Regulación Enzimática, Fermentación y Retroinhibición: Mecanismos Clave

Modificación Covalente en la Regulación Enzimática

La actividad enzimática se regula mediante la unión covalente de un grupo, lo que provoca una modificación estructural reversible. Este cambio estructural induce un cambio en la actividad enzimática. Algunas enzimas alostéricas también presentan modificación covalente, la cual es llevada a cabo por una enzima diferente.

Fosforilación

La fosforilación es un proceso clave en la modificación covalente. Las enzimas tienen grupos OH que se fosforilan mediante la transferencia del fosfato más externo del ATP. No todos los grupos OH de una proteína determinada se fosforilan, sino solo aquellos que cumplen ciertas condiciones. La fosforilación es llevada a cabo por las proteínas quinasas.

Cuando se une el fosfato, cambia la conformación de la proteína debido a:

• La incorporación de uno o varios fosfatos introduce cargas negativas que no existían antes, modificando las interacciones electrostáticas en la proteína.
• La presencia de uno o más fosfatos modifica los puentes de hidrógeno de la proteína.

La forma más activa, ya sea la fosforilada o la no fosforilada, dependerá de la enzima. La fosforilación es un proceso rápido, que dura minutos u horas. Es reversible gracias a la acción de las proteínas fosfatasas, que hidrolizan los fosfatos con la entrada de una molécula de H₂O.

La fosforilación es el resultado final de una cascada de reacciones que se inicia con una acción hormonal. Un ejemplo es la glucógeno fosforilasa.

Fermentación Láctica

Las fermentaciones son procesos de obtención de energía que ocurren en ausencia de O₂. La fermentación láctica ocurre en el músculo esquelético. Tras un ejercicio intenso, la glucosa se oxida a piruvato, pero la célula no dispone de O₂ suficiente para oxidar el piruvato por vía aeróbica. Entonces, el piruvato se reduce a L-Lactato, y el NADH se oxida a NAD⁺, que volverá a ser utilizado en la glucólisis.

La fermentación láctica también se da en los eritrocitos, ya que, al no tener mitocondrias, no pueden realizar la descarboxilación oxidativa.

Reacción global: Glucosa + 2 Pi + 2 ADP → 2 L-Lactato + 2 ATP + 2 H₂O

La enzima que cataliza esta reacción es la lactato deshidrogenasa (LDH). La forma presente en el músculo es la LDH5 (M4), que tiene gran afinidad por el piruvato, por lo que la reacción está muy desplazada hacia la formación de lactato.

Una vez formado en el músculo o los eritrocitos, el lactato se transporta hasta el hígado, donde se utiliza para sintetizar glucosa. Esta glucosa pasa a otros tejidos, y también puede volver al músculo donde se vuelve a convertir en lactato o se acumula en forma de glucógeno (Ciclo de Cori).

Retroinhibición (Feedback Inhibition)

Una forma de control que presentan las rutas metabólicas es la inhibición por medio del producto final (retroinhibición o feedback). En algunas rutas, la primera enzima es alostérica, y el producto final de la ruta es un efector negativo. Cuando la concentración de D aumenta y se sitúa por encima de las necesidades de la célula, este mismo inhibe su síntesis uniéndose a un sitio alostérico de la enzima. Es frecuente en rutas de biosíntesis, como forma de ahorrar energía.

La unión es reversible; cuando la concentración de D es baja, D se separa del sitio alostérico y se vuelve a sintetizar.

Retroinhibición Convergente

En este caso, la mejor forma de control que puede darse es que E1 sea una enzima alostérica. D es un efector alostérico negativo de E1, y E es un efector alostérico positivo de E1.

• Si D > E → D inhibe su síntesis, para que [D] = [E] y dé lugar a G.
• Si E > D → E activa la síntesis de D, para que [D] = [E] y dé lugar a G.

Retroinhibición Divergente

En este caso, si F inhibiera a E1, se inhibe la síntesis de F y también la de H. Un aumento de [F] inhibe a E4, que es la primera enzima de la bifurcación que da lugar a F. Todo D se canaliza hacia la formación de H. Un aumento de [H] inhibe a E6, que es la primera enzima de la bifurcación que da lugar a H. Todo D se canaliza hacia la formación de H.

Si aumentan [H] y [F], ambos inhiben a su enzima correspondiente. Por lo tanto, [D] aumenta e inhibe a su vez a E1.

La primera vez que se observó una retroinhibición fue en un cultivo bacteriano en el que se estudiaba la síntesis de isoleucina a partir de treonina. Cuando aumentó la concentración de isoleucina, esta actuó sobre la enzima (treonina deshidratasa), inhibiendo su propia síntesis.

Fermentación Alcohólica

Algunos organismos, como los microorganismos o las levaduras, llevan a cabo este tipo de fermentación que transforma la glucosa en etanol.

Reacciones:

1. Piruvato → Acetaldehído
2. Acetaldehído → Etanol

Piruvato → Acetaldehído

Enzima: piruvato descarboxilasa. Emplea como coenzima el pirofosfato de tiamina (TPP), en presencia de Mg²⁺.

Acetaldehído → Etanol

Enzima: Alcohol deshidrogenasa. En animales no existe la piruvato descarboxilasa. Sí existe la alcohol deshidrogenasa, pero funciona de manera inversa, para pasar etanol a acetaldehído. El acetaldehído es el origen de las molestias derivadas del consumo excesivo de alcohol. En esta reacción el NAD⁺ se reduce a NADH, es decir, se consume NAD⁺, por lo tanto, el consumo excesivo de alcohol puede bloquear la glucólisis.

Reacción global: Glucosa + 2 Pi + 2 ADP → 2 Etanol + 2 CO₂ + 2 H₂O