la mantequilla (balsa) puede moverse lateralmente en la sartén (membrana) a través del aceite (membrana plasmática) Las balsas lipídicas son estructuras dinámicas que pueden cambiar de tamaño, dividirse e incluso, cambiar su contenido proteico insertado. También pueden internalizar o expulsar proteínas en respuesta a determinadas respuestas celulares. Estas zonas de la membrana pueden ser planas (balsas) o con forma de caveolas (Ω) La profesora pone un vídeo ilustrativo del funcionamiento de las caveolas, en enlace también encuentra en su presentación: https://www.dnatube.com/video/4114/What-are-Lipid-Rafts 8 Grado de Medicina (UIB) - Comisión de apuntes Asignatura: Bioquímica II Las balsas lipídicas actúan como plataformas, las cuales compartimentan proteínas de membrana, separando diferentes funciones bioquímicas, reclutando proteínas específicas de una ruta metabólica y/o favoreciendo la aproximación espacial e interacción. Por tanto, podemos decir que sus funciones son la transducción de señales, transporte de membrana y adhesión celular. Gracias a esto se favorece la especificidad y fidelidad en la respuesta a la señal, aumentando la eficacia de la respuesta celular. También cabe mencionar que se ha observado que ciertas proteínas relacionadas con los procesos de señalización celular están asociadas con las balsas lipídicas. 2.3.2- Por compartimentación no relacionados con membranas Otra forma de compartimentar que tienen las células más desarrolladas, como las eucariotas es la formación de complejos multienzimáticos o enzimas multifuncionales. Para entender su importancia observamos la siguiente imagen: Caso 1: el sustrato es catalizado por la enzima E1, dando lugar a un intermediario que será el sustrato de la E2, que, tras catalizarlo, dará lugar a un producto C. Puede ocurrir que el metabolito B se escape o se produzca reacciones no deseadas. Caso 2: proceso más direccionado, el sustrato B está retenido por el complejo enzimático o enzima funcional. Ambos mecanismos son importantes en el control metabólico ya que canalizan los sustratos, reducen la incidencia de reacciones colaterales (se pierden menos sustratos o productos y es más efectivo), realizan un control conjunto de la actividad de los distintos centros activos implicados en la ruta, es decir, atrapan todos los metabolitos intermediarios y así no tienen que preocuparse de cada uno de forma individual. En este ejemplo hay dos enzimas, pero normalmente hay más y por ello, el riesgo de que los metabolitos intermedios se desvíen es más alto. Imagen 8. A (sustrato), B (intermediario) y C (producto) E1 y E2 son enzimas Diferencias entre complejos multienzimáticos o enzimas multifuncionales Un complejo multienzimáticos es un conjunto de enzimas que están asociadas físicamente, interaccionan, pero son enzimas diferentes, cada una con un centro catalítico bien definido (ácido graso sintasa fúngica). Por el contrario, las enzimas multifuncionales se tratan de un único enzima que contiene varios centros catalíticos, misma proteína, pero diferentes actividades enzimáticas (ácido graso sintasa mamíferos) Ambas ejercen la misma función, pero de manera diferente. 9 Grado de Medicina (UIB) - Comisión de apuntes Asignatura: Bioquímica II Imagen 9. Representación gráfica de complejo multienzimático versus enzima funcional Otro ejemplo de control por compartimentación que no deriva de membranas es referente a los gránulos de glucógeno y las gotas lipídicas. El glucógeno se almacena en unas gotas las cuales se acumulan en forma de gránulos rodeados por proteínas, que serán las encargadas de su movilización cuando sea necesario en un corto periodo de tiempo (minutos). Esto favorece una rápida movilización de glucógeno. Además, los triglicéridos también pueden almacenarse en gotículas en los adipocitos, las cuales al igual que con el glucógeno, están rodeadas de proteínas que facilitan su movilización y representan las reservas a largo plazo. La perilipina, es una de estas proteínas que están ancladas a las gotículas lipídicas, y su función es inhibir a la enzima triglicérido lipasa adiposa. Imagen 10. Gránulos de glucógeno (imagen izquierda) y gotículas lipídicas (imagen derecha) Ejemplos: Gránulos de glucógeno: alrededor de estos gránulos se unen mediante interacciones no covalentes enzimas que participan en la glucogenogénesis y glucogenolísis. Esto es porque en respuesta al status energético, se moviliza rápidamente. Baja nuestra glucosa y esto es detectado por el hígado (sensor), inicia glucogenolísis, pero cuando comemos al aumentar la glucosa y modificarse el status energético, la glucosa deberá almacenarse en glucógeno. Gotas lipídicas: se ha descubierto que alrededor de estas gotas se disponen los enzimas responsables de su movilización, pero no de su síntesis debido a la importancia de su movilización durante el ayuno sostenido. La enzima por excelencia que cataliza la lipólisis, que es la lipasa de triglicéridos adiposa (ATGL) que es la limitante. En condiciones basales se encuentra retenida, pero en respuesta al glucagón se produce la activación de la misma y, por tanto, la movilización de los lípidos. Es mucho más rápido que si la ATGL estuviera en el citosol. 10 Grado de Medicina (UIB) - Comisión de apuntes Asignatura: Bioquímica II 2.4- Control por existencia de isoformas Son enzimas con estructura molecular diferente (y por tanto propiedades diferentes) pero capaces de realizar la misma función, es decir, catalizar la misma reacción o transportar la misma molécula (como el GLUT). Pueden ser proteínas modificadas en distintos genes, o que provengan del mismo gen, pero sean el producto de una modificación postranscripcional (mRNA se modifica) o postraduccional (proteína) Su expresión es distinta y específica, según el tejido donde se encuentre favoreciendo la especialización de nuestro tejidos y órganos. Al tener distinta forma, presentarán diferencias en su estructura y en sus constantes catalíticas y reguladoras (afinidad por el sustrato, velocidad de reacción, Km, Vmax…) Todas las isoenzimas son isoformas proteicas, pero no todas las isoformas son enzimas (pueden ser de otras naturalezas no enzimáticas ya que no todas las proteínas son enzimas) Ejemplo: hexoquinasa (músculo) y glucoquinasa (hígado), ambas catalizan la primera reacción de la glucolisis. Al ser tan diferentes, pueden estar reguladas por distintas moléculas y distintos procesos. Ejemplo: La enzima Lactato deshidrogenasa está formada por cuatro protómeros y cataliza una reacción reversible de reducción de piruvato a lactato consumiendo un NADH, la cual ocurre en una glucólisis anaeróbica. A su vez cataliza la reacción inversa, la oxidación de lactato a piruvato reduciéndose el NAD en NADH. Es una enzima muy utilizada en clínica como indicador de estrés metabólico, por lo que un aumento nos indica que algo no va bien. Antiguamente se utilizaba como biomarcador para el diagnóstico de enfermedades como la Hepatitis o enfermedades cardiovasculares, aunque actualmente se sabe que este aumento puede ocasionarse por multitud de enfermedades. Se trata de una enzima oligomérica formada por 4 subunidades, cada una formada por 2 genes. La subunidad H (Heart) codificada por el gen LDHB y la subunidad M (Muscle), codificada por el gen LDHA. Existen 5 isoenzimas de lactato deshidrogenasa, y cada una tiene 4 subunidades (que serán la mezcla de subunidad M y H, o sólo 1 de las 2). Cada una de estas 5 isoenzimas, se expresa de manera específica según el tejido celular. Imagen 11. Diferentes isoformas de la lactato deshidrogenasa en función de sus subunidades H y M constituyentes. SUBUNIDAD H Constitutiva (expresión constante) Escasa afinidad al piruvato Velocidad máxima menor (LDH1 <<) LDH1 preferentemente oxida el lactato a piruvato LDH1 importante en músculo cardíaco y eritrocitos SUBUNIDAD M Inducible (ante hipoxia aumenta su expresión) Alta afinidad al piruvato Velocidad máxima mayor (LDH5 >>) LDH5 preferentemente reduce el piruvato a lactato LDH5 importante en hígado y músculo esquelético La LDH1 no es inducible porque, aunque reduciría el lactato, es necesaria que se pueda producirse siempre en determinadas condiciones en el músculo esquelético, como en esfuerzo anaerobios donde no hay tiempo suficiente de realizar al fosforilación oxidativa. Entre medias, están la LDH2 (en el músculo cardíaco y células de la sangre), LDH3 (presente en linfa y páncreas) y LDH4 (en el músculo esquelético). 11 Grado de Medicina (UIB) - Comisión de apuntes Asignatura: Bioquímica II 2.5- Control de la actividad de proteínas por: Hasta ahora hemos comentado el control metabólico a través de enzimas reguladores. A partir de este punto hablaremos específicamente de los mecanismos que controlan la actividad de muchas proteínas importantes incluyendo enzimas reguladores, es decir, cómo se activan o inhiben estas enzimas reguladoras. La actividad enzimática se regula de cuatro formas diferentes: 2.5.1- Regulación alostérica Alostería proviene del griego: allos (otros) y stereos (forma), es decir, otra forma. Los reguladores alostéricos tienen dos formas, una activa o relajada y otra inactiva o tensa. Que estén de una conformación u otra está determinada por una molécula que se une específicamente al centro alostérico, que es diferente al centro catalítico. Estas moléculas se denominan efectores alostéricos y pueden ser activadores o inhibidores alostéricos, modificando la actividad catalítica de la enzima. Muchas veces cuando hablamos de enzimas activos o inactivos pensamos que funcionan como interruptores. Normalmente en el metabolismo no es así, sino que hay un abanico de situaciones intermedias, pudiendo estar muy activo o prácticamente inactivo pero que no es cero. Ejemplo: actividad total sería como ir con un coche por una autopista e inactivación sería como ir con una mula a través del campo, ni se llega a la velocidad máxima ni se para completamente. Los efectores alostéricos regulan la actividad enzimática mediante la unión al centro alostérico, produciendo un cambio conformacional que aumenta o disminuye la afinidad. No todas las enzimas pueden ser alostéricas. Ejemplo de clase: la mioglobina (no alostérico) y la hemoglobina (alostérico) La curva de Michaelis-Menten varía en función de la Alostería. Las enzimas no alostéricas tendrán una curva hiperbólica mientras que las enzimas alostéricas presentan una curva sigmoidea. Esto determina que cuando la concentración de sustrato es muy baja, el enzima funciona mal, es como si no llegara a unirse bien, pero llegado a un punto determinado, un cambio muy pequeño en el sustrato provoca un crecimiento exponencial de la velocidad. Imagen 13. Curva en presencia de efectores alostéricos. Imagen 12. Curva de Michaelis-Mente en función de la alostería Las curvas sigmoideas pueden variar en el caso de que se unan efectores positivos y negativos: - Si se unen efectores positivos o activadores (favorecen la conformación relajada), el enzima presenta una cinética hiperbólica (como la de un enzima no alostérico), es decir se vuelve muy eficiente y afín al sustrato. - Si se une un efector negativo o inhibidores (favorecen la conformación tensa), se agrava la curva sigmoidea (curva baja), necesita una gran cantidad de sustrato para catalizar la reacción. Hay una inhibición directa. Otra propiedad de los enzimas alostéricos es la cooperatividad. Esta se aplica para los enzimas alostéricos que tienen diferentes protómeros/subunidades. Esta característica produce que la unión de un sustrato induzca un cambio conformacional que facilite la unión de más sustratos Una curva hiperbólica representaría una curva no cooperativa mientras que una curva sigmoidea sí representaría una curva cooperativa porque permitiría la unión de más sustratos. 12 Grado de Medicina (UIB) - Comisión de apuntes Asignatura: Bioquímica II Para explicar la cooperatividad tenemos 2 modelos teóricos: 1- Modelo Concertado. Establece que un enzima alostérico tiene dos conformaciones, “T” o Tensa, y “R” o Relajada. La conformación relajada, une mayoritariamente los activadores y el sustrato. La tensa une mayoritariamente los inhibidores. Si presenta cooperatividad, la unión del sustrato a una de las subunidades produce un cambio conformacional que afecta a las cuatro, que pueden unir más fácilmente el sustrato. 2- Modelo de Encaje Inducido Secuencial. Propone que la enzima está en la naturaleza en diferentes estados intermedios entre el T y el R. La unión del sustrato a una subunidad en forma T, va a hacer que poco a poco (de manera secuencial) obtenga una forma R. Este cambio también se transmite a las subunidades adyacentes, lo que consigue que la enzima comience a recibir mucho sustrato, cataliza la reacción, y acaba obteniendo una forma R. La diferencia entre ambos es que en el modelo concertado hay dos velocidades, o muy rápido (cocheautopista) o muy lento (mula-bosque). Sin embargo, en el modelo de encaje inducido secuencial propone la existencia de velocidades intermedias. La realidad es que no predomina uno sobre otro de forma general, sino que es la enzima la que responde mejor a uno de los dos modelos. Ejemplo: La hemoglobina se adapta mejor al modelo secuencial (más lento). Por tanto, hemos hablado de cosas diferentes; por un lado, de la cooperatividad (la facilidad para unir sustratos por el enzima) y por otro, los efectores alostéricos. Pueden presentarse ambas, una o ninguna. La regulación alostérica se puede dar de 2 formas: ● ● Feedback negativo: El producto final de una ruta, por norma general, inhibe al enzima regulador de dicha ruta. Ejemplo: síntesis de serina o la síntesis de otros aminoácidos de forma general. Feed-forward: Se establece que el producto/metabolito intermediario de una ruta metabólica, puede ser el activador alostérico de uno de los enzimas reguladores de reacciones posteriores. Ejemplo: el producto de la fosfofructoquinasa, activa a la enzima reguladora de la última reacción de la glucólisis, actúa como un mecanismo de seguridad con el fin de evitar que se acumulen productos. Estos efectores alostéricos son moléculas de bajo peso molecular que nos suelen indicar el estado energético. Son el ATP, AMP, citrato, Co-A, NADH, NAD+. También son efectores alostéricos los segundos mensajeros (Calcio, AMPc, GMPc). 2.5.2- Asociación de proteínas reguladoras. Hay enzimas que presentan subunidades reguladoras sin actividad catalítica. La regulación de la función se produce mediante la asociación a proteínas reguladoras. Ejemplo: La protein kinasa A (PKA). Cuando se sintetiza tiene dos subunidades reguladoras y dos subunidades catalíticas (actividad quinasa) Las subunidades reguladoras tiene dos sitios de unión para el AMPc (sintetizado por la adenilato ciclasa) de forma que en ausencia de AMPc, la subunidad reguladora secuestra a las catalíticas hasta que hay suficiente AMPc, que se une a las subunidades reguladoras para posteriormente, liberar las unidades catalíticas que fosforilarán (actividad quinasa) los sustratos diana. Imagen 13. Activación/inhibición de la PKA Otro ejemplo: Calmodulina es una proteína muy grande que se liberan en respuesta a calcio intracelular. No tiene actividad catalítica, sino que lo que hace es ir a sus proteínas dianas y las activa. Estas serán quienes realizan la reacción. 13 Grado de Medicina (UIB) - Comisión de apuntes Asignatura: Bioquímica II 2.5.3- Modificación covalente reversible. Consiste en la unión/eliminación de grupos químicos mediante enlace covalente sobre las enzimas, lo que cambiará su estado de actividad. Son modificaciones postraduccionales, generalmente son reversibles, específicas de cada proteína y son catalizadas por enzimas específicas de cada proteína Imagen 14. Diferentes reacciones de modificación reversible en función del residuo concreto. La profesora comenta que no es necesario saberlos todos, solo los importantes: fosforilación, acetilación y metilación Una misma proteína puede ser metilada, acetilada, glucosilada… cuanto más importante sea, más puntos de control tendrá. Ejemplo: la profesora muestra las diferentes modificaciones que puede sufrir la proteína p53, proteína antitumoral importantísima para la apoptosis. En la imagen de la diapositiva se observan numerosos puntos de control y cada modificación implica una modificación de la actividad enzimática. 1.Control por fosforilación o desfosforilación. Es el tipo más común en eucariotas. Se produce la fosforilación en los residuos de aminoácidos específicos de serina, treonina o tirosina. Estos aminoácidos tienen un grupo hidroxilo (-OH) en su cadena lateral, al que queda unido el grupo fosfato por enlace éster (imagen 15). La unión de fosfatos es catalizada por quinasas, mientras que la desfosforilación es llevada a cabo por las fosfatasas. Las enzimas encargadas de la fosforilación de aminoácidos serina y treonina son las serin-treoinin quinasas mientras la que fosforilan las tirosinas son las tirosin quinasas. Esta fosforilación requiere energía (punto de control) siendo reversibles por las fosfatasas. La fosforilación es tan usada porque incorpora cargas negativas a la proteína, produciendo un cambio en la conformación tridimensional y, por tanto, su actividad biológica. En función de dónde se produzca la fosforilación se producirá un efecto activador o inhibidor o una función u otra. Ejemplo: la p53 al ser fosforilada en la serina 15 provoca que la célula entre en senescencia replicativa mientras que si es fosforilada en la serina 46 inducirá la apoptosis. 14 Grado de Medicina (UIB) - Comisión de apuntes Asignatura: Bioquímica II ¿Cómo se produce este control? En respuesta a una señal (extracelular o intracelular) cambiará la actividad de la proteína quinasa y/o fosfatasa celular. Produciéndose cambios en el estado de fosforilación, y con ello en la actividad de proteínas diana. Esto produce cambios en el patrón metabólico o de crecimiento de la célula diana. Una fosforilación en una proteína la puede activar, mientras que en otra la puede inhibir. Como hemos comentado anteriormente, según el aminoácido concreto donde se fosforila/desfosforila, se tendrá un efecto u otro. Por ello, las serin-treonin quinasas reconocen unas secuencias consenso. Estas secuencias aparecen en los residuos adyacentes al residuo que se va a fosforilar y suelen ser arginina y lisinas cargadas positivamente. Las señales que activan, producen cambios en el patrón metabólico, es decir, se va a activar una vía metabólica. Es muy típico que las fosforilaciones estén asociadas a cascadas de señalización. Señal Cambios en la actividad de quinasas o fosfatasas Cambios en el estado de fosforilación y actividad Cambios en el patrón metabólico Imagen 16. Resumen control fosforilación/desfosforilación. Ejemplo de clase: Glucogenofosforilasa, enzima limitante de la glucogenolísis que degrada el glucógeno en glucosa. Cuando estamos en una condición de ayuno, aumenta la secreción de glucagón (sintetizado en el páncreas y acción mayoritaria en el hígado) y adrenalina (acción en hígado y músculo) se une al receptor de los siete pasos transmebranales o 7M asociado a proteínas G que, a su vez, activará la subunidad beta-gamma para que se una a la adenilato ciclasa para que produzca AMPc y este, a través de una cascada de señalización, estimule a la glucogenofosforilasa, que pasa de un estado tenso a relajado (es una enzima alostérica) para obtener glucosa. La fosforilación está implicada en numerosas cascadas de señalización y participará en el cambio de conformación de los enzimas alostéricos, aunque la fosforilación/desfoforilación NO es efector alostérico (no las activa directamente) Imagen 16. Cascada de señalización respuesta lucha o huida Muchas proteínas eucariotas ven regulada su actividad por fosforilación-desfosforilación. Encontramos: enzimas clave de rutas metabólicas, enzimas que regulan la actividad de enzimas clave, factores de transcripción, proteínas transportadoras, receptores hormonales, etc. 2.5.4- Proteólisis. Es una modificación irreversible mediante el que un precursor proteico es hidrolizado para obtener el enzima maduro. Es decir, se convierte un enzima inactivo en activo. Esto ocurre en zimógenos y proenzimas. Ejemplo: La quimiotripsina es una enzima digestiva y se sintetiza como quimotripsinógeno, que se mantiene inactivo hasta que llega al tracto digestivo, donde ejerce su función. Es muy importante que 15 Grado de Medicina (UIB) - Comisión de apuntes Asignatura: Bioquímica II se mantenga inactivo antes y durante su transporte, ya que iría degradando todas las células a su paso desde el páncreas hasta el tubo digestivo. Esta se transforma por hidrólisis en quimotripsina, el tripsinógeno en tripsina pancreática, y el pepsinógeno en pepsina. Otro ejemplo son las caspasas (procaspasas), enzimas que se encargan de realizar la señal de apoptosis. Estas se sintetizan en forma de precursores inactivos, y cuando se libera un factor apoptótico, se activan y cumplen su función. Imagen 17. Transformación proteolítica del quimiotripsinógeno en quimiotripsina. Para terminar, hay que tener en cuenta los mecanismos del control metabólico están compartimentados y no todos son igualmente rápidos, ni tienen el mismo rango dinámico. Es decir, existe una regulación espaciotiempo. Algunos ejemplos son: • Cambios en la concentración proteica: lento (horas-días). Su rango dinámico puede ser muy amplio (ejemplo, de no haber proteína a tener una expresión muy alta). • Modificación covalente de proteínas: velocidad intermedia (de segundos a minutos). Su rango dinámico es amplio. • Control alostérico: rápido (segundos o menos). Su rango dinámico es más limitado. 16