Download Teoria 2 - Regulacion.

Bioenergética, Metabolismo y
Regulación
Metabolismo
Actividad Celular altamente coordinada en el cual numerosos
caminos metabólicos cooperan para:
1) Obtener energía química
2) Convertir nutrientes en precursores
3) Sintetizar polímeros
4) Sintetizar y degradar biomoléculas
Características generales de la química del
metabolismo celular
• Alta diversidad de actividades químicas (¡De varios
cientos a algunos miles!)
• Altas tasas de conversión de sustratos
• Especificidad
• Interdependencia entre reacciones
Estrategias metabólicas
• El metabolismo mantiene concentraciones de
metabolitos intermedios y energía en un estado
estacionario
v1
v2
A S P
Si V1= V2 => [S] = cte
Los organismos difieren en sus fuentes de energía,
poder reductor, y fuentes de carbono
Las reacciones se organizan en secuencias o caminos
metabólicos
Ejemplos de vías metabólicas
El metabolismo procede en pasos discretos
Evolución de vías metabólicas
Comparación de vías metabólicas en genomas de organismos totalmente
secuenciados
Se pueden obtener datos para formular hipótesis acerca de las vías metabólicas
primitivas
Hay muchos caminos posibles para la conformación de una vía metabólica
-Adición de una enzima a un paso final o inicial de una ruta preexistente ( Ej: síntesis
de glutamina a parir de glutamato)
- Duplicación génica y divergencia (e.g., lactato deshidrogenasa y malato
deshidrogenasa), Ej duplicación de la enzima E3 y adaptación a un nuevo sustrato. Ej
2: C->D y C->X
- Evolución “hacia atrás” o retro evolución A->B->C y luego A<-B<-C (ganancia de
enzimas)
- Duplicación de una vía completa y aparición de vías homólogas. Ej: vías de síntesis
de triptófano e histidina (enzimas de una vía se usan en la otra), enzimas homólogas
- Reversión de una vía. Ej gluconeogénesis. Por aparición enzima nueva.
- Nacimiento de una vía nueva mediante la fusión de dos vías distintas, Ej. Ciclo de
Krebs
Las enzimas que catalizan secuencias de reacciones
están asociadas entre si espacialmente.
Compartamentalización
A) Intracelular
Citosol
Mitocondrias/Cloroplastos
Peroxisomas
B) En tejidos en organismos multicelulares
C) En cianobacterias (heterocistos)
B) Actividades enzimáticas asociadas espacialmente
mediante interacciones funcionales
Metabolones
Gradient of PEP. The glycolytic hyperstructure containing 56 metabolons was localized to a pole, and the
distribution of PEP and the enzymes were displayed. A freely diffusing enzyme consumed PEP. GlyC is
the number of glycolytic metabolons, other abbreviations as in Fig. 1. Amar et al. BMC Systems Biology
2008 2:27 doi:10.1186/1752-0509-2-27
B) Varias actividades enzimáticas asociadas
Polipéptidos con varias actividades enzimáticas
C) Enzimas de membranas
Schematic of the glycerol metabolic
pathway in E. coli. Protein members of
the glycerol metabolic pathway includes
glycerol facilitator (GlpF/AQP), a member of
the aquaporin family of major intrinsic
proteins. The soluble glycerol kinase (GK)
phosphorylates glycerol to G3P. Another
membrane protein constituent of this
pathway is the transporter for the uptake of
G3P (GlpT) with concomitant exit of Pi.
Oxidation of G3P to DHAP is catalyzed by
the monotopic membrane enzyme, glycerol3-phosphate dehydrogenase (GlpD), a
primary dehydrogenase. Concurrent with
oxidation of G3P is reduction of flavin
adenine dinucleotide (FAD) to FADH2, which
passes on electrons to ubiquinone (UQ)
forming the reduced form (UQH2) and
ultimately shuttling electrons to oxygen or
nitrate
Las vías metabólicas muestran acoplamientos funcionales.
Ej: acoplamiento de catabolismo y anabolismo
Los sistemas ATP-ADP median conversiones en dos
direcciones
Las conversiones ¨opuestas¨ están reguladas
cinéticamente. Ej: ppk1/F16BPasa
Las vías metabólicas están reguladas mediante el control de
la actividad enzimática, así como de la cantidad de enzima
Selección natural de estrategias regulatorias que:
• 1) Maximizan la eficiencia de las vías.
• 2) Particionan metabolitos en caminos alternativos para
proveer distintos productos finales.
• 3) Emplea el combustible mas conveniente para las
necesidades del organismo.
• 4) Anulan caminos biosintéticos cuando se acumulan
productos.
Regulación
• Rápida o “Fina”: actúa a nivel de la actividad enzimática
• Lenta o “Gruesa”: actúa a nivel de la cantidad y localización
de las enzimas
Regulación rápida o “Fina”
• Regulación por disponibilidad de sustrato
• Regulación alostérica
• Inhibición por producto final
• Metabolones
• Modificaciones covalentes
Regulación por disponibilidad de sustrato
Regulación alostérica I
A nivel del Km o Vm
Regulación alostérica II
Modificación Covalente
• Irreversible
– Activación por rotura proteolítica de precursores inactivos
• Enzimas de la digestión
• Cascada de coagulación
• Activación de caspasas en la apoptosis
Reversible
– Unión covalente de un grupo químico que altera las
Propiedades catalíticas de la enzima
–
–
–
–
Fosforilación/desfosforilación
Oxidación-reducción
Acetilación-desacetilación
Adenililaciones
Ejemplo de modificaciones covalentes
Puentes disulfuro
Regulación lenta o “Gruesa”
• Regulación transcripcional
• Estabilidad de los mRNA
• Traducción
• Vida media de las proteínas
• Asociación con proteínas regulatorias
¿Dónde regular?
• Enzimas claves
• Pasos exergónicos
¿Desde dónde regular?
• Regulación intracelular
• Regulación externa
Regulación intracelular
Regulación externa
Y ahora…
• Lo que se pretende con esta asignatura…
• FEEDBACK REGULATION IS NOT SYNONYMOUS WITH
FEEDBACK INHIBITION
• In both mammalian and bacterial cells, end products “feed
back” and control their own synthesis, in many instances by
feedback inhibition of an early biosynthetic enzyme. We must,
however, distinguish between feedback regulation, a
phenomenologic term devoid of mechanistic implications, and
feedback inhibition, a mechanism for regulation of enzyme
activity. For example, while dietary cholesterol decreases
hepatic synthesis of cholesterol, this feedback regulation
does not involve feedback inhibition. HMG-CoA reductase,
the rate-limiting enzyme of cholesterologenesis, is affected,
but cholesterol does not feedback-inhibit its activity.
Regulation in response to dietary cholesterol involves
curtailment by cholesterol or a cholesterol metabolite of the
expression of the gene that encodes HMG-CoA reductase
(enzyme repression) (Chapter 26)