Tres niveles independientes de regulación del metabolismo
Para que las vías metabólicas funcionen sin fallos, la célula emplea un control estricto sobre la velocidad de las reacciones enzimáticas. Este control se implementa en tres niveles independientes que permiten responder tanto a cambios globales como locales en el entorno.
El primer nivel independiente es la modificación directa de la cantidad de moléculas enzimáticas dentro de la célula. Este parámetro está determinado por la sutil relación entre las velocidades de síntesis de nuevas estructuras proteicas y su posterior degradación. El mecanismo principal de regulación en esta etapa se lleva a cabo a nivel de la transcripción (el proceso de síntesis de ARNm). La síntesis de nuevas moléculas no ocurre de forma caótica; está estrictamente controlada por diversos metabolitos, señales hormonales y otras moléculas biológicamente activas.
El segundo nivel se basa en la disponibilidad de las moléculas de sustrato y coenzima. La presencia física del sustrato y la coenzima necesaria es un requisito obligatorio y básico para que se lleve a cabo cualquier reacción enzimática. Al mismo tiempo, se observa una clara dependencia: cuanto mayor sea la concentración inicial del sustrato en el medio, mayor será la velocidad de la propia reacción.
Modificación de la actividad catalítica de la molécula
El tercer nivel de regulación está relacionado con la alteración de la actividad catalítica de moléculas enzimáticas ya existentes y sintetizadas. Para ello, la célula utiliza varios métodos principales:
- Regulación alostérica.
- Regulación mediante interacciones proteína-proteína.
- Regulación por fosforilación-desfosforilación.
- Regulación por proteólisis parcial (limitada).
Cada uno de estos mecanismos permite ajustar instantáneamente el funcionamiento del biocatalizador a las necesidades metabólicas actuales.
Interacciones proteína-proteína
Dentro de este mecanismo, el cambio en la actividad de la enzima ocurre debido a su contacto físico directo con otras moléculas proteicas. Dicha regulación puede afectar la estructura cuaternaria de la enzima. Se distinguen dos mecanismos principales de esta interacción:
- Unión de proteínas activadoras. En este caso, la activación de la enzima ocurre estrictamente al unirse con una proteína reguladora específica. Un claro ejemplo es la activación de la enzima adenilato ciclasa, la cual se lleva a cabo mediante la subunidad $\alpha$ de la proteína G.
- Asociación y disociación de protómeros. Aquí, el cambio en la capacidad catalítica es causado por procesos de ensamblaje o descomposición de la estructura cuaternaria de la proteína (el complejo de sus subunidades). Un ejemplo clásico es la regulación de la enzima proteincinasa A, cuya actividad depende directamente de la disociación (separación) de las subunidades reguladoras y catalíticas.
Proteólisis limitada (parcial)
La proteólisis limitada representa un mecanismo fundamental para la conversión de un precursor inactivo (denominado proenzima o zimógeno) en una enzima activa plenamente funcional.
El mecanismo del proceso incluye el acortamiento puntual de la cadena peptídica de la proteína. Esta escisión de un fragmento conduce a un cambio a gran escala en las estructuras secundaria y terciaria de la enzima. Precisamente gracias a la reestructuración de la estructura secundaria y terciaria se produce la formación correcta del centro activo capaz de unirse al sustrato.
La característica clave de la proteólisis limitada es su irreversibilidad. A diferencia de muchos otros métodos de regulación, la conversión del zimógeno en su forma activa mediante el acortamiento de la cadena constituye una activación irreversible.
En resumen: respuestas a preguntas sobre el tema
¿Qué enzimas digestivas se activan mediante proteólisis limitada?
Mediante proteólisis limitada se activan las enzimas proteolíticas digestivas.
- Pepsina: se forma a partir del pepsinógeno inactivo al escindirse el péptido inhibidor.
- Tripsina: se forma a partir del tripsinógeno bajo la acción de la enteropeptidasa.
- Quimotripsina: se forma a partir del quimotripsinógeno en el jugo pancreático.
- Elastasa: se activa a partir de la proelastasa.
- Carboxipeptidasa: se forma a partir de la procarboxipeptidasa bajo la acción de la tripsina.
¿En qué consiste el mecanismo de regulación alostérica de las enzimas?
La esencia del mecanismo radica en la interacción del efector con el centro alostérico, lo que provoca cambios conformacionales en la estructura de la proteína.
Estos cambios conducen a una modificación cooperativa de la conformación de todas las subunidades de la enzima oligomérica. Como resultado, cambia la estructura espacial del centro activo y su afinidad por el sustrato específico. La unión del activador aumenta la afinidad y la velocidad de la reacción, mientras que el inhibidor reduce la afinidad del centro activo por el sustrato, inhibiendo la función de la enzima.
¿A partir de qué residuos de aminoácidos ocurre la regulación de las enzimas por fosforilación?
La regulación por fosforilación está descrita en las fuentes para los residuos de los siguientes aminoácidos:
- Serina.
- Treonina.
- Tirosina.
Ejemplos de las fuentes: la proteincinasa A fosforila proteínas específicas en los residuos de serina y treonina; el receptor de insulina se autofosforila en residuos de tirosina; la MAP cinasa se fosforila en residuos de treonina y tirosina.
¿Qué vías metabólicas se regulan mediante la fosforilación-desfosforilación de enzimas?
Mediante modificación covalente (fosforilación-desfosforilación) se regulan las principales vías del metabolismo de carbohidratos y lípidos.
- Metabolismo del glucógeno: se controlan los procesos de síntesis (a través de la glucógeno sintasa) y degradación (a través de la glucógeno fosforilasa).
- Glucólisis y gluconeogénesis: se lleva a cabo la alternancia de procesos en el hígado.
- Metabolismo del tejido adiposo (lipólisis y lipogénesis): se regula el catabolismo de las grasas mediante la modificación de la actividad de la triacilglicerol lipasa.
- Síntesis de colesterol: se controla mediante la modificación de la actividad de la HMG-CoA reductasa.
Preguntas de clases y exámenes
¿Qué son las enzimas clave y cuál es su papel?
Son biocatalizadores reguladores que están presentes en prácticamente todas las vías metabólicas. Su papel principal consiste en alterar su actividad en función de las necesidades de la célula en el producto final de una vía concreta.
¿En qué se diferencia el proenzima (zimógeno) de la enzima activa?
El proenzima es un precursor inactivo con un centro activo no formado. Adquiere la capacidad de acelerar reacciones únicamente tras modificar su estructura secundaria y terciaria durante el acortamiento parcial de la cadena peptídica.
¿Se puede revertir el proceso de proteólisis parcial?
No, el mecanismo de proteólisis limitada tiene el carácter de una activación irreversible. Tras la escisión de una parte de la cadena peptídica y la formación del centro activo, es imposible devolver la enzima al estado de zimógeno inactivo.
Qué más repasar sobre el tema
- Mecanismos de regulación alostérica de enzimas
- Regulación de la actividad mediante fosforilación y desfosforilación
- Bases moleculares del control transcripcional de las enzimas
- Estructura y funciones de las proteínas G en la activación de la adenilato ciclasa
- Estructura de la proteincinasa A y características de la disociación de sus subunidades
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