Enzima reguladora

Una enzima reguladora es una enzima en una vía bioquímica que, a través de sus respuestas a la presencia de otras biomoléculas, regula la actividad de la vía. Esto generalmente se hace para vías cuyos productos pueden ser necesarios en diferentes cantidades en diferentes momentos, como la producción de hormonas. Las enzimas reguladoras existen en concentraciones altas (Vmax baja), por lo que su actividad puede aumentar o disminuir con cambios en las concentraciones de sustrato.

Las enzimas que catalizan reacciones químicas una y otra vez se llaman enzimas reguladoras.

Descripción general

Generalmente, se considera que una proteína de estructura hiperbólica en condiciones medias específicas está lista para realizar su tarea, está activa, pero algunas desactivaciones específicas, son responsables de la regulación de algunas vías metabólicas. Las enzimas reguladoras suelen ser la primera enzima en un sistema multienzimático: el producto de la reacción catalizada por la primera enzima es el sustrato de la segunda enzima, por lo que la célula puede controlar la cantidad de producto resultante regulando la actividad de la primera enzima del sistema. ruta.

Existen muchas estrategias de activación y desactivación de enzimas reguladoras. Las enzimas reguladoras requieren un proceso de activación adicional y necesitan pasar por algunas modificaciones en su 3D para volverse funcionales, por ejemplo, enzimas catalizadoras (enzimas reguladoras). La regulación de la activación de estas enzimas catalizadoras es necesaria para regular toda la velocidad de reacción, de modo que sea posible obtener la cantidad de producto necesaria en cada momento, lo que hace que las enzimas reguladoras tengan una importancia biológica. Por tanto, las enzimas reguladoras, por su activación controlada, son de dos tipos: enzimas alostéricas y enzimas moduladas covalentemente; sin embargo, una enzima puede combinar ambos tipos de regulación.

Enzimas alostéricas

Este tipo de enzimas presenta dos sitios de unión: el sustrato de la enzima y los efectores. Los efectores son pequeñas moléculas que modulan la actividad enzimática; funcionan mediante la unión reversible y no covalente de un metabolito regulador en el sitio alostérico (que no es el sitio activo). Cuando se unen, estos metabolitos no participan directamente en la catálisis, pero siguen siendo esenciales: provocan cambios conformacionales en una parte concreta de la enzima. Estos cambios afectan la conformación general del sitio activo, provocando modificaciones en la actividad de la reacción.

Propiedades

Las enzimas alostéricas generalmente tienen una masa mayor que otras enzimas. A diferencia de tener una enzima de una sola subunidad, en este caso están compuestas por múltiples subunidades, que contienen sitios activos y sitios de unión a moléculas reguladoras.

Presentan una cinética especial: la cooperación. Aquí, los cambios de configuración en cada cadena de la proteína fortalecen los cambios en las otras cadenas. Estos cambios ocurren en los niveles terciario y cuaternario de organización.

En función de la modulación, se pueden clasificar en dos grupos diferentes:

• enzimas alosteréticas homotrópicas: el sustrato y el efector juegan una parte en la modulación de la enzima, que afecta la actividad catalítica de la enzima.
• Enzimas heterotrópicas alosteréticas: sólo el efector desempeña el papel de la modulación.

Inhibición de retroalimentación

En algunos sistemas multienzimáticos, la enzima es inhibida por el producto final siempre que su concentración supera los requisitos de la célula. Por lo tanto, la velocidad de la reacción se puede controlar mediante la cantidad de producto que necesita la celda (cuanto menor sea el requisito, más lenta será la reacción).

La inhibición de la retroalimentación es una de las funciones más importantes de las proteínas. Debido a la inhibición por retroalimentación, una célula es capaz de saber si la cantidad de un producto es suficiente para su subsistencia o si falta el producto (o hay demasiado producto). La célula es capaz de reaccionar mecánicamente ante este tipo de situaciones y solucionar el problema de la cantidad de producto. Un ejemplo de inhibición por retroalimentación en células humanas es la proteína aconitasa (una enzima que cataliza la isomerización de citrato a isocitrato). Cuando la célula necesita hierro, esta enzima pierde la molécula de hierro y su forma cambia. Cuando esto sucede, la aconitasa se convierte en IRPF1, un represor de la traducción o estabilizador de ARNm que reprime la formación de proteínas fijadoras de hierro y favorece la formación de proteínas que pueden obtener hierro de las reservas celulares.

Enzimas moduladas covalentemente

Aquí, la forma activa e inactiva de las enzimas se altera debido a la modificación covalente de sus estructuras catalizada por otras enzimas. Este tipo de regulación consiste en la adición o eliminación de algunas moléculas que pueden unirse a la proteína enzimática. Los grupos más importantes que actúan como modificadores son fosfato, metilo, uridina, adenina y adenosín difosfato ribosilo. Estos grupos se unen a la proteína o se eliminan de ella mediante otras enzimas. La modificación covalente más notable es la fosforilación. La serina, la treonina y la tirosina son aminoácidos comunes que participan en modificaciones covalentes y se utilizan para controlar las actividades catalíticas de las enzimas. La quinasa y las fosfatasas son enzimas comúnmente conocidas que afectan estas modificaciones, que resultan en cambios en los estados conformacionales de la afinidad de unión al sustrato.

Fosforilación

La fosforilación es la adición de grupos fosfato a las proteínas, que es el mecanismo de modificación regulatoria más frecuente en nuestras células. Este proceso tiene lugar en células procarióticas y eucariotas (en este tipo de células, un tercio o la mitad de las proteínas experimentan fosforilación). Debido a su frecuencia, la fosforilación tiene mucha importancia en las vías reguladoras de las células.

La adición de un grupo fosforilo a una enzima es catalizada por enzimas quinasas, mientras que la eliminación de este grupo es catalizada por enzimas fosfatasas. La frecuencia de la fosforilación como mecanismo regulador se debe a la facilidad para cambiar de la forma fosforilada a la forma desfosforilada.

La fosforilación o desfosforilación hace que la enzima sea funcional en el momento en que la célula necesita que se produzca la reacción. Los efectos que produce la adición de grupos fosforilo que regulan la cinética de una reacción se pueden dividir en dos grupos:

• La fosforilación cambia la conformación de una enzima a una manera más activa o inactiva (por ejemplo, regulación de la fosforilasa glucógeno). Cada grupo fosfato contiene dos cargas negativas, por lo que la adición de este grupo puede causar un cambio importante en la conformación de la enzima. El fosfato puede atraer aminoácidos cargados positivamente o crear interacciones repulsivas con aminoácidos cargados negativamente. Estas interacciones pueden cambiar la conformación y la función de la enzima. Cuando una enzima fosfatasa elimina los grupos de fosfato, esta enzima vuelve a su conformación inicial.
• La fosforilación modifica la afinidad de la enzima al sustrato (por ejemplo, la fosforilación de la deshidrogenasa isocitrate crea la repulsión electrostática que inhibe la unión del sustrato al centro activo). La fosforilación puede tener lugar en el centro activo de la enzima. Puede cambiar la conformación de este centro activo, por lo que puede reconocer el sustrato o no. Además, el fosfato ionizado puede atraer algunas partes del sustrato, que puede unirse a la enzima.

La fosforilación y desfosforilación pueden tener lugar como consecuencia de la respuesta a señales que advierten de un cambio en el estado celular. Esto significa que algunas vías en las que participan enzimas reguladoras están reguladas por fosforilación tras una señal específica: un cambio en la célula.

Algunas enzimas pueden fosforilarse en múltiples sitios. La presencia de un grupo fosforilo en una parte de una proteína puede depender del plegamiento de la enzima (que puede hacer que la proteína sea más o menos accesible a las proteínas quinasas) y de la proximidad de otros grupos fosforilo.

Proteólisis

Algunas enzimas necesitan pasar por un proceso de maduración para activarse. Primero se sintetiza un precursor (estado inactivo, más conocido como zimógeno) y luego, mediante el corte de algunos enlaces peptídicos específicos (catálisis enzimática por división hidrolítica selectiva), se modifica altamente su conformación 3D a un estado funcional catalítico, obteniéndose la enzima activa.

La proteolisis es irreversible y normalmente un proceso no específico. El mismo activador puede modular diferentes enzimas regulatorias: una vez activada la trippsia, activa muchas otras enzimas hidrolíticas. La proteolisis también puede ser rápida y sencilla para que la hidrólisis de un solo vínculo de péptidos pueda ser suficiente para cambiar la conformación de la proteína y construir una zona activa, permitiendo la interacción entre la enzima y el sustrato, por ejemplo, la activación de la quimotrypsin (como se puede ver en las imágenes).

Muchos tipos diferentes de proteínas con diferentes funciones en el metabolismo se activan mediante proteólisis por importantes razones:

• Las enzimas hidrolíticas potentes, por ejemplo, las enzimas digestivas, son activadas por la proteolisis para que podamos asegurarnos de que no puedan hidrolizar ninguna proteína no deseada hasta llegar al lugar correcto: los zymógenos de proteína hidrolizante se sintetizan en el páncreas y se acumulan en vesículas donde permanecen inofensivas. Cuando se necesitan, algunos estímulos hormonales o nerviosos activan la liberación de los zymógenos derecho al intestino y se activan.
• Algunas respuestas eventuales deben ser inmediatas para que las enzimas que catalizan esas reacciones tengan que estar preparadas pero no activas, por eso un zymogene se sintetiza y permanece listo para ser activado rápidamente. La respuesta de la coagulación se basa en la maduración enzimática de proteolisis de cascada. Por lo tanto, mediante la activación de una primera enzima catalizadora se activa una gran cantidad de las siguientes enzimas y se alcanza la cantidad de producto requerido como se necesita.
• Las proteínas de los tejidos conectivos como colágeno (zymogen: procolagen), hormonas como la insulina (zymogeno: proinsulina) y proteínas involucradas en procesos de desarrollo y apoptosis (muerte celular programada) también son activadas por la proteolisis.

La proteolisis es irreversible, lo que implica la necesidad de un proceso de desactivación de enzimas. Inhibidores específicos, análogos al sustrato, se unirán fuertemente a la enzima, bloqueando el sustrato para unirse a la enzima. Este sindicato puede durar meses.