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• Sandy Montalvo

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LA IMPORTANCIA BIOLÓGICA DE LA INHIBICIÓN DEL SUSTRATO: UN MECANISMO CON DIVERSAS FUNCIONES Muchas enzimas son inhibidas por sus propios sustratos, lo que conduce a curvas de velocidad que se elevan al máximo y luego descienden a medida que aumenta la concentración del sustrato. La inhibición del sustrato a menudo se considera una rareza bioquímica y una molestia experimental. Demostramos, utilizando varios estudios de casos, que la inhibición del sustrato a menudo tiene importantes funciones biológicas. En cada caso que discutimos, el significado biológico es diferente. La inhibición del sustrato de la tirosina hidroxilasa da como resultado una síntesis constante de dopamina a pesar de las grandes fluctuaciones en la tirosina debido a las comidas. La inhibición del sustrato de la acetilcolinesterasa mejora la señal neural y permite la rápida terminación de la señal. La inhibición del sustrato de la fosfofructoquinasa asegura que los recursos no se dediquen a la fabricación de ATP cuando es abundante. En el metabolismo del folato, la inhibición del sustrato mantiene las tasas de reacción ante la privación sustancial de folato. La inhibición del sustrato de la ADN metiltransferasa sirve para copiar fielmente los patrones de metilación del ADN cuando las células se dividen al tiempo que evita la metilación de novo de las regiones promotoras libres de metilo. La cinética de una reacción enzimática se estudia típicamente variando la concentración del sustrato y trazando la velocidad de formación del producto en función de la concentración del sustrato. En el caso convencional, esto produce una curva hiperbólica típica de Michaelis-Menten y un gráfico lineal recíproco de LineweaverBurk, a partir del cual se pueden calcular las constantes cinéticas de la enzima. Un número sorprendentemente grande de enzimas no se comportan de esta manera convencional. En cambio, sus curvas de velocidad aumentan al máximo y luego disminuyen a medida que aumenta la concentración del sustrato. Este fenómeno se conoce como inhibición del sustrato, y se estima que ocurre en aproximadamente el 20% de las enzimas [1]. La inhibición del sustrato a menudo se interpreta como una anomalía que proviene del uso de una concentración de sustrato artificialmente alta en un entorno de laboratorio. En un artículo de revisión sobre los mecanismos de inhibición del sustrato en 1994, Kuehl [2] comentó que ‘‘, aunque se reconoció desde el principio como un fenómeno casi universal, sin embargo, ha encontrado un desinterés casi universal. Probablemente, la razón principal de esta negligencia es que la mayoría de los enzimólogos y muchas autoridades en el campo consideran que la inhibición del sustrato es casi siempre un fenómeno no fisiológico”. Hay varias razones para sospechar que la inhibición del sustrato no es un fenómeno patológico, sino un mecanismo regulador biológicamente relevante. Primero, en muchos casos las concentraciones normales de sustrato están a la derecha del máximo de velocidad, lo que indica que estas enzimas típicamente operan bajo inhibición del sustrato. En segundo lugar, muchas enzimas tienen sitios especializados donde una segunda molécula de sustrato puede unirse y actuar como un inhibidor alostérico. Para esas enzimas, la inhibición del sustrato es claramente una propiedad especialmente desarrollada. En tercer lugar, se acumula evidencia de que la inhibición del sustrato desempeña funciones reguladoras críticas en una serie de vías metabólicas. La inhibición del sustrato significa que la curva de velocidad de una reacción aumenta al máximo a medida que aumenta la concentración del sustrato y luego desciende a cero o a una asíntota distinta de cero. Se conocen muchos mecanismos que pueden dar lugar a tales curvas de velocidad del sustrato [3, 4]. Aquí discutimos dos mecanismos simples. Suponga que una enzima, E, tiene dos sitios de unión para su sustrato S, un sitio catalítico para la unión que puede producir el producto, P, y un sitio no catalítico (o alostérico) que puede producir el producto a una velocidad reducida (ver Figura 1). Denotamos por ES el sustrato unido al sitio catalítico, por SES dos moléculas de sustrato unidas tanto al sitio catalítico como al no catalítico. Haldane [5] consideró el caso simple cuando una molécula de sustrato se une primero al sitio catalítico, seguido de un sustrato que se une al sitio no catalítico (como se muestra en la Fig. 1), y asumió k4 ¼ 0. Luego, usando el Supuesto de equilibrio rápido, se puede derivar la fórmula cinética

Donde E0 es la cantidad total de enzima presente, Km la constante de Michaelis, y Ki es la constante de equilibrio de disociación (1 / KN) para la reacción SES S+ES. Esta es la fórmula de Haldane para la inhibición del sustrato [5] Como hay dos potencias de [S] en el denominador, la velocidad va a cero a medida que [S] se hace grande. Intuitivamente, esto se debe a que cada vez más enzima está ligada al complejo ternario improductivo.

Si atenuamos la suposición de Haldane y permitimos la unión de orden aleatorio de los sustratos a los sitios catalíticamente activos e inactivos, y permitimos 0