Unidad modular 1 ENZIMAS COMO CATALIZADORES DE PROTEÍNAS
Objetivos de aprendizaje Ser capaz de:
1. Explicar las propiedades de las enzimas y las características de la catálisis enzimática por su naturaleza proteica.
2. Evaluar el papel de las vitaminas en la nutrición humana como sustratos para la síntesis de coenzimas.
3. Determinar si las enzimas pertenecen a una determinada clase y subclase de acuerdo con su nomenclatura.
4. Calcule la actividad enzimática y evalúe la afinidad de la enzima por el sustrato.
Saber:
1. Características estructurales de las enzimas como catalizadores de proteínas.
2. Tipos de especificidad enzimática.
3. Conceptos básicos de clasificación de enzimas, clases de enzimas, ejemplos de reacciones catalizadas por enzimas.
4. La estructura de coenzimas y cofactores y su papel en la catálisis enzimática, el papel de las vitaminas en este proceso.
5. Conceptos básicos de la cinética enzimática.
6. Unidades de actividad enzimática y métodos para su determinación.
TEMA 2.1. PROPIEDADES DE LA ENZIMA COMO PROTEÍNA
CATALIZADOR
1. Las enzimas son catalizadores de proteínas. acelerar reacciones químicas en las células vivas. Tienen todas las propiedades características de las proteínas y determinadas características estructurales que determinan sus propiedades catalíticas. Las enzimas, además, obedecen las leyes generales de la catálisis y tienen propiedades características de los catalizadores no biológicos: aceleran reacciones energéticamente posibles, mantienen constante la energía del sistema químico y no se consumen durante el proceso de reacción.
2. Las enzimas se caracterizan por:
especificidad. La función biológica de una enzima, como cualquier proteína, está determinada por la presencia en su estructura de un centro activo con el que interactúa un ligando específico. El ligando que interactúa con el sitio activo de la enzima se llama sustrato.
eficiencia catalítica. La mayoría de las reacciones catalizadas por enzimas son muy eficientes y ocurren entre 10 8 y 10 14 veces más rápido que las reacciones no catalizadas. Cada molécula de enzima es capaz de transformar de 100 a 1000 moléculas de sustrato en un producto por segundo.
labilidad conformacional. La eficacia catalítica de una enzima, como cualquier molécula de proteína, depende de su conformación y, en particular, de la conformación del centro activo. Existen sustancias en las células que pueden provocar cambios menores en la conformación de la molécula de enzima debido a la ruptura de algunas y la formación de otros enlaces débiles; esto puede provocar un aumento o una disminución de la actividad enzimática.
3. La actividad enzimática se puede regular. La acción de las enzimas en una célula, por regla general, está estrictamente ordenada: el producto de una reacción enzimática es el sustrato de otra; formando así vías metabólicas. Entre las muchas enzimas de casi todas las rutas metabólicas, existen enzimas clave o regulador, enzimas cuya actividad puede variar dependiendo de la necesidad de la célula del producto final de la ruta metabólica.
4. Condiciones óptimas para reacciones enzimáticas: temperatura 37-38 °C; presión atmosférica normal, pH 6,9-7,7, característica de la mayoría de los tejidos. Por el contrario, una catálisis química eficaz suele requerir altas temperaturas y presiones, así como valores de pH extremos.
TEMA 2.2. CENTRO ACTIVO: ESPECIFICIDAD DE LA ACCIÓN ENZIMÁTICA
1. Sitio activo de las enzimas.- se trata de una determinada sección de una molécula de proteína que es capaz de unirse complementariamente al sustrato y asegurar su transformación catalítica. La estructura del centro activo está formada por radicales de aminoácidos, al igual que en el caso del centro activo de cualquier proteína. El centro activo de la enzima contiene residuos de aminoácidos, cuyos grupos funcionales aseguran la unión complementaria del sustrato (sitio de unión), y residuos de aminoácidos, cuyos grupos funcionales llevan a cabo la transformación química del sustrato (sitio catalítico) ( Figura 2.1).
Arroz. 2.1. Esquema de la estructura del centro activo de la enzima.
Los aminoácidos que forman el centro activo de la enzima están marcados en rojo: 1 - sitio de unión; 2 - sección catalítica
2. Especificidad- la propiedad más importante de las enzimas que determina el significado biológico de las enzimas. Distinguir sustrato Y especificidad catalítica de la enzima, que están determinados por la estructura del centro activo.
3. Bajo especificidad del sustrato Se refiere a la capacidad de cada enzima para interactuar con solo uno o varios sustratos específicos.
Hay:
- especificidad absoluta del sustrato, si el sitio activo de la enzima es complementario de un solo sustrato;
- especificidad de sustrato de grupo, si la enzima cataliza el mismo tipo de reacción con una pequeña cantidad (grupo) de sustratos estructuralmente similares;
- estereoespecificidad, si la enzima muestra especificidad absoluta por solo uno de los estereoisómeros existentes del sustrato.
4. Especificidad catalítica o la especificidad de la vía de conversión del sustrato, asegura la transformación de un mismo sustrato bajo la acción de diferentes enzimas. Esto está garantizado por la estructura de los sitios catalíticos de los centros activos de las enzimas correspondientes. Por ejemplo, una molécula
La glucosa-6-fosfato en las células del hígado humano es un sustrato de cuatro enzimas diferentes: fosfoglucomutasa, glucosa-6-fosfato fosfatasa, fosfoglucoisomerasa y glucosa-6-fosfato deshidrogenasa. Sin embargo, debido a las características estructurales de los sitios catalíticos de estas enzimas, se producen diversas transformaciones de la glucosa-6-fosfato con la formación de cuatro productos diferentes (fig. 2.2).
Arroz. 2.2. Vías catalíticas para la conversión de glucosa-6-fosfato.
La especificidad de la vía de conversión del sustrato permite transformar el mismo sustrato bajo la acción de diferentes enzimas. La molécula de glucosa-6-fosfato es sustrato para diferentes enzimas, lo que conduce a la formación de diferentes productos.
TEMA 2.3. MECANISMO DE ACCIÓN ENZIMÁTICA
1. Durante la catálisis, el sustrato, unido al sitio activo de la enzima en un complejo enzima-sustrato (ES), sufre una conversión química en un producto, que luego se libera. El proceso de catálisis se puede representar esquemáticamente de la siguiente manera:
El proceso de catálisis enzimática se puede dividir en etapas (fig. 2.3). En la etapa I, el sustrato se acerca y se orienta en la región del centro activo de la enzima. En la etapa II, como resultado correspondencia inducida[cambio en la conformación del sustrato (S) y el centro activo de la enzima] se forma un complejo enzima-sustrato (ES). En la etapa III, los enlaces en el sustrato se desestabilizan y se forma un complejo enzima-producto (EP) inestable. En la etapa IV, el complejo (EP) se desintegra con la liberación de productos de reacción del sitio activo y la liberación de la enzima.
2. Para comprender la energía de una reacción química, es necesario tener en cuenta el cambio en la energía de los sustratos y productos de la reacción, así como el papel de las enzimas en este proceso. Se sabe que para que tenga lugar una reacción, los sustratos deben recibir tal cantidad de energía adicional (llamada energía de activación E a) que es necesaria para que las moléculas del sustrato entren en la reacción (figura 2.4). En el caso de una reacción enzimática, la energía de activación disminuye, lo que garantiza una reacción más eficiente.
Arroz. 2.3. Etapas de catálisis enzimática:
I - etapa de aproximación y orientación del sustrato en el centro activo de la enzima; II - formación de un complejo enzima-sustrato (Eb); III - formación de un complejo enzima-producto (EP) inestable; IV - liberación de productos de reacción del centro activo de la enzima.
Arroz. 2.4. Cambio de energía libre durante una reacción química, no catalizada y catalizada por enzimas.
La enzima reduce la energía de activación E a, es decir. reduce la altura de la barrera energética; como resultado, la proporción de moléculas reactivas aumenta y la velocidad de reacción aumenta
TEMA 2.4. COFACTORES Y COENZIMAS
La mayoría de las enzimas requieren la presencia de ciertas sustancias no proteicas (cofactores) para exhibir actividad catalítica. Hay dos grupos de cofactores: iones metálicos y coenzimas.
1. Los iones metálicos participan en el funcionamiento de la enzima de diversas formas.
Cambiar la conformación de la molécula del sustrato, lo que asegura una interacción complementaria con el centro activo. Por ejemplo, el complejo Mg2+-ATP actúa como sustrato.
Proporcionar la conformación nativa del centro activo de la enzima. iones
Mg 2 +, Mn 2 +, Zn 2 +, Co 2 +, Mo 2 + participan en la estabilización del centro activo de las enzimas y contribuyen a la adición de la coenzima.
Estabilizan la conformación de la molécula de proteína enzimática. Por ejemplo, se necesitan iones de zinc para estabilizar la estructura cuaternaria de la enzima alcohol deshidrogenasa, que cataliza la oxidación del etanol.
Participa directamente en la catálisis enzimática. En la catálisis electrófila participan los iones Zn 2 +, Fe 2 +, Mn 2 +, Cu 2 +. En la transferencia de electrones también pueden participar iones metálicos con valencia variable. Por ejemplo, en los citocromos (proteínas que contienen hemo), el ion hierro es capaz de unirse y donar un electrón. Gracias a esta propiedad, los citocromos participan en reacciones redox:
2. Coenzimas Son sustancias orgánicas, generalmente derivados de vitaminas, que participan directamente en la catálisis enzimática, ya que se encuentran en el centro activo de las enzimas. Una enzima que contiene una coenzima y tiene actividad enzimática se llama holoenzima. La parte proteica de dicha enzima se llama apoenzima, que en ausencia de una coenzima no tiene actividad catalítica.
La coenzima puede unirse a la parte proteica de la enzima solo en el momento de la reacción o asociarse con la apoenzima mediante fuertes enlaces covalentes. En este último caso se llama grupo prostético. En la tabla se dan ejemplos de las coenzimas más comunes (derivados vitamínicos, así como su participación en procesos enzimáticos). 2.1.
Mesa 2.1. Estructura y función de las principales coenzimas.
Fin de la mesa. 2.1.
TEMA 2.5. CLASIFICACIÓN Y NOMENCLATURA
ENZIMAS
1. El nombre de la mayoría de las enzimas contiene el sufijo "asa" adjunto al nombre del sustrato de la reacción (por ejemplo: ureasa, sacarasa, lipasa, nucleasa) o al nombre de la transformación química de un sustrato particular (por ejemplo: lactato). deshidrogenasa, adenilato ciclasa, fosfoglucomutasa, piruvato carboxilasa). Sin embargo, se siguen utilizando una serie de nombres triviales e históricamente fijos de enzimas, que no proporcionan ninguna información sobre el sustrato o el tipo de transformación química (por ejemplo, tripsina, pepsina, renina, trombina, etc.).
2. Para sistematizar las enzimas que se encuentran en la naturaleza, la Unión Internacional de Bioquímica y Biología Molecular (IUBMB) desarrolló una nomenclatura en 1961, según la cual todas las enzimas se dividen en seis clases principales según el tipo de reacción química que catalizan. Cada clase consta de numerosas subclases y subsubclases, según el grupo químico del sustrato que se está convirtiendo, el donante y el aceptor de los grupos convertidos, la presencia de moléculas adicionales, etc. Cada una de las seis clases tiene su propio número de serie, estrictamente asignado: 1.ª clase - oxidorreductasas; 2da clase - transferasas; 3er grado - hidrolasas; Cuarto grado - liasas; 5to grado - isomerasas; 6to grado - ligasas
Esta clasificación es necesaria para identificar con precisión la enzima: para cada enzima hay un número de código. Por ejemplo, la enzima maldehidrogenasa tiene el nombre sistemático L-malato: NAD oxidorreductasa y el número de código es 1.1.1.38. El primer dígito indica el número de clase de enzima (en este caso, el número 1 indica que la enzima pertenece a la clase de oxidorreductasas); el segundo dígito indica el tipo de reacción que se cataliza (en este ejemplo, el grupo hidroxilo está oxidado); el tercer dígito significa la presencia de una coenzima (en este caso, la coenzima NAD+), el último dígito es el número de serie de la enzima en este subgrupo.
3. Características de las principales clases de enzimas con ejemplos de las reacciones que catalizan.
1. Oxidorreductasas catalizar diversas reacciones redox. La clase se divide en subclases:
A) deshidrogenasas catalizar reacciones de deshidrogenación (eliminación de hidrógeno con transferencia de electrones del sustrato deshidrogenado a otro aceptor). Como aceptores de electrones se utilizan las coenzimas NAD+, NADP+, FAD, FMN. Esta subclase incluye las enzimas malato deshidrogenasa (fig. 2.5), isocitrato deshidrogenasa, succinato deshidrogenasa, α-cetobutirato deshidrogenasa, etc.;
Arroz. 2.5. Reacción de deshidrogenación de malato
b) oxidasas- catalizar reacciones de oxidación con la participación de oxígeno molecular (Fig. 2.6);
Arroz. 2.6. Reacción catalizada por la enzima citocromo oxidasa.
V) oxigenasas(hidroxilasas) catalizan reacciones de oxidación incorporando un átomo de oxígeno en el grupo hidroxilo de la molécula del sustrato. La reacción se produce con la participación de oxígeno molecular, uno de los cuales está unido al sustrato y el segundo participa en la formación de una molécula de agua (fig. 2.7).
Arroz. 2.7. Reacción de hidroxilación de fenilalanina.
Coenzimas de reacción: tetrahidrobiopterina (H 4 BP) y dihidrobiopterina (H 2 BP)
2. transferasas- catalizar reacciones de transferencia de grupos funcionales. Según el grupo transferido, se dividen en subclases: aminotransferasas (fig. 2.8), aciltransferasas, metiltransferasas, glicosiltransferasas, quinasas (fosfotransferasas) (fig. 2.9).
Arroz. 2.8. Reacción catalizada por la enzima ALT (alanina-a-cetoglutarato aminotransferasa), que pertenece a la clase de las transferasas, una subclase de las aminotransferasas.
PF - coenzima piridoxal fosfato
Arroz. 2.9. Reacción catalizada por la enzima proteína quinasa, que pertenece a la clase de las transferasas, una subclase de las fosfotransferasas.
El ATP es el donante del residuo de ácido fosfórico.
3. Hidrolasas catalizar reacciones de hidrólisis (escisión de un enlace covalente con la adición de una molécula de agua en el sitio de la ruptura). Se dividen en subclases según el sustrato. Los nombres se forman dependiendo de la molécula del sustrato o del enlace químico específico que se hidroliza: proteasa, amilasa, glicosidasa, nucleasa, esterasa, fosfatasa, etc. En la figura se muestra un ejemplo de un esquema de reacción para la hidrólisis de una molécula de proteína. 2.10.
Arroz. 2.10. Reacción de hidrólisis de moléculas de proteínas.
4. Liasas- las liasas incluyen enzimas que escinden ciertos grupos de sustratos de forma no hidrolítica, como CO 2, H 2 O, NH 2 SH 2, etc., o se unen (por ejemplo, una molécula de agua) mediante un doble enlace. La reacción de descarboxilación (eliminación de una molécula de CO 2) se muestra en la Fig. 2.11, y la reacción de agregar una molécula de agua (reacción de hidratasa) se encuentra en la Fig. 2.12.
Arroz. 2.11. Reacción de descarboxilación (eliminación de una molécula de CO 2)
Fosfato de piridoxal coenzima PF
Arroz. 2.12. La reacción de agregar una molécula de agua al fumarato.
5. isomerasas catalizar diversas transformaciones intramoleculares (fig. 2.13).
Arroz. 2.13. Reacción catalizada por la enzima fosfoglucoisomerasa.
6. Ligasas(sintetasas) catalizan reacciones que complican una molécula al unir dos moléculas entre sí para formar un enlace covalente; en este caso, se utiliza la energía del ATP u otros compuestos de alta energía (figura 2.14).
Arroz. 2.14. Reacción catalizada por la enzima glutamina sintetasa.
TEMA 2.6. FUNDAMENTOS DE LA CINÉTICA ENZIMATIVA
CATÁLISIS
1. La cinética de reacciones enzimáticas es una rama de la enzimología que estudia la dependencia de la velocidad de las reacciones químicas catalizadas por enzimas de la naturaleza química de las sustancias que reaccionan y los factores ambientales.
Para medir la actividad catalítica de las enzimas se utilizan indicadores como la velocidad de reacción o la actividad enzimática. Velocidad de reacción enzimática determinado por una disminución en el número de moléculas de sustrato o un aumento en el número de moléculas de producto por unidad de tiempo. La velocidad de una reacción enzimática es una medida de la actividad catalítica de la enzima y se denota como actividad enzimática.
En la práctica, se utilizan valores convencionales para caracterizar la actividad de la enzima: 1 unidad internacional de actividad (UI) corresponde a la cantidad de enzima que cataliza la conversión de 1 µmol de sustrato en 1 minuto en condiciones óptimas (temperatura 37° C, valor de pH óptimo de la solución) para la reacción enzimática
reacciones. Estas unidades de actividad se utilizan en la práctica médica y farmacéutica para evaluar la actividad enzimática:
Para estimar el número de moléculas de enzima entre otras proteínas de un tejido determinado, determine la actividad específica (Sp.A.) de la enzima, numéricamente igual a la cantidad de sustrato convertido (en µmol) por unidad de tiempo de un miligramo (mg). de proteína (enzima aislada del tejido):
El grado de purificación de una enzima se juzga por la actividad específica: cuantas menos proteínas extrañas, mayor es la actividad específica.
2. La cinética de las reacciones enzimáticas se estudia en condiciones óptimas para la reacción enzimática. Las condiciones óptimas son individuales para cada enzima y están determinadas principalmente por la temperatura a la que se lleva a cabo la reacción y el valor del pH de la solución.
Aumento de temperatura Hasta ciertos límites, influye en la velocidad de una reacción enzimática de la misma manera que la temperatura influye en cualquier reacción química: al aumentar la temperatura, aumenta la velocidad de la reacción enzimática. Sin embargo, la velocidad de una reacción química enzimática tiene su propia temperatura óptima, cuyo exceso se acompaña de una disminución de la actividad enzimática, que se asocia con la desnaturalización térmica de la molécula de proteína (fig. 2.15). Para la mayoría de las enzimas humanas, la temperatura óptima es de 37 a 38 °C.
Arroz. 2.15. Dependencia de la velocidad de reacción enzimática (V) de la temperatura.
La actividad enzimática depende del pH. Solución en la que se produce una reacción enzimática. El efecto del pH sobre la actividad enzimática se debe a cambios en la ionización de grupos funcionales de residuos de aminoácidos de una proteína y un sustrato determinados, que aseguran la formación óptima del complejo enzima-sustrato. Para cada enzima existe un valor de pH en el que se observa su máxima actividad (fig. 2.16).
Arroz. 2.16. Dependencia de la velocidad de reacción enzimática (V) del pH del medio.
3. Las características cinéticas de una reacción enzimática dependen de la concentración de los reactivos. Si la concentración de la enzima se deja constante, cambiando solo la cantidad de sustrato, entonces la gráfica de la velocidad de la reacción enzimática se describe mediante una hipérbola (figura 2.17). A medida que aumenta la cantidad de sustrato, aumenta la velocidad de reacción inicial. Cuando la enzima se satura completamente con sustrato, es decir. la máxima formación posible de complejos enzima-sustrato ocurre a una concentración de enzima dada y se observa la tasa más alta de formación de producto. Un aumento adicional de la concentración de sustrato no conduce a un aumento de la cantidad de producto formado, es decir, la velocidad de reacción no aumenta. Este estado corresponde a la velocidad máxima de reacción. Vmáx
El valor V max caracteriza la actividad catalítica de la enzima y determina la posibilidad máxima de formación de producto a una determinada concentración de enzima y en condiciones de exceso de sustrato; Vmax es un valor constante para una concentración de enzima determinada.
Arroz. 2.17. Dependencia de la velocidad de reacción (V) de la concentración del sustrato S:
Vmax es la velocidad de reacción máxima a una concentración de enzima determinada en condiciones óptimas de reacción; K·m - Constante de Michaelis
4. La principal característica cinética de la eficiencia enzimática es Constante de Michaelis - Km. La constante de Michaelis es numéricamente igual a la concentración de sustrato a la que se alcanza la mitad de la velocidad máxima. K m caracteriza la afinidad de una enzima determinada por un sustrato determinado y es un valor constante. Cuanto menor es la Km, mayor es la afinidad de la enzima por un sustrato determinado, mayor es la velocidad de reacción inicial, y viceversa, cuanto mayor es la Km, menor es la afinidad de la enzima por el sustrato y menor es la velocidad de reacción inicial.
1. Copia la tabla en tu cuaderno. 2.2. Utilice su libro de texto y literatura adicional para completar la tabla. Sacar una conclusión sobre la necesidad de una dieta variada para la salud humana.
2. Copia la tabla en tu cuaderno. 2.3 y complételo. Usando tu libro de texto, escribe una reacción que involucre cada coenzima.
3. Transfiera el gráfico de actividad enzimática a su cuaderno (Fig. 2.18). Defina e indique la Vmax de estas reacciones. Especifique K en el primero y segundo
caso. ¿Cuál es el significado bioquímico de la constante K?
Tabla 2.2. Características de las principales vitaminas hidrosolubles precursoras de las coenzimas
Tabla 2.3. Coenzimas básicas
Arroz. 2.18. Dependencia de la velocidad de las reacciones enzimáticas de la concentración del sustrato.
TAREAS DE AUTOCONTROL
1. Elige las respuestas correctas. Enzimas:
A. ¿Son proteínas
B. Reducir la velocidad de las reacciones enzimáticas.
B. Tienen especificidad de acción D. Son proteínas simples E. Son capaces de regulación
2. Elige las respuestas correctas. Constante de Michaelis (Km):
A. Es una característica de la especificidad de sustrato de la enzima B. Numéricamente igual a la concentración de sustrato a la que se observa la mitad de la Vmax
B. Caracteriza la afinidad de la enzima por el sustrato.
D. Caracteriza la saturación del centro activo de la enzima con el sustrato D. Es una característica cinética de la enzima.
3. Elige las respuestas correctas. La coenzima PF funciona con enzimas de las siguientes clases:
A. Oxidorreductasa B. Transferasa
B. Hidrolasa G. Liaz D. Isomerasas
4. Fósforo. Tipo de reacción en la que interviene la coenzima:
A. Carboxilación B. Oxidación-reducción
B. Transaminación D. Acilación E. Acetilación
Coenzima:
2. Fosfato de piridoxal
5. Fósforo. La enzima cataliza:
A. Sólo reacciones irreversibles
B. Reacciones del mismo tipo con un pequeño número (grupo) de sustratos estructuralmente similares
B. Conversión de sólo uno de los estereoisómeros existentes del sustrato.
D. Reacciones en presencia de coenzimas E. Conversión de un solo sustrato Especificidad del sustrato:
1. Absoluto
2. grupo
3. Estereoespecificidad
6. Complete la tarea "cadena":
A) Las reacciones redox son catalizadas por enzimas de la clase.
A. Transferasas
B. Oxidorreductasas
b) Las enzimas que pertenecen a una subclase de esta clase llevan a cabo reacciones.
abstracción de átomos de hidrógeno del sustrato:
A. Oxidasas
B. Hidroxilasas
B. Deshidrogenasas
V) La coenzima de estas enzimas es:
B. Coenzima A
GRAMO) La coenzima se basa en la vitamina:
A. Ácido nicotínico B. Biotina
B. Vitamina B2
d) Una deficiencia de esta vitamina provoca las siguientes enfermedades:
B. Pelagra
B. Anemia macrocítica
7. Fósforo. Clase de enzima:
A. Oxidorreductasa B. Hidrolasa
B. Ligaza G. Liase
D. transferasa
Enzima:
1. Succinato deshidrogenasa
2. Piruvato carboxilasa.
3. ADNasa.
8. Completa las frases con las palabras que faltan:
actividad. Una coenzima unida a una apoenzima mediante fuertes enlaces covalentes se llama .................
4.1-A; 2-B; 3-B
5. 1-D; 2-B; 3-B
6. a) B; b) B; c) B; d) A; mi) B
7.1-A; 2-B; 3-B
8. Holoenzima, apoenzima, coenzima, grupo protésico
TÉRMINOS Y CONCEPTOS BÁSICOS
1. Enzimología
2. Catálisis enzimática
3. Complejo enzima-sustrato
4. Cinética de la catálisis enzimática.
5. sustrato
6. Sitio activo de la enzima
7. Velocidad máxima de reacción - V máx.
8. Constante de Michaelis - K·m
9. Unidades de actividad enzimática
10. Clases de enzimas
11. Especificidad enzimática
12. Cofactores enzimáticos
13. Actividad específica de la enzima.
14. Apoenzima
15. Holoenzima
Resolver problemas
1. Actualmente, en los laboratorios bioquímicos se utilizan analizadores bioquímicos automáticos para determinar la actividad de las enzimas en los fluidos biológicos humanos. Ayude al técnico de laboratorio a comprender los reactivos que se utilizarán para determinar la actividad de lactato deshidrogenasa (LDH) y calcular la actividad de LDH en dos pacientes. Para esto:
a) escribir la reacción catalizada por LDH;
b) indicar el sustrato, coenzima, vitamina precursora, fuente de la enzima;
c) enumerar las condiciones de reacción (temperatura, tiempo);
d) explicar mediante qué parámetro se puede evaluar la velocidad de una reacción enzimática;
f) calcular la actividad de LDH en sangre de los pacientes en unidades de UI/l. Sacar una conclusión: ¿qué paciente es más activo?
Tabla 2.4. Datos para determinar la actividad de LDH.
2. Los humanos son organismos vivos homeotérmicos (la temperatura se mantiene a un nivel constante). En medicina, en algunos casos se utilizan temperaturas extremas para el tratamiento. En particular, las condiciones de hipotermia se utilizan para operaciones prolongadas, especialmente en el cerebro y el corazón; las condiciones de hipertermia se utilizan con el fin de coagular los tejidos. Explique la validez de estos enfoques desde el punto de vista de un enzimólogo. Contestar:
a) indicar qué temperatura es óptima para la mayoría de las enzimas humanas;
b) dibujar una gráfica de la dependencia de la velocidad de las reacciones enzimáticas con la temperatura;
c) explicar la necesidad de intervenciones quirúrgicas a largo plazo en condiciones de hipotermia;
d) describir en qué se basa el método de coagulación térmica del tejido;
e) indicar las consecuencias de la exposición a temperaturas críticas para los seres humanos.
3. Un paciente de 35 años acudió a la clínica con quejas de procesos inflamatorios en la mucosa oral, fatiga muscular y conjuntivitis. La paciente siguió una dieta monótona durante mucho tiempo, excluyendo de su dieta alimentos como hígado, centeno, leche y levadura. El médico le diagnosticó hipovitaminosis B2. Explique las razones de los síntomas observados. Para esto:
a) nombrar las coenzimas formadas a partir de la vitamina B2;
b) indicar en qué reacciones están involucradas estas coenzimas;
c) escribir las partes funcionales de la fórmula de las formas oxidada y reducida de las coenzimas;
d) dar ejemplos de reacciones que involucran estas coenzimas (use materiales de libros de texto).
4. La enzima fosfatasa ácida hidroliza los ésteres de ácido fosfórico. Esta enzima se forma en las células del hígado, el bazo y la próstata; está contenido en glóbulos rojos, plaquetas, macrófagos y osteoclastos. Esta enzima también está contenida en el acrosoma de los espermatozoides y, durante la fecundación, descompone los fosfolípidos del plasmalema del ovocito. La mayor actividad enzimática de la fosfatasa ácida se produce a valores de pH ácidos (4,7-6,0). Dibuje una gráfica de la velocidad de reacción versus el pH y explique por qué la actividad de la fosfatasa ácida cambia con los cambios de pH. Proporcione un diagrama de la reacción. Determinar la clase de enzima y su especificidad.
5. Al estudiar la velocidad de reacción de conversión de dipéptidos bajo la acción de la peptidasa del intestino delgado, se obtuvieron los siguientes resultados: la actividad enzimática máxima es de 40 µmol/min/mg, Km 0,01. ¿A qué concentración de sustrato la velocidad de reacción es igual a 10 µmol/min/mg? Usando datos de tareas:
a) escribir un esquema de reacción, determinar la clase de enzima y el enlace que destruye en el sustrato;
b) dibujar una gráfica de la velocidad de reacción dependiendo de la concentración del sustrato y responder la pregunta del problema;
c) dar la definición de Ksh, indicar la relación entre el valor de Ksh y la afinidad de la enzima por el sustrato.
6. El estudiante determinó la actividad específica de la enzima lisozima aislada de la clara de huevo de gallina. La lisozima hidroliza las glicoproteínas de la pared celular bacteriana. El estudiante incubó una mezcla de reacción que contenía un sustrato, una enzima y un tampón que proporcionaba un valor de pH óptimo de 5,2 y descubrió que bajo la influencia de 1 mg de lisozima, solo se formaban 12 µmol de producto en 15 minutos. Habiendo realizado el cálculo y averiguando el motivo.
baja actividad específica de la enzima, recordó que no encendió el termostato y por lo tanto incubó las muestras a temperatura ambiente, y la t de la enzima fue de 37°C. Repitiendo el experimento en condiciones óptimas, descubrió que en 15 minutos se formaban 45 µmol de producto por la acción de 1 mg de lisozima. Calcule la actividad específica de la enzima en ambos casos y explique el mecanismo del efecto de la temperatura sobre la velocidad de la reacción enzimática.
7. La actividad de muchas enzimas en la célula está regulada por otras enzimas: la proteína quinasa y la fosfoproteína fosfatasa. Indique las características de estas reacciones; escriba las reacciones catalizadas por estas enzimas, indique a qué clase de enzimas pertenecen. Tenga en cuenta la especificidad del sustrato.
Unidad modular 2 REGULACIÓN DE LA ACTIVIDAD ENZIMÁTICA. ASPECTOS MÉDICOS DE LA ENZIMOLOGÍA
Objetivos de aprendizaje Ser capaz de:
1. Interpretar los resultados de la influencia de los inhibidores (fármacos, venenos) sobre las reacciones enzimáticas del organismo.
2. Explique la importancia de la regulación de la actividad enzimática para influir en la velocidad de una vía metabólica.
3. Explique los conceptos básicos del uso de enzimas como medicamentos.
4. Aplicar los conocimientos sobre las propiedades de las enzimas y la composición enzimática de los órganos en condiciones normales y en diversos trastornos metabólicos.
5. Interpretar los resultados de la determinación de la actividad enzimática en el diagnóstico de enfermedades.
Saber:
1. Clasificación de los inhibidores enzimáticos según su mecanismo de acción.
2. Ejemplos de fármacos: inhibidores de enzimas.
3. Mecanismos básicos de regulación de la actividad enzimática en el organismo.
4. Principios de regulación de las vías metabólicas y papel de las enzimas en la regulación del metabolismo.
5. Conceptos básicos del uso de enzimas para el diagnóstico y tratamiento de enfermedades.
TEMA 2.7. INHIBIDORES DE LA ACTIVIDAD ENZIMÁTICA
1. bajo el término "inhibición actividad enzimática" se refiere a una disminución específica en la actividad catalítica causada por ciertos químicos - inhibidores.
Los inhibidores son de gran interés para dilucidar los mecanismos de catálisis enzimática y ayudar a establecer el papel de las reacciones enzimáticas individuales en las vías metabólicas del cuerpo. La acción de muchas drogas y venenos se basa en el principio de inhibición de la actividad enzimática.
2. Los inhibidores pueden unirse a enzimas con distintos grados de fuerza. En base a esto distinguen reversible Y inhibición irreversible. Inhibidores reversibles se unen a la enzima con enlaces no covalentes débiles y, bajo ciertas condiciones, se separan fácilmente de la enzima:
E+I↔ EI.
Inhibición irreversible observado en el caso de la formación de enlaces estables covalentes entre la molécula inhibidora y la enzima:
E+I→ E-I.
3. Según el mecanismo de acción, los inhibidores reversibles se dividen en competitivo Y no competitivo.
La inhibición competitiva provoca una disminución reversible en la velocidad de la reacción enzimática como resultado de la unión del inhibidor al sitio activo de la enzima, lo que previene la formación del complejo enzima-sustrato. Este tipo de inhibición ocurre cuando el inhibidor es análogo estructural del sustrato; Como resultado, se produce una competencia entre el sustrato y las moléculas inhibidoras por la unión al centro activo de la enzima. En este caso, el sustrato o el inhibidor interactúan con la enzima, formando complejos enzima-sustrato (ES) o enzima-inhibidor (EI). Cuando se forma un complejo enzima-inhibidor (EI), no se forma ningún producto de reacción (fig. 2.19).
Arroz. 2.19. Esquema de inhibición competitiva de la actividad enzimática.
Para el tipo de inhibición competitiva son válidas las siguientes ecuaciones:
E+S↔ES →E+P; E+I↔ E.I.
Una característica distintiva de la inhibición competitiva es la posibilidad de que se debilite al aumentar la concentración del sustrato, ya que un inhibidor reversible no cambia la estructura de la enzima. Por lo tanto, a altas concentraciones de sustrato, la velocidad de reacción no difiere de la que se produce en ausencia de un inhibidor, es decir, un inhibidor competitivo no cambia la Vmax, pero aumenta el Km.
Un ejemplo clásico de inhibición competitiva es la inhibición de la reacción de la succinato deshidrogenasa por el ácido malónico (fig. 2.20). El malonato es un análogo estructural del succinato (presencia de dos grupos carboxilo) y también puede interactuar con el sitio activo de la succinato deshidrogenasa. Sin embargo, la transferencia de dos átomos de hidrógeno al grupo protésico FAD desde el ácido malónico no es posible y, por tanto, la velocidad de reacción se reduce.
Arroz. 2.20. Un ejemplo de inhibición competitiva de la succinato deshidrogenasa por el ácido malónico:
A - el succinato se une al centro activo de la enzima succinato deshidrogenasa debido a enlaces iónicos; B - durante la reacción enzimática, se eliminan dos átomos de hidrógeno del succinato y se añaden a la coenzima FAD. Como resultado, se forma fumarato, que se elimina del sitio activo de la succinato deshidrogenasa; B - el malonato es un análogo estructural del succinato; también se une al sitio activo de la succinato deshidrogenasa, pero la reacción química no ocurre
4. Muchas drogas ejercen su efecto terapéutico a través del mecanismo de inhibición competitiva. Por ejemplo, la reacción de hidrólisis de acetilcolina a colina y ácido acético es catalizada por la enzima acetilcolinesterasa (AChE) (fig. 2.21) y puede inhibirse en presencia de inhibidores competitivos de esta enzima (p. ej. proserina, endrofonio etc.) (Figura 2.22). Cuando se agregan tales inhibidores, la actividad de la acetilcolinesterasa disminuye, la concentración de acetilcolina (sustrato) aumenta, lo que se acompaña de un aumento en la conducción de los impulsos nerviosos. Los inhibidores competitivos de la acetilcolina esterasa se utilizan en el tratamiento de distrofias musculares, así como para el tratamiento de trastornos del movimiento después de lesiones, parálisis y poliomielitis.
Arroz. 2.21. La reacción de hidrólisis de acetilcolina bajo la influencia de AChE.
Arroz. 2.22. Unión de inhibidores competitivos en el sitio activo de AChE
A - adición de un sustrato (acetilcolina) al centro activo de la enzima.
La flecha indica el sitio de hidrólisis de acetilcolina; B - adición del inhibidor competitivo proserina al centro activo de la enzima. No hay reacción; B - unión del inhibidor competitivo endrofonio al centro activo de la enzima. La unión de inhibidores al sitio activo de AChE impide la unión de acetilcolina.
Otro ejemplo de fármacos cuyo mecanismo de acción se basa en la inhibición competitiva de la enzima es el uso de inhibidores peptídicos de la enzima proteolítica tripsina para enfermedades del páncreas (pancreatitis aguda, necrosis), como aprotinina, trasylol, contrical. Estos medicamentos inhiben la tripsina, que se libera en los tejidos circundantes y en la sangre, y así previenen eventos autolíticos no deseados en las enfermedades pancreáticas.
5. En algunos casos, se pueden utilizar inhibidores competitivos que interactúan con el centro activo de la enzima. pseudosustratos(antimetabolitos), lo que conduce a la síntesis de un producto con una estructura incorrecta. Las sustancias resultantes no tienen la estructura “deseada” y por tanto carecen de actividad funcional. Estos medicamentos incluyen sulfonamidas.
6. No competitivo Reversible es la inhibición de una reacción enzimática en la que el inhibidor interactúa con la enzima en un sitio distinto del sitio activo. Los inhibidores no competitivos no son análogos estructurales del sustrato; la adición de un inhibidor no competitivo a la enzima cambia la conformación del centro activo y reduce la velocidad de la reacción enzimática, es decir, reduce la actividad enzimática. Un ejemplo de inhibidor no competitivo puede ser la acción de iones de metales pesados, que interactúan con los grupos funcionales de la molécula de enzima, interfiriendo con la catálisis.
7. Inhibidores irreversibles reducir la actividad enzimática como resultado de la formación de enlaces covalentes con la molécula de enzima. Muy a menudo, el centro activo de la enzima sufre modificaciones. Como resultado, la enzima no puede realizar su función catalítica.
El uso de inhibidores irreversibles es de mayor interés para dilucidar el mecanismo de acción de las enzimas. Los compuestos que bloquean ciertos grupos del centro activo proporcionan información importante sobre la estructura del centro activo de una enzima. Estos inhibidores se denominan específico. Los inhibidores específicos incluyen fluorofosfato de diisopropilo (DFP). El DPP forma un enlace covalente con el grupo OH de la serina, que está contenido en el centro activo de la enzima y participa directamente en la catálisis, por lo que el DPP se clasifica como un inhibidor irreversible específico de las enzimas "serina" (fig. 2.23). El DPP se utiliza para estudiar la estructura del sitio activo de las enzimas en enzimología.
A diferencia de los inhibidores específicos no específico Los inhibidores forman enlaces covalentes con ciertos grupos de enzimas ubicados no solo en el centro activo, sino también en cualquier parte de la molécula de enzima. Por ejemplo, el acetato de yodo (fig. 2.24) interactúa con cualquier grupo SH de la proteína. Esta interacción cambia la conformación de la molécula de enzima y, en consecuencia, la conformación del centro activo y reduce la actividad catalítica.
Arroz. 2.23. Inhibición específica de la actividad de la quimotripsina mediante DPP.
Arroz. 2.24. Inhibición inespecífica de la actividad enzimática por el acetato de yodo.
La inhibición inespecífica se produce debido a la modificación covalente de los grupos SH de cisteína por moléculas de acetato de yodo.
8. Un ejemplo de fármaco cuya acción está asociada con una inhibición enzimática irreversible es la aspirina, ampliamente utilizada. La acción de este fármaco antiinflamatorio no esteroideo se basa en la inhibición de la enzima ciclooxigenasa, que cataliza la formación de prostaglandinas a partir del ácido araquidónico. Como resultado, el residuo acetilo de la aspirina se agrega al grupo OH terminal libre de la serina de una de las subunidades de la ciclooxigenasa (fig. 2.25). Esto bloquea la formación de prostaglandinas (ver módulo 8), que tienen una amplia gama de funciones biológicas, incluidos los mediadores de la inflamación. Por tanto, la aspirina se clasifica como un fármaco antiinflamatorio. Las moléculas de enzimas inhibidas se destruyen y la síntesis de prostaglandinas se restablece solo después de la síntesis de nuevas moléculas de enzimas.
Arroz. 2.25. El mecanismo de inactivación de la ciclooxigenasa utilizando un inhibidor irreversible: la aspirina.
TEMA 2.8. REGULACIÓN DE LA ACTIVIDAD ENZIMÁTICA
1. Todas las reacciones químicas en una célula ocurren con la participación de enzimas. Por tanto, para influir en la velocidad de la vía metabólica (la transformación secuencial de una sustancia en otra), basta con regular el número de moléculas de enzima o su actividad. Generalmente en las vías metabólicas hay enzimas clave por lo que se regula la velocidad de todo el camino. Estas enzimas (una o más en una vía metabólica) se llaman enzimas reguladoras. La regulación de la velocidad de las reacciones enzimáticas se lleva a cabo en tres niveles independientes: cambiando el número de moléculas de enzima, la disponibilidad de moléculas de sustrato y coenzima y cambiando la actividad catalítica de la molécula de enzima (Tabla 2.6).
Tabla 2.5. Métodos para regular la velocidad de reacciones enzimáticas.
Método de regulación | Característica |
Cambio en el número de moléculas de enzima. | La cantidad de moléculas de enzima en una célula está determinada por la proporción de dos procesos: síntesis y descomposición. El mecanismo de regulación de la síntesis de enzimas más estudiado se encuentra a nivel de transcripción (síntesis de ARNm), que está regulada por ciertos metabolitos, hormonas y varias moléculas biológicamente activas. |
Disponibilidad de sustrato y moléculas de coenzima. | Un parámetro importante que controla el curso de una reacción enzimática es la presencia de sustrato y coenzima. Cuanto mayor sea la concentración del sustrato inicial, mayor será la velocidad de reacción. |
Cambio en la actividad catalítica de una molécula de enzima. | Las principales formas de regular la actividad enzimática son: Regulación alostérica; Regulación por interacciones proteína-proteína; Regulación por fosforilación-desfosforilación de la molécula de enzima; Regulación por proteólisis parcial (limitada) |
Consideremos formas de regular la velocidad de las reacciones enzimáticas cambiando la actividad catalítica de la molécula de enzima.
2. Regulación alostérica. enzimas alostéricas llamado enzimas, actividad cual puede ser ajustado mediante el uso Sustancias efectoras. Los efectores implicados en la regulación alostérica son metabolitos celulares que a menudo participan en la misma vía que regulan.
El efector que causa reducción (inhibición) la actividad enzimática se llama inhibidor. El efector que causa aumentar (activación) la actividad enzimática se llama activador.
Las enzimas alostéricas tienen ciertas características estructurales:
Por lo general son proteínas oligoméricas, que consta de varios protómeros;
Tener centro alostérico, espacialmente distante del sitio activo catalítico;
Los efectores se unen a la enzima de forma no covalente en los centros alostéricos (reguladores).
Los centros alostéricos, al igual que los catalíticos, pueden presentar diferente especificidad con respecto a los ligandos: puede ser absoluto o grupal. Algunas enzimas tienen varios centros alostéricos, algunos de los cuales son específicos de activadores y otros de inhibidores.
El protómero en el que se encuentra el centro alostérico se llama protómero regulatorio A diferencia de protómero catalítico, que contiene un centro activo en el que tiene lugar una reacción química.
Las enzimas alostéricas tienen la propiedad cooperativismo: La interacción de un efector alostérico con un centro alostérico provoca un cambio cooperativo en la conformación de todas las subunidades, lo que lleva a un cambio en la conformación del centro activo y a un cambio en la afinidad de la enzima por el sustrato, lo que reduce o aumenta la actividad catalítica de la enzima. Si se une un inhibidor al centro alostérico, entonces, como resultado de cambios conformacionales cooperativos, se produce un cambio en la conformación del centro activo, lo que provoca una disminución en la afinidad de la enzima por el sustrato y, en consecuencia, una disminución en la velocidad de la reacción enzimática. Por el contrario, si se une un activador al centro alostérico, entonces aumenta la afinidad de la enzima por el sustrato, lo que provoca un aumento en la velocidad de reacción. La secuencia de eventos bajo la acción de los efectores alostéricos se presenta en la Fig. 2.26.
Regulación de las enzimas alostéricas. reversible: La separación del efector de la subunidad reguladora restablece la actividad catalítica original de la enzima.
enzimas alostéricas catalizar reacciones clave de esta vía metabólica.
Las enzimas alostéricas desempeñan un papel importante en diversas vías metabólicas, ya que responden muy rápidamente a los más mínimos cambios en la composición interna de la célula. La velocidad de los procesos metabólicos depende de la concentración de sustancias, tanto utilizadas como formadas en una determinada cadena de reacciones. Los precursores pueden ser activadores de enzimas alostéricas en la vía metabólica. Al mismo tiempo, cuando se acumula el producto final de cualquier vía metabólica, puede actuar como un inhibidor alostérico de la enzima. Este método de regulación es común en el cuerpo y se llama “retroalimentación negativa”:
Arroz. 2.26. Esquema de la estructura y funcionamiento de una enzima alostérica:
A - la acción de un efector negativo (inhibidor). El inhibidor (I) se adhiere al centro alostérico, lo que provoca cambios conformacionales cooperativos en la molécula de enzima, incluido el centro activo de la enzima. La afinidad de la enzima por el sustrato disminuye y, como resultado, la velocidad de la reacción enzimática disminuye; B - acción de un efector positivo (activador). El activador (A) se une al centro alostérico, lo que provoca cambios conformacionales cooperativos. La afinidad de la enzima por el sustrato aumenta y aumenta la velocidad de la reacción enzimática. Se ha demostrado el efecto reversible tanto del inhibidor como del activador sobre la actividad enzimática.
Consideremos la regulación alostérica del proceso de catabolismo de la glucosa, que finaliza con la formación de una molécula de ATP (fig. 2.27). En el caso de que no se consuman las moléculas de ATP en la célula, se trata de un inhibidor de las enzimas alostéricas de esta vía metabólica: la fosfofructoquinasa y la piruvato quinasa. Al mismo tiempo, el metabolito intermedio del catabolismo de la glucosa, la fructosa-1,6-bifosfato, es un activador alostérico de la enzima piruvato quinasa. La inhibición por el producto final de la vía metabólica y la activación por los metabolitos iniciales permite
Arroz. 2.27. Regulación alostérica del proceso de catabolismo de la glucosa.
La molécula de ATP es un inhibidor alostérico de las enzimas de la vía metabólica: la fosfofructoquinasa y la piruvato quinasa. La molécula de fructosa-1,6-bifosfato es un activador alostérico de la enzima piruvato quinasa.
Regular la velocidad de la vía metabólica. Las enzimas alostéricas catalizan, por regla general, las reacciones iniciales de una vía metabólica, reacciones irreversibles, reacciones limitantes de la velocidad (las más lentas) o reacciones en el punto de ramificación de una vía metabólica.
3. Regulación por interacciones proteína-proteína. Algunas enzimas cambian su actividad como resultado de interacciones proteína-proteína. Se pueden distinguir al menos dos mecanismos para cambiar la actividad enzimática de esta manera: activación de enzimas como resultado de la adición de proteínas activadoras (activación de la enzima adenilato ciclasa por la subunidad α de la proteína G, ver módulo 4) y cambios en actividad catalítica como resultado de la asociación y disociación de protómeros.
Como ejemplo de regulación de la actividad catalítica de enzimas por asociación o disociación de protómeros, podemos considerar la regulación de la enzima proteína quinasa A.
Proteína quinasa A(dependiente de AMPc) consta de cuatro subunidades de dos tipos: dos reguladoras (R) y dos catalíticas (C). Este tetrámero no tiene actividad catalítica. Las subunidades reguladoras tienen sitios de unión para el 3",5"-AMP cíclico (cAMP) (dos para cada subunidad). La unión de cuatro moléculas de AMPc a dos subunidades reguladoras conduce a un cambio en la conformación de los protómeros reguladores y a la disociación del complejo tetramérico; esto libera dos subunidades catalíticas activas (fig. 2.28). La proteína quinasa A activa cataliza la transferencia de un residuo de ácido fosfórico del ATP a grupos OH específicos de residuos de aminoácidos de proteínas (es decir, provoca la fosforilación de proteínas).
Arroz. 2.28. Regulación de la actividad de la proteína quinasa A (PKA) mediante interacciones proteína-proteína.
La PKA es activada por cuatro moléculas de AMPc, que se unen a dos subunidades reguladoras, lo que provoca un cambio en la conformación de los protómeros reguladores y la disociación del complejo tetramérico. Esto libera dos subunidades catalíticas activas que pueden causar la fosforilación de proteínas.
La escisión de las moléculas de AMPc de las subunidades reguladoras conduce a la asociación de las subunidades reguladoras y catalíticas de la proten quinasa A con la formación de un complejo inactivo.
4. Regulación de la actividad catalítica de enzimas mediante fosforilación-desfosforilación. En los sistemas biológicos, a menudo se encuentra un mecanismo para regular la actividad de las enzimas mediante su modificación covalente. Un método rápido y generalizado de modificación química de enzimas es su fosforilación-desfosforilación.
Los grupos OH de la enzima sufren una fosforilación, que se lleva a cabo mediante enzimas. proteína quinasas(fosforilación) y fosfoproteína fosfatasas(desfosforilación). La adición de un residuo de ácido fosfórico provoca un cambio en la conformación del centro activo y su actividad catalítica. En este caso, el resultado puede ser doble: algunas enzimas se activan durante la fosforilación, mientras que otras, por el contrario, se vuelven menos activas (fig. 2.29). La actividad de las proteínas quinasas y las fosfoproteínas fosfatasas está regulada por hormonas, lo que permite que la actividad de enzimas clave en las vías metabólicas varíe rápidamente dependiendo de las condiciones ambientales.
Arroz. 2.29. Esquema de regulación de la actividad enzimática por fosforilación-desfosforilación.
La fosforilación de enzimas se produce con la ayuda de la enzima proteína quinasa. El donante del residuo de ácido fosfórico es la molécula de ATP. La fosforilación de una enzima cambia su conformación y la conformación del sitio activo, lo que cambia la afinidad de la enzima por el sustrato. En este caso, algunas enzimas se activan durante la fosforilación, mientras que otras se inhiben. El proceso inverso, la desfosforilación, es causado por las enzimas fosfoproteínas fosfatasas, que separan el residuo de ácido fosfórico de la enzima y la devuelven a su estado original.
5. Regulación de la actividad catalítica de enzimas mediante proteólisis parcial (limitada). Algunas enzimas que funcionan fuera de las células (en el tracto gastrointestinal o en el plasma sanguíneo) se sintetizan como precursores inactivos y se activan solo como resultado de la hidrólisis de uno o más enlaces peptídicos específicos, lo que conduce a la eliminación de parte de la molécula. En la parte restante de la molécula de proteína se produce un reordenamiento conformacional y se forma el centro activo de la enzima (fig. 2.30). La proteólisis parcial es un ejemplo de regulación cuando se cambia la actividad de una enzima.
Arroz. 2.30. Activación de pepsina por proteólisis parcial.
Como resultado de la hidrólisis de uno o más enlaces peptídicos del pepsinógeno (una molécula inactiva), parte de la molécula se escinde y se forma el centro activo de la enzima pepsina.
irreversible. Estas enzimas suelen funcionar durante un breve período de tiempo, determinado por la vida útil de la molécula de proteína. La proteólisis parcial subyace a la activación de enzimas proteolíticas digestivas (pepsina, tripsina, quimotripsina, elastasa), hormonas peptídicas (insulina), proteínas del sistema de coagulación sanguínea y varias otras proteínas.
TEMA 2.9. APLICACIÓN DE ENZIMAS EN MEDICINA
1. Las enzimas se utilizan ampliamente en la práctica médica como diagnóstico. (diagnóstico enzimático) y terapéutico (terapia enzimática) fondos. Las enzimas también se utilizan como reactivos específicos
para determinar una serie de metabolitos. Por ejemplo, la enzima glucosa oxidasa se utiliza para la determinación cuantitativa de glucosa en orina y sangre; la enzima ureasa se utiliza para evaluar el contenido de urea en fluidos biológicos; utilizando diversas deshidrogenasas se detecta la presencia de sustratos apropiados, por ejemplo piruvato, lactato, alcohol etílico, etc.
2. Diagnóstico enzimático Consiste en diagnosticar una enfermedad (o síndrome) basándose en la determinación de la actividad de enzimas en fluidos biológicos humanos.
Los principios del diagnóstico enzimático se basan en los siguientes principios:
Normalmente, el suero sanguíneo contiene enzimas que realizan funciones especializadas, por ejemplo, las implicadas en el sistema de coagulación sanguínea. Las enzimas celulares prácticamente no penetran desde las células intactas a la sangre. En cantidades mínimas, se pueden detectar algunas enzimas celulares en la sangre;
En daño membranas celulares (inflamación, necrosis) en la sangre u otros fluidos biológicos (por ejemplo, orina), aumenta la cantidad de enzimas intracelulares de las células dañadas, cuya actividad puede registrarse mediante pruebas bioquímicas especiales;
Para el diagnóstico enzimático se utilizan enzimas que tienen una localización predominante o absoluta en determinados órganos. (especificidad de órgano);
La cantidad de enzima liberada debe ser proporcional al grado de daño tisular y suficiente para determinar su actividad;
La actividad de las enzimas en los fluidos biológicos detectadas cuando las células están dañadas difiere de los valores normales y es estable durante bastante tiempo (días);
La aparición en el plasma sanguíneo de enzimas que tienen únicamente localización citosólica indica un proceso inflamatorio; si se detectan enzimas mitocondriales o nucleares, podemos hablar de daño celular más profundo, como la necrosis.
Las enzimas que catalizan la misma reacción química pero con diferentes estructuras proteicas primarias se llaman isoenzimas. Se diferencian entre sí en los parámetros cinéticos, las condiciones de activación y las características de la conexión entre la apoenzima y la coenzima. La naturaleza de la aparición de las isoenzimas es variada, pero la mayoría de las veces se debe a diferencias en la estructura de los genes que codifican estas isoenzimas o sus subunidades. Los métodos para determinar las isoenzimas se basan en diferencias en las propiedades fisicoquímicas. Las isoenzimas son a menudo específico de órgano, ya que cada tejido contiene predominantemente un tipo de isoenzimas. En consecuencia, cuando un órgano resulta dañado, aparece en la sangre la forma correspondiente de la isoenzima. La detección de determinadas formas isoenzimáticas de enzimas permite su uso para el diagnóstico de enfermedades.
Por ejemplo, una enzima lactato deshidrogenasa (LDH) Cataliza la reacción de oxidación reversible del lactato (ácido láctico) a piruvato (ácido pirúvico) (fig. 2.31). La lactato deshidrogenasa es una proteína oligomérica con un mol. que pesa 134.000 y consta de cuatro subunidades de dos tipos: M (del inglés músculo - músculo) y H (del inglés corazón - corazón). La combinación de estas subunidades subyace a la formación de cinco isoformas de lactato deshidrogenasa (fig. 2.32, A). LDH 1 y LDH 2 son más activos en el músculo cardíaco y los riñones, LDH 4 y LDH 5, en los músculos esqueléticos y el hígado. Otros tejidos contienen otras variantes de esta enzima. Las isoformas de LDH se diferencian entre sí en la movilidad electroforética, lo que permite establecer la identidad tisular de las isoformas de LDH (fig. 2.32, B). Para diagnosticar enfermedades del corazón, el hígado y los músculos, es necesario estudiar las isoformas de LDH en el plasma sanguíneo mediante electroforesis. En la Fig. 2.32, B muestra electroferogramas
Arroz. 2.31. Reacción catalizada por la lactato deshidrogenasa (LDH)
Arroz. 2.32. Isoformas de lactato deshidrogenasa:
A - estructura de varias isoformas de LDH; B - distribuciones según el electroferograma y cantidades relativas de isoformas de LDH en varios órganos; B - contenido de isoformas de LDH en el plasma sanguíneo en condiciones normales y en patología (electroferogramas - a la izquierda y escaneo fotométrico - a la derecha)
plasma sanguíneo de una persona sana, un paciente con infarto de miocardio y un paciente con hepatitis. La detección de isoformas de LDH específicas de tejido en el plasma sanguíneo se utiliza ampliamente como prueba de diagnóstico.
Otro ejemplo es la creatina quinasa. Creatina quinasa (CK) que cataliza la reacción de formación de fosfato de creatina (fig. 2.33). La molécula KK es un dímero que consta de dos tipos de subunidades M (del inglés músculo - músculo) y B (del inglés cerebro - cerebro). Estas subunidades forman tres isoenzimas: BB, MB, MM. La isoenzima BB se encuentra principalmente en el cerebro, MM en los músculos esqueléticos y MV en el músculo cardíaco. Las isoformas KK tienen diferentes movilidades electroforéticas (fig. 2.34). La determinación de la actividad de CK en el plasma sanguíneo es importante en el diagnóstico de infarto de miocardio (hay un aumento en el nivel de la isoforma MB). La cantidad de isoforma MM puede aumentar durante traumatismos y daños a los músculos esqueléticos. La isoforma BB no puede atravesar la barrera hematoencefálica, por lo que es prácticamente indetectable en la sangre incluso durante un accidente cerebrovascular y no tiene valor diagnóstico.
Arroz. 2.33. Reacción catalizada por la enzima creatina quinasa (CK)
Arroz. 2.34. Estructura y movilidad electroforética de varias isoformas de creatina quinasa.
Diagnóstico enzimático Se utiliza para establecer un diagnóstico de enfermedades de diversos órganos. El conjunto de análisis depende de las capacidades de un laboratorio bioquímico en particular y se mejora constantemente. Las pruebas de diagnóstico enzimático más comunes son:
Para enfermedades del corazón (infarto de miocardio): lactato deshidrogenasa, creatina quinasa, aspartato aminotransferasa, alanina aminotransferasa. Una de las primeras proteínas que aparece en la sangre durante un infarto de miocardio es la troponina;
Para enfermedades del hígado: alanina aminotransferasa, aspartato aminotransferasa, acetilcolinesterasa, gamma-glutamil transpeptidasa. Para enfermedades del páncreas: amilasa pancreática, lipasa;
Para enfermedades de la próstata: fosfatasa ácida.
3. Uso de enzimas como medicamentos. se están desarrollando activamente en las siguientes direcciones:
Terapia de reemplazo: el uso de enzimas en caso de deficiencia;
Elementos de una terapia compleja: el uso de enzimas en combinación con otra terapia.
La terapia de reemplazo enzimático es eficaz para las enfermedades gastrointestinales asociadas con una secreción insuficiente de jugos digestivos. Por ejemplo, la pepsina se utiliza para la gastritis con función secretora reducida. La deficiencia de enzimas pancreáticas también se puede compensar en gran medida tomando por vía oral medicamentos que contengan las principales enzimas pancreáticas (festal, enzistal, mesimforte, etc.).
Las enzimas se utilizan como agentes terapéuticos adicionales para una serie de enfermedades. Las enzimas proteolíticas (tripsina, quimotripsina) se utilizan localmente para tratar heridas purulentas, descomponer las proteínas de las células muertas y eliminar coágulos de sangre o secreciones viscosas en enfermedades inflamatorias del tracto respiratorio. Las preparaciones enzimáticas ribonucleasa y desoxirribonucleasa se utilizan como fármacos antivirales en el tratamiento de la conjuntivitis adenoviral y la queratitis herpética.
Las preparaciones enzimáticas se han utilizado ampliamente en la trombosis y el tromboembolismo para destruir el coágulo de sangre. Para ello, se utilizan preparaciones de fibrinolisina, estreptoliasa, estreptodecasa y uroquinasa.
La enzima hialuronidasa (lidasa), que cataliza la descomposición del ácido hialurónico, se usa por vía subcutánea e intramuscular para resolver adherencias y cicatrices después de quemaduras y operaciones.
La enzima asparaginasa (destruye el aminoácido Asn en la sangre) se utiliza para el cáncer de sangre, limitando el flujo del aminoácido Asn hacia las células tumorales. Las células leucémicas no son capaces de sintetizar este aminoácido de forma independiente, por lo que una disminución de su contenido en la sangre perjudica el crecimiento de estas células.
TEMA 2.10. ENZIMOPATÍAS
La base de muchas enfermedades es la alteración del funcionamiento de las enzimas en la célula, las llamadas enzimopatías. Hay enzimopatías primarias (hereditarias) y secundarias (adquiridas). Las enzimopatías adquiridas, como las proteinopatías en general, parecen observarse en todas las enfermedades.
En las enzimopatías primarias, las enzimas defectuosas se heredan principalmente de forma autosómica recesiva. En este caso, se altera la vía metabólica que contiene la enzima defectuosa (fig. 2.35). El desarrollo de la enfermedad en este caso puede ocurrir según uno de los "escenarios":
Se altera la formación de productos finales, lo que provoca la falta de determinadas sustancias (por ejemplo, en el albinismo, no se produce pigmento en las células de la piel);
Se acumulan sustratos precursores que tienen un efecto tóxico en el cuerpo (por ejemplo, con la alcaptonuria, se acumula un metabolito intermedio: el ácido homogentésico, que se deposita en las articulaciones y provoca procesos inflamatorios en ellas).
Arroz. 2.35. Vía metabólica con enzimopatía de la enzima E 3.
TAREAS PARA TRABAJO EXTRACURRICULAR
Resolver problemas
1. En las células del tejido adiposo, el cambio de procesos metabólicos de anabólicos a catabólicos se produce según el ritmo de la nutrición. Las hormonas que regulan la actividad de enzimas clave mediante fosforilación-desfosforilación desempeñan un papel importante en la regulación de este cambio. Complete el esquema para regular la actividad de la enzima clave de descomposición de grasas (fig. 2.36), si se sabe que esta enzima (lipasa TAG) está activa en la forma fosforilada e inactiva en la forma desfosforilada. Para responder a la pregunta:
a) copie el diagrama en un cuaderno e indique los nombres de las enzimas que causan la fosforilación y desfosforilación de proteínas (escriba sus nombres en los rectángulos);
b) nombrar la clase de estas enzimas;
c) anotar sustratos y productos adicionales involucrados en estas reacciones (escribir sus nombres en los cuadrados);
d) sacar una conclusión sobre el papel de las hormonas en la regulación del metabolismo celular.
Arroz. 2.36. Regulación de la actividad de la lipasa TAG.
2. La asparaginasa, que cataliza la reacción del catabolismo de la asparagina, ha encontrado aplicación en el tratamiento de la leucemia. El requisito previo para el efecto antileucémico de la asparaginasa era que en las células leucémicas se hubiera identificado una enzima defectuosa para la síntesis de asparagina, la asparagina sintetasa. Justifique el efecto terapéutico de la asparaginasa. Contestar:
a) escribir las reacciones catalizadas por las enzimas asparagina sintetasa (sección 7) y asparaginasa;
b) indicar las clases a las que pertenecen estas enzimas;
c) sacar una conclusión sobre la concentración de Asn en las células tumorales cuando se utiliza asparaginasa;
d) explicar por qué el uso de asparaginasa reduce la tasa de crecimiento del tejido tumoral.
3. Transfiérelo a tu cuaderno y completa la tabla. 2.7 sobre el uso de enzimas en medicina utilizando el material de este manual, libro de texto.
4. Transfiérelo a tu cuaderno y completa la tabla. 2.8 sobre medicamentos: inhibidores de enzimas, utilizando la sección actual, libro de texto y literatura adicional.
Tabla 2.7. Medicamentos: inhibidores de enzimas.
TAREAS DE AUTOCONTROL
1. Elija la respuesta correcta.
Inhibidores competitivos:
A. Formar enlaces covalentes con el centro activo de la enzima B. Interactuar con el centro alostérico
B. Interactuar con el sitio activo de la enzima, formando enlaces débiles.
D. Reducir K w D. Reducir V máx.
2. Elija la respuesta correcta. Inhibidores irreversibles:
A. Son análogos estructurales del sustrato B. Forman enlaces covalentes con la enzima
B. Formar enlaces débiles con la enzima.
D. Interactuar con el centro regulador
D. Reducir su efecto al aumentar la concentración de sustrato.
3. Elige las respuestas correctas. Las enzimas alostéricas generalmente son:
A. Son proteínas con estructura terciaria
B. Consta de varios protómeros C. Inhibido irreversiblemente
D. Tienen centros activos y alostéricos ubicados en diferentes protómeros.
D. Regulado por metabolitos de este proceso.
4. Elige las respuestas correctas.
Cuando las enzimas se regulan mediante proteólisis parcial ocurre lo siguiente:
A. Acortamiento de la cadena peptídica de proteínas.
B. Cambios en la estructura secundaria y terciaria de la enzima.
B. Activación irreversible
D. Inhibición irreversible
D. Formación del centro activo
5. Elija la respuesta correcta.
La regulación de la actividad enzimática a través de interacciones proteína-proteína se acompaña de:
A. Inhibición irreversible
B. Unión o desprendimiento de subunidades de proteínas reguladoras
B. Unión de una molécula efectora al centro alostérico D. Fosforilación de la enzima
D. Desfosforilación de la enzima.
6. Elige las respuestas correctas. El enzimodiagnóstico se basa en:
A. Liberación de enzimas a la sangre durante el daño tisular B. Especificidad de órgano
B. Alta estabilidad enzimática
D. El predominio de ciertas isoenzimas en diferentes tejidos D. La baja actividad o la ausencia total de actividad de enzimas de importancia diagnóstica en la sangre es normal
7. Fósforo.
Se utiliza para diagnosticar enfermedades:
B. Glándula prostática
B. Páncreas D. Riñón
D. Corazones Enzima:
1. Creatina quinasa
2. amilasa
3. Fosfatasa ácida
8. Complete la tarea "cadena":
a) una de las enzimas determinadas durante el diagnóstico enzimático del infarto de miocardio es:
A. Fosfatasa ácida B. Lactato deshidrogenasa
B. amilasa
b) esta enzima pertenece a la clase de enzimas:
A. hidrolasa B. ligasa
B. Oxidorreductasa
V) una de las coenzimas de esta clase de enzimas es:
A. Fosfato de piridoxal B. Biotina
GRAMO) La vitamina precursora de esta coenzima es:
A. Ácido nicotínico B. Piridoxina
9. Complete la tarea de la "cadena":
A) Después de una intoxicación con fluorofosfatos orgánicos, una persona experimenta:
A. Dilatación de la pupila
B. Aumento de la contracción de los músculos lisos.
B. Relajación de los músculos lisos.
b) La razón de este efecto se debe a:
A. Deterioro del funcionamiento de Na+, E+-ATPasa B. Aumento de la cantidad de acetilcolina
B. Reducir la cantidad de acetilcolina.
V) Esto se debe al hecho de que los fluorofosfatos:
A. Son un inhibidor competitivo de la acetilcolinesterasa (AChE)
B. Formar enlaces covalentes con AChE
B. Perturbar la síntesis de acetilcolina.
GRAMO) Este método de inhibición se llama:
A. Irreversible B. Reversible
B. Competitivo
d) Se observa un método similar de inhibición cuando se usa:
A. Trasylol B. Aspirina
B. Proserina
NORMAS DE RESPUESTA A LAS “TAREAS DE AUTOCONTROL”
3. B, G, D
4. A, B, C, D
6. A, B, D, D
7. 1-D, 2-B, 3-B
8. a) B, b) C, c) C, d) A
9. a) B, b) B, c) B, d) A, e) B
TÉRMINOS Y CONCEPTOS BÁSICOS
1. Vía metabólica
2. Inhibición enzimática
3. Activación enzimática
4. Inhibición reversible
5. Inhibición irreversible
6. Inhibición competitiva
7. Regulación alostérica
8. Efectores alostéricos
9. Enzimas clave
10. Regulación por forsforilación - desfosforilación
11. Regulación por interacciones proteína-proteína.
12. Proteolisis parcial
13. Isoenzimas
14. Enzimopatía
15. Diagnóstico enzimático
TAREAS PARA EL TRABAJO EN AULA
Resolver problemas
1. En las células humanas, la vía metabólica para la síntesis de nucleótidos de purina necesarios para la síntesis de ácidos nucleicos comienza con una molécula de ribosa-5-fosfato. Durante el proceso de síntesis, en una determinada etapa, este proceso se ramifica y termina con la formación de dos nucleótidos de purina: AMP y GMP (fig. 2.37). Para formar proporciones equimolares de estos nucleótidos en la célula, existe una regulación en varias etapas de varias enzimas clave mediante un mecanismo de retroalimentación negativa. Así, con un exceso de formación de AMP, se ralentiza la formación de adenilosuccinato y con un exceso de GMP, se ralentiza la formación de monofosfato de xantosina. Al mismo tiempo, si no se consumen ambos nucleótidos, la formación de fosforribosildifosfato se ralentiza. Adivina qué enzimas de la vía metabólica para la síntesis de nucleótidos de purina son reguladoras. Contestar:
a) dar definiciones: “vía metabólica” y “enzimas clave de la vía metabólica”;
b) adivina cuál de las enzimas que se muestran en la Fig. 2,37 son regulatorios;
c) indicar el mecanismo de regulación de estas enzimas, su localización en la vía metabólica y características estructurales;
d) nombrar qué compuestos y qué enzimas son efectores;
e) justificar el concepto de regulación “mediante un mecanismo de retroalimentación negativa”.
Arroz. 2.37. Esquema de formación de nucleótidos de purina en una célula.
2. En 1935, el médico alemán G. Domagk descubrió el efecto antimicrobiano del protonsil (estreptocida rojo), sintetizado en forma de tinte. Pronto se estableció que el principio activo del estreptocida rojo es la sulfonamida (estreptocida) formada durante su metabolismo, que fue el antepasado de un gran grupo de sulfonamidas (fig. 2.38).
Arroz. 2.38. Estructura del ácido fólico y fórmula general de las sulfonamidas.
El efecto bacteriostático de las sulfonamidas es que reemplazan al ácido paraaminobenzoico (PABA) en el centro activo de la enzima dihidropteorato sintasa durante la síntesis de ácido fólico por parte de las bacterias, que es necesario para la formación de ácidos nucleicos; como resultado, se altera el crecimiento y desarrollo de microorganismos. El ácido fólico no se sintetiza en el cuerpo humano, sino que se suministra con los alimentos en forma de vitamina.
Explique el mecanismo de acción antibacteriana de las sulfonamidas, para ello responda las preguntas:
a) ¿Cómo se llama este tipo de inhibición (compare las estructuras de las sulfonamidas y PABA)? ¿Cómo afectan estos inhibidores al Kt y a la Vmax?
c) ¿Por qué se suele prescribir inmediatamente una dosis de carga de sulfonamidas durante el tratamiento?
d) ¿las sulfonamidas afectarán la formación de ácidos nucleicos en las células humanas? Explica tu respuesta.
3. 2 pacientes que padecían trastornos depresivos consultaron a un psiquiatra. Se sabe que la causa de la depresión en humanos en algunos casos es la falta de neurotransmisores en la hendidura sináptica. También en el cerebro hay enzimas del grupo monoaminooxidasas (MAO), que destruyen los neurotransmisores liberados en la hendidura sináptica. Al primer paciente se le recetó pirlindol, que es un análogo estructural del mediador serotonina. El segundo es la nialamida, que es capaz de unirse covalentemente al sitio activo de la MAO. Explique los mecanismos de acción de estos fármacos e indique qué paciente tiene más probabilidades de responder más rápidamente al fármaco. Contestar:
a) caracterizar el efecto de estos fármacos sobre la MAO, indicar la diferencia en
mecanismos de interacción con esta enzima;
b) dar un esquema para la inhibición de la MAO mediante pirlindol y nialamida;
c) basándose en el mecanismo de inhibición de estos fármacos, explique
cuál tendrá un efecto más duradero en el cuerpo y por qué.
4. Recientemente, ha habido un aumento en el uso de metanol para la producción de fluidos técnicos utilizados en productos para el cuidado de vehículos, incluidos productos lavaparabrisas. El principal peligro del alcohol metílico, o metanol, es su uso como alcohol sustituto, que provoca la muerte. Así, según el Centro de Toxicología Científica y Práctica de Roszdrav, la proporción de pacientes intoxicados con metanol oscila entre el 0,1 y el 0,5% de todos los pacientes hospitalizados. Explique la causa de la toxicidad del metanol y cómo brindar tratamiento médico si se sabe que el metanol inhibe la actividad de la enzima acetaldehído deshidrogenasa, que interviene en el catabolismo del etanol, lo que provoca la acumulación de acetaldehído. Para responder a la pregunta:
a) escribir las reacciones de oxidación del etanol, teniendo en cuenta que se produce oxidación
pasa en dos etapas con la formación de un compuesto intermedio: acetaldehído; el producto final es ácido acético; la coenzima de ambas reacciones es NAD+;
b) escribir la fórmula estructural del metanol e indicar el mecanismo de inhibición de la actividad enzimática;
c) sugerir un método de tratamiento en casos de intoxicación por metanol.
5. Antiguamente, las damas italianas se echaban jugo de belladona en los ojos, lo que provocaba que las pupilas se dilataran y los ojos adquirieran un brillo especial. Ahora se sabe que un efecto similar es causado por el alcaloide atropina, contenido en muchas plantas: belladona, beleño, datura. Explicar el mecanismo de acción de la atropina. Para esto:
a) nombrar los receptores que inhibe la atropina (ver módulo 1), indicar los tipos de receptores y la secuencia de eventos cuando la atropina entra en contacto con los ojos;
b) responder dónde se utilizan en medicina la atropina y fármacos con efectos similares;
c) indicar qué medidas se pueden tomar en caso de sobredosis de atropina? Justifique posibles formas de aumentar la concentración de acetilcolina y explique la necesidad de esta acción.
6. Uso de grandes dosis. cafeína provoca síntomas en personas similares a los efectos de la adrenalina: aumento del ritmo cardíaco; dilatación bronquial, excitación, cambios en el metabolismo en los tejidos que depositan portadores de energía. Explique el mecanismo de acción de la cafeína, teniendo en cuenta que es un inhibidor competitivo de la enzima fosfodiesterasa (PDE), responsable de la degradación del AMPc:
Para responder a esta pregunta:
a) respuesta, cuya concentración aumentará en la célula bajo la influencia de la cafeína;
b) explicar el mecanismo de acción reguladora del AMPc en la célula; representan esquemáticamente la estructura de la enzima, que se activa debido a un aumento en la concentración de AMPc en la célula;
c) nombre ¿qué procesos en la célula se activarán como resultado del uso de cafeína? Escribe un diagrama de estas reacciones;
d) recuerde que se observa un mecanismo de acción similar en medicamentos que mejoran las propiedades reológicas de la sangre (por ejemplo, trental), así como medicamentos que se utilizan para relajar los bronquios y aliviar el broncoespasmo (por ejemplo, teofilina).
7. El paciente L. ingresó en el hospital con sospecha de infarto de miocardio. Según el paciente, 5 horas antes de la llegada del médico, sintió dificultad para respirar. El médico sospechó un infarto de miocardio y hospitalizó al paciente. En el hospital, se realizó un análisis de sangre bioquímico durante varios días para confirmar el diagnóstico. Los resultados de los análisis se presentan en la tabla. 2.9. ¿Los datos obtenidos confirman el diagnóstico del médico? Contestar:
Enzima | Actividad, UI/l | Multiplicidad | Actividad, UI/l | Multiplicidad |
12 horas después de la oclusión del vaso | 72 horas después de la oclusión del vaso. |
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24 horas después de la oclusión del vaso | 96 horas después de la oclusión del vaso. |
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48 horas después de la oclusión del vaso | 120 horas después de la oclusión del vaso. |
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CAPÍTULO 8. SISTEMAS REGULADORES EN PROCARIOTAS
La regulación de la actividad vital de los organismos procarióticos ocurre en diferentes niveles (transcripcional, traslacional, metabólico, conductual) y cubre procesos que ocurren en una célula y en una población celular.
REGULACIÓN DEL METABOLISMO CELULAR
Hasta hace poco, la atención principal se centraba en el estudio de la regulación del metabolismo celular en procariotas. Los datos obtenidos dan una idea clara de que sobre las funciones metabólicas de la célula se construye un sistema regulador eficaz y complejo.
En una célula intacta, casi todos los procesos metabólicos en curso están regulados. Una misma reacción puede estar sujeta simultáneamente a varios tipos de influencia regulatoria, desiguales en dirección y fuerza de acción. La consecuencia de esto es una estricta coordinación de la actividad de los procesos metabólicos individuales, lo que lleva al hecho de que cualquier organismo es normalmente un dispositivo bien engrasado con un sistema de conexiones reguladoras desarrolladas. La eficiencia de los mecanismos reguladores celulares es muy alta. Aseguran el uso más económico de los nutrientes ambientales, previenen la síntesis excesiva de metabolitos intermedios y finales y son responsables de una rápida adaptación a las condiciones cambiantes. Por lo tanto, la célula, dependiendo de condiciones específicas, debe poder reducir o aumentar la tasa de síntesis. de ciertos metabolitos o la tasa de formación de energía celular.
Dado que casi todas las reacciones en una célula son catalizadas por enzimas, la regulación del metabolismo se reduce a regular la intensidad de las reacciones enzimáticas. La velocidad de estas últimas se puede regular de dos formas principales: cambiando el número de enzimas y/o cambiando su actividad, es decir el grado de utilización de su potencial catalítico.
Regulación de la actividad enzimática.
Los factores que regulan la actividad enzimática son de naturaleza diversa (). Los factores físicos (temperatura, presión, luz, campo magnético, impulsos eléctricos tienen un efecto menos específico que los químicos. A su vez, la acción de estos últimos también se puede dividir en varios tipos. Algunas sustancias químicas se unen al centro activo de la enzima, por ejemplo sustratos, cofactores, inhibidores competitivos, lo que conduce a un cambio en la actividad enzimática. Otras sustancias interactúan con áreas especiales en la superficie de una molécula de un cierto tipo de enzima que no están directamente relacionadas con los centros de actividad catalítica, pero que sin embargo conducir a su cambio.
Finalmente, la actividad de algunas enzimas está regulada por la modificación química de su molécula, que se basa en la unión covalente reversible a una enzima de un determinado grupo, lo que conduce a un cambio en su actividad. En los procariotas se conocen dos sistemas enzimáticos cuya actividad se regula de esta forma. Glutamina sintetasa E. coli, que cataliza la síntesis de glutamina, existe en dos formas, diferenciándose por la presencia de un residuo de ácido adenílico en una de ellas. Su adición mediante un enlace covalente, catalizada por una enzima modificadora adecuada, conduce a la formación de una glutamina sintetasa adenilada menos activa:
La eliminación del grupo adenilo, que conduce a la aparición de una forma muerta de la enzima, aumenta drásticamente su actividad catalítica. Se descubrió un mecanismo similar para regular la actividad enzimática mediante la adición y eliminación de un residuo de ácido acético (acetilación - desacetilación) para la citrato liasa en una bacteria fotosintética. Rhodopseudomonas gelatinosa. En este caso, la forma acetilada de la enzima está activa.
El mecanismo más rápido, preciso y sutil para regular la actividad de las enzimas es la regulación a la que está sometida un determinado tipo de enzimas, denominadas alostéricas 21 . Estas enzimas, por regla general, ocupan posiciones clave en el metabolismo, ubicadas en puntos "estratégicos" del metabolismo celular: el comienzo de las vías metabólicas o puntos de ramificación donde varias vías divergen o convergen.
21 El término enfatiza la peculiaridad de este tipo de enzima, que es que las sustancias que regulan su actividad son estructuralmente diferentes del sustrato de la reacción enzimática que cataliza.
Las enzimas alostéricas tienen centros catalíticos y reguladores (alostéricos), separados espacialmente, pero funcionalmente estrechamente interconectados. La actividad catalítica de la enzima cambia como resultado de la unión de ciertos metabolitos, llamados efectores, a su centro regulador. Además de los productos finales de esta vía, pueden ser efectores los sustratos enzimáticos, así como algunos productos finales de vías metabólicas relacionadas. Si la acción de un efector conduce a una disminución de la actividad catalítica de la enzima, dicho efector se denomina negativo o inhibidor. Se llama efector positivo, cuya acción aumenta la actividad catalítica de la enzima. El efector positivo, o activador, suele ser el sustrato de esta enzima.
La unión del efector al centro regulador conduce a un cambio en la afinidad de la enzima por el sustrato como resultado de algún cambio conformacional en la enzima ().
El caso más simple de regulación alostérica es la regulación de la primera enzima de una vía biosintética no ramificada por su producto final. Si el producto final se acumula en exceso, inhibe la actividad de la primera enzima en un proceso llamado inhibición por retroalimentación. Un ejemplo de este tipo de regulación es la inhibición de la biosíntesis de L-isoleucina () La primera enzima en la vía de síntesis de L-isoleucina, La L-treonina desaminasa es alostérica y es inhibida únicamente por la L-isoleucina.
Para las vías biosintéticas ramificadas (y éstas incluyen la mayoría de las vías biosintéticas), los mecanismos reguladores se vuelven más complejos, ya que la biosíntesis de varios productos finales depende de la actividad de la primera enzima. Lo siguiente es obvio: los mecanismos regulatorios en este caso deben modificarse para que la sobreproducción de un producto final no conduzca al cese de la síntesis de otros productos finales asociados con él. Se han desarrollado varios mecanismos de control de retroalimentación para vías biosintéticas ramificadas. Creen que en este caso los productos finales de estas vías participan en la regulación. Si la primera etapa de la ruta biosintética es catalizada por una enzima, en la superficie de la molécula de esta enzima hay varios centros reguladores, cada uno de los cuales se une a uno de los productos finales que realizan la función de efector (). Algunas enzimas alostéricas existen en múltiples formas moleculares (isoenzimas). Las isoenzimas catalizan la misma reacción, pero tienen diferentes propiedades reguladoras. Esto se debe al hecho de que las isoenzimas tienen los mismos centros catalíticos, pero diferentes centros reguladores. Cada isoenzima está codificada por un gen separado. La existencia de isoenzimas permite que los productos finales inhiban de forma independiente la actividad de una isoenzima en particular, ya que cada isoenzima está controlada individualmente por "su" producto final ().
Regulación de la síntesis de enzimas.
La regulación del producto final de la actividad enzimática alostérica de una vía biosintética específica proporciona una reacción inmediata que conduce a un cambio en el rendimiento de este producto. Si este último resulta innecesario, no son necesarias las enzimas implicadas en su síntesis. La máxima eficacia del metabolismo celular queda demostrada por los mecanismos desarrollados por la célula que regulan su composición enzimática. Es obvia la conveniencia de sintetizar solo aquellas enzimas que son necesarias en condiciones específicas. Se ha demostrado que en los procariotas, en algunas condiciones, la enzima puede estar contenida en una cantidad de no más de 1 a 2 moléculas, mientras que en otras puede constituir varios por ciento de la masa celular.
La cantidad de una enzima particular en una célula se puede regular en varios niveles: en la etapa de transcripción, traducción, así como durante el ensamblaje y destrucción de la proteína enzimática (ver). En la jerarquía de influencias reguladoras, el mecanismo más complejo que controla la cantidad de enzimas en la célula está asociado con el proceso de transcripción. Señales químicas específicas pueden iniciar o bloquear la transcripción de un fragmento específico de ADN en ARNm. En el caso de la inducción, el ARNm resultante participa en una determinada secuencia de reacciones denominada traducción y que finaliza con la síntesis de cadenas polipeptídicas. La regulación de la síntesis de proteínas a nivel de traducción se puede llevar a cabo en cualquiera de sus etapas, por ejemplo en la etapa de iniciación, elongación, etc. No se puede descartar la posibilidad de cambiar la vida útil del ARNm. bajo la influencia de varios efectores, incluidos los productos finales de las vías metabólicas. Aunque los mecanismos de regulación de la síntesis de proteínas a nivel de traducción aún no se han establecido con precisión, está claro que en esta etapa existen amplias oportunidades para regular la tasa de síntesis de diversas proteínas.
Se sabe que una enzima puede realizar una función metabólica después de adquirir la estructura adecuada. La velocidad de formación de estructuras de orden superior también está controlada por determinadas moléculas. Por tanto, el control a nivel de ensamblaje de una enzima funcionalmente activa puede desempeñar un papel importante en la regulación metabólica. Finalmente, la velocidad a la que la enzima es destruida por señales metabólicas específicas también determinará su concentración en la célula.
La regulación de la síntesis de enzimas en la etapa de transcripción se basa en el hecho de que la "lectura" de los genes bacterianos se produce de forma selectiva y la tasa de formación de copias del ARNm correspondiente (y, por tanto, su posterior traducción a proteínas) está bajo un complejo mecanismo de control. La tasa de síntesis de enzimas determinada por esta etapa puede variar en diversos grados. Según esta característica, todas las enzimas se dividen en dos clases. Las enzimas, cuya síntesis en una célula en crecimiento se produce a un ritmo constante como resultado de la transcripción constante de los genes correspondientes y, por tanto, están presentes en la célula en una concentración más o menos constante, se denominan constitutivas. A éstas pertenecen, por ejemplo, las enzimas glicolíticas. Las vías metabólicas que involucran enzimas constitutivas se controlan mediante otras influencias reguladoras, como la inhibición alostérica.
Además, las células bacterianas contienen enzimas, cuyas cantidades pueden cambiar drásticamente según la composición de los nutrientes del medio ambiente. Esto ocurre como resultado de que los genes que determinan estas enzimas se activan o desactivan según sea necesario. Se llaman inducibles. En ausencia de estas enzimas en el medio sustrato, estas últimas están contenidas en pequeñas cantidades en la célula. Si se agrega al medio una sustancia que sirve como sustrato para una determinada enzima, se produce una rápida síntesis de esta enzima en la célula, es decir, se produce la inducción de la síntesis de enzimas. Si el medio nutritivo contiene una sustancia en forma terminada que es el producto final de cualquier vía biosintética, la síntesis de enzimas en esta vía se detiene rápidamente. Este fenómeno se llama represión del producto final. Las enzimas cuya síntesis es inhibida por el producto final pueden verse desreprimidas, es decir, su velocidad de síntesis excederá la normal si la concentración del producto final cae a un nivel muy bajo. La desrepresión de estas enzimas es similar al fenómeno de la inducción.
Represión por el producto final. Todas las vías biosintéticas están bajo el control del mecanismo de represión del producto final. De manera similar, la formación de la mayoría de las enzimas anabólicas se regula reprimiendo su síntesis. La represión se lleva a cabo mediante sustancias especiales presentes en la célula: represores. Los factores que modifican la actividad de los represores pueden ser los productos finales de las vías biosintéticas, así como los productos intermedios de algunas vías catabólicas o anfibólicas.
La represión puede ser coordinada, es decir, la síntesis de cada enzima en una vía determinada es suprimida en la misma medida por el producto final. A menudo, la síntesis de enzimas de una vía se reprime en diversos grados. En las vías biosintéticas ramificadas, los mecanismos de represión (así como los mecanismos de inhibición) pueden modificarse para regular mejor múltiples productos finales a partir de un sustrato inicial común. La síntesis de muchas enzimas en dichas vías se inhibe sólo bajo la acción combinada de todos los productos finales. Si una reacción en una sección común de una vía ramificada es catalizada por isoenzimas, la síntesis de cada una de ellas está bajo el control de su "propio" producto final (ver).
El mecanismo de represión por el producto final a nivel de transcripción comenzó a aclararse en la década de 1950. A ello contribuyeron en gran medida las obras de F. Jacob y J. Monod. Se demostró que, junto con los genes estructurales que codifican la síntesis de enzimas, en el genoma bacteriano existen genes reguladores especiales. Uno de ellos es un gen regulador (gen R), cuya función es regular el proceso de transcripción de un gen (o genes) estructural. El gen regulador codifica la síntesis de una proteína represora alostérica específica que tiene dos centros de unión: uno reconoce una secuencia específica de nucleótidos en una sección del ADN llamada operador (gen O), el otro interactúa con el efector. El gen operador se encuentra junto al gen estructural y sirve como sitio de unión para el represor. A diferencia de los genes operadores, los genes reguladores están ubicados a cierta distancia de los genes estructurales (productos de genes regulares, los represores son moléculas de proteínas que difunden libremente).
A menudo, los genes estructurales que pertenecen a una vía bioquímica se combinan en un grupo que, junto con el operador, constituye una unidad de transcripción y regulación: un operón. Todos los genes estructurales combinados en un operón tienen un único sitio operador ubicado en el borde del operón y la coordinación está regulada por un único represor. El operón es un sistema muy racional y eficaz para regular una vía metabólica.
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| Arroz. 32. Operón triptófano E. coli y el mecanismo de represión por parte del producto final. A - el producto del gen regulador (R) es una forma inactiva del represor que es incapaz de unirse al operador (O); la región promotora (P) está abierta: se produce la transcripción de genes estructurales (E, D, C, B, A). B - en presencia de un correpresor, se forma un complejo correpresor-represor activo, que se une al operador y cierra el promotor; no se produce transcripción (según Lehninger, 1974) |
El proceso de transcripción comienza con la unión de la ARN polimerasa, que cataliza la síntesis de ARNm, a una región específica del ADN llamada promotor (P). Cuando una molécula represora "se asienta" en el sitio del operador, "cierra" el promotor, evitando así que la ARN polimerasa se una a él y comience la transcripción. En los procariotas, cinco genes que codifican la síntesis de enzimas de la vía del triptófano forman un operón (Fig. 32). El gen regulador asegura la síntesis de una proteína alostérica, un represor del triptófano, que no está activo en estado libre. Este último de esta forma no se une al sitio del operador y, por lo tanto, no puede interferir con el inicio de la transcripción. Cuando el producto final de la vía metabólica (triptófano) se acumula por encima de cierto nivel, interactúa con el represor y lo activa.
El represor activado se une al sitio operador e inhibe la transcripción del operón triptófano. Por tanto, el triptófano es un correpresor.
Inducción de la síntesis de enzimas. En la mayoría de los casos, la regulación por inducción es característica de las vías catabólicas, donde los sustratos de estas vías suelen actuar como inductores. Un ejemplo clásico de una enzima inducible es la (3-galactosidasa E. coli. Resultó que si las células E. coli cultivados en un medio que contiene glucosa, no pueden utilizar lactosa. Si dichas células se colocan en un entorno donde la lactosa es la única fuente de carbono, después de un cierto período se someten a una síntesis intensiva de una enzima (3-galactosidasa, que cataliza la hidrólisis de la lactosa en D-glucosa y D-galactosa. Con la ayuda de esta enzima E. coli Ahora podemos utilizar la lactosa como única fuente de carbono. Si las células que crecen en un medio con lactosa se transfieren luego a un medio con glucosa, se detiene la síntesis de (3-galactosidasa).
Estudio de inducción (3-galactosidasa en E. coli permitió establecer que el crecimiento celular en un medio con lactosa no se produce como resultado de la selección de mutantes en los que la capacidad de utilizar lactosa es consecuencia de una mutación. Todas las células tienen la capacidad de sintetizar esta enzima. También se demostró que durante el proceso de inducción no se trata de la activación de la enzima ya presente en las células (3-galactosidasa), sino de su síntesis de novo a partir de aminoácidos.
La síntesis inducida de enzimas en microorganismos se describió en los años 30, pero el mecanismo de este proceso no estuvo claro durante mucho tiempo. La síntesis inducida de enzimas subyace al conocido fenómeno de adaptación de los organismos a diversas condiciones. Los avances logrados en el desciframiento de los mecanismos de regulación del metabolismo celular han permitido explicar la naturaleza de este fenómeno, su mecanismo y papel en la célula.
operón lactosa E. coli, que consta de tres genes estructurales, un promotor y un operador, fue el primer sistema enzimático en el que J. Monod y F. Jacob estudiaron el mecanismo de inducción de la síntesis enzimática (). En ausencia de lactosa, la molécula represora, activa en estado libre, se une al operador y suprime la transcripción de genes estructurales. Cuando la lactosa ingresa a la célula, se une al represor, como resultado de lo cual se forma un complejo inactivo del represor con el inductor, que no puede interactuar con el operador y, por lo tanto, interfiere con la transcripción de genes estructurales. Como resultado, se induce la síntesis de enzimas que catabolizan la lactosa. Cuando el inductor se elimina de la célula, el represor vuelve a entrar en un estado libre activo y se une al operador, lo que conduce al cese de la síntesis de las enzimas correspondientes.
Represión de catabolitos. Además de la represión por el producto final, característica de las vías anabólicas, se describe un tipo de represión, denominada catabolito, que consiste en que las fuentes de energía rápidamente utilizadas por la célula son capaces de suprimir la síntesis de enzimas de otras vías catabólicas implicadas. en la metabolización de fuentes de energía utilizadas relativamente lentamente. La represión de catabolitos puede considerarse como una adaptación de la célula para utilizar principalmente las fuentes de energía más fácilmente disponibles. En presencia de dicha fuente de energía, se suspende temporalmente el consumo de otros sustratos que son menos "convenientes" para la célula y se desactivan temporalmente las vías de catabolización de estos sustratos.
Ya se señaló anteriormente que si en el medio de cultivo E. coli Contiene glucosa y lactosa al mismo tiempo, primero se usa glucosa. A pesar de la presencia del inductor del operón lactosa, las enzimas implicadas en el catabolismo de la lactosa no se sintetizan. La transcripción de los genes del operón de la lactosa comienza cuando la concentración de glucosa en el medio ambiente disminuye. Por tanto, la glucosa interfiere con la síntesis de enzimas en el operón de la lactosa.
¿Cómo se hace esto? Los estudios del mecanismo de represión de catabolitos han encontrado que este tipo de regulación está estrechamente relacionada con el nivel intracelular de AMP cíclico (AMPc), que funciona como efector en este proceso. Forma un complejo con una proteína alostérica, un activador de catabolitos que está inactivo en estado libre. Este complejo, al estar unido a un sitio específico del promotor, permite que la ARN polimerasa se una al promotor e inicie la transcripción. La cantidad de complejo formado está determinada por la concentración de AMPc, que disminuye al aumentar el contenido de glucosa en el medio. Por tanto, la glucosa provoca un cambio en la concentración intracelular de AMPc. Este compuesto se encuentra en las células de todos los procariotas. Su única función es regulatoria. El AMP cíclico se forma a partir de ATP en una reacción catalizada por la adenilato ciclasa asociada con el CPM:
ATP ® AMPc + pirofosfato.
La adenilato ciclasa es muy activa si se fosforilan componentes del sistema de transporte de glucosa al interior de la célula. Esto ocurre en ausencia de glucosa, que necesita ser transportada. Por tanto, la actividad de la adenilato ciclasa aumenta al disminuir la concentración de glucosa en el medio. Esto último conduce a un aumento en la formación de AMPc y, en última instancia, a la inducción de la síntesis de enzimas catabólicas de lactosa. Por el contrario, a una alta concentración de glucosa en el medio, el sistema de transporte de glucosa se encuentra en un estado desfosforilado, lo que resulta en una disminución de la actividad de la adenilato ciclasa y, en consecuencia, de la cantidad de AMPc. De esta forma, la glucosa, a través de su sistema de transporte, regula la concentración de AMPc en la célula. Dado que el catabolismo de la glucosa está asociado con la formación de energía metabólica y su almacenamiento en moléculas de ATP, las reservas de ATP y AMPc están conectadas a través de la glucosa en la célula: con un aumento en la cantidad de ATP, la cantidad de AMPc disminuye y viceversa.
Una característica de todos los sistemas enzimáticos bajo el control de la represión de catabolitos es la participación en su inducción de un complejo universal que consiste en un activador de catabolitos proteicos y AMPc.
Regulación de diversas vías metabólicas.
Las vías biosintéticas están reguladas principalmente por el mecanismo de inhibición alostérica de la primera enzima y la represión de la síntesis de enzimas en esta vía por el producto final. La regulación de vías biosintéticas ramificadas se lleva a cabo mediante versiones complicadas de los mismos mecanismos.
Los principales mecanismos que regulan las vías catabólicas son la inducción de la síntesis de enzimas y la represión de catabolitos. Las vías catabólicas en las que funcionan las enzimas constitutivas están reguladas en gran medida a través de efectos alostéricos sobre la actividad enzimática. Una de las tareas de las vías catabólicas es proporcionar energía a la célula. En la mayoría de los procariotas, la capacidad de generar energía supera con creces las necesidades de la célula. La cantidad de ATP que se puede sintetizar utilizando las enzimas glicolíticas y respiratorias presentes en las células de los procariotas aeróbicos es significativamente mayor que la cantidad de ATP necesaria para los procesos de biosíntesis y mantenimiento de la vida. Por tanto, las células deben tener la capacidad de controlar el consumo de sustratos productores de energía y, en consecuencia, la producción de energía celular. El principio básico de control es simple: el ATP se sintetiza sólo cuando es necesario, es decir, la intensidad de los procesos energéticos en los procariotas está regulada por el contenido intracelular de ATP.
Los nucleótidos de adenilo se encuentran entre los efectores más importantes. AMP y ADP actúan como efectores positivos que estimulan la velocidad de los procesos energéticos y, por tanto, aumentan la producción de ATP. Por el contrario, el ATP actúa como un efector negativo, indicando que los procesos de producción de ATP exceden su consumo. Como resultado de la regulación de los procesos de síntesis y descomposición de ATP en la célula, se mantiene un estado energético estacionario, caracterizado por la llamada carga energética de la célula:
En teoría, la cantidad de carga de energía puede oscilar entre 1 (en la célula, todos los nucleótidos de adenilo están solo en forma de ATP) y 0 (en la célula solo hay AMP). En un cultivo en crecimiento, la carga de energía de la célula es de aproximadamente 0,8. Una disminución indica un deterioro en el suministro de energía del cuerpo. Cuando este valor cae por debajo de 0,5, las células mueren.
Además de los nucleótidos de adenilo, el sistema coenzimático NAD(P)+/NAD(P)-H 2 y el gradiente electroquímico transmembrana de iones de hidrógeno en forma de sus dos componentes (Dy pH y D pH) desempeñan un papel activo en la regulación de los procesos energéticos. El predominio de la interacción alostérica de formas reducidas u oxidadas de NAD(P) con enzimas de la vía catabólica conduce a una disminución o un aumento de su actividad, respectivamente. Alcanzar un cierto valor umbral Dm H + en la membrana convertidora de energía sirve como una señal determinada que inhibe el flujo de iones de hidrógeno contra el gradiente.
La regulación de los procesos de transporte activo, que aseguran el suministro de la gran mayoría de sustancias necesarias para los procariotas, se produce a nivel de la síntesis de portadores y su funcionamiento. La biosíntesis de componentes proteicos de muchos sistemas de transporte está regulada por inducción. La glucosa, cuyo sistema de transporte es constitutivo en la mayoría de los procariotas, suprime la formación de sistemas de transporte de otros azúcares y varios ácidos orgánicos mediante la represión de catabolitos. La excepción son algunos procariotas aeróbicos obligados, en los que el transporte de ácidos orgánicos es constitutivo y el sistema de transporte de glucosa es inducible. Un exceso de sustrato en el medio puede reprimir la síntesis del correspondiente sistema de transporte. Esto es especialmente cierto para los aminoácidos. En este caso, la regulación del transporte se coordina con la regulación de su metabolismo posterior. También se descubrió la regulación del transporte por el tipo de retroalimentación negativa, cuando el sustrato acumulado dentro de la célula suprime su propio transporte desde el entorno externo. Por tanto, los procesos de transporte celular están controlados por los mismos mecanismos que los procesos anabólicos y catabólicos intracelulares.
La producción de mutantes con alteraciones en el sistema de regulación del metabolismo celular, que conducen a una sobresíntesis de ciertos metabolitos, se utiliza ampliamente para obtener aminoácidos, vitaminas, polisacáridos y otras sustancias de importancia práctica.
REGULACIÓN DE LAS INTERACCIONES INTERCELULARES
Los procariotas sintetizan sustancias que regulan no el metabolismo intracelular, sino las interacciones intercelulares. Las características de estas sustancias, llamadas autorreguladoras, son su liberación al medio ambiente, la manifestación de actividad biológica en concentraciones muy bajas (10 –9 – 10 –12 M) y el efecto no en organismos de otra especie, sino en otros individuos. (células) de la misma especie. Estas sustancias son secretadas por células procarióticas en condiciones normales de cultivo y exhiben una estricta especificidad de especie o género.
Normalmente, la respuesta provocada por el autorregulador está asociada con el ciclo de vida de los procariotas. Por tanto, la etapa de formación de cuerpos fructíferos en el ciclo de vida de las mixobacterias (ver Fig. 21) es inducida por un autorregulador. Sustancia de naturaleza lipídica secretada por células vegetativas. Células Myxococcus xanthus secretan sustancias que causan la esporulación de esta especie cuando su concentración en el ambiente es de aproximadamente 10-10 M. Estreptococo faecalis Se establece el proceso sexual. En las células receptoras se sintetizan autorreguladores específicos (reguladores sexuales o feromonas), bajo cuya influencia las células del donante adquieren la capacidad de adherirse al receptor. Como resultado, aumenta la probabilidad de formar una pareja donante-receptor.
Vibrio fischeri - un simbionte luminoso común de peces de la familia Monocentudae. El autorregulador que sintetiza estimula la formación de varios componentes del sistema de luminiscencia. El efecto se detecta a una concentración autorreguladora de 10 nM, lo que corresponde a aproximadamente 1 a 2 moléculas de este compuesto por célula bacteriana. La concentración óptima es de aproximadamente 200 nM (aproximadamente 40 moléculas autorreguladoras por célula).
En los actinomicetos se han encontrado varios tipos de autorreguladores que controlan la síntesis y la esporulación de antibióticos. Streptomyces griseus. Compuesto cíclico inusual que induce la formación de esporas identificado en secreciones de células cianobacterianas Cylindrospermum licheniforme.
Así, los organismos procarióticos sintetizan señales químicas que regulan diversos procesos asociados a las interacciones intercelulares en una población de la misma especie o incluso cepa. El sitio de acción de los autorreguladores son las enzimas celulares. Cabe destacar que la mayoría de los reguladores estudiados son sustancias de naturaleza lipídica. Esto les permite difundirse fácilmente a través de las membranas celulares sin la ayuda de sistemas de transporte especiales. Feromonas S. faecalis - péptidos que contienen 8 residuos de aminoácidos; el único aminoácido hidrófilo incluido en estos péptidos es la serina. Naturaleza hidrofóbica de las feromonas peptídicas. S. faecalis También indica un posible mecanismo inespecífico de su transferencia a través de las membranas celulares.
La identificación de una nueva clase de sustancias, reguladoras de la actividad vital de los procariotas a nivel intercelular, es interesante porque permite considerar estos organismos no solo como una población de células aisladas, sino que indica la existencia de un nivel superior de sus organización.
MVGusev, L.A.Mineeva 1992-2001
Departamento de Fisiología e Inmunología Celular, Facultad de Biología, Universidad Estatal de Moscú. MV Lomonósov 2000-2001
El objetivo de cualquier producción biotecnológica es obtener la máxima cantidad posible del producto objetivo por unidad de volumen de la instalación al menor coste posible. En la práctica, existen dos formas principales de solucionar estos problemas, que consisten, por un lado, en crear nuevas cepas de microorganismos con mayor capacidad de producción, es decir, la capacidad de sintetizar uno u otro producto objetivo y, por otro lado, crear las condiciones óptimas para que el proceso metabólico que nos interesa se produzca en las células.
La solución a estos problemas está, en un grado u otro, asociada a cambios en los procesos reguladores de la célula, por lo que en esta sección consideraremos algunos mecanismos para regular la actividad bioquímica de una célula bacteriana.
En una célula viva que funciona normalmente, se producen simultáneamente muchas reacciones químicas catalizadas por enzimas, que conducen a la formación de una gran cantidad de compuestos diferentes. Metabolismo normal en la célula ( metabolismo) se lleva a cabo según los principios de la más estricta economía de energía y materia, que está garantizada por un sistema altamente complejo de regulación metabólica.
Todos los procesos del metabolismo celular se pueden dividir en dos grupos.
1. Procesos en los que sustancias complejas se descomponen en más
los simples con producción de energía se llaman catabólico catabolitos.
2. Los procesos en los que se sintetizan sustancias complejas a partir de simples con consumo de energía se denominan anabólico, y productos intermedios y finales – anabolitos.
Existe una estrecha relación entre los procesos catabólicos y anabólicos en la célula. Los procesos catabólicos sirven como fuente de energía y "material de construcción" para los procesos anabólicos, y los productos anabólicos pueden servir como sustrato para procesos catabólicos (nutrientes) o como catalizadores (proteínas enzimáticas).
La forma más sencilla de regular cualquier vía metabólica se basa en la disponibilidad de sustrato. De hecho, de acuerdo con la ley de acción de masas, una disminución en la cantidad de sustrato-reactivo (su concentración en el medio) conduce a una disminución en la velocidad del proceso (reacción) a través de una determinada vía metabólica. Por otro lado, un aumento en la concentración de sustrato conduce a la estimulación de esta vía metabólica. Por tanto, independientemente de cualquier otro factor, la presencia (disponibilidad) de un sustrato es el mecanismo más importante para intensificar cualquier proceso metabólico. A veces, un medio eficaz para aumentar el rendimiento del producto objetivo es aumentar la concentración en la célula de un precursor particular. Sin embargo, a diferencia de los procesos químicos, en la biotecnología este camino tiene sus limitaciones, porque Las altas concentraciones de sustratos (más del 3-5%), como la glucosa o la sacarosa, generalmente inhiben drásticamente el crecimiento de microorganismos, que se utilizan, por ejemplo, para enlatar bayas y frutas. Esto se debe principalmente al efecto osmótico, que es causado por una gran diferencia en la concentración de estas sustancias dentro de las células y en el medio ambiente.
Sin embargo, las células disponen de un mecanismo mucho más eficaz para controlar los procesos metabólicos, basado en la regulación del aparato enzimático de la célula. Esta regulación puede ocurrir al menos de dos maneras. Uno de ellos es muy rápido (se implementa en segundos o minutos) al cambiar la actividad catalítica de las moléculas enzimáticas existentes. El segundo, más lento (implementado durante muchos minutos), consiste en cambiar las velocidades de síntesis (cantidad) de enzimas. Ambos mecanismos utilizan un único principio de control de sistemas: el principio de retroalimentación.
Dado que todos los procesos que ocurren en una célula requieren la participación de catalizadores proteicos específicos, enzimas, entonces, el número total de enzimas en las células puede variar desde varias decenas hasta varios cientos, y su porcentaje en relación con otras proteínas celulares será bastante grande (hasta varios porcentajes incluso para una enzima).
Sin embargo, los recursos energéticos (ATP) y materias primas de la célula (aminoácidos) no son suficientes para la síntesis simultánea de todas las enzimas necesarias. Por lo tanto, solo se sintetizan constantemente aquellas enzimas que apoyan las funciones celulares básicas (por ejemplo, enzimas glicolíticas, ciclo de TCA). Estas enzimas se llaman constitutivo. Otras enzimas adaptativo o inducible, sintetizado solo en respuesta a la aparición de algunos factores o sustancias externos - inductores, que son sustratos (nutrientes) o sus análogos.
El nivel de síntesis de dichas enzimas está regulado por dos mecanismos: inducción y represión.
Se entiende por inducción un aumento relativo en la síntesis de una enzima o grupo de enzimas que participan en una misma secuencia de reacciones, por ejemplo, en la descomposición de una sustancia compleja en otras más simples. Las enzimas cuya síntesis se regula de esta manera se denominan adaptado o inducido (inducible), y los sustratos que provocan su síntesis son inductores. Bajo la influencia de inductores, la cantidad de enzimas adaptativas puede aumentar cientos de veces. Así, para E. coli, se encontró que un cultivo cultivado en un medio con glucosa presenta solo trazas de β-galactosidasa, que lleva a cabo la reacción de descomposición de la lactosa en α-galactosa y D-glucosa. Cuando el cultivo se transfiere a un medio con lactosa, a los pocos minutos comienza la síntesis activa de β-galactosidasa y en el cultivo adaptado hasta 3 % del contenido de proteínas se debe a esta enzima.
Para las enzimas inducibles se ha establecido que:
a) la enzima aparece en todas las células al mismo tiempo y esto no puede explicarse por mutaciones;
b) la enzima inducida se sintetiza íntegramente en la célula a partir de aminoácidos o, como dicen, se forma de novo (inicialmente) .
c) la enzima se sintetiza siempre que exista un inductor en el medio. Mediante la inducción se regula la síntesis de enzimas implicadas en los procesos catabólicos, es decir. Las enzimas inducibles son necesarias para que la célula absorba sustratos y los incluya en el metabolismo.
En la producción industrial de enzimas, los análogos estructurales no utilizables de los sustratos suelen ser excelentes inductores. Por ejemplo, para la β-galactosidasa, dicha sustancia es el isopropil-β-D-tio-galactopiranósido (IPTG), un análogo no metabolizable de la lactosa. Esto permite aumentar el rendimiento de la enzima, que no se consume en la reacción enzimática y facilita su purificación porque IPTG se toma en una cantidad significativamente menor que la lactosa y no hay productos de degradación en el líquido de cultivo.
El segundo mecanismo para regular la síntesis de enzimas es represión cuando hay una disminución relativa en la síntesis de una enzima o grupo de enzimas involucradas en una misma secuencia de reacciones, dependiendo de la naturaleza de los represores se distinguen represión por el producto final Y represión por catabolitos. La represión por el producto final se observa sólo para las enzimas que llevan a cabo reacciones anabólicas. Si el producto final de la vía anabólica está presente en la célula, la tasa de síntesis de todas las enzimas involucradas en su formación disminuye. Este proceso le permite ahorrar proteína celular al detener la síntesis de aquellas enzimas que actualmente no son requeridas por la célula.
La represión por catabolitos es característica de las reacciones de descomposición de sustancias orgánicas complejas por parte de microorganismos. Este mecanismo permite que la célula utilice un sustrato más accesible, lo que asegura una alta tasa de crecimiento del cultivo. Se da preferencia a aquellos sustratos cuya descomposición incluye un menor número de etapas: los microorganismos prefieren los azúcares simples a los complejos, los aminoácidos a los péptidos, etc. Un ejemplo de la represión de los catabolitos es el "efecto glucosa", un fenómeno que se observa cuando los microorganismos crecen en medios que contienen, además de la glucosa, otras fuentes de carbono. La glucosa, como sustrato más fácilmente digerible, se metaboliza en la célula y sus productos de descomposición inhiben la síntesis de enzimas implicadas en la asimilación de sustratos más complejos hasta agotar toda la glucosa.
La regulación del metabolismo de las células microbianas también puede ocurrir cambiando la actividad enzimática de las enzimas existentes. Este fenómeno se observa principalmente en procesos anabólicos. El mecanismo más estudiado es la inhibición de la actividad enzimática por el producto final (retroinhibición), cuando la actividad de la enzima al comienzo de la transformación en múltiples etapas del sustrato es inhibida por el metabolito final.
La presencia de tal mecanismo regulador se informó por primera vez en 1953, cuando se estudiaba la biosíntesis de triptófano por células de E. coli. La etapa final de la biosíntesis de este aminoácido aromático consta de varias etapas catalizadas por enzimas individuales. Se encontró que en uno de los mutantes de E. coli con biosíntesis de triptófano alterada, la adición de este aminoácido (que es el producto final de esta vía biosintética) inhibe drásticamente la acumulación en las células de uno de los precursores, el indol glicerofosfato. Incluso entonces, se sugirió que el triptófano inhibe la actividad de alguna enzima que cataliza la formación de indol glicerofosfato. Un poco más tarde, se estableció claramente que una enzima sensible al triptófano es la antranilato sintetasa, que cataliza una reacción anterior de la vía del triptófano: la formación de ácido antranílico a partir de ácido corísmico y glutamina. Este hecho se confirmó experimentalmente en un experimento en el que la adición de triptófano a extractos de células de E. coli que contenían la enzima antranilato sintetasa y sus sustratos (corismato y glutamina) condujo a una fuerte inhibición de la formación de antranilato. Además, se demostró claramente que la actividad de la antranilato sintetasa es inhibida únicamente por el triptófano y ningún otro metabolito celular tiene un efecto similar.
Gracias a este fenómeno, se evita que los microorganismos produzcan en exceso productos metabólicos intermedios de bajo peso molecular, como aminoácidos, nucleótidos purínicos y pirimidínicos. Como regla general, el sustrato de la enzima inhibida difiere marcadamente del producto final: el inhibidor, y esta circunstancia nos permite suponer que el producto final no está conectado con el centro activo de la enzima, sino con un regulador especial o alostérico(del griego “allos” - otro, “steros” - espacial), centro. La unión del producto final al centro alostérico de la enzima se acompaña de la pérdida de la actividad catalítica normal debido a cambios conformacionales en la estructura de la molécula de proteína.
En comparación con la inducción y la represión, la retroinhibición es una herramienta para la regulación rápida y precisa de los procesos metabólicos.
La retroinhibición es un fenómeno extremadamente indeseable en la producción industrial de ciertos metabolitos celulares de interés para el ser humano, porque impide su acumulación en altas concentraciones, lo que requiere el uso de plantas de mayor volumen y complica el proceso de su aislamiento y purificación. Y esto a su vez aumenta el coste de producción. Existen varios enfoques para eliminar o reducir significativamente el efecto de la retroinhibición. Uno de ellos es que se elimina el producto objetivo (inhibidor). Por ejemplo, si se trata de un endometabolito, se crean las condiciones para su salida de la célula al líquido de cultivo, por ejemplo, aumentando la permeabilidad de las membranas celulares. Si el producto objetivo es un exometabolito (aminoácidos, antibióticos), entonces se elimina del líquido de cultivo, por ejemplo, convirtiéndolo en un estado insoluble (precipitado). El segundo enfoque es que en la etapa de síntesis del producto, se agrega un metabolito intermedio al líquido de cultivo, cuya síntesis es bloqueada por el producto final (ver síntesis de triptófano). La desventaja de este enfoque es que un precursor de este tipo no siempre puede obtenerse a bajo precio y en grandes cantidades. En la práctica, si es posible, se suelen utilizar ambos enfoques.
Otros enfoques implican el uso de métodos de ingeniería genética y selección por mutagénesis. Por ejemplo, con un cambio mutacional en el centro alostérico (el centro de interacción con el inhibidor), se pierde la sensibilidad al inhibidor y la enzima conserva su actividad en altas concentraciones del producto final, lo que permite crear más altamente productivo. cepas de microorganismos productores. Se implementa una versión más compleja de este enfoque en la producción microbiológica de lisina (ver síntesis de lisina).
Sección 2 1. Modulación alostérica
Con la modulación alostérica, la enzima reguladora tiene en su estructura uno o varios centros alostéricos que son capaces de interactuar altamente selectivamente con compuestos de bajo peso molecular mediante moduladores alostéricos. Como resultado de esta interacción, la conformación de la proteína enzimática cambia, incluido un ligero cambio en la estructura del centro activo, que se acompaña de un cambio en la eficiencia de la catálisis. Si aumenta la actividad catalítica de la enzima, estamos ante una activación alostérica; si la actividad enzimática disminuye, entonces estamos hablando de inhibición alostérica. La unión del modulador alostérico al centro alostérico de la enzima se produce debido a interacciones débiles, por lo que es fácilmente reversible: cuando la concentración del modulador en el medio disminuye, el complejo enzima-modulador se disocia y la enzima recupera su conformación original. y, en consecuencia, actividad catalítica.
Los moduladores alostéricos en la célula suelen ser metabolitos intermedios o productos finales de una u otra vía metabólica. La variante más común de regulación alostérica se conoce como retroinhibición o inhibición por retroalimentación negativa. En este caso, el producto final de la ruta metabólica inhibe, por un mecanismo alostérico, la actividad de una enzima reguladora que cataliza una de las reacciones iniciales de la misma ruta metabólica: así es como, por ejemplo, las rutas metabólicas responsables de la síntesis de los nucleótidos de purina o pirimidina están regulados en las células.
La segunda opción para la regulación alostérica es el mecanismo de activación de precursores. En este caso, uno de los metabolitos intermedios formados al inicio de la ruta metabólica actúa como activador alostérico de una determinada enzima, catalizando una de las reacciones finales de la misma ruta metabólica:... Un ejemplo es la activación de la piruvato quinasa por la fructosa-1,6-bifosfato en la vía metabólica de degradación oxidativa de la glucosa.
Por supuesto, no es en absoluto necesario que un metabolito intermedio o final de la misma vía metabólica actúe como modulador alostérico de una enzima reguladora. Hay muchos ejemplos de modulación alostérica acoplada, cuando un compuesto producido en otra vía metabólica actúa como un modulador alostérico. Así, la acumulación de ATP en la célula, cuya cantidad principal se forma durante la fosforilación oxidativa en la cadena de enzimas respiratorias, inhibe la actividad de la fosforucctoquinasa de la enzima glucólisis mediante un mecanismo alostérico, inhibe la actividad de la enzima glutamato deshidrogenasa. del sistema de transdesaminación e inhibe la actividad de la isocitrato deshidrogenasa de la enzima del ciclo de Krebs. Sólo cabe señalar que entre dichas vías metabólicas se puede rastrear uno u otro nivel de relación funcional. En el ejemplo anterior, los tres procesos metabólicos están interconectados porque su funcionamiento está directamente relacionado con la producción de ATP en la célula, es decir, para proporcionar a la célula energía accesible.
2. Modificación covalente
La modificación covalente es un mecanismo de regulación de la actividad de las enzimas debido a la adición de un grupo atómico mediante un enlace covalente en el centro regulador de la enzima o la escisión de este grupo. La unión de un grupo adicional a la enzima mediante un enlace covalente conduce a un cambio en la conformación de la proteína-enzima, que se acompaña de un cambio en la estructura del centro activo y un cambio en la eficiencia de la catálisis. La escisión de este grupo asegura la restauración de la conformación original de la enzima y, en consecuencia, el retorno al nivel original de su actividad catalítica. Dichos grupos modificadores pueden ser residuos de ácido adenílico, residuos de glicosilo, pero la mayoría de las veces la fosforilación se produce con la adición de residuos de ácido fosfórico. Dado que durante la modificación covalente se produce la formación o escisión de un enlace covalente entre la enzima y el grupo modulador, para el funcionamiento eficaz de este mecanismo se requieren dos enzimas adicionales: una enzima asegura la unión del grupo modulador a la enzima reguladora, la segunda La enzima asegura la eliminación de este grupo. Al parecer, estas enzimas adicionales aseguran la unión del grupo modulador a un residuo de aminoácido estrictamente definido de la cadena polipeptídica de la enzima reguladora, así como su escisión selectiva. Ejemplos del funcionamiento de tales mecanismos reguladores incluyen: activación de la glucógeno fosforilasa por su fosforilación, activación de la glutamato deshidrogenasa por su adenilación, disminución de la actividad del complejo piruvato deshidrogenasa como resultado de su fosforilación, disminución de la actividad de la glucógeno sintetasa por su fosforilación. El ciclo completo de regulación de la actividad enzimática mediante su modificación covalente se puede ilustrar utilizando el ejemplo de la glucógeno fosforilasa de los hepatocitos.
3. Interacción proteína-proteína
Según los conceptos modernos, las enzimas de rutas metabólicas individuales se combinan en las células, principalmente en complejos de metabolones multienzimáticos. En dichos metabolones, cada enzima está en contacto con una o más enzimas de esta vía metabólica. Por tanto, la conformación, y por tanto la actividad catalítica de cada enzima individual, dependerá del estado de otras enzimas en contacto con ella. Por tanto, un cambio en la actividad catalítica de la enzima reguladora incluida en el metabolón, provocado, por ejemplo, por la adición de un modulador alostérico, irá acompañado de un cambio en la actividad de otras enzimas del metabolón, ya que su conformación como parte del complejo proteico supramolecular también sufrirá ciertos cambios. Las células y el líquido extracelular contienen proteínas que pueden interactuar con proteínas enzimáticas, regulando su actividad. Estas proteínas se llaman proteínas moduladoras.
Así, la composición de las lipoproteínas del plasma sanguíneo incluye apoproteínas apo-C-II y apo-C-I, que, al interactuar con las enzimas lipoproteína lipasa y lecitina colesterol aciltransferasa, respectivamente, aumentan su actividad. El plasma sanguíneo también contiene la proteína moduladora antitrombina-III, que interactúa con la enzima del sistema de coagulación sanguínea trombina, inactivando esta última.
Un ejemplo de proteína moduladora intracelular es la calmodulina. Está presente en estado libre e inactivo en el citosol de las células de diversos órganos y tejidos. Con un aumento en la concentración de iones Ca2+ en el citosol, se forma un complejo Ca-calmodulina, la conformación de la calmodulina cambia y el complejo Ca-calmodulina adquiere la capacidad de interactuar con varias enzimas intracelulares. Durante esta interacción, la conformación de la proteína-enzima cambia y, en consecuencia, cambia su actividad catalítica. Cuando la concentración de Ca2+ en el citosol disminuye, el complejo Ca-calmodulina se desintegra y la calmodulina libre, debido a un cambio en la conformación de la molécula, pierde su afinidad por la enzima. Como resultado, la enzima se libera del complejo y su actividad catalítica vuelve a su nivel original. Este método regula la actividad catalítica de enzimas como la guanilato ciclasa, la nucleótido fosfodiesterasa cíclica, la piruvato carboxilasa, la NAD quinasa, etc. (ver diagrama en la página siguiente).
4. El papel de la inhibición competitiva y no competitiva en la regulación de la actividad enzimática en la célula.
Estas variantes de los mecanismos para regular la actividad enzimática en las células se utilizan muy raramente. Un ejemplo de inhibición competitiva utilizada en una célula para regular su propio metabolismo es la inhibición de la actividad de la succinato deshidrogenasa, una enzima del ciclo de los ácidos tricarboxílicos, por altas concentraciones de ácido oxaloacético o malato, que son productos intermedios de la misma vía metabólica. . Reducir su concentración en la matriz mitocondrial, donde opera esta vía metabólica, elimina la inhibición, es decir, el efecto regulador es reversible.
Hay que tener en cuenta que los fármacos suelen ser inhibidores competitivos o no competitivos de diversas enzimas. Así, el fármaco alopurinol, utilizado en el tratamiento de la gota, es un inhibidor competitivo típico de la enzima xantina oxidasa, que actúa en la célula en la etapa final de la vía metabólica para la síntesis de ácido úrico. Una disminución de la actividad de esta enzima provoca una caída de la concentración de ácido úrico en la sangre y los tejidos y previene la nueva precipitación de cristales de ácido úrico en los tejidos, característica de la gota.
El fármaco estrofantina G, utilizado en el tratamiento de la insuficiencia cardíaca aguda, es un inhibidor no competitivo de la K,Na-ATPasa de las membranas celulares externas de los miocardiocitos. Existe la opinión de que el efecto terapéutico de este fármaco se debe a la normalización de la composición iónica del ambiente interno de los miocardiocitos como resultado de la corrección de la actividad de esta enzima de membrana.
Entre las muchas enzimas presentes en la célula, no todas son reguladoras. Sin embargo, casi todas las vías metabólicas incluyen una o más (2, a veces incluso 3) enzimas que controlan la intensidad del flujo de metabolitos a lo largo de una vía metabólica particular. Estas enzimas suelen catalizar reacciones que son irreversibles por razones termodinámicas; a menudo son las enzimas que tienen la actividad catalítica más baja entre todas las enzimas en una vía metabólica determinada y, por lo tanto, controlan la tasa de flujo de materia a través de la vía metabólica determinada en su conjunto; normalmente catalizan una de las primeras reacciones de una vía metabólica determinada, lo que evita la acumulación de intermediarios de la vía metabólica en la célula cuando disminuye la actividad enzimática. Estos tipos de enzimas, que controlan el flujo de metabolitos a lo largo de la vía metabólica y son capaces de responder con cambios de actividad a las influencias reguladoras, se denominan "enzimas clave"; a veces también se les llama "enzimas marcapasos". Ejemplos de tales enzimas son la aspartato carbamoiltransferasa (vía metabólica para la síntesis de nucleótidos de pirimidina), la fosfofructoquinasa (glucólisis) o la isocitrato deshidrogenasa (ciclo del ácido tricarboxílico de Krebs).
5. Transferencia de sustancias a través de las membranas celulares.
Para regular su metabolismo, una célula puede utilizar cambios en la permeabilidad de la membrana, incluida tanto la permeabilidad de la membrana externa como las membranas que separan sus compartimentos individuales. Esto puede regular tanto la concentración de sustratos para una ruta metabólica particular (por ejemplo, la concentración de acetil-CoA en el citosol para la síntesis de ácidos grasos superiores provenientes de la matriz mitocondrial) como la concentración de cofactores provenientes de un compartimento celular a otro (por ejemplo, ADP, procedente del citosol hacia la matriz mitocondrial).
La transferencia de sustancias a través de las membranas celulares se puede realizar mediante tres tipos principales de procesos:
a) difusión simple,
b) difusión facilitada,
c) transporte activo.
La intensidad de la difusión simple, es decir la transferencia de sustancias a través de la membrana a lo largo de un gradiente de concentración a través de la bicapa lipídica o a través de canales en la bicapa lipídica se regula, en primer lugar, cambiando el estado conformacional de la membrana o su microviscosidad y, en segundo lugar, cambiando la concentración del metabolito transportado. en diferentes lados de la membrana. El estado de la membrana puede cambiar debido a cambios en su composición, por ejemplo, debido a cambios en el contenido de colesterol en las membranas, y los cambios en el gradiente de concentración del metabolito en relación con la membrana pueden cambiar debido a su producción o uso en uno de los compartimentos celulares.
Regulación de la difusión dotada, es decir. La transferencia de sustancias a través de la membrana a lo largo de un gradiente de concentración con la participación de un portador se lleva a cabo tanto por la acción de los factores mencionados anteriormente como por dos nuevos mecanismos: cambios en el contenido del portador en la membrana o debido a cambios en el estado funcional del estado de los transportistas existentes. Así, cuando la insulina actúa sobre las células que tienen receptores para esta hormona, aumenta el número de proteínas transportadoras de glucosa en sus membranas externas. Cambios en la intensidad del transporte activo, es decir. la transferencia de sustancias a través de membranas con la participación de un portador contra un gradiente de concentración, que viene con el gasto de energía, se produce, en primer lugar, debido al trabajo de los mecanismos que regulan los procesos de difusión facilitada y, en segundo lugar, debido a cambios en la cantidad. de energía disponible. A su vez, la energía se suministra proporcionando energía ATP a los mecanismos de transporte o mediante gradientes electroquímicos transmembrana creados por la célula, por ejemplo, gradientes de H+ o gradientes de iones Na+.
Así, en el curso de la evolución, la naturaleza ha creado diversos mecanismos que permiten a las células regular tanto la intensidad de los procesos metabólicos en general como los mecanismos de regulación selectiva del trabajo de una u otra vía metabólica. Todos los mecanismos reguladores que operan en el cuerpo se pueden dividir en dos niveles: 1. Mecanismos que proporcionan regulación a nivel de células individuales o mecanismos reguladores intracelulares.
2. Mecanismos que aseguran la regulación de los procesos metabólicos a nivel de todo el organismo: mecanismos reguladores supracelulares.
Cada uno de estos niveles se puede dividir en subniveles. Así, dentro del nivel de regulación intracelular se pueden distinguir los siguientes subniveles:
subnivel de reacciones químicas individuales,
subnivel de vías metabólicas,
subnivel de orgánulos celulares,
subcapa de la red de vías metabólicas. Y el nivel de regulación supracelular se puede dividir en subniveles:
subnivel de un tejido particular
subnivel de un órgano en particular
subnivel del sistema de órganos
subnivel de todo el organismo.
Sección 3 1.
La segunda versión de la clasificación se basa en la naturaleza química de las hormonas. Según su naturaleza química, las hormonas se dividen en 4 clases:
1. Hormonas de naturaleza proteica, pudiendo distinguirse en esta clase dos subclases:
a) hormonas, proteínas simples (insulina, somatotropina);
b) las hormonas son proteínas complejas (hormona estimulante de la tiroides, hormonas gonadotrópicas), por naturaleza química son glicoproteínas)
2. Hormonas polipeptídicas (liberinas y estatinas del hipotálamo, vasopresina y oxitocina, glucagón, corticotropina).
3. Hormonas derivadas de aminoácidos (melatonina, adrenalina, tironinas yodadas).
4. Hormonas esteroides (cortisol, aldosterona, progesterona, estradiol, testosterona).
2. Células diana y receptores hormonales.
Las células capaces de responder de una forma u otra a la influencia de una hormona se denominan células diana de esta hormona. A su vez, los órganos o tejidos en los que la exposición a una hormona provoca una reacción bioquímica o fisiológica específica se denominan órganos diana o tejidos diana de una determinada hormona. Sólo hay que tener en cuenta que un determinado tejido suele contener varios tipos de células diferenciadas y no todas responden a la influencia de una determinada hormona.
Para que una célula responda a la aparición de una hormona u otra molécula de señalización en su entorno, debe tener estructuras especializadas capaces de reconocer estas moléculas de señalización. Estas estructuras especializadas son receptores celulares. Por su naturaleza química, los receptores celulares son proteínas glicoproteicas complejas que tienen en su estructura centros funcionales especializados que son capaces de interactuar selectivamente con una u otra molécula de señalización.
Todos los receptores son proteínas multidominio. En uno de los dominios se encuentra un centro de unión para la molécula señal, el llamado dominio de reconocimiento. Además del dominio de reconocimiento, los receptores siempre contienen un dominio responsable de desencadenar mecanismos intracelulares que aseguran la respuesta de la célula a una señal reguladora externa; este es el llamado dominio de conjugación. La interacción del centro de unión del receptor con su molécula de señalización, por ejemplo con una hormona, cambia la conformación del dominio de reconocimiento; una ola de cambios conformacionales también afecta el dominio de acoplamiento, lo que conduce a la "activación" del receptor y la inclusión. de mecanismos intracelulares para implementar una señal regulatoria externa.
3. Hormonas liberadoras (liberinas)
1. La hormona liberadora de tirotropina (TRH) estimula la liberación de la hormona estimulante de la tiroides (TSH) de la glándula pituitaria.
2. La hormona corticotrópica (CRH) estimula la liberación de la hormona adrenocorticotrópica (ACTH) de la glándula pituitaria.
3. La hormona liberadora de gonadotropina (GnRH) estimula la liberación de la hormona luteinizante (LH) y la hormona folículo estimulante (FSH) de la glándula pituitaria.
4. La hormona liberadora de somatotropina (STH-RG) estimula la liberación de hormona somatotrópica (STH) de la glándula pituitaria.
También se supone que en el hipotálamo existen prolactoliberina (PRL-RH) y liberina, hormona estimulante de los melanocitos (MSH-RH), pero hasta ahora no ha sido posible obtenerlas en una forma altamente purificada. b). Estatinas 1. Somatostatina (SS), que inhibe la liberación de la hormona del crecimiento desde la glándula pituitaria; además, inhibe la liberación de TSH.
2. Péptido asociado a gonadotropina (GAP), que inhibe la liberación de prolactina (PRL) de la glándula pituitaria; Además, la dopamina inhibe fuertemente la liberación de PRL. A veces, la HAP y la dopamina se combinan bajo el nombre de hormonas inhibidoras de la prolactina (PIH). También se ha sugerido la existencia de melanostatina (MSH-S), pero su existencia no ha sido confirmada.
El tercer grupo de hormonas hipotalámicas consta de dos hormonas, la oxitocina y la vasopresina, que, sintetizadas en el hipotálamo, ingresan al lóbulo posterior de la glándula pituitaria, donde se acumulan temporalmente y luego ingresan al torrente sanguíneo. Las hormonas pituitarias también se pueden dividir en tres grupos. El primer grupo está formado por hormonas de la glándula pituitaria anterior, que estimulan la actividad de las glándulas endocrinas periféricas. Éstas incluyen:
1. TSH, que estimula la síntesis de tetrayodotironina (T4) y triyodotironina (T3) en la glándula tiroides.
2. ACTH, que estimula la síntesis de glucocorticoides por la corteza suprarrenal.
3. LH y FSH, que estimulan la síntesis de hormonas sexuales en los testículos y los ovarios.
4. En el trabajo de los mecanismos reguladores que utilizan AMPc, GMPc o productos de hidrólisis de fosfátidos de inositol como segundos mensajeros, hay un punto en común: los sistemas incluyen mecanismos de amplificación de señales. Una hormona u otra molécula señalizadora, al conectarse a un receptor, activa una enzima que genera la formación de muchas moléculas en la célula que actúan como segundo mensajero. A su vez, el segundo mensajero también activa una enzima que puede cambiar rápidamente la actividad funcional de una gran cantidad de moléculas de proteínas diferentes, directamente responsables de la formación de la respuesta metabólica de las células. El mecanismo de acción de las hormonas depende en gran medida de las propiedades fisicoquímicas de las moléculas hormonales. Las hormonas proteicas, las hormonas peptídicas, las hormonas derivadas de aminoácidos, con excepción de las tironinas yodadas, así como otras moléculas de señal similares en naturaleza química, que tienen propiedades hidrófilas, no pueden penetrar las membranas externas de las células. Los receptores de estos biorreguladores se localizan en el exterior de la membrana celular externa, por lo que se requiere un mecanismo especial para asegurar la transformación de la señal reguladora extracelular en una señal intracelular. Como regla general, esto se asocia con la síntesis en la célula de compuestos que actúan como mensajeros intracelulares o "segundos mensajeros" que aseguran la formación de una respuesta metabólica de las células a una señal reguladora externa.
5. Las hormonas de naturaleza esteroide y las tironinas yodadas, que tienen propiedades hidrófobas, pueden penetrar a través de la membrana externa hacia las células y, uniéndose a sus receptores en el citosol o el núcleo, participan ellas mismas en la formación de la respuesta metabólica de las células a un regulador externo. señal, y por lo tanto estos biorreguladores no necesitan intermediarios del tipo "segundo mensajero". El efecto regulador de las hormonas del primer grupo se basa principalmente en cambios en la actividad funcional de las proteínas que ya existen en la célula, mientras que los efectos reguladores de los esteroides Las hormonas y las tironinas yodadas se basan principalmente en cambios en la eficiencia de la expresión genética y, sobre esta base, en cambios en la cantidad de proteínas en la célula. Por supuesto, cuando se exponen a hormonas proteicas, hormonas peptídicas y hormonas derivadas de aminoácidos, también pueden ocurrir cambios en la eficiencia de la expresión genética, pero esto es el resultado de la influencia de proteínas reguladoras modificadas en el genoma celular, cuya estructura Suele cambiar con la participación indirecta de mensajeros intracelulares. Estos compuestos se conocen como mensajeros intracelulares o segundos mensajeros, cuyos representantes más famosos son AMPc, GMPc, iones Ca +, productos de escisión del trifosfato de inositol, trifosfato de inositol y diacilglicerol.
Sección 4. 1. INSULINA
La insulina es una hormona proteica. Es sintetizado por las células B del páncreas. La insulina es una de las hormonas anabólicas más importantes. La unión de la insulina a las células diana conduce a procesos que aumentan la tasa de síntesis de proteínas, así como la acumulación de glucógeno y lípidos en las células, que son una reserva de material plástico y energético. La insulina, posiblemente por su efecto anabólico, estimula el crecimiento y la reproducción celular.
La molécula de insulina consta de dos cadenas polipeptídicas, la cadena A y la cadena B. La cadena A contiene 21 residuos de aminoácidos y la cadena B contiene 30. Estas cadenas están conectadas por dos puentes disulfuro: uno entre A7 y B7 (número de aminoácidos, contando desde los extremos N-terminales de las cadenas polipeptídicas), el segundo entre A20 y B19. El tercer puente disulfuro se encuentra en la cadena A, uniendo A6 y A11.
El principal estímulo fisiológico para la liberación de insulina de las células B a la sangre es un aumento de la glucosa en sangre.
El efecto de la insulina sobre el metabolismo de los carbohidratos se puede caracterizar por los siguientes efectos:
1. La insulina aumenta la permeabilidad de las membranas celulares a la glucosa en los llamados tejidos insulinodependientes.
2. La insulina activa la degradación oxidativa de la glucosa en las células.
3. La insulina inhibe la degradación del glucógeno y activa su síntesis en los hepatocitos.
4. La insulina estimula la conversión de glucosa en triglicéridos de reserva.
5.La insulina inhibe la gluconeogénesis al reducir la actividad de ciertas enzimas de la gluconeogénesis.
El efecto de la insulina sobre el metabolismo de los lípidos consiste en la inhibición de la lipólisis en los lipocitos debido a la desfosforilación de la triacilglicerol lipasa y la estimulación de la lipogénesis.
La insulina tiene un efecto anabólico sobre el metabolismo de las proteínas: estimula el suministro de aminoácidos a las células, estimula la transcripción de muchos genes y, en consecuencia, estimula la síntesis de muchas proteínas, tanto intracelulares como extracelulares.
2.TIRONINAS
La glándula tiroides produce dos hormonas, 3,5,3-triyodotironina (T3) y 3,5,3,5-tetrayodotironina (tiroxina, T4), que desempeñan un papel importante en la regulación del metabolismo general, el desarrollo y la diferenciación de tejidos. La formación de estas hormonas se produce durante el procesamiento postranscripcional de la proteína tiroglobulina específica, durante el cual se organiza el yodo acumulado en las células de la glándula tiroides. La proteólisis intracelular posterior de la tiroglobulina yodada conduce a la liberación de hormonas.
La síntesis de tironinas yodadas se produce en los tirocitos de la glándula tiroides como parte de la proteína yodotiroglobulina.
La síntesis de tiroglobulina ocurre en los ribosomas del tirocito en la parte basal de la célula, luego en las cisternas del retículo endoplásmico rugoso y luego en el aparato de Golgi, la glicosilación de las cadenas polipeptídicas de la molécula ocurre con la adición de aproximadamente dos docenas de bloques de oligosacáridos.
La inactivación de las hormonas tiroideas se lleva a cabo de varias maneras: pueden sufrir desyodación, desaminación y descarboxilación. En todos estos casos, las hormonas pierden su actividad biológica. En el hígado, los productos de degradación de las hormonas tiroideas pueden sufrir conjugación y posterior liberación a la bilis.
Los receptores de hormonas tiroideas se encuentran en las células de diversos órganos y tejidos. Los receptores de baja afinidad se encuentran en el citosol de las células, mientras que los receptores de alta afinidad se encuentran en los núcleos de las mismas células. La administración de tiroxina a animales de experimentación va acompañada del desarrollo de un balance positivo de nitrógeno, aumenta la producción de calor y conduce a un aumento de la actividad de muchos sistemas enzimáticos. Hasta la fecha, se ha demostrado que la introducción de la hormona conduce a un aumento de la actividad de más de 100 enzimas. Este aumento en la actividad de una gran cantidad de enzimas probablemente refleja el pronunciado efecto estimulante de la hormona sobre la síntesis de proteínas en muchos órganos y tejidos.
La introducción de hormonas tiroideas conduce a un aumento de la producción de calor, pero este aumento de la producción de calor no se debe al desacoplamiento de la oxidación y la fosforilación en las mitocondrias, sino a un aumento del consumo de ATP en las células en procesos dependientes de energía.
3.ADRENALINA
Las células cromafines de la médula suprarrenal producen un grupo de sustancias biológicamente activas llamadas catecolaminas, que incluyen adrenalina, norepinefrina y dopamina, que desempeñan un papel importante en la adaptación del cuerpo al estrés agudo y crónico, especialmente en la formación del sistema de “lucha o huida” del cuerpo. " respuesta. Durante el desarrollo de esta reacción, se produce una movilización urgente de recursos energéticos en el cuerpo: se acelera la lipólisis en el tejido adiposo, se activa la glucogénesis en el hígado y se estimula la glucogenólisis en los músculos.
Todas las catecolaminas se sintetizan a partir del aminoácido tirosina, y la adrenalina representa aproximadamente el 80% de las catecolaminas producidas en la médula suprarrenal. La síntesis comienza con la conversión de tirosina en dihidroxifenilalanina (DOPA), una reacción catalizada por la enzima tirosina hidroxilasa. El grupo protésico de la enzima es la tetrahidrobiopterina. Durante la siguiente reacción, la DOPA se descarboxila con la participación de la enzima DOPA descarboxilasa, el grupo protésico de esta enzima es el fosfato de piridoxal.
Se forma DOPamina. Durante la oxidación, el ácido ascórbico se utiliza como donante de electrones (cosustrato de reacción). En la reacción final, la norepinefrina se metila en el grupo amino, convirtiéndola en adrenalina; la S-adenosilmetionina se utiliza como donante del grupo metilo.
Bajo la influencia de los impulsos nerviosos que ingresan a la médula suprarrenal a través del nervio celíaco, los gránulos de cromafina se fusionan con la membrana plasmática y liberan catecolaminas al torrente sanguíneo. La adrenalina que ingresa al torrente sanguíneo en forma de un complejo débilmente asociado con la albúmina se transporta a través del torrente sanguíneo a otros órganos y tejidos.
La duración de la existencia de adrenalina en el torrente sanguíneo se mide en un tiempo del orden de 10 a 30 segundos; su concentración en plasma sanguíneo normalmente no supera los 0,1 μg/l (menos de 0,55 nM/l). La inactivación de la adrenalina, al igual que otras catecolaminas, puede ocurrir por su desaminación oxidativa o por O-metilación. Los principales productos finales de la inactivación de la epinefrina excretados en la orina son la metanefrina y el ácido vainilmandélico.
Cuando la hormona se une a los receptores b1 y b2, se activa la adenilato ciclasa, mediada por la interacción de los receptores activados con las proteínas Gs, lo que se acompaña de un aumento en la concentración de AMPc en la célula. Cuando la hormona interactúa con el receptor a2 con la participación de la proteína Gi, se inhibe la adenilato ciclasa y la concentración de AMPc en la célula disminuye.
En el caso de la acción de la adrenalina, a través de los receptores b2 se estimula la degradación del glucógeno en el hígado con la liberación de glucosa al torrente sanguíneo, y al mismo tiempo se produce una ligera estimulación de la gluconeogénesis en los hepatocitos. En los músculos, la adrenalina estimula la glucogenólisis a través de los receptores b2. A través de este tipo de receptor, la adrenalina aumenta la secreción de insulina y glucagón en el páncreas o la secreción de renina en los riñones.
4. GLUCAGÓN
El glucagón es una hormona polipeptídica secretada por las células a del páncreas. La función principal de esta hormona es mantener la homeostasis energética del organismo mediante la movilización de recursos energéticos endógenos, lo que explica su efecto catabólico general.
La cadena polipeptídica del glucagón incluye 29 residuos de aminoácidos, su peso molecular es 4200 y no contiene cisteína. El glucagón se sintetizó químicamente, lo que finalmente confirmó su estructura química.
El sitio principal de síntesis de glucagón son las células a del páncreas, pero también se producen cantidades bastante grandes de esta hormona en otros órganos del tracto gastrointestinal. El glucagón se sintetiza en los ribosomas de las células A en forma de un precursor más largo con un peso molecular de aproximadamente 9000. Durante el procesamiento, se produce un acortamiento significativo de la cadena polipeptídica, después de lo cual el glucagón se secreta en la sangre. En la sangre se encuentra en forma libre, su concentración en el suero sanguíneo es de 20-100 ng/l. Su vida media es de aproximadamente 5 minutos. La parte principal del glucagón se inactiva en el hígado mediante la escisión hidrolítica de 2 residuos de aminoácidos del extremo N de la molécula.
La secreción de glucagón por las células α del páncreas es inhibida por niveles elevados de glucosa en la sangre, así como por la somatostatina secretada por las células D del páncreas. Es posible que la secreción de glucagón también sea inhibida por la insulina o el IGF-1. La secreción es estimulada por una disminución de la concentración de glucosa en sangre, pero el mecanismo de este efecto no está claro. Además, la secreción de glucagón es estimulada por la hormona del crecimiento pituitaria, la arginina y el Ca2+.
El mecanismo de acción del glucagón está bastante bien estudiado. Los receptores de la hormona se localizan en la membrana celular externa. La formación de complejos de receptores hormonales se acompaña de la activación de la adenilato ciclasa y un aumento de la concentración de AMPc en las células, acompañada de la activación de la proteína quinasa y la fosforilación de proteínas con un cambio en la actividad funcional de esta última.
Bajo la influencia del glucagón en los hepatocitos, la movilización de glucógeno se acelera con la liberación de glucosa a la sangre. Este efecto de la hormona se debe a la activación de la glucógeno fosforilasa y la inhibición de la glucógeno sintetasa como resultado de su fosforilación. Cabe señalar que el glucagón, a diferencia de la adrenalina, no afecta la tasa de glucogenólisis en los músculos.
El glucagón activa el proceso de gluconeogénesis en los hepatocitos: en primer lugar, acelera la degradación de proteínas en el hígado y los aminoácidos resultantes se utilizan como sustratos para la gluconeogénesis; en segundo lugar, aumenta la actividad de una serie de enzimas, como la fructosa-1,6-bisfosfatasa, la fosfoenolpiruvato carboxiquinasa, la glucosa-6-fosfatasa, que participan en la gluconeogénesis tanto mediante la activación de las enzimas existentes como mediante la inducción de su síntesis. Debido a la activación de la gluconeogénesis, también se produce un aumento en el flujo de glucosa a la sangre. La aceleración del uso de aminoácidos para la gluconeogénesis se acompaña de un aumento en el volumen de síntesis de urea y un aumento en la cantidad de urea excretada en la orina.
El glucagón estimula la lipólisis en los lipocitos, aumentando así el flujo de glicerol y ácidos grasos superiores a la sangre. En el hígado, la hormona inhibe la síntesis de ácidos grasos y colesterol a partir de acetil-CoA, y la acetil-CoA acumulada se utiliza para la síntesis de cuerpos de acetona. Por tanto, el glucagón estimula la cetogénesis.
En los riñones, el glucagón aumenta la filtración glomerular, lo que aparentemente explica el aumento de la excreción de iones de sodio, cloro, potasio, fósforo y ácido úrico observado tras la administración de glucagón.
5. CORTISOL
El principal glucocorticoide en humanos es el cortisol: en las glándulas suprarrenales se sintetizan de 10 a 30 mg de cortisol y de 2 a 4 mg de otro glucocorticoide, la corticosterona, por día. Las hormonas de la corteza suprarrenal, especialmente los glucocorticoides, desempeñan un papel importante en la adaptación al estrés severo.
La estructura de todas las hormonas esteroides se basa en el núcleo de ciclopentano perhidrofenantreno, que tiene 17 átomos de carbono e incluye cuatro ciclos o anillos, designados con las letras A, B, C y D.
La síntesis de cortisol se produce en las células de la zona fasciculada y la zona reticular de la corteza suprarrenal. El compuesto de partida para la síntesis de cortisol es el colesterol; ingresa a las células de la corteza suprarrenal desde la sangre, solo una pequeña parte se forma en las células mediante síntesis a partir de acetil-CoA.
La secreción de cortisol está muy influenciada por el estrés físico y emocional, la ansiedad, el miedo, etc., pero todos estos efectos están mediados por el sistema nervioso a través del vínculo de regulación hipotalámica.
La administración de cortisol conduce a un aumento del contenido de ácidos grasos superiores en el plasma sanguíneo. Esto puede ser en parte el resultado de la estimulación de la lipólisis en las células del tejido adiposo. Curiosamente, cantidades excesivas de cortisol estimulan la lipólisis en el tejido adiposo de las extremidades, pero al mismo tiempo se estimula la lipogénesis en el tejido adiposo del tronco y la cara. La inhibición de la entrada de glucosa en las células de los tejidos periféricos contribuye en cierta medida al aumento del nivel de ácidos grasos superiores: en primer lugar, la falta de glucosa en las células de los tejidos periféricos conduce a una mayor movilización de los triglicéridos de reserva y, en segundo lugar, la falta de glucosa en los lipocitos conduce a una falta de fosfodihidroxiacetona en ellos, que es necesaria para la síntesis de triglicéridos, los ácidos grasos superiores no utilizados también ingresan a la sangre desde los lipocitos.
Una célula viva es un sistema abierto que intercambia constantemente sustancias y energía con el entorno externo. Los nutrientes ingresan a la célula, que se utilizan como materiales de construcción y energía, y los productos finales del metabolismo se eliminan de la célula.
En la célula ocurren constantemente una gran cantidad de reacciones químicas diferentes, que forman vías metabólicas: la secuencia de transformación de un compuesto en otro. El metabolismo es la totalidad de todas las vías metabólicas que ocurren en el cuerpo.
Se dividen en catabolismo (la descomposición de sustancias complejas en simples con liberación de energía) y anabolismo (la síntesis de sustancias más complejas a partir de sustancias simples).
Todos los caminos están coordinados entre sí en el tiempo y el espacio. Esta coherencia de los procesos metabólicos está garantizada por complejos mecanismos reguladores.
Organizar reacciones químicas en vías metabólicas.
La actividad óptima de las enzimas que regulan las reacciones de la vía metabólica se consigue gracias a una determinada organización en la célula.
Localización espacial de enzimas.
La mayoría de las enzimas se localizan dentro de la célula, y las enzimas de una vía metabólica se encuentran en un compartimento de la célula. La separación de vías metabólicas es importante para procesos opuestos. Por ejemplo, la síntesis de ácidos grasos se produce en el citoplasma y su descomposición en las mitocondrias. Si tal división no existiera, entonces surgirían vías fisiológicamente inútiles.
En las vías metabólicas, el producto de la primera reacción sirve como sustrato para la segunda, y así sucesivamente hasta que se forma el producto final. Los intermedios de una vía pueden liberarse de reacciones sucesivas y usarse en otras vías metabólicas, p. Todas las vías metabólicas están interconectadas.
La organización espacial de las enzimas puede ser tan pronunciada que el producto de la reacción no pueda aislarse de la ruta metabólica y necesariamente sirva como sustrato para la siguiente reacción.
Esta organización de la vía metabólica se denomina complejo multienzimático. Estos complejos están asociados con membranas. Un ejemplo de tal complejo es el complejo de piruvato deshidrogenasa, bajo cuya influencia se produce la descarboxilación oxidativa del ácido pirúvico.
Estructura de la vía metabólica
Las vías metabólicas se dividen en 4 tipos. Si el sustrato se convierte en un producto, entonces este camino se llama lineal(glucólisis). Más común ramificado vías: cuando se sintetizan diferentes productos según las necesidades de la célula (síntesis de nucleótidos). También existen vías metabólicas cíclicas (ciclo del ácido tricarboxílico) y helicoidales (β-oxidación de ácidos grasos).
Especificidad de órgano
Las enzimas se encuentran en todas las células del cuerpo. Durante el proceso de diferenciación celular, su composición enzimática también cambia. Por ejemplo, la enzima arginasa, que participa en la síntesis de urea, se encuentra en las células del hígado. Esta es la llamada enzima específica de órganos.
Compartimentación
El funcionamiento de la célula está garantizado por la regulación espacial y temporal de las vías metabólicas. La regulación espacial está asociada con la localización de determinadas enzimas en varios orgánulos. En el núcleo hay enzimas asociadas con la síntesis de ADN y ARN, en el citoplasma - enzimas glicolíticas, en los lisosomas - enzimas hidrolíticas, en las mitocondrias - enzimas del ciclo del ácido tricarboxílico y de la cadena de transporte de electrones.
Principios de regulación de las vías metabólicas.
Todas las reacciones químicas en una célula ocurren con la participación de enzimas. Para influir en la velocidad de una vía metabólica, basta con regular la cantidad o actividad de las enzimas. Cada vía metabólica tiene enzimas clave que regulan la velocidad de toda la vía. Estas enzimas se llaman enzimas reguladoras.
La regulación de la velocidad de las reacciones enzimáticas se realiza en 3 niveles:
Cambio en el número de moléculas de enzima.
Disponibilidad de sustrato y coenzima.
Cambio en la actividad catalítica enzimática.
Regulación del número de moléculas de enzimas en la célula.
En la célula, se produce constantemente la síntesis y degradación de la molécula de proteína enzimática.
Enzima de aminoácidos
La regulación de la síntesis de enzimas puede ocurrir en cualquier etapa de la formación de una molécula de proteína. La regulación más estudiada de la síntesis de moléculas de proteínas es a nivel de transcripción, que la llevan a cabo hormonas y moléculas biológicamente activas. La degradación enzimática está menos estudiada.
Regulación de la velocidad de la reacción enzimática por la disponibilidad de sustrato y coenzima.
El parámetro principal y necesario que regula la velocidad de la vía metabólica es la presencia del primer sustrato. Cuanto mayor sea su concentración, mayor será la velocidad de la vía metabólica.
Otro parámetro es la presencia de coenzimas regeneradas. En las reacciones de deshidrogenación, la coenzima de las deshidrogenasas son las formas oxidadas de NAD+, FAD, FMN, que se reducen durante la reacción. Para que las coenzimas vuelvan a participar en la reacción, es necesario que vuelvan a adoptar una forma oxidada.
Regulación de la actividad catalítica enzimática.
Regulación alostérica
Regulación por interacciones proteína-proteína.
Regulación por fosforilación/desfosforilación de enzimas.
Regulación por proteólisis
Regulación alostérica
Las enzimas con tal mecanismo regulador son, por regla general, proteínas oligoméricas. Consisten en varias (al menos 2) subunidades y tienen centros activos y alostéricos, que se encuentran en diferentes subunidades. La unión de un efector (metabolito celular) al centro alostérico provoca cambios conformacionales cooperativos en todos los protómeros.
Si un efector (activador) se une al sitio alostérico, la unión del sustrato al sitio activo aumenta y aumenta la velocidad de la reacción que cataliza esta enzima. Los reordenamientos conformacionales en el centro activo de la enzima aumentan o disminuyen su afinidad por el sustrato.
A medida que aumenta la concentración del activador en la célula, aumenta la velocidad de su unión en el centro alostérico. La conformación de la subunidad reguladora de la enzima cambia, se producen cambios conformacionales cooperativos en la enzima, la conformación del centro activo de la enzima cambia, la afinidad de la enzima por el sustrato y la velocidad de la reacción enzimática aumentan. A medida que disminuye la concentración del activador alostérico, disminuye la tasa de unión del ligando regulador en el centro alostérico. La conformación de la subunidad reguladora cambia, se producen cambios conformacionales cooperativos en la enzima, la conformación del centro activo cambia, la afinidad por el sustrato disminuye y la velocidad de reacción disminuye.
Si el efector es un inhibidor, entonces se reduce la afinidad de la enzima por el sustrato y la velocidad de su conversión en el producto.
Las enzimas alostéricas regulan la velocidad de las vías metabólicas, que son una secuencia de reacciones interconectadas catalizadas por diferentes enzimas.
E1 E2 E3 E4
La sustancia S se convierte en el producto P como resultado de 4 reacciones enzimáticas consecutivas. El producto de una reacción sirve como sustrato para la siguiente.
Las enzimas alostéricas catalizan:
Reacciones irreversibles o parcialmente reversibles.
Reacciones clave y más lentas
Reacciones en puntos de ramificación de la vía metabólica.
Moléculas reguladoras:
Productos finales de rutas metabólicas.
Sustratos de vías metabólicas.
Metabolitos intermedios o moléculas específicas.
Por ejemplo, el catabolismo de la glucosa a CO 2 y H 2 O se regula alostéricamente.
E1 E2 E3 Comer
glucosa B C M N ….. ……. CO2, H2O, ATP
La importancia de este proceso es la síntesis de ATP en la célula debido al catabolismo de la glucosa. A medida que aumenta la relación ATP/ADP, la velocidad de reacción de esta vía metabólica disminuye. De la secuencia anterior de reacciones enzimáticas, E3 es alostérica porque cataliza la reacción más lenta e irreversible.
Cuando aumenta el nivel de ATP en la célula.
El ATP interactúa con el sitio alostérico de la enzima E3.
Se producen cambios conformacionales cooperativos de la enzima E3.
La afinidad de E3 por el sustrato disminuye.
La actividad de la reacción catalizada por la enzima E3 disminuye y se ralentiza.
La velocidad de la vía metabólica disminuye.
