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REGULACIÓN DE LA ACTIVIDAD ENZIMÁTICA
Generalidades
UNA ENZIMA ES UNA ESTRUCTURA PROTEICA
¿Algo tán simple como ese enunciado podría encabezar un trabajo como éste?.
La respuesta es SI. Aunque no lo crean, muchas veces los estudiantes se pierden
en el tecnicismo de los textos que leen por primera vez, intentan conceptualizar,
imaginan los átomos de carbono alfa, los ejes de rotación, planos de simetría,
uniones peptídicas, estructuras primarias, secundarias, terciarias, etc. En algunos
casos, ésto, al principio de la cursada, se torna tan extremo que al llegar al tema
en cuestión en éste texto casi se olvidan que estamos hablando de una entidad
harto conocida por ellos: de una proteína. Si, de una molécula que se comporta
de manera particular con relación a otras, pero que en definitiva será sensible a
las mismas situaciones que le plantee el medio (como ser la temperatura ó el pH)
como otra proteína cualquiera. Cabe mencionar, por las dudas, que no todas las
proteínas, sean enzimáticas o estructurales, son igualmente resistentes a las
adversidades del medio.
Volviendo a la proteína, debemos en principio imaginarnos como se vería
nuestra proteína con actividad enzimática (o sea, ENZIMA) suspendida en el
espacio (que sería lo mismo que disuelta en solución acuosa a pH y temperatura
fisiológica, hablamos entonces de una enzima X en el citoplasma de alguna
célula humana). A la enzima debemos imaginarla como, a los fines prácticos, un
bollo de papel, como un cable al que se lo enredó muy bien. Esta estructura tiene
una conformación espacial que está lejos de ser al azar. Es la resultante de las
múltiples interacciones de repulsión y atracción entre las nubes de electrones
alrededor de los átomos de carbono y nitrógeno de toda la cadena polipeptídica.
Esto pone a la molécula entera en un estado de equilibrio estructural dinámico.
Lo cual significa que una interacción íntima con otra molécula provocaría una
alteración del arreglo tridimensional de nuestra enzima.
Primeros Conceptos
EL ORGANISMO TIENDE HACIA UN EQUILIBRIO HOMEOSTÁTICO
Con tal fin, las posibilidades que tiene éste para favorecer o inhibir la
disponibilidad de tal o cual sustancia son muy variados. Hablamos de sustancias
que son necesarias y hasta algunas son esenciales, pero que en exceso pueden ser
letales. Los seres vivos poseen finísimos mecanismos de regulación de todas las
vías metabólicas, sean de síntesis o de degradación. Todas las proteínas
estructurales y enzimáticas del organismo mueren y nacen, se destruyen y se
sintetizan. Esto, precisamente, es lo que nos habla de el equilibro homeostático,
todas las proteínas tienen una velocidad de síntesis y una de degradación. Este
concepto que pone a la célula en estado de equilibrio claramente dinámico
provee a los organismos de su capacidad adaptativa por ejemplo. Si sometemos
nuestros bíceps a riguroso entrenamiento, y nos aseguramos una adecuada
alimentación, las células musculares esqueléticas correspondientes al bíceps
aumentaran la Ks de sus proteínas estructurales, enzimas involucradas en la
maquinara generadora de energía, etc. disminuyendo proporcionalmente la Kd.
Ahora bien, vamos al punto.
EL PH Y LA TEMPERATURA DEL MEDIO MODIFICAN LA ACTIVIDAD ENZIMÁTICA
Este es un concepto básico, que debe ser sabido como el "arroz con leche". En
general la mayoría de las enzimas al ser calentadas (To = 37º C) muestran un
aumento de su actividad catalítica. Así se llega a un punto máximo, luego del
cual, la actividad de la enzima decrece hasta hacerse nula debido a que COMO
ES UNA PROTEINA ÉSTA SUFRIÓ DESNATURALIZACIÓN TÉRMICA, y
así se perdió su actividad. Obviamente si en lugar de calentarla la enfriamos, la
actividad decrecerá directamente hasta hacerse nula, cuando ésta se
desnaturalice.
Con el pH sucede lo mismo, existe un pH en el cual la actividad es máxima
(óptima > mayor actividad enzimática) y al rededor del cual ésta es menor, hasta
llegar a la desnaturalización, momento en el cual la actividad es NULA.
Mecanismos de Regulación que NO modifican la estructura enzimática
Toda enzima posee en algún lugar de su intrincada estructura una región (o varias) más o
menos expuesta, la cual se encuentra flanqueada por cadenas laterales pertenecientes a residuos
de aminoácidos específicos que juntos conforman un sitio de unión, donde sólo la molécula
sustrato específica se acoplará temporalmente durante la reacción enzimática.
FEED-BACK NEGATIVO - RETROINHIBICIÓN ISOSTÉRICA POR PRODUCTO FINAL
El modelo más simple y uno de los más utilizados en toda la naturaleza por su
elevada eficacia y economía. Ello se debe a que de una vía de, p.ej. 4 o 5
reacciones consecutivas se llega a un producto. Éste comienza a acumularse en
tanto decrece el requerimiento celular (quien alguna vez activó la misma vía)
aumentando así su concentración a niveles tales que, por sus características
estructurales comienza a competir por el sitio mismo de la enzima donde se une
el sustrato (competición ISOSTÉRICA) inhibiendo la actividad enzimática. Se
detecta entonces una progresiva disminución de la Ks para esa proteína, y un
aumento del Km dado que se precisa mayor concentración de sustrato para llegar
a la mitad de la Vmax de la enzima. Vmax evidentemente no sufre
modificaciones, dado que la enzima disponible y activa es la misma.
Por lo general estas moléculas que compiten con el sustrato por el sitio activo de
la enzima son el PRODUCTO de una reacción o vía metabólica. Se dice que es
un método económico porque la inhibición se efectúa en la primera reacción de
la vía, ahorrando así la perdida de metabolitos intermedios.
El concepto es: la inhibición se lleva a cabo por la COMPETICION entre el
PRODUCTO de la reacción (o vía) y el PRIMER SUSTRATO por el SITIO
ACTIVO DE LA PRIMERA ENZIMA DE LA VIA.
FEED-BACK NEGATIVO - RETROINHIBICIÓN ALOSTÉRICA POR PRODUCTO FINAL
Este es un tipo muy especial de modulación negativa. La enzima alostérica
también se encuentra al comienzo de la vía metabólica. Pero OJO!!!!:
NO EXISTE COMPETICION alguna entre el sustrato y el producto final de la
vía, sino que el producto final interactúa sobre UN SITIO DIFERENTE Y
DISTANTE AL SITIO ACTIVO. Ese sitio recibe el nombre de sitio
ALOSTÉRICO ó regulador, el que posee tanta especificidad para los
moduladores alostéricos como el sitio activo por el sustrato.
Este fenómeno tiene su explicación cuando recordamos esa estructura molecular
en equilibrio estructural que representaba a nuestra enzima, que, al agregarle una
molécula sobre una región como el sitio alostérico, ocurre una redistribución
local de cargas que provoca rotaciones sobre los planos de las uniones peptídicas
que se transmiten por toda la molécula hasta llegar a un nuevo estado de
equilibrio estructural, en el cual el sitio activo sufrió , tal vez, la más leve
modificación que ya es suficiente para tornar nuestra enzima "ciega" a su
sustrato. Esto resalta la estrecha relación entre la estructura y la actividad de las
enzimas.
Si bien no es tema de esta sección, vale la pena destacar que la modulación
alostérica no siempre es negativa, por el contrario, puede ser POSITIVA, es
decir que el producto final de una vía sea un efector alostérico positivo de si
misma o lo que es más maravilloso... de la primer enzima de otra vía metabólica!
Mecanismos de Regulación que MODIFICAN la estructura enzimática
INHIBICIÓN IRREVERSIBLE POR SUSTANCIAS EXÓGENAS
Este es el caso de los venenos, los compuestos químicos utilizados en la industria
o los que ella produce para el uso hogareño, o no tanto.
Existen sustancias utilizadas en la agricultura como herbicidas ó insecticidas
cuyos principios activos resultan tóxicos para los humanos. Éstos reaccionan
covalentemente con las cadenas laterales de ciertos aminoácidos de la enzima
provocando cambios estructurales que la inactivan y eso es IRREVERSIBLE.
Si esas enzimas se desempeñan en la regulación de mecanismos que resultan
VITALES para el organismo, entonces una intoxicación accidental puede
comprometer seriamente la vida del paciente.
Durante la Segunda Guerra Mundial el Eje usó armas químicas contra los
ejércitos de los Aliados (Stalin, Roosevelt, Churchill). Estas armas eran
rudimentarios
cohetes
o
bombas
que
llevaban
como
carga
gases
NEUROTÓXICOS (p.ej. dyisopropylfluorophosphate). Estos gases eran
extremadamente
potentes
y
volátiles,
inutilizando
la
enzima
Acetil-
ColinesterASA (véase Manual de Neurofisiología), quien es responsable de
terminar la actividad de la acetilcolina (véase Neuroquímica) sobre la placa
neuromuscular. El resultado era la parálisis de musculos estriados (que es como
decir: de lo que primero se morían era de parálisis respiratoria).
Lo mismo ocurre con sustancias llamadas ORGANOFOSFORADAS (parathion,
malathion, ecotiofato). Estas son inhibidoras irreversibles de la AChE y fueron
usados en terapéutica oftalmológica, hoy ya no se usan.
FOSFORILACIÓN Y DESFOSFORILACIÓN ENZIMÁTICA
Es un tema que ha creado un gran interés entre los científicos actuales. Es un
mecanismo por el cual se logra modular reversiblemente la actividad de un
enzima. Esta no es cualquier enzima, sino una enzima susceptible a la
interconversión. Esto es, la adherencia covalente de uno o más grupos fosfato
pueden provocar un aumento o disminución de su actividad catalítica dentro de
una vía metabólica determinada. Puede suceder lo inverso, con la remoción de
grupos fosfato, se logre un incremento en la actividad catalítica de la enzima.
Este agregado de grupos fosfatos, con consumo de ATP, esta a su vez regulado
por una enzima llamada PROTEINA KINASA, o quinasa de proteína o
proteinquinasa. El grupo fosfato entrante reacciona con el grupo oxidrilo de un
residuo específico de Serina, Treonina o Tirosina. Los mecanismos por los cuales
la proteinquinasa es específica para una región específica, fosforilando un
residuo específico exceden el tema de este texto, pero mencionaré que se trata de
un proceso extremadamente selectivo.
Las FOSFATASAS DE PROTEINAS o proteinfosfatasas son las enzimas
convertidoras. Es decir, revierten la acción de las proteinquinasas.
Si pensamos que miles de una misma proteinquinasa pueden sufrir regulación de
actividad por fosforilación en milisegundos, y que éstas proteinquinasas
activadas pueden provocar la fosforilación de millones enzimas sustrato, y éstas a
su vez, empujar el avance de una reacción de síntesis de algún metabolito
necesario en una situación X de stress, fácil es entender que el proceso de
fosforilación
represente
un
mecanismo
de
tipo
CASCADA
DE
AMPLIFICACION muy importante y muy eficaz. Para detener esta cascada
tenemos a las proteinfosfatasas que, quitándole a las enzimas los grupos fosfato,
las vuelven al estado anterior de baja actividad enzimática.
De esta forma los mecanismos de fosfo/defosforilación enzimática forman parte
de la batería de mecanismos que posee la célula para regular sus procesos
metabólicos.
J. Pablo Orezzoli, 27/8/1996
Niveles de Regulación de la
actividad Enzimática

Modificaciones del Medio

Compartimentalización Organelar

Inducción y Represión Genómica

Retroinhibición Isostérica

Retroinhibición Alostérica

Inhibición Irreversible (enzyme death)

Mecanismos de Fosforilación y Desfosforilación