MECANISMOS ENZIMATICOS DE CONTROL

Y REGULACION DEL METABOLISMO

A. Modificación de la cantidad de enzimas

1. Estimulación e inhibición de la transcripción génica2. Estimulación e inhibición de la degradación de enzimas3. Cambios en la localización subcelular (secuestro de enzimas)

B. Modificación de la actividad enzimática 1. Efecto de modificadores alostéricos2. Modificación covalente (fosforilaciones y otros)3. Asociación a otras proteínas (enzimas, de membrana, del citoesqueleto)

s/gl

ucos

a

glc

30m

M

Músculo tibialis anterior (de conejo) sometido durante 30 min a estimulación eléctrica crónica de baja frecuencia (CLF):

Glicógeno sintasa (GS) y glicógeno fosforilasa (GPH) se mueven desde estructuras celulares presentes en un sedimento de 100.00 x g hacia la fracción soluble.

La glicógeno sintasa fosforilada en los sitios 1b, 2 y 2a, no se encuentra asociada a las estructuras esféricas que aparecen en el músculo estimulado correspondientes a enzima total o fosforilada en los sitios 1a, 3a o 3b.

En el músculo en reposo, la glicógeno sintasa se encuentra polarizada en la región perinuclear y en la miofibrillas. En el músculo estimulado la distribución cambia hacia pequeñas esferas discretas 0,5-1 u.

Las estructuras esféricas no tienen membrana, miden entre 0,25 y 1 u, contienen ß-actina, α-actinina y tropomiosina.

Las esferas se formarían por remodelación de la actina del citoesqueleto en microdominios discretos

.

La asociación de la glicógeno sintasa con las estructuras esféricas puede ser necesaria para iniciar la síntesis de glicógeno.

Una reorganización subcelular similar de la enzima se ha encontrado en adipocitos y hepatocitos frente a estímulos como glucosa e insulina.

Recordar que glicógeno sintasa debe estar asociada a glicogenina para inicar la síntesisde glicógeno. Ambas proteínas se asocian a actina del citoesqueleto.

Enzima bifuncional (sintetiza y degrada fructosa-2,6 bis-P)

Fosfofructoquinasa 2 – Fructosa1,6-bisfosfatasa 2

PFK2-FBPasa2

Modificación covalente de enzimas por fosforilación

Enzima-P Efecto

Piruvato quinasa -

PFK2-FBPasa2 - PFK2 +FBPasa2

Pir.deshidrogenasa -

Glicógeno sintasa -

Glicógeno fosforilasa +

Lipasa +

Acetil-CoA carboxilasa -

Regulación y control de las vías metabólicas

Análisis del control metabólico (MCA)

Enfoque tradicional

Enzima marcapaso

CJe

Coeficiente de control

de flujo ( )

Concepto de enzima limitante

Esta enzima ¿es la enzima limitante de la vía?

MCA approach

¿Cómo varía el flujo a través de la vía cuando cambia la

actividad de la enzima?

- El control del flujo metabólico puede ser compartido por todas las enzimas que forman parte de esa vía metabólica.

- Varias enzimas puede ejercer un control significativo sobre el flujo.

- La distribución del control del flujo puede variar al producirse algún cambio en el estado metabólico de la célula.

- La suma de los coeficientes de control de flujo de todas las enzimas de una vía metabólica debe ser igual a 1 ( Teorema de la suma).

X3

E1 E4E2 E3 E5

X0 X1 X2 X4 X5

Análisis del control metabólico (MCA)

Coeficiente de control del flujo

Caracterización cuantitativa de la influencia de cualquier enzima de la vía sobre el flujo a través de ella.

Se define como el cuociente entre el cambio fraccional del flujo por la vía y el cambio fraccional de la actividad enzimática.

CJe = Coeficiente de Control de Flujo

CJe =

log J log e

J = Flujo

e = Concentración de enzima

Coeficiente de control

El coeficiente de control de flujo se define como la pendiente de la tangente en un gráfico de logaritmo de flujo versus logaritmo de la cantidad de enzima (actividad enzimática)

Flux

(J)

MCA: coeficiente de control del flujo

≈ 1.0

≈ 0.5 ≈ 0.2

∂ lnJ C =

∂ lnE

J

E

La respuesta del flujo a un cambio en la cantidad deenzima depende de la posición del punto de partida

El coeficiente de control del flujo se define como la pendiente de la tangente en un gráfico de logaritmo del flujo versus el logaritmo de la cantidad de enzima

Concentración de enzima (E)

Síntesis de glicógeno (vía directa)

1 2 3 4

Glc glc-6-P glc-1-P UDP-glc glicógeno

1. Hexoquinasa

2. P-glucomutasa

3. UDPglc-pirofosforilasa

4. Glicógeno sintasa

Niveles endógenos de las enzimas de la vía directa de la

síntesis de glicógeno en oocitos de rana

Enzima Actividad (mU/oocito)

Actividad relativa

Hexoquinasa 0, 08 1

Glicógeno Sintasa 0, 7 0, 03 8, 8

UDPG-PPasa *4, 3 0, 65 53, 8 **11, 5 2, 20 143, 8

Fosfoglucomutasa

*9, 4 0, 93

117, 5 **41 3, 10 512, 5

*Actividad medida entre abril y agosto.

**Actividad medida entre septiembre y enero (PGM) y entre noviembre y marzo (UDPG-PPasa).

Tabla 1

Actividad HK (veces endógeno)

0 1 2 3 4 5

Glic

ógen

o (p

mol

/ooc

ito/m

in)

15

20

25

30

35

40

45

50

55

Log (actividad HK)

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

Log

(Glic

ógen

o)

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

1.7

1.8

CJe 0,60

Actividad HK (veces endógeno)

0 1 2 3 4 5 6 7 8

CO

2 (p

mol

/20

min

/5 o

ocito

s)

0

10

20

30

40

Log (actividad HK)

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

Log

CO

2

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

CJe 0,06

Actividad Glicógeno Sintasa, veces lo endógeno

0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4

Glic

ógen

o (p

mol

/ooc

ito/m

in)

0

5

10

15

20

25

30

LOG (actividad relativa GS)

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4

LOG

(J

glic

ógen

o)

1,1

1,2

1,3

1,4

1,5

1,6

CJe 0,01

Coeficientes de control en la vía directa de síntesis de glicógeno

HK PGM UGPase GS

glc glc-6-P glc-1-P UDPG glicógeno

0,60 0,20 0,15 0,01

Σcoeficientes de control vía directa = 0,96

Actividad PGM (veces endógena)

0 2 4 6

Glic

ógen

o (p

mol

es/o

ocito

/20

min

)

0

100

200

300

400

log PGM ( veces endógena )0,0 0,2 0,4 0,6 0,8

log

J g

licó

gen

o

1,6

2,0

2,4

2,8

C J e = 0, 19

Glc 6 nmoles

Actividad PGM (veces endógena)

2 4 6 8CO

2 p

mo

les

/ 20

min

/ 5

oo

cito

s0

100

200

300

400

500

log PGM (veces endógena)

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8

log

J C

O2

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

Glc 6 nmoles

CJe=-0,09

Actividad UDPG-PPasa, veces endógeno0 2 4 6 8 10

Glic

ógen

o, p

mol

/ ooc

ito/ 2

0 m

in

100

200

300

400

500

600

Log(Actividad relativa UDPG-PPasa)0,0 0,4 0,8 1,2

Log(

Jglic

ógen

o)

2,0

2,4

2,8

CJe = 0,11

Actividad UDPG-PPasa, veces endógeno

0 2 4 6 8 10

CO

2, p

mol

/ 5 o

ocito

s/ 2

0 m

in

0

10

20

30

40

50

60

Log (actividad relativa UDPG-PPasa)

0,0 0,4 0,8 1,2

Log

(CO

2)

0,8

1,2

1,6

2,0

CJe = 0,06

Relative hexokinase activity (times endogenous levels)

1 2 3 4

Gly

coge

n (p

mol

es/o

ocyt

e/15

min

)

0

500

1000

1500

log Relative HK activity 0.0 0.2 0.4 0.6

log

JG

lyco

gen

0.0

0.6

3.0

Cej=0.650

6 nmoles glucose

Relative hexokinase activity (times endogenous levels)

1 2 3 4

CO

2 (

pmol

es/ 5

ooc

ytes

/15

min

0

6

12

18

24

log Relative HK activity 0.0 0.2 0.4 0.6

log

JG

lyco

gen

0.0

0.6

1.2

1.8

Cej=-0.012

6 nmoles glucose

Control of glycogen synthesis and pentose phosphate fluxes by hexokinase