Download alostéricas

Planta Piloto de Fermentaciones
Departamento de Biotecnología
Regulación alostérica
Sergio Huerta Ochoa
UAM-Iztapalapa
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Departamento de Biotecnología
Consideraciones generales en la regulación de enzimas
1. Control genético: A este nivel de regulación la cantidad de enzima
cambia en respuesta a las condiciones ambientales
.
Por ejemplo, en respuesta a la abundancia de glucosa, la producción de
enzimas metabólicas que rompen grandes polisacáridos se detiene. En
el caso de un represor lac, esta regulación está a nivel de transcripción.
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Consideraciones generales en la regulación de enzimas
2. Control de la actividad enzimática: A este nivel la cantidad de una enzima no varía,
más bien, la actividad de la enzima es regulada.
A. Para S ↔ P, como la cantidad de producto aumenta la reacción reversa se vuelve
más pronunciada, hasta que se alcanza el equilibrio, donde no hay un cambio neto en las
cantidades de producto y substrato.
B. Las tasas enzimáticas pueden ser moduladas por la cantidad disponible de substrato y
su valores de KM.
C. La modification covalente puede alterar la afinidad de la enzima por el substrato
(alterar KM).
Fosforilación y defosforilación son ejemplos de estos sistemas de control.
(Edmond Fischer y Edwin Krebs ganaron el Premio Nobel por este descubrimiento)
D. Los efectores alostéricos son moléculas que alteran la afinidad de una enzima por un
substrato. Estas son modificaciones no-covalentes.
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Regulación de la actividad enzimática por fosforilación
La fosforilación puede ocurrir sobre residuos de serina, treonina, o tirosina.
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Multisitios de enlace de sustrato
Sitios de enlace no cooperativos
v
Vmax
[S ] 1 + [S ] 
n −1
K S 
K S 
=
n

S] 
[
1 +

KS 

v
V max
=
[S ]
K S + [S ]
Si todos los sitios de enlace son equivalentes, n moléculas de enzima de un sitio sencillo de enlace,
producen la misma curva de velocidad de una molécula de n sitios de enlace
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Enzimas alostéricas
1.0
(a)
0.9
0.8
0.7
(b)
0.6
v
0.5
Enzima alostérica
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
[S]
Comparación de curvas de velocidad.
(a) Respuesta hiperbólica, (b) respuesta sigmoidal
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Enzimas alostéricas
Ecuación simplificada para enzimas alostéricas
(Ecuación de Hill, 1910)
Archibald Vivian Hill
Si la cooperatividad de los sitios en el enlace del sustrato es muy marcada
v
Vmax
=
[S ]
n
K 0.5 + [S ]
n
Donde:
n = número de sitios de enlace de sustrato por molécula de enzima
K0.5 = Constante que involucra los factores de interacción y a la constante
de disociación intrínseca
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Enzimas alostéricas
Sitios de enlace cooperativos
(Modelo de interacción simple: Adair-Pauling, 1925)
Ejemplo: Enzima con dos sitios de enlace
KS
Gilbert Smithson Adair
E+S
+
S
ES
+
S
P+E
α KS
SE + S
Linus Carl Pauling
E+P
α KS
KS
kp
kp
SES
kp
ES + P
SE + P
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Enzimas alostéricas
Sitios de enlace cooperativos
(Modelo de interacción simple: Adair-Pauling, 1925)
Ejemplo: Enzima con cuatro sitios de enlace
Consideración de equilibrio rápido
v
Vmax
[S ] + 3[S ]2
=
KS
aK S2
3[S ]
[
S]
+ 2
+ 3 2 4
3
a bK S a b cK S
3
4
[
S]
4[S ] 6[S ]
4[S ]
+
+ 2
+ 3 2 4
1+
2
3
KS
aK S
a bK S a b cK S
2
donde:
3
Vmax = 4 kcat [E]t
4
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Modelos alostéricos
• Las interacciones alostéricas afectan la actividad de una enzima por enlace a un sitio distinto
del sitio activo (allos = diferente; stereo = lugar o sólido).
• Los efectores alostéricos pueden ser el(los) substrato(s); esto es un efecto homotrópico.
• Los efectores pueden ser distintos de las moléculas de substrato(s); esto es un efecto
heterotrópico.
• Un efector alostérico puede ser positivo (incremente la actividad enzimática) o negativo
(decrese la actividad enzimática). Frecuentemente se encuentran ambos efectos para una
enzima dada.
Por ejemplo, en el sistema hemoglobina:
El O2 es un efector positivo homotrópico (incrementa la afinidad para el oxígeno en el sitio de
enlace del oxígeno)
El CO2 es un efector negativo heterotrópico (decrese la afinidad por oxígeno).
En general, los efectos alostéricos resultan de las interacciones entre subunidades de
proteínas oligoméricas.
Es posible, sin embargo, que proteínas con una-subunidad puedan exhibir efectos
alostéricos si hay múltiples sitios de enlace para substratos.
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Regulación alostérica y actividad enzimática
• Como sucede en la hemoglobina, algunas enzimas muestran regulación alostérica. El enlace
de pequeñas moléculas regula la actividad catalítica de estas enzimas mediante la alteración
de la afinidad de enlace del substrato
Aspartato transcarbamoilasa (ATCasa)
(como un sistema modelo de control alostérico)
O-
O
C
NH 2
CH 2
+
C
O
OPO 3
2-
C
+
Carbamoyl phosphate
H 3N
H
COO -
Aspartic acid
aspartate transcarbamoylase
O
O
-
C
O
NH 2
CH 2
C
C
N
H
H
+
COO -
N-Carbamoyl aspartate
H 2PO 4-
• ATCasa cataliza la formación de N-carbamoilaspartato de
carbamoil fosfato y ácido aspártico
• Esta reacción es la primera única etapa en la biosíntesis de
pirimidinas
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Regulación alostérica y actividad enzimática
Altas concentraciones de
CTP causan una reducción
en la tasa de síntesis de
CTP
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Regulación alostérica y actividad enzimática
CTP
ATCasa es alostéricamente inhibida por CTP y es alostéricamente activada por ATP
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Regulación alostérica y actividad enzimática
• ATCasa tiene dos estados conformacionales, T y R
• CTP se enlaza al estado T de baja afinidad mientras ATP se enlaza al estado R de alta afinidad
• El enlazamiento de los substratos induce un cambio conformacional en la estructura
https://www.youtube.com/watch?v=5aW0C3-IHVo
cuaternaria induciendo un cambio de T a R
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El modelo alostérico de Monod, Wyman y Changeux
Considere una proteina que puede asumir dos estados. El estado “tirante” enlaza al substrato
muy pobremente, mientras el estado “relajado” tiene una alta afinidad por el substrato. El
subíndice 0 denota una proteina no enlazada, y estos dos estados existen en equilibrio, tal que:
R0 ↔ T0
Además asuma que el equilibrio de R0 y T0 tiende substancialmente hacia la derecha, tal que
en la ausencia de substrato hay mucha más forma “tirante” que “relajado”.
Si L es la constante de equilibrio,
L = [T0] / [R0],
y
L es grande.
Si KR es la constante de disociación de substrato de la forma “relajada”, y KT es la constante
de disociación de substrato de la forma “tirante”, entonces por las condiciones señaladas KR
<< KT, y el caso extremo es KR / KT = 0. Esto significa que no hay afinidad de T0 para el
substrato.
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El modelo alostérico de Monod, Wyman y Changeux, (modelo simétrico)
R0 ↔ T0
Si substrato es adicionado a este sistema, el equilibrio es perturbado. R0 enlaza el substrato y no es
más cambiado con T0. Ahora la reacción va hacia la izquierda, más R0 es hecho, y, en turno, más
substrato es enlazado por R0, y así sucesivamente. Esto es un efecto positivo homotrópico.
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El modelo alostérico de Monod, Wyman y Changeux; enlace coperativo
c = KR / KT ; L = [T0] / [R0]; n = número de sitios de enlace de substrato;
Y = [sitios de enlace de substrato ocupados] / [número total de sitios de enlace de substrato].
Este comportamiento de enlace de substrato es coperativo. El llenado de los sitios de enlace altera
La afinidad aparente global por el substrato. Todos los sitios de enlace, sin embargo, son equivalentes.
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El modelo alostérico de Monod, Wyman y Changeux;
efecto positivo heterotrópico
• Si cada subunidad tiene un sitio alostérico y un sitio de enlace de substrato, y A (activador)
está presente, entonces la reacción R0 ↔ T0 va hacia la izquierda, y hay más sitios de enlace
de substrato disponibles.
• Este incremento de afinidad aparente por el substrato (a una concentración fija de
activador). Globalmente, sin embargo, la coperatividad del enlace del substrato decrece,
porque hay más sitios de enlace de substrato disponible. El activador tiene el mismo efecto
que una constante de equilibrio L más baja.
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El modelo alostérico de Monod, Wyman, y Changeux;
efecto negativo heterotrópico
• En la presencia de inhibidor, el equilibrio R0 ↔ T0 va hacia la derecha. Esto reduce el
número de sitios de enlace de substrato disponible, y baja la afinidad aparente por el
substrato.
• En la presencia de una concentración fija de inhibidor, una titulación del substrato podría
mostrar un incremento en la coperatividad del enlace.
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El modelo alostérico de Monod, Wyman y Changeux;
efecto heterotrópico
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Las ecuaciones para observar el comportamiento alostérico son:
Y=
α (1 + α )
n −1
Lobs + (1 + α )
n
donde:
α=
β=
[S ]
KR
[I ]
KI
Lobs
γ
n
(
1+ β )
=L
(1 + γ )n
[
A]
=
KA