Regulación Enzimática: Modificación Covalente y Retroinhibición

Modificación Covalente

La actividad enzimática se regula mediante la unión de un grupo de forma covalente a la enzima. Esto provoca una modificación estructural que es reversible. El cambio en la estructura conlleva un cambio en la actividad de la enzima. Existen enzimas alostéricas que, además, presentan modificación covalente. La modificación covalente es llevada a cabo por una enzima diferente.

Fosforilación

La fosforilación es un tipo común de modificación covalente. La enzima tiene unidos grupos -OH, que pueden ser fosforilados mediante la transferencia del fosfato más externo del ATP. No todos los grupos -OH de una proteína se fosforilan, sino solo aquellos que cumplen determinadas condiciones. La fosforilación es catalizada por proteína quinasas (o cinasas).

Cuando se une el o los fosfatos, la conformación de la proteína cambia significativamente debido a:

• La incorporación de uno o varios fosfatos introduce cargas negativas que no estaban presentes antes.
• Esto modifica las interacciones electrostáticas dentro de la proteína.
• La presencia de uno o más fosfatos altera los puentes de hidrógeno de la proteína.

La forma más activa, ya sea la fosforilada o la no fosforilada, depende de la enzima específica. La fosforilación es un proceso relativamente rápido, que dura minutos o pocas horas.

El proceso de fosforilación es reversible. Existe otra enzima que revierte la acción de la proteína quinasa: la proteína fosfatasa. Esta enzima hidroliza los fosfatos, liberándolos de la proteína con la entrada de una molécula de agua (H₂O).

La fosforilación es a menudo el resultado final de una cascada de reacciones que se inicia con una acción hormonal.

Ejemplo: La glucógeno fosforilasa es una enzima encargada de la degradación del glucógeno, y se activa mediante fosforilación.

Retroinhibición

Una forma de control que presentan las rutas metabólicas es la inhibición por medio del producto final, también conocida como retroinhibición o feedback. En algunas rutas, la primera enzima es alostérica, y el producto final de la ruta actúa como un efector negativo.

Cuando la concentración del producto final (por ejemplo, [D]) aumenta y se sitúa por encima de las necesidades de la célula, este mismo producto inhibe su propia síntesis uniéndose a un sitio alostérico de la enzima inicial. Este mecanismo es muy frecuente en rutas de biosíntesis, ya que constituye una forma eficiente de ahorrar energía.

La unión del producto final al sitio alostérico es reversible. Cuando la concentración del producto final disminuye, este se separa del sitio alostérico y la síntesis de la ruta se reactiva.

Rutas Convergentes

En rutas donde varios precursores (por ejemplo, D y E) convergen para formar un producto final (G), la enzima inicial (E1) suele ser alostérica. En este caso, D puede ser un efector alostérico negativo de E1, y E puede ser un efector alostérico positivo de E1. Este mecanismo ayuda a equilibrar las concentraciones de los precursores D y E para optimizar la formación del producto G.

Rutas Divergentes

En rutas que se bifurcan, si el producto final de una rama (por ejemplo, F) inhibiera directamente la enzima inicial común (E1), se inhibiría no solo la síntesis de F sino también la de la otra rama (H). Para evitar esto, la regulación por retroinhibición en rutas divergentes suele ocurrir en las enzimas del punto de bifurcación.

Por ejemplo, un aumento de la concentración de [F] inhibe a E4, que es la primera enzima de la bifurcación que da lugar a F. Esto canaliza el sustrato común (D) hacia la formación de H.

De manera similar, un aumento de la concentración de [H] inhibe a E6, que es la primera enzima de la bifurcación que da lugar a H. Esto canaliza el sustrato común (D) hacia la formación de F.

Si aumentan las concentraciones de [H] y [F] simultáneamente, ambos inhiben a su enzima correspondiente (E4 y E6, respectivamente). Esto provoca que la concentración del sustrato común [D] aumente, lo que a su vez puede inhibir a E1 (la enzima inicial de la ruta principal), reduciendo el flujo general a través de la vía.

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 aumenta la concentración de isoleucina ([Ile]), esta actúa sobre la enzima treonina deshidratasa, inhibiendo su propia síntesis.