Regulación de la Actividad Enzimática

TRABAJO DE INVESTIGACIÓN N° 1

1. Regulación de la Actividad Enzimática

Una molécula de enzima no tiene por qué actuar siempre a la misma velocidad. Su actividad puede estar modulada por:

Cambios en el pH: Los enzimas poseen grupos químicos ionizables (carboxilos -COOH; amino -NH2; tiol -SH; imidazol, etc.) en las cadenas laterales de sus aminoácidos. Según el pH del medio, estos grupos pueden tener carga eléctrica positiva, negativa o neutra. Como la conformación de las proteínas depende, en parte, de sus cargas eléctricas, habrá un pH en el cual la conformación será la más adecuada para la actividad catalítica. Este es el llamado pH óptimo. La mayoría de los enzimas son muy sensibles a los cambios de pH. Desviaciones de pocas décimas por encima o por debajo del pH óptimo pueden afectar drásticamente su actividad. Así, la pepsina gástrica tiene un pH óptimo de 2, la ureasa lo tiene a pH 7 y la arginasa lo tiene a pH 10. Como ligeros cambios del pH pueden provocar la desnaturalización de la proteína, los seres vivos han desarrollado sistemas más o menos complejos para mantener estable el pH intracelular: Los amortiguadores fisiológicos.

Cambios en la temperatura: En general, los aumentos de temperatura aceleran las reacciones químicas: por cada 10°C de incremento, la velocidad de reacción se duplica. Las reacciones catalizadas por enzimas siguen esta ley general. Sin embargo, al ser proteínas, a partir de cierta temperatura, se empiezan a desnaturalizar por el calor. La temperatura a la cual la actividad catalítica es máxima se llama temperatura óptima. Por encima de esta temperatura, el aumento de velocidad de la reacción debido a la temperatura es contrarrestado por la pérdida de actividad catalítica debida a la desnaturalización térmica, y la actividad enzimática decrece rápidamente hasta anularse.

Presencia de cofactores: A veces, un enzima requiere para su función la presencia de sustancias no proteicas que colaboran en la catálisis: los cofactores. Los cofactores pueden ser iones inorgánicos como el Fe++, Mg++, Mn++, Zn++ etc. Casi un tercio de los enzimas conocidos requieren cofactores. Cuando el cofactor es una molécula orgánica se llama coenzima. Muchos de estas coenzimas se sintetizan a partir de vitaminas. En la figura de la izquierda podemos observar una molécula de mioglobina (proteína que transporta oxígeno al tejido muscular) y su coenzima (el grupo hemo, representado en color rojo). Cuando los cofactores y las coenzimas se encuentran unidos covalentemente al enzima se llaman grupos prostéticos. La forma catalíticamente activa del enzima, es decir, la enzima unida a su grupo prostético, se llama holoenzima. La parte proteica de un holoenzima (inactiva) se llama apoenzima, de forma que: apoenzima + grupo prostético= holoenzima

Las concentraciones del sustrato y de los productos finales: La velocidad de una reacción enzimática depende de la concentración de sustrato. La Figura muestra la velocidad de una reacción enzimática a 6 concentraciones distintas de sustrato. Además, la presencia de los productos finales puede hacer que la reacción sea más lenta, o incluso invertir su sentido.

Presencia de inhibidores: Ciertas moléculas pueden inhibir la acción catalítica de un enzima: son los inhibidores. Estos inhibidores bien pueden ocupar temporalmente el centro activo por semejanza estructural con el sustrato original (inhibidor competitivo) o bien alteran la conformación espacial del enzima, impidiendo su unión al sustrato (inhibidor no competitivo).

Modulación alostérica: Hay enzimas que pueden adoptar 2 conformaciones interconvertibles llamadas R (relajada) y T (tensa). R es la forma más activa porque se une al sustrato con más afinidad. Las formas R y T se encuentran en equilibrio R <==> T. Ciertas sustancias tienden a estabilizar la forma R. Son los llamados moduladores positivos. El propio sustrato es a menudo un modulador positivo. Las moléculas que favorecen la forma R pero que actúan sobre una región del enzima distinta del centro activo son los activadores alostéricos; Las sustancias que favorecen la forma T y disminuyen la actividad enzimática son los moduladores negativos. Si estos moduladores actúan en lugares distintos del centro activo del enzima se llaman inhibidores alostéricos.

Modificación covalente: Otros enzimas pasan de una forma menos activa a otra más activa uniéndose covalentemente a un grupo químico de pequeño tamaño como el Pi o el AMP. También se da el caso inverso, en el que un enzima muy activo se desactiva al liberar algún grupo químico. En las enzimas de las vías degradativas del metabolismo, la forma fosforilada es más activa que la no fosforilada, mientras que en las vías biosintéticas ocurre lo contrario. En las figuras inferiores se ilustra la activación de una proteína por fosforilación.

Activación por proteólisis: Algunos enzimas no se sintetizan como tales, sino como proteínas precursoras sin actividad enzimática. Estas proteínas se llaman proenzimas o zimógenos. Para activarse, los zimógenos sufren un ataque hidrolítico que origina la liberación de uno o varios péptidos. El resto de la molécula proteica adopta la conformación y las propiedades del enzima activo. Muchos enzimas digestivos se secretan en forma de zimógenos y en el tubo digestivo se convierten en la forma activa. Es el caso de la a-quimotripsina, que se sintetiza en forma de quimotripsinógeno. Si estos enzimas se sintetizasen directamente en forma activa destruirían la propia célula que las produce. Así, la tripsina pancreática (una proteasa) se sintetiza como tripsinógeno (inactivo). Si por alguna razón se activa en el propio páncreas, la glándula sufre un proceso de autodestrucción (pancreatitis aguda), a menudo mortal.

Isoenzimas: Algunos enzimas tienen distinta estructura molecular aunque su función biológica es similar. Se llaman isozimas o isoenzimas. Estas diferencias de estructura se traducen en ligeros cambios en sus propiedades, de forma que cada isozima se adapta perfectamente a la función que debe realizar. Así, podemos observar la existencia de isoenzimas en función de:

o El tipo de tejido: Por ejemplo, la lactato deshidrogenasa presenta isozimas distintos en músculo y corazón.

o El compartimento celular donde actúa: Por ejemplo, la malato deshidrogenasa del citoplasma es distinta de la de la mitocondria.

o El momento concreto del desarrollo del individuo: Por ejemplo, algunos enzimas de la glicolisis del feto son diferentes de los mismos enzimas en el adulto.

2. Aldehído Deshidrogenasa

El desarrollo de nuevas tecnologías aplicadas al cualquier campo de la ciencia hace posible los numerosos avances producidos en la misma durante los últimos años. Y este es el caso de la genética de las deshidrogenasas ( ALDH) que oxidan al acetaldehido mediante la transferencia del hidrógeno al NAD tranformándolo en acetato ( Jakobi, 1963):

CH3CHO + NAD++ H2O →CH3COOH + NADH + H+

Hasta la fecha se han aislado doce genes que codifican distintos tipos de Aldehido deshidrogenasa en la especie humana enumerados desde la ALDH1 a la ALDH12 (Yoshida, 1998).

Localizados en diferentes cromosomas, los loci génicos de las subunidades ALDH1, ALDH2 y ALDH3 están ubicados en los cromosomas 9,12 y 17 respectivamente (Yin, Li, 1989), codificando los distintos grupos de proteinas tetraméricas que oxidan gran variedad de aldehidos alifáticos como el acetaldehido, asi como otro aldehidos de tipo aromático. Entre las distintas ALDHs existe un amplio rango de divergencias en la identidad de sus secuencias aminoácidas (Yoshida, 1998).

Polimorfismo genético

Al igual que ocurría con la Alcohol Deshidrogenasa, las distintas clases de ALDH están basadas en los valores de Km y otras propiedades cinéticas. La clase I de ALDH comprende las isoenzimas ALDH1 con constantes para el acetaldehido (Km 30µM) y ALDH2 (Km 2µM ).

El resto de isoenzimas en función de su elevada constante de Michaelis- Menten para el acetaldehído contribuyen escasamente en el metabolismo del etanol. (Pares, 1996) (Yin, Li, 1989), teniendo una variada distribución en el organismo: tracto gastrointestinal en las isoenzimas 1,2 y 3 (Pares, 1996), glándulas salivares en la ALDH8 (Hsu, 1996).

La ALDH1 y ALDH2 son de localización hepática y están formadas por cuatro cadenas polipeptídicas, con un PM de 54000 en cada subunidad (Craab, 1989). La ALDH1 es la isoenzima citosólica, mientras que la ALDH2 es predominantemente mitocondrial y máxima responsable de la oxidación del acetaldehido.

Existe una identidad secuencial de aminoácidos entre ambas de un 68%. Una variante alélica de la ALDH2, secundaria al cambio en la posición 487 de la cadena polipeptídica del ácido glutámico por la lisina, genera una forma enzimáticamente inactiva.

Tras la administración de una dosis oral de 0,5 grs. de etanol por kilogramo de peso en aquellos individuos que poseen la forma inactiva del isoenzima se encuentran niveles elevados de acetaldehido - 30 µM- frente a los -2µM- hallados en los que presentan la isoenzima ALDH2 activa ( Harada, et al. 1985). Dicha mutación se encuentra en el 50% de las razas orientales, produciéndose en los mismos una reacción disfórica con “flushing” tras la ingesta de etanol ( Wall, 1991).

Estudios posteriores relacionados con los genotipos de la ALDH2 en las razas orientales en pacientes alcohólicos y en los que presentan una reacción “flushing” evidencian una frecuencia elevada en alcohólicos del alelo ALDH2*1/2 ( heterozigoto) ( Yin, 1998) los cuales soportan mejor la desagradable reacción que se provoca tras una nueva

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