Bioenergética, Metabolismo y Regulación

MetabolismoActividad Celular altamente coordinada en el cual numerosos caminos metabólicos cooperan para:

1) Obtener energía química

2) Convertir nutrientes en precursores

3) Sintetizar polímeros

4) Sintetizar y degradar biomoléculas

Características generales de la química del metabolismo celular

• Alta diversidad de actividades químicas (¡De varios cientos a algunos miles!)

• Altas tasas de conversión de sustratos

• Especificidad

• Interdependencia entre reacciones

• El metabolismo mantiene concentraciones de metabolitos intermedios y energía en un estado estacionario

v1 v2

A S P

Si V1= V2 => [S] = cte

Estrategias metabólicas

Los organismos difieren en sus fuentes de energía, poder reductor, y fuentes de carbono

Las reacciones se organizan en secuencias o caminos metabólicos

Las enzimas que catalizan secuencias de reacciones están asociadas entre si espacialmente

A) Compartamentalización

Citosol

Mitocondrias/cloroplastos

Peroxisomas

B) Actividades enzimáticas asociadas espacialmente mediante interacciones funcionales

Metabolones

Gradient of PEP. The glycolytic hyperstructure containing 56 metabolons was localized to a pole, and the distribution of PEP and the enzymes were displayed. A freely diffusing enzyme consumed PEP. GlyC is the number of glycolytic metabolons, other abbreviations as in Fig. 1. Amar et al. BMC Systems Biology 2008 2:27   doi:10.1186/1752-0509-2-27

B) Varias actividades enzimáticas asociadas

Polipéptidos con varias actividades enzimáticas

C) Enzimas de membranas

Schematic of the glycerol metabolic pathway in E. coli. Protein members of the glycerol metabolic pathway includes glycerol facilitator (GlpF/AQP), a member of the aquaporin family of major intrinsic proteins. The soluble glycerol kinase (GK) phosphorylates glycerol to G3P. Another membrane protein constituent of this pathway is the transporter for the uptake of G3P (GlpT) with concomitant exit of Pi. Oxidation of G3P to DHAP is catalyzed by the monotopic membrane enzyme, glycerol-3-phosphate dehydrogenase (GlpD), a primary dehydrogenase. Concurrent with oxidation of G3P is reduction of flavin adenine dinucleotide (FAD) to FADH2, which passes on electrons to ubiquinone (UQ) forming the reduced form (UQH2) and ultimately shuttling electrons to oxygen or nitrate

Las vías metabólicas muestran acoplamientos funcionales. Ej: acoplamiento de catabolismo y anabolismo

Los sistemas ATP-ADP median conversiones en dos direcciones

Las conversiones ¨opuestas¨ están reguladas cinéticamente. Ej: ppk1/F26BPasa

Las vías metabólicas están reguladas mediante el control de la actividad enzimática así como de la cantidad de enzima

Selección natural de estrategias regulatorias que:

• 1) Maximizan la eficiencia de las vías.

• 2) Particionan metabolitos en caminos alternativos para proveer distintos productos finales.

• 3) Emplea el combustible mas conveniente para las necesidades del organismo.

• 4) Anula caminos biosintéticos cuando se acumulan productos.

Regulación

• Rápida o “Fina”: actúa a nivel de la actividad enzimática

• Lenta o “Gruesa”: actúa a nivel de la cantidad y localización de las enzimas

Regulación rápida o “Fina”

• Regulación por disponibilidad de sustrato

• Regulación alostérica

• Inhibición por producto final

• Metabolones

• Modificaciones covalentes

Regulación por disponibilidad de sustrato

Regulación alostérica

Regulación alostérica

Modificación Covalente

• Irreversible

– Activación por rotura proteolítica de precursores inactivos

• Enzimas de la digestión

• Cascada de coagulación

• Activación de caspasas en la apoptosis

Reversible

– Unión covalente de un grupo químico que altera lasPropiedades catalíticas de la enzima

– Fosforilación/desfosforilación– Oxidación-reducción– Acetilación-desacetilación– Adenililaciones

Ejemplo de modificaciones covalentes

Puentes disulfuro

Regulación lenta o “Gruesa”

• Regulación transcripcional

• Estabilidad de los RNAm

• Traducción

• Vida media de las proteínas

• Secuestro

• Asociación con proteínas regulatorias

¿Dónde regular?

• Enzimas claves

• Pasos exergónicos

¿Desde dónde regular?

• Regulación intracelular

• Regulación externa

Regulación intracelular

Regulación externa

Y ahora…

• Lo que se pretende con esta asignatura…