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7/25/2019 Unidad3 Libro

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MICROBIOLOGA INDUSTRIAL

UNIDAD III REGULACIN METABLICA 48

UNIDAD IIIREGULACIN METABLICA

3.1 VAS METABLICAS

Se le llama va metablicaa las miles de reacciones catalizadas por enzimas que se llevan a caboen las clulas vivas, se pueden agrupar en unidades funcionales. (40)

Estas son secuencias de reacciones en las cuales el producto de una reaccin catalizada por algunaenzima es el sustrato de la siguiente.(40)

En resumen se define como(40):

Protenas que catalizan reacciones qumicas.

Catalizadores, es decir, sustancias que, sin consumirse en una reaccin, aumentannotablemente su velocidad.

No hacen factibles las reacciones imposibles, sino que slamente aceleran las queespontneamente podran producirse.

En una reaccin catalizada por un enzima:1. La sustancia sobre la que acta la enzima se llama sustrato. (40)

2. El sustrato se une a una regin concreta del enzima, llamada centro activo, este comprendeun sitio de unin formado por los aminocidos que estn en contacto directo con el sustratoy un sitio cataltico, formado por los aminocidos directamente implicados en el mecanismode la reaccin (Fig.56). (40)

3.

Una vez formados los productos la enzima puede comenzar un nuevo ciclo de reaccin. (40)

1.- La enzima y su sustrato 2.- Unin al centro activo 3.- Formacin de productos

Fig. 56 Mecanismo por el cual acta el complejo enzima-sustrato.

Existen dos tipos de vas metablicas:


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El anabolismoo biosntesis es una de las dos partes del metabolismo, encargada de la sntesis obioformacin de molculas orgnicas (biomolculas) ms complejas a partir de otras ms sencillaso de los nutrientes, con requerimiento de energa, al contrario que el catabolismo.(40)

Aunque anabolismo y catabolismo son dos procesos contrarios, los dos funcionan coordinada yarmnicamente, y constituyen una unidad difcil de separar.(40)

El anabolismo es el responsable de (40):

La formacin de los componentes celulares y tejidos corporales y por tanto del crecimiento.

El almacenamiento de energa mediante enlaces qumicos en molculas orgnicas.

Un microorganismo que est creciendo rompe molculas de alto peso molecular (almidn)

introduciendo en la clula estos derivados ms pequeos (glucosa, 6C) donde los degrada amolculas ms pequeas (piruvato, 3C) convirtindolas en aminocidos, nucletidos, vitaminas,carbohidratos y cidos grasos para finalmente construir a partir de estos materiales bsicosprotenas, coenzimas, cidos nucleicos, mucopptidos, polisacridos y lpidos. Todo este procesoimplica que cientos de enzimas deben de producirse y actuar de una manera coordinada para evitarel caos. Alrededor de unas 500 reacciones metablicas comunes se conectan con la va glucoltica ycon el ciclo del cido ctrico. Cada reaccin requiere una enzima determinada, la cual, a su vez, esel producto de toda una serie de reacciones de transferencia de informacin y de sntesis proteica. (40)

Para realizar todo esto, las clulas poseen una elaborada red de mecanismos de control que regulan

las reacciones qumicas, permitindoles competir eficientemente con otras formas de vida parapoder sobrevivir en la naturaleza. Por lo tanto, una clula ideal no tiene produccin excesiva demetabolitos ya que una buena regulacin es una ventaja evolutiva; pero por otra parte las clulas nopueden renunciar a una cierta adaptabilidad que les permita subsistir en ecosistemas diferentes. Estoha permitido que existan microorganismos mal regulados en determinados aspectos y que por lotanto produzcan en exceso determinados metabolitos. Estos son los microorganismos que nosinteresan. Pero adems, podemos provocar que un microorganismo bien regulado produzca undeterminado compuesto alterando sus mecanismos reguladores. (40)

Vas catablicas: conducen de una variedad amplia de sustancias a unos pocos productos finalesllegando por ltimo a la oxidacin completa de las biomolculas hasta dixido de carbono y agua. (40)

Transformacin de molculas orgnicas complejas en molculas sencillas y en el almacenamientode la energa qumica en forma de ATP, mediante la destruccin de las molculas que contienengran cantidad de energa en los enlaces covalentes que la forman, en reacciones qumicasexotrmicas.(40)


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Fig. 57 Ciclo de Krebs

Tipos de catabolismo

Catabolismo de los hidratos de carbono:Es el proceso de obtener energa a partirde la glucosa que se realiza por tres mecanismos: gluclisis, respiracin celular y

fermentacin.(40)

Catabolismo de las grasas: Consiste en la rotura de los triglicridos en cidosgrasos y glicerol, mediante la incorporacin de tres molculas de agua y la ayuda deenzimas llamadas lipasas.(40)

Catabolismo de las protenas:Es la escisin de las cadenas polipeptdicas en susaminocidos mediante enzimas llamadas proteasas. Los aminocidos obtenidostienen un catabolismo diferente y algunos pueden formar glucosa mediante lagluconeognesis.(40)


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En las clulas vivas, las reacciones catablicas y anablicas son activadas de manera simultanea ylas vas catablicas pueden originar molculas que son precursoras o inmediatos de vas anablicas.

(40)

En las clulas, las vas opuestas operan con frecuencia de modo simultneo dentro de un ampliocontexto para el mantenimiento y desarrollo de la clula. La materia del ambiente es absorbida y laenerga es atrada mediante procesos catablicos. Esta energa se emplea para conducir otrasreacciones que contribuyen al mantenimiento, crecimiento y divisin de la clula. (40)

Cada una de las reacciones del metabolismo implica una transferencia de materia y energa.

Las enzimas son catalizadores bioqumicos de naturaleza proteca que intervienen en todas lasreacciones metablicas energticamente posibles las cuales aceleran las reacciones por activacin

especfica.(40)

Fig.58 Secuencia que sigue una reaccin catalizada por enzimas.

La direccin que tomar una reaccin catalizada por enzimas depender del cambio de energalibre.(40)

Dentro de las clulas el cambio de energa libre que ocurre durante una reaccin dada dependesobre todo de las concentraciones de los reactantes y productos.(40)

En la Microbiologa son las enzimas las que catalizan las reacciones metablicas y aseguran suregulacin. Son ellas las que conducen la Ingeniera Gentica para realizar las modificaciones delsistema enzimtico de ciertos microorganismos para hacerlos aptos para la biosntesis demetabolitos de inters. Cuando dos molculas chocan producen energa que puede ser disipada en


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forma de calor o ser adsorbida por las mismas molculas. Si este fenmeno se presenta en unsustrato y la energa es suficiente para traspasar la barrera potencial, o sea, la energa de activacin,el sustrato se puede transformar en un producto diferente al inicio.(40)

Esta energa generalmente es muy elevada y no es compatible con las condiciones del medio al cualse deben llevar o desarrollar las reacciones del metabolismo de los organismos vivientes. Larealizacin de esta reaccin necesita de enzimas, cuya accin consiste en bajar la energa deactivacin. (40)

El metabolismo es el acoplamiento de reacciones energnicas y exergnicas mediadas por lasenzimas para promover la vida. Las enzimas (catalizadores biolgicos de naturaleza proteca)aceleran las reacciones metablicas permaneciendo al final inalteradas.(40)

Si el metabolismo microbiano, slo fuera el rompimiento del sustrato en molculas ms pequeas,pero no indispensables para la clula, se desperdiciara energa, por lo que debe haber mecanismosde regulacin metablica, con los cuales se tenga la habilidad de metabolizar los nutrientes yresponder a los cambios del medio ambiente, sintetizando slo lo que se ocupa y evitando laproduccin de molculas no necesarias.(40)

Niveles de regulacin metablica en la clula:

1. El primer nivel de regularizacin establece que la velocidad de una reaccin enzimtica esta

en funcin del pH, la temperatura y las concentraciones intracelulares del sustrato y otroscofactores.(40)

2. El segundo nivel de regularizacin es a travs de una enzima regulatoria.(40)

3. El tercer nivel de regulacin es a travs de un control gentico de la velocidad de sntesisenzimtico. Los organismos multicelulares con sistemas endcrinos, presentan un cuartonivel de regulacin. Las hormonas elaboradas por una glndula endcrina, estimulan oinhiben las actividades metablicas.(40)

Entre la enorme cantidad de enzimas que un microorganismo es capaz de producir, existen algunas

que siempre estn presentes. Son los llamados enzimas constitutivos. Pero tambin existen otrasque no estn presentes bien lo estn en cantidades mnimas y que ante la presencia de unasustancia, que suele ser su sustrato, la clula aumenta enormemente su cantidad. Estas son lasdenominadas enzimas inducibles y la sustancia que incrementa la sntesis de nuevo de estasenzimas, se llama inductor. Muchas enzimas catablicas, son inducibles. A esta forma deregulacin de la expresin de genes, slo cuando el apropiado sustrato del enzima est presente, sellama induccin.(40)

Algunas enzimas actan con ayuda de estructuras no protecas:

Cofactor: iones o molculas inorgnicas (fig.59). (40)


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Fig. 59

Coenzima: molcula orgnica (vitaminas) funcionan como coenzimas (Fig.60). (40)

Fig. 60

Hay dos modelos sobre la forma en que el sustrato se une al centro activo del enzima:

el modelo llave-cerradura

el modelo del ajuste inducido

Modelo llave-cerraduraLa estructura del sustrato y la del centro activo son complementarias, de la misma forma que unallave encaja en una cerradura. Este modelo es vlido en muchos casos, pero no es siempre correcto(Fig.61).(40)

Fig. 61 Modelo llave cerradura.


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Modelo del ajuste inducidoEl centro activo adopta la conformacin idnea slo en presencia del sustrato. La unin del sustrato

al centro activo de la enzima desencadena un cambio conformacional que da lugar a la formacindel producto. Este es el modelo del ajuste inducidoque sera algo as como un cascanueces, que seadapta al contorno de la nuez (Fig.62). (40)

Fig. 62 Modelo del ajuste inducido.

4. El tercer nivel de regularizacin es a travs del control gentico de la velocidad de sntesisde enzimas (Fig.63).(40)

Fig. 63 Control gentico de velocidad de sntesis de enzimas.

Los organismos superiores multicelulares, son sistemas endcrinos, presentan un cuarto nivel deregulacin. Las hormonas elaboradas por una glndula endocrina son mensajeras qumicas queestimulan o inhiben las actividades metablicas. En la Microbiologa Industrial solo importan lostres primeros.(40)

3.2 TIPOS DE CONTROL UTILIZADOS POR LA CLULA

Para lograr el crecimiento equilibrado, un microorganismo requiere la integracin de un nmero derutas metablicas interconectadas que participan en la generacin de energa y la de biosntesis. Lasrutas del anabolismo y catabolismo se llevan a cabo mediante una serie de enzimas, y es a travs deellas que se ejerce el control.(40)

Las vas enzimticas tienen que ver con la descomposicin de sustratos llevada a cabo por losmicroorganismos, esta actividad metablica global de la clula en crecimiento representa elfuncionamiento de un gran nmero de rutas enzimticas interconectadas que necesitan un balance


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muy bueno para funcionar apropiadamente. El control de estas enzimas puede tomar dos formasbsicas: alteracin de la actividad enzimtica y alteracin en el nmero de molculas de la enzima.(40)

El metabolismo microbiano esta controlado por la regulacin tanto de la sntesis como de laactividad enzimtica. Los niveles de control simple, pueden llevarse a cabo, cambiando el grado dereaccin de una enzima, por ejemplo, alterando el nivel del sustrato. Si el nivel de sustrato esprximo por debajo del Km (concentracin de sustrato con la cual tenemos la mitad de los centrosactivos de la enzima ocupados), la velocidad estar relacionada con la concentracin del sustrato deacuerdo a la ecuacin de Michaelis Menten (40):

(VMAX[S])

V = ___________

(Km + [S] )Tipo de controles bioqumicos.

Alteracin de la actividad enzimtica.(33)

1. Control por sustrato.2. Control alosterico.3. Control por retroalimentacin.

a)

Simple.b) Secuencial.c) Mltiple.

d)

Concertado.e) Acumulativo

4. Control integral mediante la carga energtica.

5. Modificacin de la enzima.a) Modificacin irreversible.b) Modificacin reversible.

Alteracin en el nmero de molculas de la enzima.(28)

1. Control transcripcional.

2. Control traduccional.

3. Degradacin de la enzima.

Control por sustrato

Es el nivel de control ms simple, se puede ejercer al cambiar la rapidez de reaccin de unaenzima, lo cual se logra al modificar la concentracin del sustrato. Si sta es cercana o menor que


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la de la enzima, la rapidez se relaciona con la concentracin del sustrato de acuerdo con la relacinde Michaelis-Menten. (28)

Las enzimas que catalizan una reaccin reversible y dependen de una cierta concentracin desustrato para operar, a menudo no parecen tener sustrato suficiente cuando ste se calcula porclula. Sin embargo, en las clulas eucariticas, la compartimentalizacin permite a las enzimasasociarse espacialmente en las estructuras membranosas, que pueden dar concentraciones localesde sustrato muy altas. La misma puede ser enzimtica, cierto para otros factores necesarios para laactividad como los iones metlicos, co-enzimas y pH.(28)

Control alosterico

El control metablico, puede ser afectado por ciertos metabolitos reguladores (efectores,modificadores o moduladores), los cuales pueden inhibir o activar la actividad enzimtica.(28)

Hay enzimas que no siguen la cintica de Michaelis-Menten. Cuando la velocidad de reaccin V segrafica contra la concentracin de sustrato, estas enzimas son complejos con mltiplescomponentes difciles de aislar, se trata de enzimas reguladoras conocidas como enzimasalostericas. (28)

Fig. 64Velocidad de la reaccin enzimtica vsconcentracin de sustrato. La naturalezasigmoidal de la curva que depende del

sustrato, indica que la unin de lasprimeras molculas de sustrato mejora launin de las primeras molculas

posteriores. En las enzimasheterotrpicas la inhibicin oestimulacin dara como resultadocambios en la Km o en la Vmax de laenzima.

Alosterismo: es la propiedad de una

protena de cambiar su orden espacial, bajo la influencia de una unin. En este caso, se refiere msbien a un cambio de la actividad enzimtica de la protena, pues el centro activo para la accinenzimtica es alterada total parcialmente.(28)

Enzimas alostericas: no todas las enzimas son del tipo michaelino, estas generalmente sonoligomricas, o sea que estn constituidas por un pequeo nmero de monmeros, varios sitiosespecficos, llamados sitios alostericos, para la fijacin de diferentes ligandos, entre ellos elsustrato, al fijarse sobre las enzimas. Estos ligandos producen una modificacin de laconfiguracin del sitio de fijacin del sustrato; facilitan o estorban la asociacin del sustrato a laenzima, actuando como reguladores del funcionamiento de la misma.(28)


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Si esta modificacin en la configuracin favorece la fijacin del sustrato, se trata de un activadoralosterico, que tiende a dar a la enzima una cintica michaelina, en caso contrario tenemos uninhibidor alosterico, por lo que dar una curva tipo sigmoide. Cuando se obtiene una grfica de

este tipo, implica que existe un efecto cooperativo, es decir, la afinidad de la enzima por sussustratos no es constante, entonces se encuentra una baja concentracin de sustrato, el efecto queocasiona es un incremento en la afinidad.(28)

De estas se pueden distinguir tres clases (28):

Heterotrpicas: su actividad se ve modificada por un efector de naturaleza diferente al sustrato.

Homotrpicas: el sustrato puede actuar como efector sobre la rapidez de la reaccin enzimtica,por lo general incrementndola.

Mixtas: algunas enzimas muestran ambas caractersticas.

Interacciones concertadas: este modelo predice que la unin de una molcula de sustrato cambiaen la enzima (todas las subunidades) a una forma de alta afinidad, lo cual puede unir al sustrato msrpidamente. El efecto de los inhibidores o de los activadores en una enzima heterotrpica tambinse puede explicar con este modelo (Fig.65).(28)

Fig. 65 Modelo concertado para las interacciones alostericas.

Interaccin secuencial: sugiere que hay dos estados conformacionales para las subunidadesenzimticas. La unin del sustrato causa un cambio en la conformacin de la subunidad, peroaumenta o disminuye la afinidad de las subunidades por el substrato. Nuevamente un inhibidor o unactivador puede encajar en el modelo.(28)

Hasta ahora se han revisado enzimas alostericas donde un slo tipo de molculas, que por logeneral es el producto final de una secuencia metablica, controla el flujo de metabolitos a travs


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de dicha secuencia. Sin embargo existen sistemas donde no solo esta involucrado un solo efectosino que pueden existir dos ms efectores (Fig.66). (2)

Fig. 66 Modelo secuencial para las alteraciones alostericas.

3.3 INHIBICIN POR PRODUCTO FINAL

Control por retroalimentacin

Es la que se produce por un cambio conformacional y por tanto la inactivacin (efecto alosterico),cuando un efector (producto final), se une a un sitio especfico de la enzima (sitio alosterico). (28)

El mtodo por el cual las enzimas reguladoras con comportamiento alosterico controlan varias vasen su forma ms simple, es el que se conoce como retroinhibicin o inhibicin por producto final.Se ha encontrado que estas enzimas alostericas se localizan en, o cerca del comienzo de una vaenzimtica y que son inhibidas o estimuladas por el producto final de esa va. Muchos de estos tiposde control han sido investigados en la sntesis de aminocidos enE. coliy se pueden identificar enmuchos sistemas.(28)

Control por retroalimentacin simple

Un ejemplo de este tipo de control se encuentra en la sntesis del aminocido isoleucina en la E.coli. Aqu, si se permite que se forme la isoleucina, inhibir la actividad de la treonina-desaminasa,la primera enzima en la cadena de la sntesis (Fig.67).(28)


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TREONINA

Treonindeaminasa

Acido -cetobutrico

Acido -auto--hidroxibutrico

Acido ,-dihidroxi--metilvalrico

Acido -ceto--matilvalrico

ISOLEUCINA

Fig.67 Retroinhibicin simple, inhibicin de la treonina desaminasa por la isoleucina.

Control por retroalimentacin secuencial

En este caso, los productos de una ruta ramificada slo afectan a la enzima que acta desde el puntode ramificacin, y el punto de ramificacin intermedio afecta la va comn. Un ejemplo de estaforma de control es la sntesis de los aminocidos aromticos fenilalanina, tirosina y triptfano enBacillus subtilis. La formacin de triptfano, fenilalanina y tirosina, inhibe las enzimas en el puntode ramificacin, lo cual provoca la formacin de cido corsmico. El exceso de cido corsmico, asu vez, inhibe las primeras enzimas de la secuencia que conduce a este cido (Fig.68).(28)


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PEP + eritrosina 4 PO4

Acido shikmico 5 PO4

Acido 3-enolpiruvilshikmico 5 PO4

Acido corsmico

Acido prefnico Acido anatranlico

Acido fenilpirvico TRIPTOFANO

FENILALANINA

TIROSINA

Fig. 68 Retroinhibicin secuencial, control de la biosntesis de tirosina, fenilalanina y triotfano.

Control enzimtico mltiple

La caracterstica de este tipo de control es que la enzima en el comienzo de una ruta ramificada sepresenta en ms de una forma, cada una de las cuales es inhibida por uno de los productosfinales.(28)


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Un ejemplo es el control de la lisina, metionina y la isoleucina en la E. coli con la enzimacontrolante, asparto-cinasa, que se presenta en tres formas, las cuales son afectadas en formaseparada por la lisina, histionina e isoleucina (Fig.69).(28)

Aspartato

Aspartocinasa

1 2 3

Aspartil P

Aspartato semialdehdo

Homoserina P

Dihidropicolinato

LISINA

Homoserina P

TREONINA

Fig. 69 Control enzimtico mltiple.

3.3.1 INHIBICIN CONCERTADA

Control por retroalimentacin concertado

En este caso las enzimas reguladoras en el punto de ramificacin de una va enzimtica, tienensitios mltiples para efectores alostericos diferentes, de modo que la inhibicin completa se puedelograr slo cuando ambos efectores estn presentes. Un ejemplo es el efecto de la fenilalanina y latirosina sobre la enzima que forma al cido frnico a partir del cido corsmico (Fig.70).(28)


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Acido corsmico

Acido prefnico

Acido fenilpirvico

FENILALANINA

TIROSINA

Fig. 70 Retro control concertado, efecto combinado de la fenilalanina y la tirosina sobre la formacin decido prefnico.

3.3.2 INHIBICIN ACUMULATIVA

Control por retroalimentacin acumulativa

Esto ocurre en algunas enzimas regulatorias donde los productos finales de la va son muy

diferentes. La enzima tiene mltiples sitios alostericos en los que los efectores originanindividualmente slo la inhibicin parcial. Se requieren cantidades saturantes de todos los efectorespara completar la inhibicin. Un ejemplo de esta clase de control es la enzima glutamina-sinteasa,la cual participa en las vas que conducen a varios compuestos como la histidina, el triptfano y laglucosamina-6-P (Fig.71).(28)


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AMP

CTP

HISTIDINA

Glucosamina 6-P

TRIPTOFANO

Alanina Carbanol 6-P

GLUTAMINA

Glicina

ADP + P

NH4 Glutamina sintetasa

ATP

GLUTAMATO

Fig. 71 Retrocontrol acumulativo de la glutamina sintetasa.

Control integrado mediante la carga energtica

No es razonable esperar que el uso y la produccin de ATP, as como el intermediario de altaenerga, deban encontrarse balanceados dentro de la clula. En perodos cortos, el contenido de laclula de compuestos adenilados, AMP, ADP y ATO, se puede considerar constante. Por lo tanto,

la cantidad de energa presente en la clula puede considerarse como la proporcin de ATP y ADPcon respecto al total de compuestos adenilados, el ATP es el doble de ADP. Esta suma se conocecomo la carga energtica (28)

:

[ ] [ ][ ] [ ] [ ]AMPADPATP

ADPATPenergticaac

++

+=

2/1arg


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la carga energtica tiene efecto sobre algunas enzimas y ste proviene de la funcin enzimtica enel uso o generacin del ATP, dos de estas enzimas son la fosfofructocinasa y la piruvato -deshidrogenasa.(28)

La enzima fosfofructocinasa se sita en una etapa esencialmente irreversible de la gluclisis, laenzima es estimulada tanto por ADP como por AMP, e inhibida por ATP y nitrato. Por lo tanto, sila carga energtica dentro de la clula es baja, la fosfofructocinasa se activa y el flujo de carbono atravs de la gluclisis aumenta para producir ms ATP. La formacin de acetil CoA por la piruvato-deshidrogenasa a partir de piruvato, el producto final de la gluclisis, tambin es esencialmenteirreversible y, por lo tanto, controla la rapidez con la que funciona el ciclo de Krebs, as como laproduccin de ATP e intermediarios biosintticos. La pruvato-deshidrogenasa es inhibida poracetil CoA, NADH y ATP y activada AMP. Por lo tanto la enzima puede controlar el flujo decarbono a travs del ciclo de Krebs dependiendo de los niveles de NADH, ATP y acetil CoA. (28)

Modificacin de la enzima

Las enzimas pueden activarse o desactivarse por modificaciones ya sea reversibles o irreversibles,que a menudo son efectuadas por otras enzimas.(28)

Modificacin irreversible

Algunas enzimas, en particular las enzimas digestivas, se sintetizan en una forma inactiva conocidacomo zimgeno. Esta forma se activa por la accin de una segunda enzima que rompe la molculaen un punto especfico. Un ejemplo de esta forma de control es el quimiotripsingeno, la formainactiva de la quimiotripsina, el quimiotripsingeno se sintetiza en el pncreas y consiste en una

sola cadena polipeptdica, reticulada por cinco enlaces disulfuro. Cuando el enlace peptdico queune a la arginina 15 y la isoleucina 16 se rompe por la accin de la tripsina, el quimiotripsingenose convierte en la quimiotripsina totalmente activa (Fig.72).(28)

Quimiotripsingeno (inactivo)

Tripsina

QUIMIOTRIPSINA (activa)

Quimiotripsina -QUIMIOTRIPSINA (activa)

Fig. 72 Modificacin irreversible del quimiotripsingeno a quimiotripsina activa.


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Modificacin reversible

La modificacin de las enzimas de formas inactivas a formas activas puede ser reversible. Por

ejemplo, una fosforilasa que se encuentra en el msculo existe en dos formas: una activa y otrainactiva. La forma inactiva pasa a la forma activa por la fosforilacin de un residuo especfico deserina mediante una enzima fosforilasa-cinasa especfica. Bajo diferentes condiciones, el grupofosfato es removido de la enzima activa por una segunda enzima especfica, fosforilasa-fosfatasa,para producir la enzima inactiva.(28)

Se puede considerar un buen ejemplo, en el metabolismo del glucgeno, una forma dealmacenamiento de glucosa, donde la sntesis y el rompimiento deben ser controlados ycoordinados. En los animales, el metabolismo del glucgeno est bajo el control de hormonas enuna serie compleja de reacciones que incluyen la modificacin reversible de las enzimas.(28)

Otra forma de modificacin reversible de la actividad enzimtica, se encuentra en la enzimaglutamina-sintetasa deE. Coli. La enzima puede ser adenilada (adicin del grupo adenina) por unaenzima adenilil-transferasa, la cual hace a la enzima ms susceptible al control porretroalimentacin por parte de la glutamina. Adems, la glutamina inhibe a una enzimadeadenilante, y por lo tanto, un aumento de la glutamina permitir la formacin de ms enzimassusceptible, reduciendo as la formacin de glutamina (Fig.73).(28)

FOSFORILASA(b) INACTIVA

+ATP Pi

Fosforilasa Fosforilasacinasa fosfatasa

FOSFORILASA (a)(ACTIVA)

Fig. 73 Activacin e inactivacin de la fosforilasa por fosforilacin reversible de un residuo especfico deserina.

Alteracin en el nmero de molculas de la enzima

Hay un segundo tipo de control, posiblemente controles aproximados, que determinan el nmero demolculas de enzima presentes dentro de una clula. Se puede ver que el control es ejercitado tantoen el estado transcripcional como en el traduccional. Un tercer control posible es un incremento enla degradacin de la enzima en cuestin sin afectar su rapidez de sntesis, reduciendo as suconcentracin global.(28)

Sistemas procariticos

Los procariotas tienen cromosomas individuales en forma superior arrollada. La expresingentica correcta en los procariotas depende de las secuencias de ADN que flanquean las


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secuencias de instrucciones. La transcripcin de los genes requiere RNA polimerasas, que puedentener asociados los factores polipeptdicos sigma y rho. El factor sigma promueve la unin de laRNA polimerasa al ADN en sitios especficos ubicados justo antes de las secuencias de

instrucciones de la protena, conocidos como regin del promotor (Fig.74).(28)

Promotor Gene estructural

RNA

RNA polimerasa-35 -10 0

TTGAC

A

TATAAT AUG

Secuencia de Pribnow secuencia de seal deunin a los iniciacinribosomas

Fig. 74 Estructura de las regiones promotoras, en el ADN de los organismos procariotas.

Algo importante en el sitio del promotor, son diez nucletidos ubicados antes de su comienzo,conocidos como la caja de Pribnow y que contienen la secuencia TATAAT. El segundo sitio estaproximadamente de 23 a 25 nucletidos cuesta arriba, con la secuencia TTGACA. En los genes

cuya secuencia de bases de la regin del promotor se ha analizado, se ha encontrado poca variacinentre los promotores que puede tener algn efecto sobre la resistencia del promotor y la longitud dela copia.(28)

Una vez que se inicia la transcripcin sobre la hebra con sentido del ADN. El factor sigma sedisocia. Una caracterstica adicional de la secuencia de nucletidos ubicada cuesta arriba de lamayora de los genes, es la presencia de un sitio de unin para los ribosomas o secuencia de Shine Delgarno. Esto sucede a pocos pares de bases cuesta arriba del codn de iniciacin, quecomnmente es AUG. La terminacin de la transcripcin tambin se realiza en sitios especficosdel ADN, caracterizado por un par de secuencias repetidas invertidas, las cuales, poremparejamiento interno, originan una estructura de tallo y lazo. En algunos casos es necesario el

polipptido rho para la terminacin de la transcripcin, pero se desconoce su participacin.(28)

3.4 REPRESIN POR PRODUCTO FINAL

Adems de la regin del promotor, existe otra secuencia de bases que es adyacente o traslapa laregin del promotor conocida como regin del operador. Esta regin es responsable del control dela unin de la ARN polimerasa al promotor. Las protenas conocidas como represores, se puedenunir al operador y evitar la transcripcin. Este tipo de control puede funcionar como controlpositivo o negativo. (28)


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Regulaciones genticas de tipo positivo y negativo:

Control negativo: el opern se transcribe en condiciones normales, pero es detenido por el enlacede un co-represor con un apo-represor ya presente para formar un represor activo que tiene latranscripcin.El sistema se expresa a menos que sea desconectado por la accin de una protenareguladora, a la que se denomina represor. El mecanismo a travs del cual las protenas represorasde la expresin gnica controlan la transcripcin gnica en los procariotas comienza cuando laprotena represora y el enzima ARN polimerasa se unen fuertemente a diferentes secuenciasespecficas de nucletidos del ADN, que reciben el nombre de regin operadora y reginpromotora. Si est presente la protena represora, la ARN polimerasa no puede actuar, noproducindose la transcripcin. Si no est presente la protena represora, la ARN polimerasa se une,producindose la transcripcin. Esta protena represora reconoce un ligando especfico y esta uninactiva la transcripcin al disminuir la afinidad de la protena represora por su secuencia de ADNespecfica. Este caso de regulacin en el que el gen en condiciones normales est reprimido se

llama induccin negativa (Fig.75).(28)Dentro de este control podemos distinguir a su vez:

o Control negativo con efectos inductores: el represor es activo, pero se inactiva enpresencia del inductor.

o Control negativo con efectos represores: el represor es inactivo, pero enpresencia del correpresor se activa, y es entonces cuando reprime al opernestructural.

Control negativo

Promotor Operador Gen estructural

Reprime aloperador

Apo-represor

Co-represorFig. 75 Controles negativos de la transcripcin del ADN en ARNm.

Control positivo: los genes estructurales no se transcriben (o en todo caso lo hacen a un nivelbasal bajo) a no ser que exista una protena reguladora activa llamado apoinductor o activador quefavorece la combinacin para unir al opern que inicia la transcripcin. En este caso la protenafacilita la unin de la ARN polimerasa. Al igual que las protenas represoras, stas protenasactivadoras se unen a ligandos especficos (inductor) pero en este caso se incrementa la afinidad dela protena activadora por el ADN con lo que se activa la transcripcin. Si la protena activadora sehalla presente, la ARN polimerasa se une y tiene lugar la transcripcin. Si por el contrario laprotena activadora no se halla presente, la ARN polimerasa no puede unirse no teniendo lugar latranscripcin. Este tipo de control gnico recibe el nombre de induccin positiva (Fig.76).(28)

Tambin aqu puede haber dos categoras:


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Control positivo por induccin: la protena activadora, por s misma esinactiva, pero queda activada cuando se le une el inductor.

Control positivo con represin: la protena activadora, es activa, pero seinactiva cuando se le une el correpresor.

Control positivoPromotor Operador Gen estructural

Activa aloperador

Apo-activador

Co-activador

Fig. 76 Controles positivos de la transcripcin del ADN en ARNm.

Represin: desconexin rpida de la ruta biosinttica de un determinado compuesto, cuando steaparece en el medio de la bacteria. La represin no siempre tiene que ver con estmulosnutricionales: se pueden desconectar genes para evitar que su expresin interfiera con otrosprocesos que ya estn en curso en la clula.(28)

A modo de ejemplo veamos que ocurre en Escherichia coli en la sntesis de los enzimas que

hidrolizan la lactosa en glucosa y galactosa. Cuando la protena represora est unida a la secuenciadel operador, bloquea el acceso de la ARN polimerasa a su regin de unin (promotor) impidiendola transcripcin. Cuando existe lactosa en la clula, sta se une a la protena represora eliminndoladel ADN y con ello permitiendo la unin de la ARN polimerasa, activando la transcripcin. En estecaso la lactosa es un inductor natural del opern Lacde Escherichia coli. Sin embargo, el mejorinductor del opern Laces el isopropil -D-galactsido. Por lo tanto, podremos manipular, a nivelde sntesis, la produccin de un enzima bien sea introduciendo inductores autnticos o anlogos.Tambin se puede manipular por mutacin del gen regulador (el que codifica para la protenarepresora) inactivando la protena represora, o bien por mutacin del operador con lo que laprotena represora no presentar afinidad por l.(28)

Fig. 77 Jean Jacques Monod

3.5

OPERONES, TRIPTOFANO Y LACTOSA

El modelo de la regulacin de los genes de procariotas: el modelodel opern, fue propuesto en 1961 por Francois Jacob (Fig.78) yJacques Monod (Fig.77). El fenmeno que inspiro la idea fue el deinduccin enzimtico. Grupos de genes que codifican paraprotenas relacionadas se agrupan en unidades conocidas comoopern, que consiste en: un operador, un promotor, un regulador y


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un gen estructural. El regulador codifica para una protena que se pega al operador, obstruyendo alpromotor ( y por lo tanto a la transcripcin) del gen estructural, el regulador no tiene que estaradyacente a los otros genes del opern. Cuando se mueve la protena represora, puede producirse

la transcripcin. Los operones son inducibles o reprimibles de acuerdo al mecanismo de control.(40)

Fig. 78 Francois Jacob

Opern: es un grupo de genes estructuralmente relacionados;los cuales mapean uno muy cerca del otro, en el cromosoma yellos pueden ser coordinadamente sintetizados o no, a travs deun mismo sitio regulatorio.(40)

La formacin de todas las enzimas necesarias para el procesosinttico, est controlada a menudo por una secuencia de geneslocalizados en serie, uno detrs de otro, formando los mismosun filamento de DNA cromosmico. Esta rea de filamento deDNA se llama opern. (40)

En el opern existen diferentes regiones (40):

Sitio promotor: lugar donde se une la RNApolimerasa.Sitio operador: sitio donde se une la protena presora.

Genes estructurales: genes que codifican protenas requeridas para la clula, ya sea parafunciones enzimticas o estructurales.

La sntesis de un producto bioqumico celular generalmente requiere una serie de reacciones, cadauna de las cuales estn catalizadas por una enzima protica especial. (40)

Cada sntesis tiene su opern, as tenemos el opern de lactosa en donde existe un gen Lac1 quecodifica una protena supresora cuya funcin es controlar la expresin de los genes estructurales.En el caso que no este presente la lactosa en el medio solo hay una pequea sntesis de enzimacorrespondiente a los niveles bsales.(40)

Cuando la fuente de carbono es exclusivamente lactosa, s hay expresin de las enzimas que sonnecesarias para el catabolismo. Slo cuando est presente la molcula de lactosa se puedenexpresar los genes del opern. La molcula que incrementa la velocidad de sntesis de enzimasrecibe el nombre de inductor.(40)

Este mecanismo de regulacin se ha clasificado como control negativo ya que los genes delopern no se transcriben a menos que se encuentre presente el inductor. La presencia del inductorno es el nico factor que determina la sntesis de enzimas inductibles, se ha demostrado que debeestar presente AMPc para que la cepa pueda catabolizar los azucares. El AMP tiene la capacidadde vencer el efecto de represin catablica si se une inicialmente a una protena llamada Capalterando su conformacin. A este tipo de control se le llama control positivo, en el que se


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requiere forzosamente la activacin de la protena y solo de esta manera incrementa la velocidadde sntesis del mensajero.(40)

El opern de lactosa corresponde a un opern catablico, pero existen otro tipo de operones queson los anablicos en los cuales est contenida la informacin relacionada con la sntesis deenzimas involucradas en la biosntesis de triptfano.(40)

E. coli sintetiza el aminocido triptfano a travs de la accin de la enzima triptfano sintetasa;pero si aparece triptfano en el medio en el que las bacterias estn creciendo, la produccin de laenzima es detenida de inmediato, conocindose este efecto como represin. Este hecho permite ala bacteria evitar dedicar sus recursos a actividades sintticas innecesarias.(40)

Operones

En las bacterias, los genes para funciones relacionadas en un proceso metablico, con frecuenciase localizan adyacentes entre s y se transcriben como una molcula de ARN mensajero simple(ARN poliscistrnico). Este ARN mensajero contiene secuencias interpuestas cortas nocodificadoras. Este acomodo de genes se conoce como un opern. Por lo tanto, el ARNm simplepuede producir varias protenas relacionadas rpidamente en la traduccin. (28)

Algunos genes se expresan constantemente y se describen como genes con expresin constitutiva,mientras que otros pueden inducirse por una seal intracelular. Los genes indecibles presentanexpresin elevada bajo el estmulo apropiado. (28)

El opern lac

El primer opern descubierto fue el opern lac, el cual se compone de tres genes estructurales que

intervienen en la captacin y metabolismo de la lactosa, la -galactosidasa, una permeasa, ytransacetilasa. A contra corriente de los genes estructurales se encuentra un operador, un promotory un sitio que es reconocido por una protena que encuentra un operador, un promotor y un sitio quees reconocido por una protena que acta como activador positivo, conocida como protenaactivadora de catabolitos (CAP). Esta protena tiene un sitio de enlace para el AMP cclico AMPel cual se induce cuando baja la concentracin de glucosa. La unin del AMPc activa a la protena yle permite unirse al ADN en el sitio cuesta arriba del sitio de reconocimiento de la ARNpolimerasa, lo cual presumiblemente facilita la unin de la ARN polimerasa.(28)

Adems de la regulacin inducible positiva del opern lac, tambin existe un elemento induciblenegativo que reprime al opern en ausencia de lactosa. Una protena represora de lac se une aloperador y evita la transcripcin. La induccin es causada por un ismero de la lactosa llamadoalolactosa que se une a la protena represora dando como resultado la detencin del enlace delrepresor lac con el operador e induciendo as la transcripcin.(28)

Sistemas eucariticos

Las clulas eucariticas contienen un ncleo separado del resto de la clula por una membrana, elcual contiene cromosomas lineales mltiples. Cada cromosoma contiene un ADN individual dedoble hlice, aunque generalmente los cromosomas se encuentran en pares y por lo tanto, contiene


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informacin homloga. En los mamferos, un par de cromosomas determina el sexo, con doscromosas tipo X que determina las caractersticas femeninas y un cromosoma X y uno Y quedetermina las caractersticas masculinas.(28)

Genes-110 -40 -25 -30 estructurales

Secuencia CAAT Secuencia TATA o deGoldberg - Hogness

T T A A

GC CAA CT TATA AC A T T

Fig. 79 Estructura de la regin promotora en el ADN de los Organismos eucariotas.

El ADN nuclear se encuentra asociado con protenas, las histonas. Estas protenas son responsablesde mantener la estructura y el metabolismo del ADN, incluyendo la expresin gentica. En lasclulas eucariticas se encuentran tres ARN polimerasas. La ARN polimerasa I es responsable dela produccin del ARN ribosomal, la polimerasa III de la produccin de ARN de transferencia y lapolimerasa II participa en la produccin del ARNm.(28)

Estos tipos de secuencias que afectan la transcripcin, pueden operar sobre grandes distancias. Lassecuencias mejoradas identificadas en genes virales, pueden actuar sobre distancias de hasta 3 kb.Estos elementos exhiben homologa secuencial, pero con frecuencia su efecto se restringe a tiposespecficos de tejido. No existe informacin clara sobre seales de terminacin de la transcripcinen los eucariotas. En la expresin gentica de los eucariotas, se han incluido otras caractersticascomo la capacidad de la hlice para cambiar a la forma Z, as como la presencia de residuosmetilados de citosina como mecanismo para desconectar genes. (28)

Luego de la transcripcin en eucariotas, el ARN mensajero se modifica por adicin de un cap 5, apartir de un radical 7 metilguanilil, el cual ayuda al ARN mensajero a unirse al ribosoma. Tambinse adiciona una cola de 100 200 nucletidos de longitud de poli A en el extremo 3 del ARNm y

es sealada por unos 13 20 nucletidos ubicados cuesta debajo de una secuencia AAUAAA.

(28)

En conclusin en los sistemas eucariticos se deben tener en cuenta dos cosas:

Existen tres tipos de ARN polimerasa I, II y III.

Los genes estn fragmentados en zonas sin sentido o intrones y zonas con sentido o exones.Antes han de madurar y eliminar los intrones.

En la trascripcin de eucariontes se distinguen las siguientes fases:


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1. Iniciacin: la ARN polimerasa II se une a una zona del ADN llamada promotor (poseesecuencias CAAT y TATA)

2. Elongacin: la sntesis continua en sentido 5-3. Al poco se aade una caperuza (metil-

guanosn trifosfato) al extremo 5.3.

Finalizacin: parece que est relacionado con la secuencia TTATTT. Ahora intervieneun poli-A polimerasa que aade una cola de poli-A al pre-ARNm (ARNhn).

4. Maduracin: se produce en el ncleo y la hace un enzima llamada RNPpn, que eliminalos nuevos intrones (I) formados.

Posteriormente las ARN ligasas empalman los exones (E) y forman el ARNm.

Intrones

La secuencia de instrucciones de genes eucariticos tambin puede contener secuencias sin

instrucciones llamadas intrones, los cuales se procesan o eliminen del ARNm en el ncleo. Lassecuencias de instrucciones que son interrumpidas por los intrones se llaman exones.(28)

Regulacin por modificacin post traduccional

La secuencia de aminocidos determina las estructuras secundaria y terciaria en las cuales se doblala protena. Puede ocurrir tambin otra modificacin que afecte la especificidad, las propiedades yla actividad de las protenas.(28)

Las protenas destinadas a la exportacin tienen una secuencia principal N-terminal de 15 30aminocidos, que tiene propiedades hidrofbicas. Esta secuencia tiene alta afinidad por las

membranas y permite la secrecin posterior. En el proceso de secrecin hay tambin remocin de lasecuencia lder por una proteasa. El proceso proteoltico tambin es importante para producir otrasprotenas precursoras, por ejemplo, la produccin de insulina a partir de la proinsulina.(28)

Conclusiones

Los procesos enzimticos de los microorganismos estn regulados por ciertos tipos decontroles ya que no se puede llevar a cabo en forma desordenada y aleatoria, de este modose evita sntesis inadecuadas y mal funcionamiento del metabolismo.

El control metablico se lleva a cabo por medio de metabolitos que pueden inhibir o activar

la actividad enzimtica y cintica de las bioreacciones.

Existen ciertos tipos de control como son los de retroalimentacin que se realizan por mediode procesos de inhibicin, por medio de los cuales ciertos compuestos inhiben a las enzimasen algunos puntos, provocando la formacin, que stos a su vez pueden inhibir a otrasenzimas.

La cantidad de energa presente en una clula tanto en forma de AMP, ADP o ATP tambinfunciona como regulador de ciertos procesos metablicos, ya que la presencia de uno destos compuestos activa o cataboliza la formacin de otros compuestos energticos.


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Las enzimas pueden activarse o desactivarse por modificaciones reversibles o irreversiblesque son efectuadas por otras enzimas.

Algunas enzimas se sintetizan en forma inactiva por la accin de una segunda enzima querompe la molcula en un punto especfico, esta forma inactiva se conoce como zimgeno.

Industrias tradicionales y enzimas asociadasLas aplicaciones industriales tradicionales se refieren a la produccin de una transformacin tilpor alguna enzima, bien sea natural o aadida intencionalmente(25)

Fermentacin.

Curticin. Fabricacin de queso. Elaboracin de pan. Cervecera.

Fabricacin de jugos. Fabricacin de glucosa y fructosa a partir del maz.

Tabla 2 Industrias tradicionales y enzimas asociadas(25).

Tipo de enzima Actividad econmicaMillones

$/ao

Sacarasas e

Procesamiento del almidn,endulzantes y jarabes ricos enfructosa. 150

isomerasas

Fabricacin de textiles.

Proteinasas Detergentes. 400Carnes, quesos.Procesamiento de pescados.Procesamiento de tejidos.

Renninas

Coagulacin de la leche para laproduccin de quesos. 60

(quimosinas)

Lipasas Detergentes. 20Procesamiento de pieles.Saborizantes.Procesamiento de carne y queso.

Celulasas Produccin de zumos de frutas. 20Produccin de olivas.Modificacin de granos y fibras."Envejecimiento" de prendasvaqueras.