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REGULACIÓN E INTEGRACIÓN METABÓLICA

Prof Lorena García

Objetivos (clase y seminario)

Panorámica general de las diferentes rutas metabólicas

Perfiles metabólicos de diferentes órganos

Puntos de conexión y moléculas clave del metabolismo

Regulación hormonal del metabolismo de glúcidos

Reservas energérticas del organismo

Modificación de los perfiles metabólicos en le ciclo ayuno-nitrición y reposo-ejercicio

Fases de la homeostasis de la glucosa durante el ayuno prolongado

Situaciones patológicas relacionadas con el metabolismo energético: diabetes, alcoholismo, obesidad

Destinos metabólicos de la glucosa-6-fosfato

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Destinos metabólicos del piruvato y Acetil-CoAen los mamíferos

Hígado

Tejido adiposo

Glucosa, (NO)

Acidos grasos (AG) y afa-cetoácidos, (SI)

Cuerpos cetónicos (CC), (NO)

Principal sitio de síntesis de AG, triacilgliceroles(TAG) y CC

AG, (SI)

Internaliza AG para síntesis de TAG y CC

Glucosa, poco (para síntesis de glicerol-3-fosfato para TAG)

Músculo

Cerebro

Glucosa (Ciclo de Cori) y AG, en menor medida CC

α-cetoácidos de AA, producto de la degradación de proteínas

Ciclo glucosa-alanina. Hace glucogenolisis, pero no exporta glucosa.

Glucosa, la que oxida completamente a CO2

No sintetiza ni usa glicógeno

En ausencia de glucosa, usa CC

No usa AG (barrera hematoencefálica)

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Intercambios metabólicos entre el músculo y el hígado. Ciclo de Cori

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Es necesario que existan mecanismos que puedan regular en forma coordinada la disponibilidad de metabolitos de acuerdo a los

requerimientos celulares

REGULACIÓN

Capacidad de los seres vivos para ajustar sus procesos metabólicos en respuesta a influencias externas e internas; esta capacidad de adaptación se debe

principalmente a la existencia de procesos regulatoriosen las reacciones de biosíntesis y degradación de

biomoléculas.

Entonces, en una célula:

¿A qué nivel se ejerce esta regulación?

ENZIMAS

Mecanismos regulatorios celulares que se ejercen a nivel de las enzimas:

1.- Compartimentación

2.- Direccionalidad

3.- Rutas anabólicas y catabólicas

4.- Factores cinéticos

5.- Modificación covalente reversible

6.- Sistemas en cascada

7.- Expresión génica

1.- COMPARTIMENTACIÓN

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Células Procariontes

Células Eucariontes

Celulas Procariontes

MEMBRANA PLASMATICATransporte selectivo de iones y compuestos neutros, sitio de receptores de hormonas y sirve de barrera al medio externo

NUCLEO Información genética.

Nucleoplasma: duplicación del DNA y transcripción (mRNA y tRNA)

Nucleolo: transcripción (rRNA)

RETICULO ENDOPLASMICOSíntesis de proteínas

APARATO DE GOLGIvesículas secretoras y reciclaje de membranas

Célula eucarionte animal

MITOCONDRIAS

Enzimas del ciclo de Krebs, cadena respiratoria, fosforilación oxidativa y degradación de ácidos grasos

CITOSOL

glicolisis, gluconeogénesis, síntesis de ácidos grasos, vía de las pentosas

LISOSOMAS

enzimas hidrolíticas, proteasas, glicosidasas, lipasas

Célula eucarionte animal

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VACUOLAS

Función digestiva semejante a los lisosomas, contiene enzimas hidroliticas

CLOROPLASTOS

Producción de O2, ATP y hexosas en células vegetales

Fotosíntesis

Célula eucarionte vegetal

2.- DIRECCIONALIDAD

Glucosa + ATP Glucosa-6-fosfato + ADP

Glucosa-6-fosfato + H2O Glucosa + Pi

Hexoquinasa

Glucosa-6-fosfatasa

Fructosa-6-fosfato + ATP Fructosa-1,6-P2

Fructosa-1,6-P2 +H2O Fructosa-6-P + Pi

Fosfofructoquinasa

FBPasa

Fosfoenolpiruvato +ADP Piruvato + ATP

Piruvato + CO2 ác oxalacético PEP + CO2

Piruvato quinasa

Piruvato carboxilasa PEPcarboxiquinasa

Acetil-SCoA + CO2 + ATP MalonilSCoA + ADP +Pi

MalonilaSCoA Aceltil-SCoA + CO2

AcetilSCoA carboxilasa

MalonilSCoA descarboxilasa

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3.- RUTAS CATABÓLICAS Y ANABÓLICAS

Glicolisis - Gluconeogénesis

E

E

Glicolisis/gluconeogénesis Síntesis de ácidos grasos – Degradación de ácidos grasos

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4.- FACTORES CINÉTICOS

Inhibición por retroalimentación (o inhibición alostérica)

Sitio alostérico

Rutas metabólicas controladas por retroalimentación

Glicolisis Fosfofructoquinasa ATPGluconeogénesis FBP fosfatasa AMPBios. ac. grasos AcetilCoA carboxilasa AcilCoABios. colesterol HMGCoA reductasa Colesterol

Ruta Enzima Inhibidor

Ejemplo de retroalimentación negativa en vías metabólicas:

Síntesis de isoleucina

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Ejemplo de retroalimentación negativa en vías metabólicas

Asp + CP Carbamil aspartato CTP

Síntesis de pirimidinas

ATCasa

ATP+

Estructura ATCasa (310 kDa)12 subunidades : 6 catalíticas (ordenadas en trímeros)

6 regulatorias (ordenadas en dímeros)

Subunidades catalíticas

dominio aspartato

dominio carbamilfosfafo

Subunidades regulatorias

dominio alostérico

dominio que contiene zinc

C1

C4

C2

C5 C6

C3R2

R4R1R6

Tipos de inhibición por retroalimentación

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Respuesta cinética de enzimas alostéricas comparada con la Michaeliana

vv

v

∆v

∆v

[S]

[S]

Vm

Vm

Km

K0,5

En la célula [S] ≈ KmV = Vm [S]

Km + [S]

V = Vm [S]h

Km + [S]h

Efectos cinéticos producidos por metabolitos que se unen al sitio alostérico de la enzima

Inhibidores y activadoresalostéricos

s0 2 4 6 8 10 12

Y

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

(+ Inhibidor)

(+ Activador)

(sin efectores)

V+

V0

V-

5.- MODIFICACIÓN COVALENTE REVERSIBLE

a) Fosforilación/desfosforilación

b) Adenilación/desadenilacion

c) ADP ribosilación/desADP ribosilación

d) Metilación/desmetilación

e) Acetilación/desacetilación

a) Fosforilación/desfosforilación

Ser

ATP ADP

Ser

CN

CC

NC

CN

CH2OHO

HR

HO

R'H

H

H

H

CN

CC

NC

CN

CH2OO

HR

HO

R'H

P O-O

O-

H

H

H

Quinasa

Ser Ser

CN

CC

NC

CN

CH2OHO

HR

HO

R'H

H

H

H

CN

CC

NC

CN

CH2OO

HR

HO

R'H

P O-O

O-

H

H

H

H2O Pi

Fosfatasa

Mg+2

Mg+2

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b) Adenilación/desadenilación

Enzima auxiliar

Ejemplo: glutamina sintetasa

O

OH OH

N

N N

N

H2NC

NC

CN

CC

N

OH

R

HO

R'H

CH2 O P

O

O-O CH2

H

H

H

H

H

H

O

OH OH

N

N N

N

H2N

+

CN

CC

NC

CN

OH

R

HO

R'H

NHC

NH2

N

O

OH OHCH2 O P O P O CH2

O O

O-O-H

c) ADP-ribosilación/desADP-ribosilación

d) Metilación/desmetilación

Ejemplo: proteínas de membrana

e) Acetilación/desacetilaciónEn ε-amino de lisina (en histonas)

En residuo NH2-terminal (ciclo-oxigenasa)

Enzima auxiliar

6.- SISTEMA EN CASCADA

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Acción de hormonas en la activación de la glicolisis

7.- EXPRESIÓN GÉNICA

Si aumenta la biosíntesis de una determinada enzima y su degradación se mantiene constante

Hay aumento de su masa

Principal regulación de la masa de la enzima

A nivel de la transcripción ¿Por qué?

Operón:

Operón lactosa

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Operón triptofano:

Ejemplos de regulación de rutas metabólicas

Degradación y Biosíntesis de glicógeno

1.- Glicógeno fosforilasa

2.- Glicógeno sintasa

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Regulación covalente reversible

Regulación alostérica

Glicógeno fosforilasaRegulación recíproca de ambas enzimas