Integración y regulación metabólica

Dra. Sobeida Sánchez Nieto Lab 102, Departamento de Bioquímica,

Facultad de Química Email: sobeida@unam.mx

Temario 1. Regulación e integración metabólica

Enzimas irreversibles

índice ATP/ADP

Metabolitos encrucijada (nodos)

Compartimentación

Localización subcelular aislada

Localización subcelular supercomplejos

Expresión genética

Cambios postraduccionales

2. Técnicas de estudio de los flujos metabólicos

Metabolómica

Análisis de flujo 13-C

3. Casos especiales

Ayuno-Diabetes

Estudio global del metabolismo en la germinación

Producción de compuestos novedosos. Ingeniería biosintética

Hexosa

Feng et al., 2015

Tabla 1. Sustratos de la HXK y sus

respectivas Km. Claeyssen y Rivoal,

2007

Vía metabólica:

Glucólisis

Catabólica

Metabolismo

Muchas enzimas, cofactores, metabolitos involucrados en el metabolismo

Vía metabólicas

Catabolismo-Anabolismo

• Antagónicas

• Complementarias

• Algunas vías tienen pasos comunes

• Siempre hay alguna parte de la vía que es responsable de regular el flujo de la vía

Gluconeogénesis 6 enzimas

idénticas a la glucólisis

4 enzimas adicionales

Regulación metabólica

EFECTOS DE METABOLITOS EN LAS ENZIMAS

Cambios alostéricos en las enzimas o llevar a cabo la regulación por acumulación de productos

Inhibición por producto(s)

Regular la función celular puede llevarse a cabo por modificación postraduccionales

LAS MONEDAS ENERGÉTICAS ATP, ACETIL COENZIMA A, NADH Y NADPH CONTROLAN EL METABOLISMO

Las monedas energéticas ATP, acetil coenzima A (AcCoA), NADH y NADPH

controlan el metabolismo

Por ejemplo: 1. Los miocitos cardiacos no proliferan pero tienen una alta demana de ATP, por

lo que estas células dependen grandemente de la eficiencia de la fosforilación oxidativa para generar ATP (Khairallah et al., 2004).

2. En bajas [Glu] algunas células disminuyen la oxidación de Glu y utilizan los aminoácidos, ácidos grasos u otras moléculas para que la respiración mitocondrial lleve a la producción de ATP (Cahill et al., 1972; Krebs, 1966; Ruderman, 1975).

La glucosa se oxida produciendo CO2 y en el camino ATP y NADH

13

1. Enzimas que catalizan reacciones irreversibles generalmente son el paso limitante de la vía

metabólica

ATP + ½ ADP

Carga energética = -------------------------

ATP + ADP + AMP

Limits are 0 and 1.0

If all is ATP, the energy charge = 1

If all is AMP, the energy charge = 0

ATP can be regenerated using adenylate kinase

(this is a nucleoside monophosphate kinase):

2 ADP <===> ATP + AMP

Índice ATP/ADP o carga energética

Rate vs Energy Charge

-43 KJ/mol

Reservorio de fosfato en un enlace de alta energía

Reacciones de transferencia de fosforilo

Reservorio de enlaces de alta energía en la creatinina tanto citosólica como mitocondrial

Balance de ATP durante la contracción muscular

La energía libre de la hidrólisis de ATP

CONCENTRACIONES DE ALGUNAS MOLÉCULAS DE

ALTA ENERGÍA

Resolución del problema

A) G= Gº + RT ln [C][D] [A][B]

Gº= 30.5 KJ/mol ATP [C]= 3.5 mM ADP [A]= 1.5 mM Fosfato[B]= 5mM T= 37C=37+273.15= 310.15K R=8.31 J/mol K

G=? KJ/mol

14.66 KJ/mol

8,360 kJ = 4180 kJ

2

1mol ATP 14.66 kJ

X 4180 kJ

285.11 mol ATP

ATP 507.18 g 1 mol

X 285.11

144605.9 g = 145 kg

213%

• En un organismo hay aproximadamente 50 g de ATP. Entonces si se necesitan 145000 g al día, los 50 g de ATP se tiene que hidrolizar y sintetizar alrededor de 3000 veces al día.

• En 50 g hay aproximadamente 6 X1022 moléculas de ATP. • Cada molécula de ATP se tiene que reciclar (remover el

fosfato terminal y volver a formar el enlace con el tercer fosfato) alrededor de 2 a 3 veces por minuto.

Usos del ATP

Importancia de la

producción de ATP

Uso de inhibidor de la

síntesis de ATP por la

ATPasa

No hay cambio significativo en

los niveles de ATP, debido a la

edad y a la ingesta calórica

GASTO METABÓLICO

Producción de ATP

EL FLUJO DE LA VÍA NO SOLO DEPENDE DE LA CAPACIDAD CATALÍTICA DE SUS ENZIMAS O SU

IRREVERSIBILIDAD.

1. METABOLITOS CLAVE O ENCRUCIJADA

2. COMPARTIMENTACIÓN

3. CANALIZACIÓN O “CHANNELING”

4. REGULACIÓN POR “FEEDBACK”

5. EXPRESIÓN GENÉTICA

6. CAMBIOS POSTRADUCCIONALES

METABOLITOS CLAVE O ENCRUCIJADA

Los productos de una vía metabólica pueden estar compartidos por otras vías distintas

Conexión entre vías metabólicas. Entrecuzamiento en metabolitos clave

The Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes (KEGG) database

• Repositorio de los más completos

• Base de datos curada manualmente

• Contiene 15 principales bases de datos que categoriza los datos biológicos en tres niveles: información genómica, información bioquímica e información de sistemas.

The update…

Enorme cantidad de metabolitos y reacciones que los producen en la

célula Biochemistry ATLAS >130,000 possible enzymatic reactions between known biological compounds. We need the development of such tools that will enable us to identify all possible metabolic capabilities and regulatory interactions.

COMPARTIMENTACIÓN

La accesibilidad de sustratos y productos puede estar restringida a un compartimento en especial: Localización subcelular, formación de complejos multienzimáticos (channeling) y localización tejido específica

Las vías se encuentran en compartimentos subcelulares particulares

TOPOLOGÍA DE LAS VÍAS METABÓLICAS

Incrementa varias veces el grado de complejidad del metabolismo y su flexibilidad para adaptarse a varios ambientes.

Una reacción compartimentada o formación de complejos multienzimáticos

En solución el/los producto(s) de una enzima tienen un tiempo más largo para encontrarse en el sitio activo de la siguiente enzima dentro de la vía metabólico. Contrario al “channeling” o reacción compartimentada

Ejemplos

47

CAMBIOS EN LOS NIVELES DE TRANSCRIPCIÓN

Genes que codifican diferentes isoformas o factores de regulación permiten respuestas celular o tejido específicas

La abundancia de las proteínas también es controlada por la transcripción, splicing, estabilidad y la traducción