BT Unidad 06

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Tema Nº6 
Regulación de la función genética y actividad bioquímica de las células. 
 
 
Biotecnología 1 
Tema Nº6 
 
Regulación de la actividad enzimática 
 
A) Control de la transcripción por represión e inducción 
• Modelo propuesto por JACOB y MONOD basado en observaciones de funcionamiento del operón 
lactosa de Escherichia coli, en 1961. 
• En 1967, corroborado por MÜLLER y HILL. 
 
 
 
E1; E2; E3: enzimas inductibles o adaptativas. 
o: gen operón. 
i: gen regulador que codifica la síntesis de una proteína, el represor 
 
✓ El represor tiene afinidad por el operón. 
 
Represión en ausencia de S. 
 
 
 
 
Inducción en presencia de S. 
 
 
 Figura Nº2: Inducción en presencia de substrato 
Figura Nº1: Represión en ausencia de substrato 
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Regulación de la función genética y actividad bioquímica de las células. 
 
 
Biotecnología 2 
B) Enzimas alostéricas (“allos”, griego: de otra forma) 
 
• A menudo, la enzima que cataliza la primera reacción de una secuencia metabólica es una enzima 
alostérica. 
• Una enzima alostérica, además de los sitios activos para fijar al substrato posee lo que se denominan 
sitios alostéricos. 
• Los sitios alostéricos pueden fijar substancias que actúan ya como activadores, ya como inhibidores. 
• El que un activador o inhibidor se fije sobre una enzima alostérica produce una deformación reversible 
que es la responsable de la activación o inhibición. 
 
 
 
Figura Nº3: los dibujos superiores muestran a un inhibidor alostérico impidiendo el ingreso del substrato, los 
inferiores muestran los activadores alostéricos que favorecen la unión de la enzima con el substrato. 
 
 
ENZIMAS ALOSTÉRICAS 
Enzima (producto final) Microorganismo Activador Inhibidor 
Treonina desanimasa (L-isoleucina) 
Escherichia coli 
Salmonella typhimurium 
Saccharomyces cerevisiae 
L-valina L-isoleucina 
Acetolactato sintetasa (L-valina) 
Escherichia coli 
Salmonella typhimurium 
--------------------- L-valina 
Fosfofructosa kinasa (glicólisis) Saccharomyces cerevisiae AMP Citrato, exceso de ATP 
NAD-isocitrato-deshidrogenasa (Ciclo de KREBS) Saccharomyces cerevisiae Citrato Α-cetoglutarato 
Succinil homoserina sintetasa Escherichia coli --------------------- L-metionina 
 
• La retroinhibición consiste en la inhibición de la primera enzima de una vía metabólica por el producto 
final de la misma secuencia. 
 
 
 
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Biotecnología 3 
• La activación de E1 puede ser hecha por una activador, un precursor del substrato o bien por el mismo 
substrato. 
 
 
• Si A y B son necesarios para sintetizar C, para producir coordinadamente A y B, B puede ser activador de 
la síntesis de A. 
• Podría ocurrir que C fuera inhibidor de la síntesis de A (o de B). 
 
Producción de metabolitos 
 
• Los metabolitos son los productos del metabolismo. 
• En un proceso discontinuo, el crecimiento microbiano sigue una ley: 
 
 
Figura Nº4: fases del crecimiento microbiano 
 
✓ A la fase de crecimiento o fase exponencial se la denomina TROFOFASE. Durante esta fase se 
producen los METABOLITOS PRIMARIOS. (aminoácidos, vitaminas, nucleótidos, proteínas). La 
biomasa celular es un metabolito primario. 
✓ A la fase estacionaria se la llama IDIOFASE y es la que sigue a la exponencial o de crecimiento. En esta 
fase se producen los METABOLITOS SECUNDARIOS (antibióticos, alcaloides, solventes, etc.). Los 
metabolitos secundarios son producidos sólo por algunos microorganismos. 
Los metabolitos secundarios no parecen ser esenciales ni al crecimiento ni a la reproducción. 
 
• La formación de metabolitos primarios es extremadamente dependiente de las condiciones ambientales. 
• La regulación de la biosíntesis de metabolitos primarios es significativamente distinta a la de los 
metabolitos secundarios. 
 
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Biotecnología 4 
Regulación de producción de metabolitos primarios 
 
Un mayor conocimiento de la bioquímica y genética de los microorganismos ha permitido mejorar la 
producción de metabolitos primarios, fundamentalmente, eliminando la retroinhibición: 
 
1. Se elimina la retroinhibición por producto final utilizando mutantes auxótrofos que no pueden 
producir el producto final de una secuencia metabólica. 
El producto final se agrega en pequeñas cantidades, sólo para permitir el crecimiento y de forma 
que no haya retroinhibición. De esta manera se produce la secreción del producto intermediario 
deseado. 
La técnica es válida para secuencias lineales o ramificadas. 
 
 
 
Figura Nº5: Producción de metabolitos primarios 
 
2. Un segundo método es la selección de mutantes resistentes a antimetabolitos. 
Los antimetabolitos son análogos estructurales de los metabolitos finales de una secuencia de 
reacciones. Pueden causar retroinhibición pero no pueden sustituir en sus funciones a los 
metabolitos normales. 
Los antimetabolitos ocasionan la muerte de las células normales. 
Los mutantes resistentes a los antimetabolitos pueden formar un exceso de metabolitos. Por 
ejemplo: 
 
ANTIMETABOLITOS FRECUENTEMENTE UTILIZADOS 
Metabolito normal Antimetabolito 
Tiamina Piritiamina 
Piridoxina Isoniazida 
Metionina α-metil-metionina norleucina 
Triptófano 5 ó 6 metil-triptófano 
Fenilalanina p-fluorofenilalanina 
Arginina Caravanina 
Ácido para – amilobenzoico Sulfonamida 
Ácido nicotínico 3-acetil-piridina 
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Biotecnología 5 
Regulación y superproducción de metabolitos secundarios 
 
1. Por empleo de mutantes resistentes a la retroinhibición. Por ejemplo: 
 
Microorganismo Antibiótico Característica 
Penicillium 
chrysogenum 
Penicilina Sensibilidad reducida a retroinhibición por valina 
Streptomyces 
griseus 
Candicidina Resistencia a antimetabolitos de triptófano 
 
2. Una mutación auxotrófica en la biosíntesis de metabolitos primarios puede conducir a un 
aumento en la biosíntesis de metabolitos secundarios. Por ejemplo: 
 
 
Inducción 
 
Los metabolitos secundarios se producen en la idiofase porque las enzimas responsables de su síntesis 
están reprimidas durante la trofofase. 
 
Sin embargo, una adecuada composición del medio de cultivo puede hacer que una fracción importante 
de un substrato lentamente aprovechable (para que las condiciones de crecimiento del organismo no sean 
óptimas) conduzca a una formación paralela del metabolito secundario. 
 
Sólo se conocen algunos ejemplos de substancias que agregadas al medio de cultivo favorezcan la 
biosíntesis de metabolitos secundarios: 
 
• El triptófano es un regulador e inductor de la biosíntesis de alcaloides del ergot (obtenidos del hongo del 
parásito del centeno Claviceps purpurea y basados en clavina y ácido lisérgico). 
• La metionina favorece la producción de cefalosporina, etc. 
 
Regulación por producto final 
 
Se sabe que los antibióticos inhiben su propia biosíntesis, por ejemplo: penicilina, cloramfenicol, 
puromicina, etc. El mecanismo de retroregulación ha sido explicado para muy pocos casos. 
 
Por ejemplo: el cloranfenicol inhibe la arilsintetasa que es la primera enzima de la vía biosintética que 
desde los ácidos aminados aromáticos conduce al cloranfenicol. Un aumento de la productividad requiere la 
búsqueda de mutantes menos sensibles a la inhibición por producto final. 
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Biotecnología 6 
 
Figura Nº6: cloranfenicol o cloromicetina 
 
Regulación catabólica 
 
La regulación catabólica es un mecanismo de regulación por el cual una enzima clave implicada en una vía 
catabólica está reprimida, inhibida o inactivada cuando se añade un substrato que se utiliza normalmente. Los 
substratos que producen regulacióncatabólica incluyen fuentes de carbono y de nitrógeno. 
 
1- Fuentes de carbono: El cuadro muestra distintas fuentes de carbono que causan regulación catabólica y 
fuentes de carbono que no inhiben la formación del producto. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
El mecanismo de esta regulación depende del organismo y del metabolito. 
 
Es conocida la REPRESIÓN CATABÓLICA (levaduras, hongos y algunas bacterias). La represión catabólica 
consiste en la inhibición del ARN-m por la glucosa. 
 
La síntesis del ARN-m necesita la presencia de PAC (proteína activadora catabólica) que debe unirse al 
sitio promotor de transcripción del operón. Esto sólo se consigue en presencia de AMP-c (adenosín-mono-fosfato-
cíclico). 
 
 
Figura Nº7: AMP-c: nucleótido universal de gran importancia biológica que controla como activador alostérico de 
varias enzimas celulares. 
 
Para unirse al sitio promotor la PAC debe estar previamente unida al AMP-c. 
¿Cómo pueden utilizarse entonces estas fuentes de carbono a menudo baratas y fácilmente utilizables? 
Para minimizar la represión catabólica se las añade por recargas a bajas velocidades. 
ANTIBIÓTICO 
Fuente de carbono 
Inhibitoria No inhibitoria 
Penicilina Glucosa 
• Lactosa 
• Alimentación con glucosa. 
Cefamicina Glicerol • Asparagina 
Bacitracina Glucosa • Citrato 
Cloranfenicol Glucosa • Glicerol 
Neomicina Glucosa • Maltosa 
Novobiocina Citrato • Glucosa 
Puromicina Glucosa • Glicerina 
Estreptomicina Glucosa 
• Manano (polisacárido soluble extraído de levadura y coníferas) 
• L-ramnosa 
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Biotecnología 7 
 
 
 
Figura Nº7: Esquema de la represión catabólica 
 
2- Fuentes de nitrógeno: en la producción de antibióticos se ha observado también que el AMONIO y otras 
fuentes de nitrógeno rápidamente utilizable actúan como inhibidores. 
 
Regulación por fosfato 
 
Los medios de cultivo requieren fosfato inorgánico Pi dentro de un rango de 0,3 a 30 mM (1 M = 98g/l) 
para el crecimiento tanto de procariotas como de eucariotas. 
 
La concentración de Pi para la producción de metabolitos secundarios varía dentro de un rango amplio 
comprendido entre 0,01 mM y 50 mM tal como se muestra para algunos antibióticos en el cuadro de la página 
siguiente. 
 
El consumo de Pi influye tanto en la trofofase como en la idiofase y se han propuesto varios mecanismos 
posibles de regulación. 
 
Conclusión 
 
Sobre la base de conocimientos biológicos y bioquímicos profundos, el diseño de medios de cultivo para 
la producción de metabolitos secundarios debe hacerse a partir de una seria experimentación estadística. 
 
ANTIBIÓTICOS CUYA FORMACIÓN ES INHIBIDA POR LA PRESENCIA DE Pi 
ANTIBIÓTICO ORGANISMO PRODUCTOR 
Rango de Pi (mM) que permite la formación 
del antibiótico 
Estreptomicina Streptomyces griseus 1,5 – 15 
Bacitracina Bacillus licheniformis 0,1 – 1 
Clorotetraciclina Streptomyces aureofaciens 1 – 5 
Tetraciclina Streptomyces aureofaciens 0,14 – 0,2