4. REGULACIÓN DE LA ACTIVIDAD ENZIMÁTICA (6,8).

 

4.1. Mecanismos reguladores.

Existen varios:

a) Variaciones por acción de masas.

Es el mecanismo regulador más primitivo y mediante él la velocidad de la reacción puede variarse, alterando la concentración del substrato, del producto (si la reacción es lo suficientemente reversible como para que la concentración del producto afecte significativamente la reacción opuesta) o de cualquiera de los cofactores que intervienen estequiométricamente en la reacción.

b) Variación de la actividad específica de la enzima por activación o inhibición.

Se ha hecho evidente que las enzimas están sujetas a la regulación de su capacidad catalítica, ya sea en dirección positiva o negativa, o en ambas, mediante moléculas pequeñas que han sido denominadas efectores o moduladores. Este tipo de sustancias incluye substratos, productos, metabolitos posteriores a una vía metabólica, precursores de una ruta metabólica e incluso metabolitos que participan en una vía metabólica aparentemente no relacionada.

En la mayoría de los sistemas multienzimáticos, es decir, aquellos en que intervienen secuencialmente varias enzimas y en que el producto de una es el substrato de la siguiente, la primera enzima de la secuencia funciona como reguladora de la velocidad de todo el sistema y se denomina enzima reguladora o enzima alostérica. Habitualmente esta enzima es inhibida por el producto final de la secuencia, de tal modo que cuando se produce acumulación del producto final por sobre cierta concentración crítica, éste inhibe a la primera enzima de la secuencia (enzima reguladora), interrumpiendo o cerrando así ese segmento del metabolismo. Este tipo de inhibición se conoce como inhibición por producto final o retroinhibición (inhibición "feedback"). Las enzimas reguladoras o alostéricas están formadas por dos a más subunidades, las que tienen sitios de unión no sólo para su substrato normal, sino también para el metabolito regulador, el cual se denomina efector o modulador alostérico. El sitio de unión para el modulador se denomina sitio alostérico y es altamente especifico para ese metabolito. Cuando el sitio alostérico está desocupado, la enzima funciona con su velocidad catalítica normal; en cambio, si está ocupado por el metabolito regulador, la enzima sufre una modificación en su conformación a una forma menos activa o más activa, dependiendo de sí el modulador es inhibidor o estimulador.

La inhibición de la actividad enzimática por moléculas especificas y por iones es importante porque sirve como mecanismo de control mayoritario en los sistemas biológicos. También muchos fármacos y agentes tóxicos actúan inhibiendo a las enzimas. Es más, la inhibición enzimática puede suministrar una idea acerca del mecanismo de la acción enzimática.

La inhibición enzimática puede ser reversible o irreversible. En la inhibición irreversible, el inhibidor queda covalentemente unido a la enzima o ligado tan fuertemente, que su disociación de la enzima es lenta; produciendo una modificación permanente de algún grupo funcional del sitio activo de la enzima. Ejemplos de los inhibidores irreversibles son las sales de metales pesados y el yodoacetato que se fijan en los esenciales grupos sulfhidrílicos de enzimas y, por otra parte, el di-isopropil-fluorofosfato (uno de los potentes gases tóxicos del sistema nervioso) que inhibe a la enzima acetilcolinoesterasa al unirse a una serina fundamental del sitio activo, bloqueándolo.

La inhibición reversible, en cambio, se caracteriza por un rápido equilibrio entre el inhibidor y la enzima. Ejemplos lo constituyen la inhibición competitiva y la no competitiva.

Los inhibidores competitivos son aquellos cuya acción puede ser revertida aumentando la concentración de substrato. Habitualmente tienen una estructuran con él, por unirse al sitio activo. Un ejemplo es el malonato, que se asemeja al succinato y por ello inhibe e la succinato-deshidrogenase.

El inhibidor no competitivo no se une al sitio del substrato, sino a un grupo de la enzima, que es esencial para su función. La inhibición no competitiva no puede ser revertida por el substrato. Un ejemplo lo constituye la inhibición de algunas enzimas que contienen Fe, por el cianuro, el cual se combina reversiblemente con el átomo de Fe, dando una forma inactiva.

c) Variación de la concentración de la enzima.

Hoy se reconoce que uno de los principales mecanismos reguladores se basa en la alteración de la cantidad absoluta de enzima en la célula. La concentración de la enzima es la resultante entre las velocidades que llevan a su síntesis y a su degradación. Se denomina inducción al aumento de la concentración de la enzima por aumento en su síntesis y represión a su disminución por disminuir la síntesis. La síntesis de proteínas, y por lo tanto de las enzimas, está regulada primordialmente a nivel de la transcripción del DNA, para dar RNA mensajero. La transcripción de un gen o de un grupo coordinado de genes (lo que se llama un operón) puede reprimirse al unirse una sustancia represora a un gen operador que forma parte del operón.

Puede des-reprimirse (o sea, producir inducción) por la presencia de ciertos metabolitos reguladores (moléculas inductoras), que puede ser un substrato de la enzima codificada por el gen reprimido.

Este tipo de mecanismos reguladores que implica alteración en la velocidad de síntesis de una enzima conlleva una apreciable cantidad de tiempo (desde una hora hasta varios días).

4.2 Importancia de la inducción y represión enzimáticas para mejorar la calidad de los alimentos: Los biorreguladores (12).

Actualmente es posible mejorar la calidad nutritiva y las características físicas de las cosechas de alimentos mediante el uso de biorreguladores, los cuales permiten manipular la expresión genética de las plantas individuales. El uso de biorreguladores en los frutos cítricos des-reprime genes específicos de los frutos, induciendo la producción de cantidades adicionales de componentes que aumentan su color, sabor, aroma y calidad nutricional (provitamina A). Hay varias clases de biorreguladores que inducen la formación de carotenoides (carotenos, licopeno), cuando se aplican en bajas concentraciones a la superficie del fruto cítrico maduro. Entre ellos están los derivados de las chalconas de la trietilamina y de la dietilnonilamina.

Importancia de los biorreguladores.

a) La inducción de la síntesis de carotenoides puede lograrse, en teoría, en cualquier especie que porte los genes que codifican para las enzimas que sintetizan dichos carotenoides (todas las frutas cítricas, damascos, duraznos, tomates, zanahorias). Esta universalidad de efecto sugiere que los biorreguladores actúan a través de una vía común. La des-represión de un gen especifico, pues, puede revertir los efectos de aquellas sustancias químicas que se sabe reprimen los genes que codifican la formación de carotenoides en Ficomices.

El único proceso ligeramente comparable es el del uso del etileno para promover la maduración de frutas cítricas y tomates; Sin embargo, el etileno es un estimulador amplio, que acelera toda la actividad metabólica en la fruta no madura (77). Los biorreguladores, en cambio, estimulan sólo vías metabólicas especificas en frutas completamente maduras.

b) Podría ser posible encontrar otros biorreguladores para aumentar el contenido de un determinado aminoácido en el maíz o aumentar la concentración de proteínas en el arroz, etc.

c) Los biorreguladores pueden aportar una nueva arma para aprender más acerca de los mecanismos que controlan los genes. Su futuro es muy promisorio, como lo demuestran los recientes trabajos de Yokoyama y su grupo en el laboratorio del Depto. de Agricultura en California (12). Ellos han identificado, además de los biorreguladores ya mencionados, otros que aumentan el aroma, como, por ejemplo, uno que induce 3,5 veces el contenido en citral de los limones maduros, un constituyente de la esencia que contribuye en forma importante al aroma del limón.