T10 QB - Regulación Metabólica

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@rose.studygram_
Teórico 10
Principios de la Regulación Metabólica	
Las reacciones bioquímicas en el metabolismo de las células vivas están organizadas en vías metabólicas.			
Los caminos tienen propósitos determinados:
· extracción de energía
· almacenamiento de combustibles
· síntesis de bloques de construcción (building blocks) 
· eliminación de residuos.
Las rutas se pueden representar como un mapa :
· seguir el destino de los metabolitos
· identificar enzimas que actúan sobre estos metabolitos 
· identificar puntos y agentes de regulación
· identificar fuentes de enfermedades metabólicas 
· CATABOLISMO: rutas degradativas, oxidativas y exergónicas. Parte de mezcla de nutrientes (carbohidratos, lípidos y proteínas)
· Es convergente (hacia los mismos productos finales sencillos).
· ANABOLISMO: rutas biosintéticas, reductivas y endergónicas. Parte de metabolitos/precursores sencillos.
· Es divergente (hacia productos finales distintos).		
· RUTAS ANFIBÓLICAS / RUTAS ANAPLERÓTICAS (ambivalentes, solapamiento). 
Catabolismo y Anabolismo:			
No solo se conectan por sus intermediarios sino también flujo energético. El catabolismo produce energía y el anabolismo la consume. Las formas de intercambio más utilizadas son el ATP (energía química) y el NAD(P)H (cuyo poder reductor es reconvertible en ATP). 
Sin embargo, no siguen rutas idénticas, sino que hay 2 tipos:
· rutas en pasos comunes y otros específicos de cada ruta. 
· rutas con todos los pasos diferentes
Ventaja → posibilidad de la regulación diferente. 
Supongamos que S es la cc de glucosa en sangre que debe estar regulada en 5mM, luego de una ingesta de glúcidos (A), la glucosa en sangre aumenta y para que disminuya, la velocidad de absorción de glucosa en los tejidos debe aumentar considerablemente para que la cc de glucosa se mantenga en 5 mM. 
A este equilibrio se denomina homeostasis, en esta regulación de equilibrio actúa una cantidad de proteínas reguladoras importantes, este proceso de regulación requiere del consumo de energía. Sucede cuando las cc de metabolitos se mantienen estables. 
· Regulación metabólica: 	procesos que sirven para mantener la homeostasis a nivel molecular en un estado estacionario a lo largo del tiempo, aún cuando cambie el flujo de metabolitos a través de la ruta. 
¿que tiene que hacer estos mecanismos reguladores?
· Estimular fuertemente la una vía frente a la otra.
· Distribuir los metabolitos adecuadamente entre las rutas alternativas
· Utilizar el combustible mejor adaptado a las necesidades del organismo.
· Disminuir la velocidad de las rutas biosintéticas cuando se acumulan sus productos. 
La regulación metabólica por lo tanto es necesaria y flexible (debe poder adaptarse a los cambios sutiles del exterior, ¿cómo llegan? por la señal transcelular).
Estrategias generales
A) Control de la cantidad disponible de enzimas
B) Modulación de la actividad catalítica de las enzimas
C) Regulación de la disponibilidad de sustratos
Control de las cantidades de enzima
Puedo regular tanto su síntesis como su degradación, en general la degradación es poco susceptible a los cambios por lo tanto tiende a regular su síntesis. En este caso el punto de control consiste en la transcripción del gen de la enzima, esta vía se encontrará regulada por los factores de transcripción. 
Supongamos la señal de insulina que actúa en su receptor, desencadena que un factor de transcripción transloca al núcleo, se une a un sitio del ADN y hace que se transcriba un determinado gen → MECANISMO A LARGO PLAZO. Puede durar de minutos o hasta varias horas.
Regulación de la actividad enzimática
1. Control alostérico reversible
2. Compartimentalizacion celular
3. Combinación con proteínas reguladoras
4. Modificación covalente reversible
Control alostérico reversible (modificó a la enzima)
Provoca que la enzima sea más o menos activa. Se produce cambios en :
· cc sustrato de la ruta
· cc producto de la ruta
· cc metabolito o cofactor clave
· cc de segundos mensajeros generados dentro de la célula por señales extracelulares:
· hormonas (insulina, adrenalina).
· neuronas (ACh)
· factores de crecimiento o citoquinas. 
Estos controles son reversibles, RÁPIDOS y locales.
Modificación covalente reversible
· muy frecuente en señalización hormonal
· efecto en minutos 
· permite grandes cascadas de amplificación
Ej: fosforilaciones
Cuando ocurre una fosforilación, siempre actúa una quinasa con gasto de ATP, al ser reversible actúa una fosfoproteína fosfatasa para desfosforilar a ese fosfato y que vuelva a su estado previo (la activación o desactivación por fosforilación depende de cada enzima). 
La fosforilación puede:
· alterar las características electrostáticas del sitio activo
· producir movimiento de una región inhibidora de la enzima
· alterar la interacción proteína-proteína
· forzar cambios de la conformación modificando su Vmáx o su KM
Disponibilidad de Sustrato
· Regulando la expresión de transportadores de membrana, es decir, la entrada de sustrato a la célula. 
· Compartimentalización: importante en células eucariotas y frecuente en vías opuestas (ej: síntesis de ácidos grasos y ß-oxidación).
RESUMEN
Rol de los nucleótidos de la adenina en la regulación metabólica
Es necesario que la célula logre mantener cte el suministro y cc de ATP (aprox 5mM) ya que presenta tanto un efecto cinético como termodinámico.
Efecto cinético → modifica la KM, siendo que muchas enzimas presentan un KM cercano o mayor que la cc fisiológica de sustrato (especialmente aquella que usan ATP o NAD(H). 
Efecto termodinámico → la razón [ATP]/[ADP], pero más aún [AMP], afecta todas las reacciones que emplean estos cofactores.
El AMP es un efector alostérico más potente 
Regulación coordinada de la glucólisis y gluconeogénesis 
Esquema, recordando ambos procesos:
Isoenzimas de la hexoquinasa
En los seres humanos existen 4 (I, II, III, IV) codificadas por 4 genes diferentes que catalizan la misma reacción, las isozimas:
· proteínas distintas que catalizan la misma reacción metabólica.
· pueden presentarse en la misma especie, el mismo tejido o la misma célula.
· difieren en sus propiedades cinéticas o reguladoras, en el cofactor o su distribución sub-celular.
· pueden tener secuencias de aa similares, pero no idénticas y en muchos casos comparten un origen evolutivo común.
Hexoquinasa IV: glucoquinasa
La hexoquinasa IV secuestrada en el núcleo de la célula (periodo de ayuno) por una proteína reguladora que tiene unida la fructos 6P (efector alostérico de la proteína reguladores), esto hace que la hexoquinasa IV no pueda salir al citosol.
Luego de una ingesta la cc de glucosa aumenta en sangre, entra al hepatocito por el transportador GLUT2, luego entra en el núcleo de la célula por poro nucleares y desplaza a la fructosa 6P liberando la glucoquinasa, que sale al citosol y fosforila la glucosa entrante → glucólisis. 
¿Qué sucede cuando la cc de glucosa disminuye? La cc de fructosa 6P supera a la de la glucosa 6P y atrapa nuevamente la glucoquinasa en el núcleo. 
Fosfofructoquinasa-1
Cataliza la formación de fructosa 1,6bisP a partir de fructosa 6P con pérdida de ATP.
Esta enzima es un tetrámero (4 subunidades) donde cada una existe un sitio catalítico en donde entra la fructosa 6P, pero a su vez hay sitios alostéricos que modulan su actividad. El ATP no solo es sustrato sino producto de la glucólisis, entonces regula la actividad de la fosfofructoquinasa 1.
¿Qué sucede a baja cc de ATP? la glucólisis será necesaria, por lo tanto a baja cc de ATP la fosfofructoquinasa-1 se encuentra activa. A alta cc de ATP no es necesaria la glucólisis, entonces el ATP es un regulador alostérico negativo de la fosfofructoquinasa-1, además el citrato funciona como regulador alostérico de esta enzima.
El AMP y ADP son reguladores alostéricos positivos. También la fructosa 2,6bisP es un efector positivo de la glucólisis. 				
Regulación coordinada y recíproca de la PFK-1 y la FBPasa-1
Regulación hormonal mediada por Fru-2,6bisP 
Este efector alostérico,se sintetiza a partir de señales extracelulares ya sea de glucagón o de insulina. Si hay circulante una alta cc de glucosa, circula insulina que hace que se sintetice más fructosa 2,6bisP para que se active la glucólisis; al contrario si hay baja cc de glucosa, se activa el glucagón para que se de la gluconeogénesis. NO ES INTERMEDIARIO. 
Formación y degradación de la fructosa 2,6bisP : se sintetiza similar a la fructosa 1,6bisP. Hay una fosfofructoquinasa-2 y una fructosa bifosfatasa 2 que produce la hidrólisis. 
En este caso consiste en una ÚNICA CADENA donde va a tener una zona catalítica, una zona regulatoria, una zona quinasa y una fosfatasa. La insulina activa la quinasa, mientras que el glucagón a la fosfatasa ¿cómo? por fosforilaciones. 
La xil-5P es una pentosa producida en grandes cantidades de glucosa. 
La piruvato quinasa
En TODOS los tejidos sufre de regulación alostérica, cataliza la formación piruvato a partir de fosfoenolpiruvato con síntesis de ATP. Esta enzima va a ser inhibida cuando hay gran cantidad de ATP o alta cc de ácidos grasos (efectores alostéricos negativos) y cuando hay gran cantidad de fructosa 1,6bisP quiere decir que hay mucha glucosa entonces favorece la glucólisis (efector alostérico positivo). 
En el HÍGADO sufre a su vez de regulación covalente, cuando hay glucagón hay poca glucosa entonces se desencadenan fosforilaciones y la piruvato quinasa está fosforilada, inactiva (efector alostérico negativo), cuando hay bajo glucagón se produce la desfosforilación por una fosfatasa y la piruvato quinasa no fosforilada está la activa. 
2 destinos del piruvato
1. Puede continuar degradándose a Acetil-CoA. 
2. Puede pasar a formar oxalacetato en la mitocondria para producir la gluconeogénesis. 
Regulación coordinada de la síntesis y degradación de glucógeno. 
Se encuentran reguladas las enzimas glucógeno fosforilasa y glucógeno sintasa.
Glucógeno fosforilasa
Glucógeno fosforilasa : regulada alostéricamente y por fosforilación reversible. Las enzimas de hígado y músculo son isozimas codificadas por genes diferentes y difieren en sus propiedades reguladoras. 
Cuando hay glucagón, se desencadenan fosforilaciones entonces debo degradar glucógeno, por lo tanto la glucógeno fosforilasa se encuentra en su conformación activa cuando está relajada/fosforilada. 
La glucógeno fosforilasa (dímero) tiene serinas que a alta señal de glucagón o adrenalina, o alta cc de Ca2+ se produce la fosforilación y al estar fosforilada, esta activa y cuando disminuye la señal de glucagón o aumenta la de insulina hay una fosforilasa a fosfatasa (PP1) que produce la liberación de los P, obtengo la conformación inactiva. 
La glucógeno fosforilasa hepática también está regulada por la glucosa (sensa la cc de Glu)
Glucógeno sintasa
Ocurre lo contrario a la enzima anterior, la señal de glucagón inactiva por fosforilación del glucógeno sintasa. 
En este caso no hay 1 solo sitio de fosforilación, hay más de 11 sitios, se fosforila por partes (mirar esquema pero no hace falta saberlo). 
Control de la síntesis de glucógeno
· Señalización de la insulina: incrementa la entrada de glucosa al músculo; estimula la hexoquinasa muscular; activa la glucógeno sintasa
· Aumento de la actividad de hexoquinasa para activar a la glucosa
· La glucógeno sintasa produce glucógeno para el almacenamiento de energía.
Resumen regulando la glucemia
Ayuno: frente a una disminución de la glucemia, se disminuye las cc de insulina y van en aumento las cc de glucagón y aquellos compuestos hipoglucemiantes. En consecuencia, el glucagón a nivel del hígado: estimula vía del AMPc por interacción con un receptor asociado a proteína G⍺s → + AMPc → + PKA, esta enzima:
· fosforila la fosforilasa quinasa que por fosforilación de la glucógeno fosfatasa adquiere una conformación activa y produce la degradación de glucógeno para aumentar la cc de glucosa = ↑ glucogenolisis. 
· produce la fosforilación de la glucógeno sintasa haciendo que adquiere su conformación inactiva = ↓ glucogenogénesis.
· se desencadenan fosforilaciones que inactivan a la piruvato quinasa, y también fosfofructoquinasa 2 = ↓ glucólisis. 
· estimula la activación de la fructosa bisfosfatasa 1 = ↑ gluconeogénesis. 
Ingesta de comida: se produce un incremento en la glucemia, entonces por un lado se produce la liberación de insulina por parte del páncreas y disminuyen las cc de glucagón. La glucosa dijimos que ingresa al hígado y compite para unirse a la hexoquinasa en el núcleo, de manera que salga hacia el citosol para catalizar Glu → Glu 6P; la insulina por su parte regula la transcripción génica de varias enzimas mencionadas (imagen) y a su vez se une a receptores a nivel de la membrana del hepatocito:
· produce la activación de la PKB que termina por activar a la glucógeno sintasa = ↑ glucogenogénesis. 
· estimula la acción de la fosfofructoquinasa 2, aumentando el nivel de Fru 2,6 bisP esto lleva a la activación de la fosfofructoquinasa 1 = ↑ glucólisis.