Este documento describe los principales mecanismos de regulación enzimática en la célula, incluyendo regulación alostérica, inducción y represión. La regulación alostérica involucra cambios en la afinidad de la enzima por su sustrato cuando se une otro ligando, resultando en curvas de velocidad sigmoidales. La inducción y represión modifican la cantidad de enzima a través del aumento o disminución de su síntesis. La célula utiliza varios mecanismos para regular la actividad de sus enzimas y adapt
1. En elcapítuloanterior seestndiaron algunosdelosfactoresqueiniluyensobrela
velocidaddelasreaccionesenzimáticas,locual permitióhacer un estudiodetallado
delascaracterísticascinéticasdelasenzimas.Muchosdeestosfactoressonestudiados
in vihoy contribuyendeuna manera importantea laprofundizacióndenuestrocono-
cimientosobrelasenzimas; pero en condicionesnormalesen elorganismohumano,
tanto en las célulascomo en el espacio extracelular,donde las enzimas realizan su
actividaddemaneraconstantemuchosdeesosfactorespueden tenerun menorsigni-
ficado.
Loscambiosdevelocidadobservadosal variar la temperatura noseperciben en
nuestroorganismoquemantieneuna temperatura constante;lomismo sucedeconlos
cambiosdepH, pues cadaórganotieneun pH relativamenteconstantequesecorres-
pondeaproximadamentecon la zonadepH óptimodesusenzimas;igualocurre con
loscompartimentossubcelulares.
Losinhibidoresestudiadossonpor logeneralmaterialesdelaboratorioquesólo
entran al organismo accidental o criminalmente.Con excepción del intestino y el
hígado lascélulaspresentan un medio decomposicióncasi constante,por locual no
experimentangrandesvariacionesen la concentracióndesustratos,éstasysuiniluen-
ciasobre lasvelocidadesdereacciónson másmanifiestasen dichosórganos;no obs-
tante,existenmecanismosintracelularesquepermiten mejoradaptacióndelasveloci-
dadesdereaccióna lascondicionescelulares.
En estecapítuloseestudiarán losprincipalesmecanismosdequedisponela célu-
la para regularla actividaddesusenzimasysediscutiránlasventajasquecada unode
ellospresenta,asícomolascaracterísticasestructuralesdelasenzimasqueloshacen
posibles.
Formasbásicas de la regulaciónenzimátiea
Cuandoun sistemaoprocesoescapazdevariar sucomportamientocomores-
puesta a cambiosquese produzcan en su entorno,deforma quela respuestadirectao
indirectamentetiende a modiEcar el estímulopara volvera lasituacióninicial,sedice
queestesistemaoprocesoestá regulado.
Enestossistemasexisteun patrón estmcturalofuncionalquetiendea mantenerse
establefrentea loscambiosqueseoperanen el entorno.El sistemaderegulación está
encaminadoa manteneresepatrón estructuralofuncional,quecuandoesteúltimose
2. v
Respuesta . .'
,
Fie. 17.1. Com~onentcsde un sistema de
regulación. La señal (S) existe ge-
neralmente coma la concentración
dc una sustancia esoeeífiea cuya
variación la convierte en estímulo
(E) que es captado por el receptor
iR). El transductar iT) convierte. .
al estímulo en una señal interna
del sistema que bien puede
trasmitirseal am~lifieadar(Al aue
aumenta la intensidad de laseñal o
pasar de manera direela al efeetor
(E),que da lugar s la aparición de
la respuesta. Esta respues<&,Larde
a temprano, modifica el estímulo
inicial cerrando el cielo de regula-
ción.
mantiene,graciasa mecanismosintrínsecos,sedicequeelsistemaestáautorregulado,
y es el caso de los sistemas vivientes.
En la regulación tanto el estímulocomola respuesta tienen carácter específico,
estos cambios de comportamientogeneralmentese manifiestanpor un aumento o
disminución de la velocidad de algunas etapas que componen el proceso, aunque
puedenmanifestarsedeotrasformas.
La regulaciónexistecomoposibilidadantesquecomorealidad,osea,los compo-
nentes del proceso deben poseer característicasestructurales y funcionalesque les
permitan responder a loscambiosdelentornocuandoéstosseproduzcan.
La regulación enzimáticase refierea la posibilidad que tienen las enzimasde
variar la velocidaddelas reaccionesque ellas catalizan al producirsedeterminados
cambiosen elmedio; esaposibilidadvienedada por característicasestructuralesde
las enzimas y que son una vez más manifestaciones del vínculo qiie existe entre la
estructura yla función delasbiomoléculas.
Loscambiosdevelocidadobservadosduranteelprocesodeadaptación sondebi-
dos acambioscuantitativosocualitativosde los centrosactivos,y atendiendoa esto
las formas básicas de la regulación enzimática se manifiestan por variación en la
cantidad ola actividad de lasenzimas.
Si se considera que el volumen celular no cambia apreciablementedurante el
uroceso, un aumentodela cantidaddeenzima simificaun aumentode suconcentra--ción yya sabemosque la velocidaddela reacción esdirectamenteproporcionala la
concentracióndelaenzima.Modificar la cantidaddeenzimaesvariar la cantidadde
centrosactivospresentesy éstaeslacausadeloscambiosdevelocidad.
Existen 2 mecanismos básicos que producen modificacionesen la cantidad de
enzimas,conocidoscomoinduccióny represión.En el primero, la presencia deuna
sustancia en la célula puede activar el proceso de síntesisde la enzima y por tanto
aumentar su cantidad. En el segundo, el estímulo determina la disminución de la
síntesisenzimática por lo cual la cantidad de enzima disminuye.Estosmecanismos
serán estudiadosdetalladamenteen elcapítulo34.Sila cantidad deenzima no varía,
sólo es posible modificar su actividad aumentando o disminuyendola fracciónde
centrosactivosútiles,pueselnúmero total nocambia; estoselogra mediante2meca-
nismos conocidoscomomodificaciónalostérica y modificacióncovalente,respecti-
vamente,queson objetodeestudioen estecapítulo.Tambiénserán estudiadosotros
mecanismosreguladorescomo: proteólisislimitada,variaciónenelestadodeagrega-
ción,interaccionesproteína-proteína,translocalización,cambiosen laespecifcidade
isoenzimas.
Antesdeestudiarcada tipoespecíficoderegulación esbuenoseñalarqueexisten
enzimasqueestánsometidasa variosmecanismosderegulación simultáneamente,lo
cual puedeserun índicedesusignificaciónpara elmetabolismocelular.
Componentesde unsistemade regulación
Auncuandoexistendiferenciasnotablesentreun sistemaderegulacióny otro,un
análisisdetalladode todos ellosimplica que a pesar desusdiferenciaspresentan un
grupo de componentes que son esenciales para su funcionamiento(Fig. 17.1).Así
sucedecon los sistemasde regulacióndela actividadenzimática.
La mayoría delasenzimasseencuentra en el interior de la célula y su actividad
puede modificarsecomorespuestaa un cambioqueseproduzcaen esacélula,en otra
célula delorganismoy aunenel medio.
El primercomponentedeun sistemaderegulación esla señal, queesun portador
material de información. En la célula, el organismoy en el medio existen numerosas
señalesque pueden ser de natnraleza fisica o química,cuandoesasseñalesvarían de
intensidad de forma que son capaces de generar una respuesta, se dice que se han
convertido en un estímulo;e a transformaciónseñal-estímuloeselprimercomponente
detodo sistemaderegulación.
3. Para queelestímulo pueda provocar una respuesta debeexistir una estructura
capaz de captarlo y ésta es el receptor. Casi siempre las señales extracelulares no
pueden directamente provocar respuestas, por loque sehace necesario convertir esa
serial-estímuloenotra reconociblepor loscomponentescelulares,esafunción ladesa-
rrolla el transductor. Por último, debeexistir una estructura que genera la respuesta
directamente yeseeselefector.En lossistemasde regulación enzimática elefector es
una enzima específica;quecomoresultado desu acción aparece la respuesta que esel
resultado finaldelsistema.En muchasocasionesentreeltransductoryelefectorexiste
un componente quetiene comofunción potencializar la acción delestímulo,de mane-
ra quela respuesta presente una intensidad mucho mayor queelestimuloelcualledio
origen,esa estructura esel amplificador.
Los receptoresyalgunostransductoresseránestudiadoseneltomo11,aquísólose
harán algunos comentariossobrelosdemáscomponentes delsistema.
La señal más empleada en elinterior delorganismo eslaconcentración de alguna
sustanciaen un líquidoo tejidocorporal;lavariación de la concentración puede serel
estimulo.Hay sustanciasquesólodesarrollan elmecanismocuandosu concentración
aumenta, unas cuando disminuye y otras tanto al aumentar como al disminuir su
concentración.
Lasenzimassonlosefectoresdeestossistemas,existen 2formasfundamentalesde
su actuación: la primera es variar la velocidad de las reacciones que ellas catalizan,
aumentándola o disminuyéndola de manera que toda la vía metabólica en la cual
participan seadapte a la situación reflejada por elestímulo;la segunda esvariando su
especificidad donde sóloseconocen algunos casos que serán discutidos.
Comoelefectoresuna (ovarias) enzima,la respuesta queseobtieneessiempre de
unaintensidad mayor quela del estímulo que dio origen,debido a la elevada capaci-
dad catalítica de las enzimas, pero se ha incluido en el esquema la existencia del
amplificador porque en ocasiones existe un componente del sistema cuya función
fundamentalesla deamplificarla respuesta; más adelantesepuede ver un ejemploen
el acápite de modificación covalente.
La característica sobresaliente dela respuesta esquetiende a modificar elestímu-
lo que le dio origen, tratando de que éste vuelva a su situación inicial, con lo cual el
sistema de regulación quedaría desconectado; si elsistema seconecta cuando la con-
centracióndeunasustanciaen sangreaumentaJa respuestatiendea provocarladimiinu-
ción de esecomponente en la sangre, con locual el sistema sedesconectaría.
En algunasenfermedades metabólicas elorganismono escapaz de responder de
formaadecuada a un estímuloy pueden aparecerlosllamadoscírculosviciosos,donde
por ejemplo la elevación de la concentración de una sustancia genera una respiiesta
quetiende a aumentaresa concentración, locual estimula otra vez elmecanismo y así
sucesivamente.
Regulaciónalostérica
Cada vezesmás numerosa la cantidad deenzimasque al estudiarseelcomporta-
miento de la velocidad de las reacciones, por ellas catalizadas en función de la
concentracióndesustrato,seobtienen curvasdiferentes a lahiperbólica de Michaellis
YMenten, que en la mayoríade los casos tienen un aspectosigmoidal (en forma de S
alargada). Estas curvassedesplazan a lolargodel ejedelas abcisas cuando seañaden
ala reacción algunas sustancias específicascomosemuestra en la figura 17.2 para la
enzimafosfofructoquinasa.Seobserva que para la misma concentraciónde sustrato
6,)pueden obtenerse diferentesvelocidadesde reacción al variar laconcentración de
lassustanciasañadidas, luegouna característica esencialde estasenzimasespresentar
una actividad variable. Las enzimas que así se comportan reciben el nombre de
alostéricas.
4. Fig. 17.2. Modificación de la actividad de
una enzima alostérica. La fosfo-
fruetoquinasr es una en~iniaalos-
tériea como se deduce del com-
portamiento de su velocidad al
variar la coiicentraeión de sustrato
(en negro). La presencia de ATl'
desplaza la curva hacia la derecho
(en rojo)y por tanto actúa como
un inhibidor. La concentración de
ADP desplaza la curva hacia la iz-
quierda (en azul), actúa como un
activador.
Fig. 17.3. Efectos cooperativos. Al cons-
truir la gráfica doblemente r e d
proea, si no existen efectos coope-
rativos se obtiene la recta quc apa-
rece en (a). La aparición de una
concavidad inferior cn el inicio de
LI curva (h) indica un cfe~?oco-
operativo negativo, mientras que
la concavidad superior de (e) in-
dica que el efecto cs positira.
Un conceptomuy ligadoalfenómenoalostéricoes eldecooperatividad aunque
existendiferenciasentreambos;sedicequehay cooperatividadcuandolaunión deun
ligandoa una enzima (y por extensión a cualquier macromolécnla)influyesobrela
unión posterior de otros ligandos.La cooperatividadpuede ser positiva cuando la
unión delprimer LigandoaumentalaafinidadporotrosLigandos,onegativacuandola
disminuye. La cooperatividad positiva puede identificarse,en los estudiosdeveloci-
dad en funcióndela concentracióndesnstrato, por la aparición de una concavidad
haciaarribaenlagráf~cadoblementerecíproca l/v vslI[S](Fig. 17.3).Por elcontrario,
lacooperatividadnegativa(oanticooperatividad)puede demostrarsepor la aparición
deunaconcavidadhacia abajoen la gráficadoblementerecíproca.
Estasinteraccionesdelosligandosdan lugar a 2tiposdeefectos,elbomotrópico
y elheterotrópico.Sellamaefectohomotrópicocuandola unión deun ligandoinfluye
sobrela unión subsiguientedelmismoligandoa la enzima,y heterotrópicocnandola
influencia serealiza sobreun ligandodiferente.
Cuandolaunión deuna moléculadesustratoaumentaodisminuyelaafinidadde
laenzima por otrasmoléculasdel mismosustrato,elefectoesdetipohomotrópico,y
cuandola unión deun activadoraumentalaafuiidadpor elsustrato,entonceselefecto
esheterotrópico.
Se estudiarán ahora los modelos propuestos para explicar el fenómeno del
alosterismo.
Modelo simBírica o ooncertado
Sehan propuestovariosmodelospara explicarlascausasdelcomportamientode
las enzimas alostéricas;desarrollaremos aquí una exposición sobre los 2 modelos
principales,elsimétricooconcertadoy elsecuencial.Elmodelosimétricooconcerta-
dofueelaboradoen 1965porJacquesnfonod, J e f f k WyrnanyJean-Pierre Chanpeux
delInstitutoPastenrdeParís,fueelprimermodelopropuestoen términosmoleculares
y el más sencillo.
Segúnestemodelo,lasenzimasalostéricasexisten en 2estadosconformacionales
interconvertibles, que denominaron R (relajado) y T (tenso). Estas enzimas son
oligoméricas,estánformadaspor varias subunidades(estmcturacuaternaria)ytodas
éstasseencuentranen elmismoestadoconformacional,-deahíelnombredesimétrico.
El tránsitodeuna subunidad,en un estadoconformacionalhacia otro,setrasmitea las
otrassubunidadeshaciendo que todas ellas adopten la misma conformación,por lo
quereciben elnombredeconcertado,siexisten4subunidadesen una enzimaalostérica
pueden darsesólo2 situaciones: laforma RRRR ÓTTTT,ya quelas formashíbridas
RTTT,RRTTyKRRTno son posiblessegúnestemodelo.
A la enzima puede unirse no sóloel snstrato, sinoalgunassustanciasespecíficas
(ligandos),pero la enzima presentará diferente afinidad para cada uno de ellos de
acuerdo con el estado conformacional en que se encuentre. Conio cada estado
conformacional presenta diferente afinidad por cada uno de los ligandos, puede
simplificarsemuchoelanálisissiseparte delsupuestocasoqueen uno deesosestados
la afinidad para alguno de los ligandos es cero y, por lo tanto, los ligandos podrán
unirse a la enzima en sólo uno de sus estados conformacionales; éste es un caso
extremopara adecuar la explicacióna losestudiantes. Sielsustratopuede unirseal
estadoRyno al T,entoncesRrepresentala conformaciónactiva,pues no puedehaber
transformaciónsinunión,lo queindicaqueenelestadoR existeuna conformacióndel
centroactivoquefacilitalaunión delsustrato,mientras queen elestadoTlaunióndel
sustrato alcentro activono esposible.
Ademásdel centroactivo,existen en lassubunidadesotrossitiosdeunión especí-
ficospara losligandos,perotambién cadasitiopresenta una conformaciónadecuada
para cadaligandosóloen una desus2conformaciones,nuncaen las2. Estossitiosson
muy específicos,en locual separecen al centro activopero en ellosno seproduce la
5. transformacióndelligando;losligandosseunen a esossitiosporfuerzasno covalentes
y de forma muy reversible; cuando la concentraciónde un ligando aumenta en el
medio,sefavorecesuasociación,yaldisminuirocurreladisociación. Laexistenciade
estossitioses loquedeterminóla denominacióndealostérico,palabra que proviene
delasvocesgriegas allosque significaotro, diferentey estermquesignificaespacio,
sitio,lugar; por tantolas enzimasalostéricassonaquéllasquepresentan otrossitios
diferentesalcentroactivo.Comopuedecolegirsedesudescripción,lossitiosalostéricos
al igual que el centro activoson sitios de reconocimiento molecular; nn caso bien
sencillo permitirá analizar ahora el funcionamientodel modelo: una enzima con 3
ligandos,unodeloscualeseselsustrato(S),losdemássonelligandoAquesólopuede
unirse al estadoR yel1quesólolohace alestadoT.
En ausenciadelos3ligandosla enzimaexisteen un equilibrioentre los2estados
conformacionales,caracterizadospor una constantedeequilibrioquerecibeel nom-
bre deconstantealostérica(L).
Al comenzara añadir elsustrato,ésteseune a la formaR formandoelcomplejo
RS,equivalentealcomplejoESya estudiado,en estemomentoseproduce una dismi-
nución dela concentracióndeR y elequilibriosedesplaza,aumentandolaconcentra-
ción deR ydisminuyendolade T;mientras más aumenta S,también R y con ellola
velocidad de la reacción. El paso de T a R significaun aumento de la fracción de
centrosactivosútiles y deahí el efectosobrela velocidad;estasituaciónexplicapor
quéla unióndelsustrato a la enzimafavorecela uniónsucesivadelossustratos,osea,
un efectocooperativoqueesbomotrópicopositivo.
SiañadimosalsistemalasustanciaA,éstaseunea laforma R formandoelcomple-
jo RA, que aumenta el desplazamientodelequilibriohacia la conformación activa.
ComoAySseunen por sitiosdiferentessedarán lassituacionessiguientes:
R + T
R + S + R S
R + A-RA
RA+ S +RAS
RS + A +RAS
Seobservaque existen 4 formas para elestado activoy sólola forma R está en
equilibriocon T,por loquelosincrementosdevelocidadson considerables.
A las sustancias que como A se unen al estado activoy con ello favorecen un
incrementodelavelocidaddereacción selesllamanefectorespositivosoactivadores
alostéricos.
Sien vez deA,alsistemaenequilibrioseleañadeelligando1ésteseunealestado
T,fonnando elcomplejoTI queprovocaun desplazamientodelequilibrioenelsenti-
docontrarioalobservadoanteriormente, con lo cualla concentracióndelestadoT
aumenta y la del R disminuye; mientras mayor sea la concentraciónde 1añadido,
mayor será la fracciónde enzima en estado T, lo cual implica un decrementoen la
velocidaddereacción,pues esmenorelnúmero decentrosactivoscon la conforma-
ciónfavorablepara launión con elsustrato.
A lassustanciasquecomoheunen alestadoinactivoy provocanuna disminu-
cióndelavelocidaddela reacción,se lescon= comoefectoresnegativosoinhibidores
alostériros;estosaspeetocenformageneralizadaaparecenenlañgura17.4.
7. Este modelo difiere del anterior en varios aspectos, primero, no se postula la
existenciadeun equilibrioentre lasconformacionesde la enzima,previo a la unión
conelsustrato,sino quela transición T - A esinducidapor la unión delsustrato. El
cambio de conformación T+R en las diferentes subunidades es secuencial y no
concertado,deforma que los estadosconformacionaleshíbridosinaceptablesen el
modeloconcertadotienen en elsecuencialuna funciónoredominante.
El modelo concertado supone que la simetría molecular es esencial para la
interaccióndelassubunidadesy por tantorequierequeesasimetríaseconserveduran-
telatransiciónalostérica;por elcontrario,elmodelo secuencia1plantealaposibilidad
deinteraccionesentre las subunidadesaun cuandoéstaspresentenconformaciones
diferentes.
Porúltimo.estemodelodifiereen onelasinteraccioneshomotrónicassonsiemore
positivasen elmodeloconcertado,pero pueden ser positivasonegativasen elmodelo
secuencial.Sila segundamoléculadel sustrato puede unirse deforma máso menos
fuertequelaprimera,dependedela naturalezadelcambioinducidoporla unión dela
primeramolécula delsustrato.
Cabepreguntarseentoncescuáldelos2modeloseselcorrecto.Estudiosdetalla-
doscon numerosasenzimashan puesto demanifiestoqueen algunoscasoselmodelo
concertadoesel aplicable,mientrasqueen otroseselsecuencial.Sinembargo,existe
un grupo numeroso de enzimasen que no es aplicableninguno de los 2; esto hace
necesariola aparición de otros modelos que puedan generalizar los conocimientos
existentesy proporcionaruna herramientacognoscitivadegran alcancepara elestu-
diodelasenzimasalostéricas.
Características generales de ias enzimas a l d r i e a s
No obstante, independientementedel modelo que se aplique, existen algunas
característicasgeneralesdeestasenzimasquepudiéramosresumircomo:
1.Sonproteínasoligoméricasde peso molecularelevadoy estructura complejacon
rarasexcepciones.
2. Lasenzimasexistenen vanosestadosconformacionalesinterconvertiblesy conun
gradodeafinidaddiferentepara cadauno desusligandos.
3.Losligandosseunen a la enzimaen sitiosespecíficospor fuerzasno covalentesy
deforma reversible,afectandoelestadoconformacionaldelasenzimas.
4. Loscambiosconformacionalesen una subunidadsecomunicanen mayor omenor
gradoal restodelassubunidades.
5.Lacuwa develocidaden funcióndelaconcentracióndesustratosiemprepresenta
una formadiferentea la clásicacuwa hiperbólicadeMichaelis-Menten.
Loimportantedeestetipodemodificación es quelosactivadoreseinhibidores,
no son materialesde laboratoriocomoen los casos estudiadosanteriormente, sino
sustanciaspropias dela célula ycuyaconcentraciónvana comoconsecuenciadela
propia actividadcelular. En ocasioneselactivadory elinhibidorforman una pareja
cuyasconcentracionesvaríandemaneracontraria,cuandoaumentaladeunodeellos,
disminuye la del otro. Estas variaciones de concentración constituyen estímulos
metabólicosqueadaptanelfuncionamientodelasenzimasa lascondicionescelulares
en Constantecambio.
Lapareja quecon mayorfrecuenciacumpleestasfuncionesesLaformada por el
A ~ YelADP, susconcentracionesrelativascontrolanun gran númerodeactividades
e-ticas yconellodemtas metabólicasenteras;para comprenderestasituaciónes
convenienterecordar elciclogeneraldelATP.
Fig. 17.5. El modelo secuencial. A diferen-
cia del modelo simétrico las for-
mas R y T no están en equilibrio y
la unión del sustrato se produec dc
manera seeueneial, pues sólo afee-
tala conformación de la subunidad
a la cual se ha unido. El modelo
admite la formación de híbridos
conformacionales. La velocidad
global de la reacción dependerá
de la fracción de subunidades que
estén en la conformación más ar-
tiva.
8. FormacióndeATP:
ADP +Pi -ATP + H,O
FormacióndeADP:
ATP +H,O +ADP +Pi
Fig. 17.6. Ubicación de las enzirnas
reguladoras. La eanvenión de A
en G requiere d concursa de 6
enzirnas, una de ellas tiene prapie-
dades reguladaras y se encuentra
ubicada al principio de la vía, de
forma que al controlarse la reae-
eión en que participa de hecho se
está controlando la vía completa.
En el esquema la enzima
reguladora es E2 (en rojo) y par
tanto todo el funcionamiento de la
vía dependerá de la velocidad de
fomaciún del intermediaria C.
Comoseapreciaenlasreacciones,alformarseelunodelotro,lasconcentraciones
deestoscompuestosvarían deformacontraria,asíal aumentar lasconcentracionesde
ATPdisminuyenlasdeADPy viceversa.
En el ejemplode la fosfofrnctoqninasatratado al inicio, el ATPes un efector
negativo (inhibidor)y el ADP es positivo (activador),comolas concentraciones de
ambosnopueden aumentarsimultáneamente,encadamomentolaenzimasóloestará
expuesta a elevadas concentraciones de uno de ellos y así será so respuesta. Esta
enzimano presentaráentoncesuna actividadfija,por elcontrario,suactividadvariará
tan ampliocomo sea la variación de concentraciónde ATPy ADP; pero como las
concentraciones deATPyADPvarían comoconsecuenciadéla actividadcelular,y
cada una deellasrepresentasituacionescelularesdiferentes,la actividaddeestaenzi-
ma estará adaptada a lassituacionescelularesypodrá cambiar cuandolasituación
varíe.
Otroaspectoimportantedeestasenzimasessuubicaciónenlasmtasmetabólicas;
para latransformacióntotaldeun sustratoserequieren numerosasreaccionesquúni-
cas,cadauna produceun cambiogradualenlaestrncturadelsustrato(Fig.17.6).Para
laconversióndeAen Gsenecesitan6reaccionescada una deellascatalizadapor una
enzima diferente,quevan originandolosintermediariosB, C,D, EyF.
Lasenzimasalostéricascasisiemprecataüzanuna delasprimerasreacciones,con
locualestasrutas se regulan desdeelinicio,permitiendoque éstasfuncionensóloen
condicionescelularesadecuadas.Esta ubicaciónhace posible quela célula utilice la
cantidad indispensablede sustancia y energía para su funcionamiento, sin gastos
excesivos.Esta situaciónqueseobservacomouna regularidad en casitodaslas rutas
metabólicasesla quehemosexpresadobajola denominacióndeprincipiodelamáxi-
ma economía.
Existenotrasformasdemanifestarseelalosterismoendiferentestiposdeenzimas,
hay casos en que los sitiosreguladores y catalíticosestán en la misma subunidad y
otrosendiferentes,destacándoselasubunidad catalíticay laremiladora; loscambios
provocadospor elefectorpueden influirsobreelestadodeasociacióndelasenzimas
que tienen la posibilidad de existircomomonooligómerosy polioligómeros, por lo
queen unoscasospuedeser activoelmonooligómer~yen otroselpolioligómero.Hay
otroscasosdemayorcomplejidadquesalendelosmarcosdeestetexto.
Por último, esbueno señalar que el alosterismono esprivativodelas proteínas
enzimáticasy aparece también en proteínas que realizan otro tipo de funciones; la
primera proteínaalostéricaestudiadafuela hemoglobima,quenoesuna enzima sino
un transportador deoxígenoenla sangre. Otras proteínasno enzimáticasconpropie-
dadesalostéricasincluyen a lostransportadoresdemembranacomoseestudiaráen el
tomoUylasproteínasrepresorasqueestánrelacionadasconla regulacióndelaexpre-
sióngenética queserántratadasen elcapítulo34.
El alosterismoconstituyeun fenómenomuy difundidoen elcomportamientode
numerosas proteínasquerealizan funcionesdiversas,yquedesarrollanun mecanismo
básico por el cualla accióndeesasproteínasesmodulada.
Modüicaci6ncovalente
Existeotro grupo deenzimasque seregula deforma diferentea las anteriores;
estasenzimasexistenen lascélulasen 2 formasquedifierenen sucomposición,locual
9. Fig. 17.8. Aelivación de la proteinaquinasa
dependiente de AMPc. La enzima
se presenta como un tetrámero in-
activo formado por 2 subunidades
reguladoras (R)(en rojo) y 2
eatalítieas (C) (en azul). En la
subunidad R se distinguen al me-
nos 4 dominios, 2 para la unión al
AMPc (A y B), una que es el
inhibidar de la actividad eatalítiea
(1) y el último el de dimerización
(D). La unión del AMPc (círculos
verdes) a uno de los sitios de las
subunidades reguladoras pmduce
una transconfomación que expo-
ne el segundo sitio que, al ser oeu-
pado por el AMP,, provoca la di-
sociación del tetrámero de forma
que las subunidades catalílicas pa-
san a su forma disociada activa.
Existennumerosaspmtehas quinasasperoquizáslamejorcaracterizadadetodas
ellas es la proteína quinasa A (PK-A) dependientede AMPc; esta enzima ha sido
localizadaen numerosasespeciesdesdela levadurahasta losmamíferos,pero no ha
sidolocalizada en procariontes y la que está presente en plantas superiores difiere
notablementedeladelosmamíferos.
La enzima de los mamíferos está compuesta por 2 tipos de snbnnidades: la
reguladora(R)y lacatalítica(C),cadamolécula deenzimacontiene2 decadauna para
una fórmulasubunitariaqC,.
Existen 2tipos principalesdeproteínas quinasasdependientesdeAMPc quese
distinguenpor lascaracterísticasdela subunidadR. Las 2isoenzimassediferencian
por sudistribuciónhística,lasecuenciadeaminoácidos, lahabüidad para autofosfo-
rilarse,la unión con elAMPcy lainteracción con lassubnnidadesC.
Laholoenzimasepresentacomounaproteínatetraméricainactivade150a170kD.
LasubunidadCtieneuna masamolecularde402kDy lassubunidadesR(R,y R,,) de42
y 45 kD,respectivamente. Cuandoel AMPc se une a la subunidad R, el complejose
disociaformandoqAMPc4y ZsnbunidadesCactivas;una vezdisociadalaholoeha,
lasubunidadCeslaquecataüzalafosforilacióndelasenzimas(Fig. 17.8).
Lasfosfoproteínasfosfatasastambiénpresentan diferentegradodeespecificidad
desustrato,por locualseacostumbraa clasificarlascomoespecíficaseinespecíficas;
entrelasprimerasseencuentrala pimvatodeshidrogenasafosfatasaqueesespecífica
para esa enzima; por su parte las inespecíficasse subdividenen 2 grandes grupos
10. denominados1y 2. Las fosfoproteínasfosfatasas1son generalmenteparticuladas y
pueden ser inhibidaspor péptidosespecíficos,en tantolasdetipo2son solublesy no
selesconocenpéptidosinhibidores. Estasúitimassesubdividenasu vez en 3gmpos
designadosA,By C,atendiendoal tipodecationesdivalentesquerequierenpara su
funcionamiento; su función esbidrolizar los enlacesésteresque seforman entre el
grupo fosfato y los residuos de aminoácidos de las proteínas, convirtiendode ese
modo laformamodificadaen nomodificada.
Sehan identificado2proteínasinhibidorasdelasfosfoproteínasfosfatasas1y se
nombran 1y 11. La proteína inhibidora 1de las fosfatasasexiste en 2 formas, una
fosfatadaqueesactivay otranofosfatadaqueesinactiva.Cuandola proteínaquinasa
A seactiva no sólofosforilalasenzimassinoque,además,dificultasudesfosforilación
alactivaral inhibidordelasfosfatasas.
Enocasionesentrela proteína quinasay laenzimaquerealizaelefectometabólico
existenotras proteínasquinasascon un mayorgradodeespecificidad.
El sistemaderegulación delcatabolismodelglucógenoesun ejemplomuy ilus-
trativodecómooperala modificacióncovalenteen la regulacióndelmetabolismo. La
enzima glucógeno fosforilasa (GP) cataliza la ruptura de enlaces glucosídicos del
glucógenopor accióndelácidofosfórico;estaenzimapresenta una formafosfatada
(GPF)deelevadaactividady otranofosfatadaprácticamenteinactiva;mientrasmayor
sealaconcentracióndeGPFmavor número deenlacesdicosídicosserán rotos.-La quinasaquecatalizalaconversióndela formanofosfatadaen fosfatadatam-
biénpresenta2formasdecomposicióndiferentes:una fosfataday otra nofosfatada.
Estaenzimacasiespecíficapara laglucógenofosforilasarecibeelnombredeglucógeno
fosforilasaquinasa(GFK),puesahorasusustratoesunaenzima;por tantopara activar
laGFKserequieredeotraquinasaypara inactivarladeotrafosfatasa.
Lae~queactivaalaGFKeslapmteínaquinasaA(PK-A)dependientedeAMPc
Elmecanismofuncionadela formasiguiente:
-ElAMPcactúasobrePK-Ay pasa asuformaactiva
C,R, + AMPc -> 2C +R,:AMPc, (1)
-LasnbnnidadCdela PK-Afosforilala GFK conelATPcomofuentedefosfato
GFK +ATP .GFK-P +ADP (2)
-La GFK-Pfosforüaa laGP,tambiénconeluso deATP
GP +ATP ---+GP-P +ADP (3)
.-La GP-Pproducela ruptura delosenlacesglicosídicoscon ácidofosfórico
Comoconclusiónpodemosdecir quela aparición delAMPc provoca,a travésde
todoe~mecanismo,unaumentoenlavelocidaddeniphirade losenlacesdelglucógeno.
11. Modiúcaci6n por adeaüaci6n desadenüsa6n
El ejemplomejorestudiadoesla enzimaglutaminasintetasadeE.coli,estaenzi-
ma catalizalaformacióndeglutaminaa partir deglutámicoyNH,, dependiendodela
hidrólisisdelATP. Lamoléculaconstade 12subunidadesde50kD,cada una forma2
estruchuashexagonalesquesesuperponen.
Ésta esuna enzimacentral en el metabolismo,pues regula elflujodenitrógeno
que una vez incorporado al grupo amida de la glutamina puede ser utilizado en la
síntesis de numerosos compuestos como triptófano, histidina, carhamil-fosfato,
glucosamina-6-fosfato,CTPyAMP. La enzimaesinhibidadeformaacumulativapor
cadauno deesosproductosyademáspor la alaninay laglicina; pareceser queposee
un sitiodeunión especi'fico para cadaunodeestoshhibidores, y suactividadcesacasi
por completocuandoestáligadaa todos eUos.
Otrohechosignificativoesquesuactividadtambiénseregulapor modificación
covalentealincorporarseun grupoadenilato(AMP)algrupohidroxiiodeuna Wsina
espeei'fica encada suhunidad.Laformaadeniladaesmuchomássensiblea lainhihi-
ciónacumulativaquelanoadenilada.El grupoAMPpuedeser retiradodelaenzima
por fosforólisis.
Uno de los hechos más curiosos de este proceso es que tanto la reacción de
adenüacióncomoladedesadenilauónsoncaíalizadasporlamismaenzima, laadenilato
transferasa. Esta enzimaestácontrolada a su vezpor una proteína reguladora -que
habituaimeniesedesignacomoP-queestáformadapor2subunidadesypuedepresen-
tarseen2formasP, yY,. Elcomplejodela adenilatotransferasaconP, uneelAMPa
laglutaminasintetasay conellodisminuyesuactividad,mientrasqueelcomplejode
la transferasacon PocatalizalafosforólisisqueeliminaelgrnpoAMP.
Aquíapareceotro nivel deregulacióncovalente,puesP, esconverüdaen P,por
laadicióndeuridinmonofosfato(üMP)a cadasuhunidaden una reaccióncataluada
por lauridiltransferasa;estaenzimaesactivadapor elATPy elácidoa-ceto-glutárico
einhibidaporlaglutamina;a suvezlosp p o sUMF'wn eliminadosdelaproteínapor
hidrólisis. Un resumen delasprincipalescaracterísticasdela glutaminasintetasase
representaen lafigura17.9.
El significadometabólicode estesistema es que la adenilación es inhibida y la
desadenilaciónactivadacuandoelaporte denitrógenometahólicamenteútil esbajo,
ylocontrariocuandoelsuministroesadecuado.
ATP P-P
2 UTP 2 P-P
-
2 UMP 2 H,O
ADP Pi
b) c)
Fig. 17.9. Regulación de la glutaminasintetasa.La enzima esiá formada por 12 subunidadesagrupa-
das en forma de 2 hexigonos (a). La adenilaeión se produce por la acción del complejo
constituido por la adenilatotransferasa(AT) y la proteína P,, y la desadenilacióncuando la
transferasa se une s la proteína P, (b). La conversión de P, en P, se realiza por la
uridiltransferasa,mientras la reacción inversa se lleva a cabo por hidrólisis (e).
12. otrostiposde modificaciones
Hace más de 30 arios se conoce que la actividad de algunasenzimas puede ser
modificada por la formacióndeenlacesdisulfurosen lasproteínasenzimáticas;este
tipo de modificación covalente puede ser resultado de la reacción con un agente
externoquequedaunido a la enzima
E-SH +R-S-S-R -E-S-S-R + R-SH
oporlaformación depuentesdisulfurointramoleculares
E-(SH)? + R-S-S-R LE-S? + 2 R-SH
Estas reacciones son similares a las de formaciónde los enlacesdisulfuro que
estabilizanlaestrncturaterciariadelasproteínas,difierendeéstosen que,en laenzima
nativalosdisulfurosinvolucradosen la regulacióndeben estar accesiblesa la reduc-
ción por tioles externos,ya que la regulación por este mecanismose realiza como
respuesta a los cambios en el estado redox de la célula y sólo puede ocurrir si la
reacciónesmuy reversible.
La reaccióndeintercambioes catalizadapor enzimasque estánpresentesen el
citosolyelsistemademembranas de la célula; entre las enzimasreguladas por este
mecanismoseencuentranlapimvatoquinasa,hexoquinasa yglucosa-6-fosfatasahepá-
ticasy lafusfofructoquinasayfructosa-1-6-bifosfatasadelmúsculo. Aun cuandoha
sidoestudiadominuciosamenteelsignificadometabólicodeestemecanismo,no está
edarecidodemanera convincente.
Otrotipodemodificacióudescritoen casitodosloseucariontesseproducepor la
transferencia a algunasenzimasdelgrupo 5'-ribosil-ADPprovenientedelNAD'. El
significadodeestamodificaciónno estádel todoclaroaunquepareceestar vinculado
dealgunaformacon losprocesosdesíntesisdelasmacromoléculasinformacionales;
un ejemplo de este tipo se trata en el capítulo 30. Menos estudiado es el caso de
algunasenzimasbacterianasquesecontrolanpor acetilaciónydesacetilación.
Por último, es conveniente añadir que como el alosterismo, la modificación
covalenteno esun mecanismodemodulaciónexclusivodelasenzimasy quese verá
enotrostiposdeproteínascomolostransportadoresdemembrana,etcétera.
Fenómenode amplificaa6n
Lapresenciadeestos2mecanismosderrgulación puedellevaralapreguntade¿cuál
emáseficienteparalacélulaenelcontroldelmetabolismo?Losestudiosexperimentales
handemostradoqueambosíiposdemecanismossoneficaces;estosresultadosconducen
a otras preguntas ¿por qué existe la regulación covalentesi ella representa un gasto
energéticomayoryseobtienelamismaeficaciaqueconelalostérico?¿Nopodríalograrse
tambiénconun mecanimioalostéricoquerepresentai n d wun ahorrodeenzimasparala
célula?Realmenteasíes,pero estemecanismopresenta una ventaja quenoesposible
obtenerlaconelalosterismo.
Otravezlaregulacióndela glucogenólisisproporcionaelejemplomásilustrativo;
Supongaquelasenzimasinvolucradasen elprocesoson capacesdetransformar 100
S
moléculasdesustratopor minuto,-locualrepresentaun númeroderecambiobajísio
sisetrata deenzimas;supongaademás,queen una determinadasituaciónseforman
4moléculasdeAMPc por minutoyobservequésucede(p.307):segúnla reacción (l),
13. en un minutoseactiva una moléculadePK-A,queda 2C,puessetrata deun mecanis-
moalostérico, pero cada una delas moléculas de C en el minuto siguienteactivará
100moléculas de GFK,dando en total (2x 100)200 GFK activas. Cada una de las
GFK activará 100de GP, pero comoexisten 200moléculas activasel número total
será (200x 100)igual a 20000mol4culas activasdeGF-P. Cada molécula deGF-P
rompe 100 enlaces del glucógeno, luego la ruptura total será de (20000 x 100)
igual a 2 000 000 de enlaces. En resumen, por cada 4 molécula de AMPc se
rompen 2 millones de enlacesglicosídicos,lo cual no es posible con el mecanismo
alostérico,pues cada efectorsóloactúa sobreuna enzimaenformaestequiométrica.
Cuandoa partir deuna serialmetabólicadeterminadaseproduceunarespuestade
intensidad considerablementemayor que la intensidad del estímulo,se dice que el
sistemaposee lapropiedaddeamplificación.
La clavedeestefenómenodeamplificaciónradica en que losintermediariosdel
procesosonenzimas,mientras mayor seael número de intermediariosenzimáticos
mavorseráelgradodeamolificación.-La amplificacióndesefialesmetabólicasesimportantepara muchosfenómenos
biológicos,comola acción delashormonas,lacontracciónmuscular,la coagulación
delasangre,etcétera.
Esbuenoseñalarquenotodaslasmodificacionescovalenteposeen un sistemade
amplificación,ni toda amplificaciónse producepor un mecanismodemodificación
covalente.
Otrosmecanismosderegulad6n
Aun cuando los mecanismos de regulación alostérica y covalente son los más
ampliamentedistribuidosen losseresvivos, existenotros mecanismos quetambién
contribuyena la efectividaddelmetabolismo.En algunoscasostienen rasgoscomu-
nesconlosmecanismosya estudiadospero porsuscaracterísticassingularesmerecen
un tratamientodiferenciado.Acontinuaciónseexponenlosaspectosmásnotablesde
esosmecanismossinpretenderagotareltema.
Algunasenzimassesintetizanen forma deprecursores inactivosdenominados
7jmÓgenos;latransformaciónalestadoactivoselogracuandouna enzimaproteolítica
catalizalahidrólisisde uno ovariosenlacesnentídicosen la molécula dela enzima:. .
comoconsecuenciadeestaproteólisislimitadaseproduceuna transconformaciónde
la enzima que la hace activa,estecaso no deja de ser una variedad de modificación
covalente,puesseproducemediantelaruptura deenlacespeptidicos,aunquesedife-
rencia por sucarácter irreversible.Aestetipodemecanismoestá asociadauna gran
amplificación, pues a veces basta con la ruptura de un solo enlace peptídico para
provocarlatransformación deun númeroconsiderabledemoléculasdelsustrato.Este
mecanismoresulta de gran importancia en el procesode la coagulaciónsanguínea
(capítulo63),asícomoen laactivacióndelasenzimasdigestivas(capítulo54).
Variación en el estado de ag~egaci6n
Existenenzimasquese presentanen2formas,como monómeroy polímero,pero
sólopresentanactividaden una deellas,casisiempreelpolímero.Estemecanismode
regulaciónconsisteenmodularla actividaddela enzimavariandosuestadodeagre-
gación;de estaforma los facturesque promueven la formacióndel munómero o la
inhibicióndela polimerizacióndisminuyen la actividadenzimática,en tantolosque
14. favorecenla polimerizaciónlaincrementan.El casomejorestndiadoesla acetil-COA
carboxilasa,una enzima multifuncional cuya función metahólica se estudia en el
capítulo49.
Laenzimaesinactivaensufonnamonoménca, peroescapazdeformarpoümeros
dehasta20unidadesqueexhibenuna gran actividadcatalítica;elácidocítricoseune
a laenzimay pmmuevelapolimerización y espor tantoun activador.Lostioésteresde
la coenzimaAcon ácidosgrasosdecadenalarga,especialmenteelpalmítico, favore-
cenelestadomonoméricoyactúancomoinhibidores;esinteresantequeesteestadode
agregación tambiénseregulepor modif~cacióncovalentedelmonómero; laproteína
quinasa A fosforila a la enzima en un residuo específico de serina e inhibe la
polimerización,entantoLaproteínaquinasasensibleaLainsulina(ISPK)lafosforilaen
otrositioyestimula lapolimerización;deestaformala actividaddelaenzimadepen-
dedeuna parte delaconcentracióndesusefectoresalostéricos(cítricoyacil-COA)y
deotradelniveldeactividaddelas2quinasas(ISPKy PK-A).
Cada día seconoceun mayornúmerodeenzimascuyaactividadrequieredesu
interaccióncon otra proteína, la cual a su vez está sometidaa algún mecanismode
regulación. No seconoceexactamentecómoestainteracciónproteína-proteínaprovo-
ca el incremento de la actividad enzimática,tal vez el caso más estudiado es el de
algunasenzimascuyaactividaddependedelosionesCa"; estecatiónpuedeactuar
directamentesobrealgunasemimasymodularsuactividad,peroenmuehoscarosesta
acciónreguladoradependedela calmodulina.Lacaimodulinaesuna proteína de148
aminoácidos cuya secuenciaestá muy conservadade forma filogenética,posee un
residuo delisina en la posición 115que estátrimetilado y es portador de una carga
positiva permanenteindependientedelpH, suestmctura terciariasecaracterizapor
presentar 2dominiosglobulares,uno en cada extremo,unidospor una hélicea de7
weltas. En cadaunodelosdominiosglobularesexisten2sitiosdeunión para el Cah
comosemuestra en la figura 17.10.
Fig. 17.lo. Estructurade la ealmodulina El
diagrama muestra la estructura
tridimensional de la ealrnodulina
con sus extremos, formando los
dominios globulares (en azul) y la
unión entre ellas (en rojo).Los ci-
lindros representan estructuras
helieaidales y los círculos verdes
los sitiosdeuniónpara el CaX*,que
como se ve son 2 en cada extre-
mo.
15. Todoparece indicarquela unión delcatiónprovocauna transconformacióndela
proteína quehacequealgunazonahidrofóbicacrípticaquedeexpuestaypor estazona
seproducela interaccióncon otras proteinas;estaunión promuevela actividaddela
enzima.
Seconocennumerosasproteínasenzimáticasono,cuyaadividad dependedela
calmodulina;entreellasexisteun grupo deproteínasquinasascon variadogradode
especificidad, como las proteínas quinasas dependientes de calmodulina 1y 11,
glucógenofosforilasa quinasa (capítulo43),la quinasadecadenasligerasdemiosina,
etcétera;almenosuna delasisoformasdelaadenilciclasa dependedecalmoduüna;un
transportador activodeCaz+queutiliza laenergíadela hidrólisisdelATPtambiénes
dependientedecalmodulina,conlocualelcatiónescapazde regular supropia con-
cenkaciónintracelular.
Otros ejemplos de interaccionesde enzimas y proteínas que serán estudiados
posteriormenteson: la proteínaG triméricaconla adenilciclasayalgunasfosfolipasas,
la proteínap21K"conproteinasquinasasy la proteína reguladora dela glucoquinasa
(capítulo42).
Este mecanismo consiste en trasladar la enzima de una localización donde es
inactivaaotradondeesactivay viceversa;losagentesquefavorecenlatranslocalización
actúancomoactivadoresoinhibidoressegúnelsentidodeldesplazamiento,un ejem-
plo muy estudiadoes proteínaquinasaC(PK-C),estaenzima seencuentrahabitual-
menteen elcitosoldondeesinactiva,en condicionesquepromueven elincrementode
la concentración intracelular de Caz+,éste se une a la enzima y favorece su
translocalización hacia la membrana nlasmática. dondela enzimaesactivadanor los
diacilglicerolesproducidospor la hidrólisisdealgunosfosfolípidosdela membrana;
de esta forma la enzima y su activador sólopueden entrar en contactocuando las
concentracionesintracelularesdelcatiónlopermitan.
Otroejemplodeestetipoeslacitidütransferasaqueseráestudiadaenelcapitulo18.
Cambiosen la espeeiñeidad
Seconocenapenasuna docenadeenzimascuyomecanismode regulación impli-
ca cambiosen la especificidaddeacción,desustrato oambos. La actividaddeestas
enzimasseregula a su vez por diferentesmecanismoscomoelalostérico,elcovalente
yla interacciónconotras proteinas, enestecapítulosóloseestudiaránalgunosamodo
de ilustración, pues algunos casos serán estudiados con más detalles en capítulos
posteriores.
La lactosaeselazúcardela leche,laglándula mamaria sintetizagrandescantida-
desdeestedisacándodurante elperíododelactanciaycasinadadurante losperíodos
intermedios.La enzima galactosiltransferasaestápresente en numerosostejidos del
organismoquecataüzalatransferenciadeun grupogalactosilodesde elUDP-galactosa
hacia la N-acetil glncosamina para formar N-acetillactosamina;medianteesta reac-
ción la enzimaparticipa en lasíntesisdeoligosacáridosquedespuésseránincorpora-
dosaproteínasenlaformacióndeglicoproteínas,estaenzimatambién seencuentraen
laglándulamarnanaysuconcentraciónseincrementaduranteelperíododegestación.
En el momento del parto, por la acción estimulante de algunas hormonas, la
glándulamamaria comienzala síntesisdeuna proteínadenominadalactoalbúmina,
17. Estosdatos indican que la enzima en su estadodesfosforiladoactúa como una
quinasay en elfosfonladocomouna fosfatasa (Fig.17.12).
Estoscambiosdeespeciñcidadpermitenlaadaptacióndelmetabolismohepático
dela glucosaa las condicionesdel organismo.
Otrosejemplosdeestemeeanismoson: laadenütransferasadeE. diestudiada en
este capítulorelacionadacon la regulación de la glutamina sintetasa,las quinasas
dependientesde ciclinasqueserán estudiadasen el capítulo24 y la ribonucleótido
rednctasa queseestudiaráen el capítulo57.
Fig. 17.12. Fosfofruetoquioasa-2/fasfofructofosfatas-2.En la figura se esqwmstiza La regulación
de esta enzima bifuncional. En el estadono fosforilada tiene adividad de fosfofructoquinasa
transformando la fruitosa-6-fosfato en fruetosa-2,6-bisfosfato;al ser fosforilada por la
proteína quinasa A (PK-A) se transforma en la fosfofruetofosfatasaque hidrolira el enlace
&ter fosfóricode la posición 2 de la fmctosa-2,6-bisfosfatoy la transforma en fructosa4-
fosfato. Es una de las pocas enzimasconocidas que calaliza Zreaccionescontrarias, en este
caso el estado de fosforilaeión de la enzima determina tanto su especificidad de sustrato
como de acción.
En estetipodeenzimassepresenta una situaciónquelasdiferenciandeloscasos
anteriores. Las isoenzimas son proteínas que catalizan la misma reacción, con los
mismosrequerimientosperocanpropiedadescinéticasy fmicoquúnicasdiferentes,lo
cualpermitiósudescubrimientoy estudio.
Aunqueexistennumemsasenzimasquepresentanformasisoenzimáticas,el pri-
mercamconocidoy elmásestudiadoeslalactatodeshidmgenasa(LDkl);estaenzima
existeen todoslos tejidosy en todos eUoscatalizala misma reacción.
COOH COOH
l
- l
NAD+ + HO - c - H Y c = O + NADH + H'
l 1
H - C - H
1
Ácido lictico
316 m
H - C - H
l
H
Ácido pinivico
18. En estecasoelNAD'es un cofactorqueaceptalosátomosdehidrógenoseparados
dellactatopor la enzima(capítulo19).
Laiswnzimapresenteen elcorazóntieneuna mayor afinidadpor elIactatoyestá
favorecidala reaccióndeizquierda a derecha,mientrasquela isoenzimadelmúsculo
esqueléticotiene mayor afnidad por elpiruvato,loquefavorecela reacción contraria.
Larespuestaa estasituaciónsurgiócuandosedescubrióquelaLDHestáformada
por2 tiposdecadenaspolipeptídicasyque la moléculacontieneen total 4 cadenas.
Comola isoenzimadel corazón contieneun solotipode cadena seledenominóH
(he&= corazón)yaldarselamismasituaciónenelmúsculosuscadenassedesignaronM
(musfle=músfulo).Lafórmulasubunitariadeestas2iswnzimass e oH M,4:
rrspectivamente;lasprocedentesdeotrostejidossonhíhridosquecontienenlos2t1pos
decadenascuyasfÓmulassubunitarias~e&~,~~ym,ysuspmpiedadescinéticas
yñsicoquúnicassonintermediasentrelasotras2primeras,loquepermitesepararlasen
-muestra dondeexistauna mezcladetodasellas(Fig.17.13).
O Fig. 17.13.lsoeniimas de la lactatadeshidro-
genasa.Las isoenzimar de la LDH
están formadas por 2 tipos de ca-
o"4 ",M2o denas, H y M, que, de acuerda cou
la proporción en que aparezca
cada una de ellas en el tetrámero,
darán origen a las diferentes for-
mas de la enzima.
H"3
Lapresencia dedeterminadaiswnzimaconfierecaracterísticasparticularesa eta-
pasmetahólicasen diferentestejidos,creandoun comportamientodiferenteantesitua-
donessimiiares,estointroducedeterminadogradoderegulaciónencuantoalmetaho-
lismodelorganismocomoun todo.
Otroejemplointeresanteeslaenzima pimvicoquinasademamíferos, dela cual
existenalmenos 3isoenzimas,laM delmúsculoycerebro,la L delhígadoy la Aque
seencuentraen casi todoslos tejidos; estaenzima esun tetrámero de250kDylas 3
isoenzimasdifieren en sus propiedades cinéticase inmnnoquímicas. El hecho más
curiosoesquelasisoenzimasdifierenensuformaderegulación,laMno pareceestar
regulada, en tanto la Ayla L son reguladas deforma alostérica;ambasformasson
inhibidas por el ATP y la alanina y activadas por el fosfoenolpi~vatoy la fructo-
sa-1-6-bisfosfato.
Laformacióndeun númerocrecientedeisoenzimasa partirdeun númeroreduci-
dodecomponentesestructuralespone demanifiestouna idea quehemosvenidodesa-
rrollandoa lo largodeeitm teniasy que pudiCramosresumirdiciendo: "En los5iste-
mas biológicos la diversidad tienecomofundamentoIüsimplicidad.
Resumen
Losorganismosvivientespara poder sobrevivirdebensercapacesdeadaptar-
sea lascondidonescambiantesdelmedionahiralquelosrodea,deestasituad6nse
deriva la newsidad de los mecanismosde regulación.
19. Cuando un sistema o proceso es capaz de variar su comportamientocomo
respuesta a los cambiosquesepmducen en su entorno,deformaquela respuesta
direeta o indirectamente, tiende a modiñear el estimulo volviendo a la situaei6u
inicial, se dice que este sistemao pmeeso esiá regulado. En la regulaci6n tanto el
estimulocomola respuesta tienen earsicterespecf6co.
La regulaci6nedmática sereñerea la posibilidad quetienen lasenzimasde
variar la veloddadde lasreaccionesqueellaseatalizan,alproducirsedetermina-
doscambiosenelmedio; esaposibilidadvienedadapor earactehticas estructora-
lesdelesenpmaS,quesonmanifestadonesunavezm8sdela estrechavincuiaci6n
entrela estnieturaylafunei6ndelasb i o m o l ~ .Lasmecanismosqueregulanla
actividad de las enzimas son muy diversos pero pueden agruparse en 2 tipos
fundamentales,los que varían la cantidady los que modiñcan la adividad de las
enzmias.
TodosistemadeIPgulaa6n&tira esiá wnsiitnido por varios wmponen-
fpS:el receptor que recibeel estímulo,el trausductorque wnvierteel estúnuloen
unaseñal atendibleporelsistema,elampliñcadorqueaumentalaintensidaddela
repuesta y el efeetor que reaüzael cambioadaptativodirectamente.
Entrelosmecanismoquemodiom laactividadseencuentranlamodiñeaci6n
aldrica y la eovalente.
Las enzimas alostéricas existen en varios estados conformacionales
interwnvertibles y en cada uno de eUos presentan una añnidad diferentepor sus
Ligandos.Launi6ndelligandointmduceuncambioconformadonalquesehasmi-
te al resto de la molécula, modificando la fnieei6n de centros activos útilesv con
eUola velocidad dela reaCEi6n. Lasprincipalesmodelospropuestospara ex&ar
elmeesnismodelasenzimasaiddeassonelsimébimoconcertadovel8efuenciaL
Enlamodioeaeióncovaientela enzimaexisteen 2formasdedifirentewmm-
sidón,motivadapor la adiciónosustraeci6ndeunpequefio grupounidodemane-
rawvalentealaprotefna e&tica: eadaformadelaenzimatieneunaactividad
euentitativadif-te y alpasar de I& estadoa otrocambiala fraccióndecentros
activos 6itües. Los tipos mis difundidos de modificación covalente son la
fodorüad6ndesfodorüaci6n,la adenüación desadenilaci6n y el intercambio de
suifihidrilosdinuPuros,tanto el alosierismo wmo la modiñraei6n mvalente pue-
den observarseenproteínasqueno tienen Carseteredmático.
Casi siempre a los mecanismos de modüíd6n covalente esiá asociada una
gran ampliñcaci6ndebidoa que entre el receptor y el efeetor existen numerosos
intermediarios enzimátiecw.
Otrosmecanismosderrguladónmenosditundidosenlosseresvivossonlosde
la prote6üsislimitada, en el cual las enzimassesinteoZanwmopiefur~oresinac-
tivos yseacüvanpor lampturadeenlacespeptidicos,la varia0611en el estadode
agmgaci6nde las enzimasque exisíencomo mon6meros y poIímem de diferente
acüvida&por la interaeeión de la enzima con otra proteína no enzimatica que
generalmentela activa,por el cambiode loraüzad6n celulary por cambiosen la
. .espeeifieidadde d 6 n , degustrato oambos.
LasLweaPmassonformasdiferentesdeunamismeenzimaquesedifexencian
en sus propiedades &éticas y üsiwquímicasy hacen que lasreacciones que ellas
catalizaapresentenearaeterúlticasdiferentesenlostejidasdondeseencuentran.El
caso más conocido es el de la enzima lactato desüidrogenasaque cataliza la con-
versi6n reversibledel lactatoen piruvato.
Ejercicios
1.¿Porquéparapoderasegurarqueun sistemaesiá reguladolarespuestadebemodi-
ficaral estímuloinicial?
2. ;Por quépodemosafirmarquelosmecanismosderegulaciónenzháticason una
expresióndelprincipiodemáxima economía?
20. 3.Elfenómenodecooperatividadseasocia generalmentea lasenzimasalostéricas.
¿Pudierausted explicaruna situaciónen queuna enzimano alostéricamostraseun
efectocooperativo?
4. ¿Por quéseafirma queel modelosecuencia1puede explicarlosefectoscooperati-
vosheterotrópicos,mientrasqueelsimétricouo?
5. ¿Cuálesla razón dequelosmodelosquetratan deexplicarel comportamientode
lasenzimasalostéricassuponganqueéstaspresentanestructuracuaternaria?
6. Hagaun esquemaqueexpliquela regulación delafosfofructoquinasaporelATPy
elADP,según el modeloa)simétricoy b) secuencial.
7. Dos procesos metabólicos se regulan por modificacióncovalente y por fosfo-
rilación desfosforilacióo, si en uno hay 3 quinasas intermedias con una kv*,
de 120min-', y en el otro 4 con k C ,de 80min-', calcule el grado de amplifica-
ción para cada uno de ellos.
8. Existe una ruta metabólica en la cual la sustancia A puede ser convertida en D
segúnvariasreacciones,por otra parte D seconvierteenA. ¿Pudierausted diseñar
un sistema de regulación tal que cuando la célula necesite la sustancia D, la vía
funcionesóloen la dirección A -+D, y cuando necesite la sustancia A
funcionesólo en el sentidoD -- + A?
