Regulação da atividade enzimática

Um organismo deve deter a capacidade de regular as atividades catalíticas das enzimas e dos seus componentes, para que esta possa coordenar os seus processos metabólicos, responder a diversas alterações no seu ambiente e crescer/diferenciar-se de uma forma ordenada. Para tal, existem duas formas em que isto pode ocorrer:

• Regulação da disponibilidade da enzima: A quantidade de uma dada enzima numa célula depende tanto da sua taxa de síntese como da sua taxa de degradação. Cada uma destas taxas são diretamente controladas pela célula. Como por exemplo, a Escherichia coli (E. coli) quando cultivadas na ausência do dissacárido de lactose, possui as enzimas que permitem metabolizar este açúcar. Assim sendo, esta bactéria inicia a síntese das enzimas necessárias para a produção deste nutriente essencial ao seu crescimento.

• Regulação da atividade enzimática: A atividade catalítica de uma enzima pode ser controlada diretamente por meio de alterações conformacionais e estruturais. A taxa de uma reação enzimática é diretamente proporcional à concentração do seu complexo enzima-substrato, o qual por sua vez, varia de acordo com as concentrações da enzima e do substrato e também com a afinidade de ligação da enzima ao substrato. No entanto, a atividade catalítica de uma enzima pode ser controlada através da variação da sua afinidade de ligação ao substrato, tal como acontece na ligação do oxigénio à hemoglobina. Neste caso, a afinidade da hemoglobina para o oxigénio é controlada de uma forma alostérica pela ligação de diversos ligandos, tais como oxigénio (O₂), o dióxido de carbono (CO₂), o hidrogénio (H⁺) e o bisfosfoglicerato (BPG). Desta forma, estes efeitos designados por homotrópico e heterotópico (ligação do ligando que, respetivamente altera a afinidade de ligação dos mesmos ou dos diferentes ligandos) resultam na ligação cooperativa de O₂. Por outro lado, a afinidade de ligação da enzima ao substrato pode também ser alterada através da ligação de pequenas moléculas, que podem assim modificar a atividade catalítica da enzima. Como exemplo do controlo alostérico da atividade enzimática, expõe-se a síntese de Transcarbamilase do aspartato (ATCase) a partir de E. coli:

• A ATCase catalisa a formação de N-carbomoilaspartato a partir de Carbomoil fosfato e de Aspartato, como representado na imagem seguinte:

Demonstrou-se que esta reação é o passo inicial na biossíntese de pirimidinas (componente primordial dos ácidos nucleicos). Para além disto, provou-se também que a ATCase da Escherichia coli exibe uma ligação cooperativa homotrópica positiva em ambos os seus substratos (Aspartato e Carbomoil fosfato). Além disso, a ATCase é inibida heterotroficamente pelo Trifosfato de citidina (CTP) e por um nucleótido de pirimidina. Por outro lado ATCase é ativada heterotroficamente pelo Trifosfato de adenosina (ATP). Assim sendo, o CTP diminui a taxa catalítica da enzima, enquanto o ATP faz exatamente o inverso promovendo o seu aumento. De outra forma, o CTP é um produto que se obtém a partir da biossíntese da pirimidina, sendo um percursor do ácido nucleico. Por conseguinte, quando ocorre uma rápida biossíntese do ácido nucleico que leva ao “esgotamento” do CTP da célula, este dissocia-se do ATCase, inibindo desse modo a enzima e promovendo o aumento da taxa de síntese de CTP. Por outro lado, se a taxa de síntese de CTP ultrapassa a sua taxa de absorção, o excesso de CTP resultante inibe a ATCase, que por sua vez, reduz a taxa de síntese de CTP. Portanto, este é um exemplo de inibição por “feedback”, uma forma comum de controlo metabólico, em que a concentração de um produto biossintetizado controla a atividade de uma enzima.

Outros assuntos relacionados:

• Coenzimas;
• Dinâmica da proteína;
• Proteína globular;
• Estabilidade das proteínas;
• Estrutura primária da proteína;
• Estrutura secundária da proteína;
• Estrutura terciária da proteína;
• Estrutura quaternária da proteína.

References:

• Allewell, N.M., Escherichia coli aspartate transcarbamoylase: Structure, energetics, and catalytic and regulatory mechanisms, Rev. Biophys. Biophys. Chem. 18, 71–92 (1989).

• Rev. Biophys. Biophys. Chem. 18, 71–92 (1989). Evans,P.R., Structural aspects of allostery, Curr. Opin. Struct. Biol. 1, 773–779 (1991).

• Jin, L., Stec, B., Lipscomb, W.N., and Kantrowitz, E.R., Insights into the mechanisms of catalysis and heterotropic regulation of Escherichia coli aspartate transcarbamoylase based upon a structure of the enzyme complexed with the bisubstrate analogue N-phosphonacetyl-L-aspartate at 2.1 Å, Proteins 37, 729–742 (1999).