Enzimas regulatórias

Enzimas regulatórias

ENZIMAS REGULATÓRIAS

1. O que são as enzimas regulatórias

No metabolismo celular, grupos de enzimas trabalham juntos em sequência para conduzir um dado processo metabólico, como o processo de quebra da glucose em lactose e a síntese de um aminoácido a partir de seus precursores mais simples. Nestes sistemas enzimáticos, o produto da reação de uma enzima torna-se o substrato da próxima enzima.

Cada via metabólica possui uma ou mais enzimas com maior efeito no ritmo geral do processo. Estas enzimas regulatórias exibem atividade catalítica reduzida ou aumentada, em resposta a certos sinais. Controlam, portanto, a velocidade das reações catalizadas pelas mesmas e, com isso, o ritmo de todo o processo metabólico, permitindo à célula adaptar-se de acordo com a necessidade de gasto de energia e de biomoléculas necessárias ao seu crescimento e reparos.

Na maioria dos sistemas multienzimáticos, a primeira enzima da sequência é a regulatória. Isso torna o controle do processo mais efetivo, pois a catálise das primeiras reações da sequência que leva até um produto desnecessário desvia a energia e os metabólitos para processos mais importantes.

A atividade das enzimas regulatórias dão-se de várias formas. As enzimas alostéricas funcionam através de ligações não covalentes e reversíveis com compostos regulatórios chamados de moduladores alostéricos ou efetores alostéricos. Outras enzimas são reguladas por modificação reversível de sua polaridade. Ambas as classes de enzimas regulatórias costumam ser subunidades de proteínas e, em alguns casos, o sítio regulatório e o sítio ativo encontram-se em subunidades separadas. Os sistemas metabólicos possuem pelo menos dois outros mecanismos de controle de enzimas. Algumas enzimas são estimuladas ou inibidas quando estão ligadas por proteínas regulatórias. Outras são ativadas quando segmentos de peptídeos são removidos por clivagem proteolítica, que é irreversível. Estes mecanismos ocorrem em processos fisiológicos como digestão, coagulação sanguínea, atividade hormonal e visão.

O crescimento e a sobrevivência da célula depende do uso eficiente dos recursos. Esta eficiência é possível graças às enzimas regulatórias. Não há regra que explique os diferentes tipos de regulação enzimática em diferentes sistemas. As células precisam alterar continuamente seu ritmo e/ou atividade metabólica de acordo com suas necessidades e condições. A um certo nível, a regulação alostérica (não covalente) deve ser a melhor forma pela qual estas enzimas providenciam a melhor rota metabólica para as células. Regulação por modificação de valência pode ser tudo ou nada, ou pode ser responsável por mudanças sutis na atividade celular. Muitos tipos de regulação enzimática devem ocorrer em uma única enzima regulatória.

2. Enzimas alostéricas submetem-se a mudanças conformacionais em resposta à ligação com um modulador.

  • Interações de subunidade em enzima alostérica e interações com ativadores e inibidores: em muitas enzimas alostéricas, o sítio de ligação com o substrato e o(s) sítio(s) de ligação com o modulador (regulador) estão em subunidades diferentes. São as subunidades catalítica (C) e regulatória (R), respectivamente. A ligação com o modulador (estimulador) positivo (M) no sítio específico da subunidade regulatória é comunicada com a subunidade catalítica através de alteração conformacional. Esta alteração torna a subunidade catalítica ativa e capaz de se ligar ao substrato (S) com alta afinidade. Quando o modulador dissocia-se da subunidade regulatória, a enzima reverte ao seu estado inativo ou menos ativo.

  • A enzima regulatória aspartate transcarbamoilase. Esta enzima regulatória alostérica possui dois agrupamentos catalíticos, cada um com três cadeias polipeptídicas catalíticas (em azul e roxo) e três agrupamentos regulatórios, com duas cadeias polipeptídicas regulatórias (em vermelho e amarelo). Os sítios de ligação com os moduladores alostéricos estão em subunidades regulatórias. A ligação com o modulador causa grande mudança de conformação e atividade na enzima. Esta enzima atua na síntese nucleotídea.

3. Inibição feedback

  • Em alguns sistemas multienzimáticos, a enzima regulatória é especificamente inibida pelo produto final da rota metabólica, sempre quando a concentração do mesmo excede às necessidades da célula. Quando a velocidade da atividade de tal enzima é reduzida, todas as enzimas subsequentes trabalham em ritmo mais lento, uma vez que seus substratos estão esgotados. A taxa de produção do produto final é, então, equilibrado com as necessidades da célula. Este tipo de regulação chama-se inibição feedback, em que a síntese do produto final acaba desacelerando todo o processo. Este é um exemplo na conversão da L-trionina em L-isoleucina, catalizada por uma sequência de cinco enzimas.

4. As propriedades cinéticas das enzimas alostéricas divergem daquelas de Michaelis-Menten.

  • Curvas de atividade enzimática para enzimas alostéricas representativas: três exemplos de resposta do complexo de enzimas alostéricas com seus moduladores. (a) A curva sigmoide de uma enzima homotrópica, em que o substrato também atua como modulador de carga positiva (estimulador), ou ativador. (b) Os efeitos de um modulador de carga positiva (+) e um de carga negativa (–) na enzima alostérica em que K0,5 (equilíbrio químico) é alterado sem mudança na Vmáx. (velocidade máxima da atividade enzimática). A curva central mostra a relação enzima-substrato sem um modulador. (c) Um tipo menos comum de modulador, em que Vmáx. é alterada sem mudar significativamente K0,5.

5. Alteração reversível da polaridade de uma enzima regulatória: fosforilação

Em outra classe importante de enzimas regulatórias, a atividade da mesma é regulada por mudança de polaridade, através de grupos reguladores como fosforil, adenilil, uridilil, metil e grupos de adenosina difosfato ribosil.

O tipo mais comum deste controle regulatório é a fosforilação: de um terço a metade de todas as proteínas em células eucarióticas são fosforiladas. Esta forma de controle regulatório é essencial em um grande número de vias regulatórias.

Um exemplo importante deste controle enzimático por fosforilação ocorre na glicogênio fosforilase, nos músculos e no fígado. Esta enzima cataliza a reação seguinte:

A glucose 1-fosfato formada é usada para a síntese de ATP nos músculos ou convertida para glucose livre no fígado.

A adição de um grupo fosforil a resíduos introduz um grupo volumoso e carregado (eletricamente) numa região que outrora era moderadamente polar. Os átomos de oxigênio do grupo fosforil podem fazer ponte de hidrogênio com um ou vários grupos em uma proteína. Quando a cadeia lateral modificada está localizada em uma região crítica da proteína para sua estrutura tridimensional, a fosforilação pode ocasionar alterações radicais na conformação da proteína e, consequentemente, na sua afinidade com o substrato e atividade catalítica.

  • Controle da atividade da glicogênio-fosforilase através de alteração de polaridade: na forma mais ativa da enzima, fosforilase a, os resíduos específicos Ser., cada um em uma subunidade, são fosforilados. A fosforilase a é convertida para a fosforilase b, menos ativa através da perda enzimática de um desses grupos fosfolils, através da fosforilase fosfatase. A fosforilase a pode ser recuperada (reativada) pela ação da quinase fosforilase.

6. Fosforilações múltiplas levam a controles regulatórios peculiares e complexos

  • Fosforilação regulatória múltipla: a enzima glicogênio sintetase possui pelo menos nove sítios separados em cinco regiões suscetíveis à fosforilação por uma quinase. Portanto, o controle desta enzima não se trata de uma simples questão de “liga-desliga”, mas de uma combinação precisa e abrangente dos efeitos dos moduladores da atividade enzimática, em resposta a uma variedade de sinais do meio.

7. Clivagem proteolítica de um precursor enzimático

Para algumas enzimas, um precursor inativo chamado zimogênio é clivado para formar uma enzima ativa. Muitas enzimas proteolíticas (proteases) do estômago e do pâncreas são reguladas desta forma. Quimotripsina e tripsina são inicialmente sintetizadas como quimotripsinogênio e tripsinogênio, conforme esquematizado na figura a seguir.

  • Ativação de zimogênios por clivagem proteolítica: as barras representam a sequência primária da cadeia polipeptídica. Resíduos de aminoácidos no término dos fragmentos polipeptídicos gerados por clivagem são indicados abaixo das barras. A numeração dos resíduos de aminoácidos representam a sua posição na sequência primária dos zimogênios, quimotripsinogênio ou tripsinogênio (o resíduo de aminoácido terminal está numerado como 1). Portanto, na forma ativa, alguns resíduos numerados estão faltando. Note que as três cadeias polipeptídicas (A, B e C) da quimotripsina são ligadas por ligações de dissulfito.

8. Outros mecanismos de regulação enzimática

A glicogênio fosforilase cataliza a primeira reação em uma rota que alimenta o metabolismo da glicólise. Este é um passo muito importante e seu controle enzimático é complexo, apesar do mecanismo principal ser o da alteração de polaridade, como descrito anteriormente.

Outros mecanismos regulatórios enzimáticos complexos são encontrados em processos metabólicos chave. A glutamina sintetase bacteriana, que cataliza a reação que introduz nitrogênio reduzido dentro do metabolismo celular, está entre as enzimas regulatórias mais complexas conhecidas.

9. Conclusão

Qual a vantagem de tal complexidade na atividade das enzimas regulatórias? O controle catalítico é crítico para a vida. Se todas as reações possíveis em uma célula fossem catalizadas simultaneamente, macromoléculas e metabólitos seriam rapidamente quebrados em compostos bem mais simples. Em vez disso, as células catalizam apenas as reações que elas precisam no momento. Quando há excesso de recursos, as células os sintetizam e armazenam. Quando tais recursos são escassos, as células suam suas reservas.

A energia química é usada sem desperdício, distribuída em várias rotas metabólicas que as células conduzem. A disponibilidade de catalizadores fortes, cada qual para uma reação específica, torna possível o controle dessas reações. Isso, por sua vez, resulta na complexa e precisamente conduzida sinfonia que chamamos de vida.

10. Bibliografia

Lehninger. Bioquímica. Regulatory enzymes. Pág. 225.

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