Transición alostérica y represión

por C. R. Font

Puertorriqueño. Hizo su carrera en Medicina en la Universidad de Valencia (España).

Ha hecho estudios de investigación en la Universidad de Copenhague, en King´s College (Londres) y en el Laboratorio de Nutrición de Meudon-Belleveu de París.

Fue profesor en la Universidad Central del Caribe y en la Escuela de Medicina San Juan Bautista (P.R.).

Actualmente es profesor de Biología en Mercy College (N.Y.).

Alosterismo y represión

En 1961, Jacques Monod y François Jacob se encontraban trabajando en el Instituto Pasteur. Ellos querían explicarse la razón por la cual algunas bacterias producían continuamente una enzima y por qué otras bacterias no la producían. Lo curioso era que si en el medio de cultivo se añadía un azúcar, la bacteria que no tenía la enzima, de alguna manera se daba cuenta y ante la presencia de ese tipo de azúcar producía la enzima. La bacteria sabía cuándo debería producir la enzima. Hablamos de la enzima beta-galactosidasa, la cual va a actuar sobre la lactosa --el azúcar de la leche-- para transformarla en glucosa más galactosa. Esa transformación de la lactosa es necesaria si la bacteria va a sobrevivir.

Esta idea ya nos enseña que la biología es económica. Sólo fabrica lo que va a utilizar cuando lo va a emplear. Pero veamos en detalle el pensamiento de Monod.

De acuerdo con él, las bacterias inducibles (aquéllas que producían la enzima si un substrato está presente, en este caso la lactosa) tenían un sistema de control muy complejo. Para las bacterias inducibles, existía un sistema de interruptor, [switch] que mantenía a los genes productores de la enzima beta galactosidasa de manera apagada, [off ]. Cuando aparecía el inductor, en este caso la lactosa, el sistema off se eliminaba y los genes se expresaban.

Para las bacterias inducibles existe, bajo condiciones normales, un gen regulador que se denomina el gen operón lac. Normalmente, en ausencia de lactosa, este gen produce una proteína represora que a su vez inhibe el operador [ o ]. Podemos denominar al operón lac como RG.

Una vez está presente la lactosa, ésta interfiere con la proteína producida por el operón lac [RG] y ahora sí se pueden expresar los genes inducibles para poder producir la enzima correspondiente. A estos genes se les ha denominado genes estructurales. En este caso, los denominaremos SG1 más SG2, que van a producir las enzimas beta galactosidasa y la permeasa. En realidad, se necesita otra enzima que permita la permeabilidad de los substratos a través de las estructuras bacterianas. En resumen, ocurre lo siguiente: bajo condiciones normales de silencio, los genes no se manifiestan. No se manifiestan porque un sistema operón lac está apagado. Este gen operón lac [ RG ] produce una proteína que a su vez inhibe a otro gen distante, el operador [ o ]. Es algo así como dos teléfonos. Si un teléfono le dice a otro que no funcione, pues el otro no va. Cuando el primer teléfono se inhibe, entonces el segundo se inhibe también y los genes estructurales, en este caso SG1 más SG2, se pueden expresar, [ ver Fig. 2 ]. Este esquema está enormemente simplificado.

Decimos que la lactosa es un agente inductor. Cada set de genes no es otra cosa que una sucesión de bases. Por ejemplo, sabemos que el operador consiste de más de treinta bases. No hemos hablado de un promotor, para no complicar más la cosa. El operón lac [ RG ] va a producir una proteína represora que va a inhibir a un grupo de genes en el operador [ o ]. El operón está compuesto a su vez por una hilera de genes, por una sucesión de bases. Se le ha denominado el gen i. Este gen i va a producir la proteína represora que inhibirá al operador o. Pero se ha descubierto que la cosa es más complicada aún. Porque existe una proteína denominada activador catabólico, [CAP], que unido a una molécula de AMP cíclico puede a su vez activar el operón [ o ]. Esto constituye un mecanismo positivo. Decimos entonces, que cuando hay inhibición, estamos frente a un control negativo.

La bacteria E. Coli crece muy bien con nitrógeno más glucosa [ 18-29 ]. Con esto, la bacteria sintetiza todo lo que necesita [ 1, 2, 13, 16 ]. Hablamos de aminoácidos, de grasas, de azúcares, de bases. Si a este medio, añadimos un aminoácido que la célula se encuentre sintetizando, ocurre una sorpresa: la fabricación de este compuesto por la célula se detiene. Estamos ante una inhibición enzimática.

Fig. 1 Experimento de Monod yJ acob. En un medio de cultivo para bacterias E. Coli, añadian laclosa [punto a]. Entoncesobservabanque la conceniración de la enzima be~a-galactosidasa aumentaba. Elazúcarlactosa es el que encontramos en la leche. Cuando eliminaban el azúcar lactosa del medio. cesaba la producción de la enzima ( Punto 6 ). Monod concluyó que esta enzima es inducida, es decir, la bacteria lafabrica cuando la necesita, para poder metabolizar la lactosa en galactosa y en glucosa. A diferencia de estas bacterias existian otras gue producían la enzima esiuviera presenle o no la lactosa. A esas otras. Monod las denominó bacterias constitutivss porque fabricaban la enzima siempre. Estamos frente a unjendmeno de represión.

Pero tengamos mucho cuidado. Hemos hablado del fenómeno de represión alostérica: la inhibición en la síntesis o en la fabricación de una enzima. Eso es represión alostérica. Tenemos otro fenómeno diferente que se denomina inhibición alostérica. En la inhibición alostérica se trata de la inactivación reversible de una enzima. La síntesis de la misma continúa. Esta inhibición enzimática ocurre cuando introducimos un aminoácido como el triptófano, el cual detiene una cadena metabólica de producción de enzimas. No entraremos en detalle para no oscurecer el tema.

Pero para simplificar el problema no hemos dicho toda la verdad. La introducción de un inductor como la lactosa induce la producción no sólo de beta-galactosidasa sino que estimula la síntesis de dos proteínas o enzimas adicionales: la permeasa y la acetilasa.

Así que el concepto de operón lac puede imaginarse como una sucesión de genes, denominados cistrones. Son genes reguladores. Existen otros genes que son estructurales: los que fabrican las proteínas exclusivamente. Recordemos el esquema de fabricación de proteínas: DNA-RNA-Proteínas.

Fig. 2. Mecanismo de control operónrepresor según Monod. Unos genes denominados RG con~rolan el sistema operador [o], los cuales a su vez controlan los genes SGI y SG2. Estos genesproducen ácido ribonucleico mensajero [ RNA m j, los cuales van afabricarproteínas. En este caso son dost la beta-galaclosidasa y la proteina permeasa.

El gen operador no es otra cosa que una serie de bases que encontramos al lado de los genes estructurales [ o ]. Este gen operador va a activar la expresión de los genes que ordenan la formación de las enzimas o de las proteínas. Es el jefe de los genes estructurales que formarán la beta-galactosidasa y la permeasa.

Fig. 3. Fngos T4. Estos fagos no son otra cosa que parásitos de las bacteria. Son elementos útiles para estudiar el intercambio de material genéiico y para el estudio de los pkismidos. [ Cortesia del J.T. Fineh, MRC, Cambridge, U.K. ].

El operón lac va a fabricar el inhibidor del operador. Es una proteína que se fija reversiblemente sobre el operador, bloqueándolo. Así, no se expresan los genes estructurales. El inhibidor es una proteína que actúa de manera compleja. Se estima que el represor existe de dos maneras. Este represor es realmente una proteína alostérica. En presencia del inductor, se convierte en forma inactiva. No trabaja.

Fig. 5. Represión alosterica a nivel de la barrera hemato-encefnlica de la rara, [ BHE ]. Las ratas hiperglucemicas inhiben elmecanismo de transporte hacia el cerebro. Dates obtenidos por Crone & Gjedde. [Tomado de Font ].

En cultivos de células se ha visto que si se añade arginina, la síntesis de la misma se suprime, [2, 16 ]. Si a un grupo de ratones se les alimenta con muchas proteínas, estos animales sintetizan más enzimas digestivas, lo cual es lógico. Animales alimentados con muchos hidratos de carbono sintetizan mayor cantidad de amilasa. Así, que el organismo es sensible a los cambios en la alimentación.

Fig. 6. Cristales de hemoglobina humana en suforma reducida, [HbHj. EI cambio de laforma reducida a la forma oxidada representa una transición alostérica. [ Cortesla de A. Rossi Fenelli, Roma j.

Fig. 7. Cristales de carbam a t o guinasa de Strepfo- coccus faecium. Los compuestos de carbamato forman puentes de sal que estabilizan la fovma T[tensn, o reducida j de la molécula de hemoglobina. El bi~xido de carbono es transportado por la molecula de hemoglobina enforma de carbamato. Las quinasas cambian de lugar denbo de una misma molécula a los gruposfosfato. (Cortesía de S. GrisolZa, Univ. Kansas ].

En las bacterias, la síntesis de algunos aminoácidos ocurre a lo largo de una cadena metabólica compleja. Ese es el caso de la isoleucina, en E. Coli. Porque las enzimas tienen muchos sistemas de control, [ inhibición competitiva, no competitiva ]. Pero las células emplean otros mecanismos complejos como los fenómenos alostéricos. En el caso de la isoleucina, al añadir la misma en un cultivo celular de E. Coli se observa que se modifica una de las primeras cadenas metabólicas en la síntesis de este aminoácido [ 24 ]. Si la concentración de treonina disminuye por debajo de cierto valor, cesa la producción de isoleucina. Pero si aumenta la concentración, la síntesis de isoleucina aumenta.

Las interacciones alostéricas son de dos tipos: el efecto cooperador y el efecto antagónico. Esto se puede apreciar en los casos de isoleucina y de treonina en cultivos de E. Coli. En el caso de la isoleucina/treonina, la enzima envuelta es la treoninadesaminasa.

En general, podemos indicar que la biología posee muchos sistemas de control de síntesis. Uno de éstos, lo constituye el sistema operón-represor, el cual es cierto para un elefante y para una bacteria, en palabras de Monod [ 22 ]. Entre otras cosas, estos mecanismos nos explicarían la evolución de los seres vivos sobre la tierra [ 31-34 ].

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GLOSARIO

1. Km - constante de Michaelis. Es la concentración de substrato que produce una velocidad igual a la mitad de la máxima. La Km es útil para estimar la concentración de substrato necesaria para obtener la velocidad máxima.

2. Reacción Orden Cero - la velocidad de esta reacción es constante y es independiente de la concentración del substrato.

3. Reacción de Primer Orden - la velocidad de reacción es proporcional a la concentración del substrato presente.

4. Inhibición Competitiva - Esta inhibición depende de la ausencia de una especificidad absoluta en el grupo activo. La velocidad de reacción depende de: la concentración del inhibidor; de la concentración del substrato; de afinidades relativas de inhibidor y substrato por la enzima.

5. Inhibición No Competitiva - Cualquier tipo de inhibición que no puede ser reversiblemente anulada elevando la concentración del substrato. Los inhibidores no competitivos se combinan con las enzimas en puntos distintos del centro activo de la unión del substrato, siendo capaces de ejercer su efecto sobre dicho centro aunque se encuentren situados a distancia.

6. Ki - Medida de la potencia inhibidora del reactivo.

7. Fosforilación oxidativa - único medio eficaz conocido que combina la producción de energía con su utilización mediante la esterificación de fosfato inorgánico para formar ATP. El P del ATP se encuentra a la disposición de cualquier sistema que precise energía.

8. Alostérico - Propiedad que poseen algunas enzimas o transportadores, (carriers). Existen dos receptores estereoespecificamente no solapantes. Uno de ellos liga al substrato -sitio activo- y el otro liga el efector, -efector alostérico-. El ligamiento del efector alostérico provoca una interacción mediada por una transición molecular de la proteína. (transición alostérica), lo cual modifica la actividad de la enzima. Así se aseguran operaciones cibernéticas elementales, integrándose información química.