- Cox, M y Nelson, DN (2008), Lehninger. Principles of Biochemistry, 5ª edición, WH Freeman y Co., Nueva York.
- Fell, D. (1997), Understanding the control of metabolism, Portland Press, Londres.
- Heinrich, R y T. A. Rapoport (1974), A linear steady state treatment of enzymatic chains. General properties, control and effector strengths, Eur. J. Biochem, 42: 89-95.Kacser, H. y J. A. Burns (1995), The control of flux, Biochem. Soc. Trans, 23: 241-66.
- Moreno-Sanchez, R., Saavedra, E., Rodriguez-Enriquez, S. y V. Olin-Sandoval (2008), Metabolic control analysis: a tool for designing strategies to manipulate metabolic pathways, J. Biomed. Biotechnol, pp.1-30.
- Torres Darias, N. V. (1992), Study of control profiles in metabolic systems by computer simulations: influence of the pathway substrate and negative feedback on the control of the system, Biochem Ed., 20: 48-51.
viernes, 3 de mayo de 2013
Bibliografía
Glosario
Control metabólico: procesos que conducen a cambios en el resultado de una vía metabólica en función del tiempo. Puede entenderse como la capacidad de un componente del sistema para ejercer un “cambio” en dicho sistema.
Glucólisis: La glucólisis o glicolisis (del griego glycos, azúcar y lysis, ruptura), es la vía metabólica encargada de oxidar la glucosa con la finalidad de obtener energía para la célula. Consiste en 10 reacciones enzimáticas consecutivas que convierten a la glucosa en dos moléculas de piruvato, el cual es capaz de seguir otras vías metabólicas y así continuar entregando energía al organismo.
Metabolismo: Conjunto de reacciones bioquímicas que efectúan las células de los seres vivos para descomponer y asimilar los alimentos y sustancias que reciben del exterior. Frecuentemente los metabolitos o los productos finales de una ruta suelen ser sustratos de reacciones de otras rutas, por lo que las rutas están enlazadas entre sí formando redes metabólicas complejas.
Propiedad Intrínseca: Se refiere a una propiedad inherente a un componente aislado (una enzima de una vía, por ejemplo).
Propiedad sistémica: Se refiere a una propiedad que depende del sistema en su totalidad, no depende del componente en de manera aislada.
Regulación metabólica: Procesos que tienden a mantener estable alguna variable en el tiempo a pesar de la existencia de fluctuaciones en las condiciones externas (homeostasis). Puede entenderse como la capacidad de un sistema para “amortiguar” los cambios.
Vía metabólica lineal: Cuando el sustrato de la primera reacción (sustrato inicial de la ruta) es diferente al producto final de la última reacción, como por ejemplo la glucólisis.
Vía metabólica cíclica o ramificada: Cuando el producto de la última reacción es el sustrato de la reacción inicial, en estos casos el sustrato inicial de la ruta es un compuesto que se incorpora en la primera reacción y el producto final de la ruta es algún compuesto que se forma en alguna etapa intermedia y que sale de la ruta.
Material complementario
Existen programas comerciales y gratuitos que les permiten simular cualquier situación metabólica. En estos programas, todos los parámetros de MCA que queramos conocer son calculados de forma automática. Los invito a investigar algunos de los más utilizados:
jueves, 2 de mayo de 2013
Análisis del control metabólico
Empecemos con uno de los experimentos que da el puntapié inicial para el modelo de análisis del control metabólico, conocido como MCA (del inglés Metabolic Control Analysis).
Cuándo una muestra de hígado de rata es homogeneizada para liberar todas las enzimas solubles. El extracto convierte la glucosa en fructosa 1,6 bifosfato a una velocidad medible experimentalmente (en este experimento, por simplicidad nos vamos a focalizar solo en la primera parte de la vía glucolítica).
Hagamos memoria:
¿Qué tipo de enzimas son las pertenecientes a la vía glucolítica? ¿En qué compartimiento celular se lleva a cabo la glucólisis?
Cuando se agregaron al extracto cantidades crecientes de hexoquinasa IV purificada, el flujo glucolítico aumentó progresivamente. La adición de PFK-1 purificada al extracto también aumentó el flujo, pero no tan dramáticamente como lo hizo la hexoquinasa IV. El agregado de fosfohexosa isomerasa purifica no tuvo efecto sobre el flujo.
Nos sugiere que tanto la hexoquinasa IV como la PFK-1 influyen en el control del flujo glucolítico (porque cuando aumentamos su cantidad el flujo aumenta), aunque la primera lo hace en mayor medida que la segunda. La fosfohexosa isomerasa no tiene control sobre el flujo de la vía. ¿Estás de acuerdo?
Tres parámetros críticos, que en conjunto describen la capacidad de respuesta de una vía a los cambios en las circunstancias metabólicas, se encuentran en el centro de MCA.
El coeficiente de control de flujo de una enzima cuantifica el control que esta ejerce sobre el flujo de dicha vía.
Podemos obtener datos cuantitativos del experimento que vemos en la figura 1 si calculamos el “coeficiente de control de flujo” (CJ) para cada una de las enzimas de la vía. Este coeficiente expresa la contribución relativa de cada enzima al flujo de la vía.
Para una vía lineal, como veremos en la clase, este parámetro puede tomar valores entre 0 y 1.
¿Cómo lo interpretamos?
Si el CJ de una enzima es “cero” significa que dicha enzima no contribuye nada (no ejerce control, no?) en el flujo de la vía. Mientras que si su CJ es 1, dicha enzima tendría el control total sobre el flujo de esa vía.
El CJ no es una constante, y no es una propiedad intrínseca de la enzima aislada, sino que es una función de la totalidad sistema, es decir de todas las enzimas que conforman la vía, y su valor depende de la situación metabólica en la que se encuentre el sistema.
Una cosa más… El teorema de aditividad
La sumatoria de los CJ de todas las enzimas pertenecientes a una determinada vía metabólica es “1”.
Esto último se conoce como “teorema de aditividad”, no vamos a ver su demostración pero pueden consultarla en el siguiente link.
Análisis del control metabólico
Para recordar:
Teorema de aditividad: La sumatoria de todos CJ de las enzimas que conforman una vía metabólica es igual a la unidad.
¿Qué podemos interpretar y/o deducir de lo último que vimos?
1- Si una enzima tiene un CJ = 1, quiere decir que ella sola controla todo el flujo de la vía. Esto último se parece a la hipótesis que vimos arriba que describe que, el flujo se modifica sólo a través de “la enzima que ejerce el paso limitante”, pero no explica los resultados experimentales ¿no les parece? Para MCA ninguna enzima en una vía tiene un CJ de 1 (todos los demás CJ deberían ser “cero” si esto sucediera), por lo tanto, el control del flujo es compartido por todas las enzimas de la vía, aunque algunas tengan más control que otras, por supuesto!)
2- Si una enzima de la vía pierde control sobre el flujo (disminuye su CJ) en una determinada situación metabólica, otras enzimas deberán ganar control sobre el flujo para que la sumatoria de los CJ sea igual a 1. Es decir, el teorema de aditividad debe cumplirse en cualquier situación.
Introducción
A partir del descubrimiento de Eduard Buchner (c. 1900) de que un extracto de células de levadura podía convertir glucosa en etanol y CO2, un eje fundamental de la investigación bioquímica fue de deducir los pasos por los que se producía esta transformación y caracterizar cada una de las enzimas que los catalizaban.
A mediados del siglo XX, las diez enzimas de la vía glucolítica habían sido purificadas y caracterizadas. En los próximos 50 años se ha aprendido mucho sobre la regulación de estas enzimas. La sabiduría convencional era que en una vía metabólica lineal (tal como la glucólisis, la enzima de la vía cuya velocidad de catálisis es menor, constituía el paso más lento y por lo tanto, ese paso es el que determina la velocidad total, o flujo, a través de toda la vía. Para la glucólisis, la fosfofructoquinasa 1 (PFK-1) se consideró la enzima limitante de la velocidad, porque es una enzima ampliamente regulada.
Los invitamos a ver este video con la explicación básica de la glucólisis:
Con el advenimiento de la ingeniería genética, el sueño de poder obtener una gran cantidad de producto (por ejemplo etanol, si pensamos en la glucólisis) parecía estar al alcance de las manos, ¡solo debíamos aumentar la velocidad del paso lento!
Como todos ustedes saben, la velocidad de una enzima puede aumentarse si aumentamos su concentración.
En el siguiente link pueden incursionar sobre los contenidos de Cinética Básica:
Por lo tanto, con todas las nuevas herramientas y conocimientos, los científicos sobre-expresaron la PFK-1 en levaduras para obtener grandes cantidades de producto.
Para su sorpresa, sobre-expresar 5 veces la cantidad de PFK-1 solo aumentó la cantidad de etanol en un 10%.
Sin embargo, esta estrategia no fue un fracaso sino que permitió probar que “una única enzima no es determinante de la velocidad de una vía” y por lo tanto, se refutó la hipótesis de que mediante el aumento de la concentración de dicha enzima, el flujo a través de la vía aumenta proporcionalmente.
Parece que como ya hemos visto en muchas partes de la biología: Para un problema complejo hay siempre una solución simple (un solo paso determinante de la velocidad de una vía que incluye muchos) y esta suele ser incorrecta.
Ahora ha quedado claro para los científicos que en la mayoría de las vías, el control del flujo se distribuye entre varias enzimas, y la medida en que contribuye cada una al control metabólico varía con las circunstancias del suministro del material de partida (por ejemplo, glucosa), el suministro de oxígeno, la necesidad de otros productos derivados de los compuestos intermedios de la vía (por ejemplo, glucosa 6-fosfato para la vía de las pentosas fosfato en células que sintetizan grandes cantidades de nucleótidos), y el estado hormonal de el organismo (los niveles de insulina y glucagón), entre los otros factores.
¿Por qué estamos interesados en lo que limita el flujo de una vía?
Para entender la acción de las hormonas o drogas, o la patología que resulta de una falla de la regulación metabólica, debemos saber qué control ejerce sobre el flujo cada componente. Si los investigadores quieren desarrollar un fármaco que estimula o inhibe una vía, el objetivo lógico es la enzima que tiene el mayor impacto en el flujo a través de esa vía. Y la bioingeniería de un microorganismo para la sobreproducción de un producto comercial requiere el conocimiento de lo que limita el flujo hacia ese producto.
Ahora sí, veamos como los científicos lograron redireccionar las estrategias para poder aumentar el flujo de una vía metabólica.
Objetivos y contenido del programa
Objetivos
La clase está dirigida a estudiantes universitarios de la carrera de Bioquímica (4°año).
Su implementación facilita la asimilación del contenido mediante un lenguaje cercano y motivador pese a la complejidad del tema. Los recursos utilizados permiten la sistematización de contenidos anteriores, su vinculación con los nuevos elementos que se plantean al estudiante, la ampliación del tema a través de links externos que muestran variedad de criterios e ilustran el tema que abordamos de manera dinámica.
Contenidos del programa
La clase está diseñada para que el estudiante vaya elaborando los contenidos. El estudiante es guiado y él mismo irá deduciendo el camino que se le propone o buscando alternativas que lo enriquezcan. Al inicio se enumeran una serie de recursos que el alumno encontrará y utilizará en la clase. La actividad final, diseñada exclusivamente para la clase, permite que el estudiante calcule y encuentre sus propios resultados a partir de los datos que introduzca en el Excel. De esta manera, él podrá evaluar su comprensión y sistematizar los contenidos. A esto se suma la interacción en el foro con el profesor y el resto del aula para intercambiar sobre el tema.
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