Regulación y control metabólicos

• Resumen
  
• 
  
• Formas de control
  enzimàtico
• Control por
  sustrato
• Control
  alostérico
• Interacciones
  concertadas
• Interacciones
  secuenciales
• Control por
  retroalimentación
  
• Control integrado mediante
  la carga energética
• Modificación de
  la enzima
• Modificación
  irreversible
• Modificación
  reversible
• Alteración del
  número de moléculas de enzima
  
• Sistemas
  procarióticos
• Conclusiones
  
• Bibliografía
  

RESUMEN

Los procesos de
regulación y control metabólicos participan en la
generación de energía y de biosíntesis, ya que los procesos de
anabolismo y catabolismo se realizan por medio de enzimas,
éstas formas de control se pueden llevar a cabo por medio
de control por sustrato, alostérico, por retroalimentación, mediante carga
energética y por modificaciones de la enzima, las cuales
se basan en que la producción de algunos productos
inhiben a ciertas enzimas y provocan la activación de
otras para la producción de nuevos compuestos.

DESCRIPTORES: Regulación
metabólica/ Control por sustrato/ Control
alostérico/ Control por retroalimentación/
Modificación de enzimas.

CAPITULO 8

REGULACIÓN Y CONTROL
METABÓLICOS.

8.1 Introducción.

Para lograr el crecimiento equilibrado un microorganismo
requiere la integración de un gran número de
rutas metabólicas interconectadas que participan en la
generación de energía y la de biosíntesis.
Las rutas de anabolismo y del catabolismo se llevan a cabo
mediante una serie de enzimas y es a través de ellas que
se ejerce el control.

Las vías enzimáticas tienen que ver con la
descomposición de sustratos llevada a cabo por los
microorganismos, esta actividad metabólica global de
la
célula en crecimiento representa el funcionamiento de
un gran número de rutas enzimáticas interconectadas
que necesitan un balance muy bueno para funcionar apropiadamente.
El control de estas enzimas puede tomar dos formas
básicas: alteración de la actividad
enzimática y alteración en el número de
moléculas de la enzima.

8.2 Formas de
control enzimático.

Como ya se mencionó en la introducción
existen dos formas básicas de control de las enzimas las
cuales se pueden resumir en la tabla 8.2-1.

Tabla 8.2-1

Tipo de controles
bioquímicos.

2. Alteración de la actividad
   enzimática.

2. Control por sustrato.

2. Control alostérico.

3. Control por retroalimentación.

1. Simple.
2. Secuencial.
3. Múltiple.
4. Concertado.
5. Acumilativo.

4. Control integral mediante la carga
energética.

1. Modificación de la enzima.

a) Modificación irreversible.

b) Modificación reversible.

B. alteración en el número de
moléculas de la enzima.

1. Control transcripcional.
2. Control traduccional.
3. Degradación de la enzima.

8.2.1 Control
por sustrato.

El nivel de control más simple se puede ejercer
al cambiar la rapidez de reacción de una enzima, por
ejemplo, al modificar la concentración del sustrato. Si
ésta es cercana menor que la de la enzima, la rapidez se
relaciona con la concentración del sustrato de acuerdo con
la relación de Michaelis-Menten.

ecuación 8.2.1-1

Las enzimas que catalizan una reacción reversible
y dependen de una cierta concentración de sustrato para
operar, a menudo no parecen tener sustrato suficiente cuando
éste se calcula por célula.
Sin embargo, en las células
eucarióticas, la compartimentalización permite a
las enzimas asociarse espacialmente en las estructuras
membranosas, que pueden dar concentraciones locales de sustrato
muy altas. La misma puede ser enzimática cierto para otros
factores necesarios para la actividad como los iones
metálicos, co-enzimas y pH.

8.2.2 Control alostérico.

Las enzimas por tanto el control metabólico,
puede ser afectado por ciertos metabolitos reguladores
(efectores, modificadores o moduladores). Estos metabolitos
pueden inhibir o activar la actividad
enzimática.

Hay enzimas que no siguen la cinética de
Michaelis-Menten (figura 8.2.2-1). Cuando la velocidad de
reacción V se grafica contra la concentración de
sustrato, estas enzimas son complejos con múltiples
componentes difíciles de aislar, se trata de enzimas
reguladoras conocidas como enzimas alostéricas. De estas
se pueden distinguir tres clases:

1) Homotrópicas: Aquí el sustrato
puede actuar como efector sobre la rapidez de la reacción
enzimática, por lo general,
incrementándola.

2) Heterotrópicas: La inhibición o
estimulación es causada por sustancias de origen natural
que no sea el sustrato.

3) Mixtas: Algunas enzimas muestran ambas
características.

Fig 8.2.2-1 Velocidad de la
reacción enzimática vs concentración de
sustrato.

La naturaleza
sigmoidal de la curva que depende del sustrato (fig 8.2.2-1)
indica que la unión de las primeras moléculas de
sustrato mejora la unión de las primeras moléculas
posteriores. En las enzimas heterotrópicas la
inhibición o estimulación daría como
resultado cambios en la Km o en la Vmax de
la enzima.

1. Interacciones concertadas.

El modelo
concertado predice que la unión de una molécula de
sustrato convierte a al enzima (todas las subunidades) a una
forma de alta afinidad, la cual puede unir más
rápidamente al sustrato (fig 8.2.2.1-1). El efecto de los
inhibidores o de los activadores en una enzima
heterotrópica también se puede explicar con este
modelo.

1. 

   Fig 8.2.2.1-1 Modelo concertado
   para las interacciones alostéricas.

    

2. Interacciones secuenciales.

El modelo secuencial sugiere que hay dos estados
conformacionales para las subunidades de la enzima. La
unión del sustrato provoca un cambio en la
conformación de la subunidad en cuestión. Este
cambio no altera significativamente la otra subunidad, pero
aumenta o disminuye la afinidad de las subunidades por el
sustrato (fig 8.2.2.2-1). Nuevamente, un inhibidor o un activador
puede encajar en el modelo.

Fig 8.2.2.2-1 Modelo secuencial para las
alteraciones alostéricas.

2. El método por el cual las enzimas
   reguladoras con comportamiento alostérico controlan
   varias vías en su forma más simple, el que se
   conoce como retroinhibición o inhibición por
   producto
   final. Se ha encontrado que estas enzimas
   alostéricas se localizan en o cerca del comienzo de
   una vía enzimática y que son inhibidas o
   estimuladas por el producto final de esa vía. Muchos
   de estos tipos de control han sido investigados en la
   síntesis de aminoácidos en E.
   coli y se pueden identificar en muchos sistemas.

   1. Un ejemplo de este tipo de control se
      encuentra en la síntesis dl aminoácido
      isoleucina en la E. coli (fig 8.2.3.1-1). Aquí ,
      si se permite que se forme la isoleucina
      inhibirá la actividad de la treonina desaminasa,
      la primera enzima en la cadena de la
      síntesis.

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      Fig 8.2.3.1-1 Retroinhibición simple,
      inhibición de la treonina desaminasa por la
      isoleucina.

   2. Control por retroalimentación
      simple.

      En ese caso, los productos de una ruta
      ramificada sólo afectan a la enzima que
      actúa desde el punto de ramificación, y
      el punto de ramificación intermedio afecta la
      vía común. Un ejemplo de esta forma de
      control es la síntesis de los aminoácidos
      aromáticos fenilalanina, tirosina y
      triptófano en Bacillus subtilis (fig 8.2.3.2-1).
      La formación de tri´ptófano,
      fenilalanina y tirosina, inhibe las enzimas en el punto
      de ramificación, lo cual provoca la
      formación de ácido corísmico. El
      exceso de ácido corísmico, a su vez,
      inhibe las primeras enzimas de la secuencia que conduce
      a este ácido.

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      Fig 8.2.3.2-1
      Retroinhibición secuencial, control de la
      biosíntesis de tirosina, fenilalanina y
      triotófano.

       

   3. Control por retroalimentación
      secuencial.

      En este caso las enzimas reguladoras en el
      punto de ramificación de una vía
      enzimática, tienen sitios múltiples para
      efectores alostéricos diferentes, de modo que la
      inhibición completa se puede lograr sólo
      cuando ambos efectores estén presentes. Un
      ejemplo es el efecto de la fenilalanina y la tirosina
      sobre la enzima que forma al ácido
      frénico a partir del ácido
      corísmico (fig 8.2.3.3-1).

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      Fig 8.2.3.3-1 Retro control cortado, efecto
      combinado de la fenilalanina y la tirosina sobre la
      formación de ácido
      prefénico.

   4. Control por
      retroalimentación.

      La característica de este tipo de
      control es que la enzima en el comienzo de una ruta
      ramificada se presenta en más de una forma, cada
      una de las cuales es inhibida por uno de los productos
      finales.

      Un ejemplo es el control de la lisina,
      metionina y la isoleucina en la E. coli con la enzima
      controlante, asparto cinasa, que se presenta en tres
      formas, las cuales son afectadas en forma separada por
      la lisina, historina e isoleucina. (fig
      8.2.3.4-1)

       

   5. Control
      enzimático múltiple.
   6. Control por retroalimentación
      acumulativa.

    

   Esto ocurre en algunas enzimas regulatorias donde
   los productos finales de la vía son muy diferentes.
   La enzima tiene múltiples sitios alostéricos
   en los que los efectores originan individualmente
   sólo la inhibición parcial. Se requieren
   cantidades saturantes de todos los efectores para completar
   la inhibición. Un ejemplo de esta case de control es
   la enzima glutamina sinteasa, la cual participa en las
   vías que conducen a varios compuestos como la
   histidina, el triptófano y la glucosamina-6-P (fig
   8.2.3.5-1)

   El grafico
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   Fig 8.2.3.4-1 Control
   enzimático múltiple.

   Fig 8.2.3.5-1 Retrocontrol
   acumulativo de la glutamina sintetasa.

    

3. Control por
   retroalimentación.
4. Control
   integrado mediante la carga
   energética.

No es razonable esperar el uso y la producción de
ATP, el intermediario de alta energía, deban encontrarse
balanceados dentro de la célula. En períodos
cortos, el contenido de la célula de compuestos
adenilados, AMP, ADP y ATO, se puede considerar constante. Por lo
tanto, la cantidad de energía presente en la célula
puede considerarse como la proporción de ATP y ADP con
respecto al total de compuestos adenilados, el ATP es el doble de
ADP. Esta suma se conoce como la carga
energética:

ecuación 8.2.4-1

la carga energética tiene efecto sobre algunas
enzimas y éste proviene de la función
enzimática en el uso o generación del ATP, dos de
estas enzimas son la fosfofructocinasa y la piruvato
deshidrogenasa.

La enzima fosfofructocinasa se sitúa en una etapa
esencialmente irreversible de la glucólisis, la enzima es
estimulada tanto por ADP como por AMP, e inhibida por ATP y
nitrato. Por lo tanto, si la carga energética dentro de la
célula es baja, la fosfofructocinasa se activa y el flujo
de carbono a
través de la glucólisis aumenta para producir
más ATP. La formación de acetil CoA por la piruvato
deshidrogenasa a partir de piruvato, el producto final de la
glucólisis, también es esencialmente irreversible
y, por lo tanto, controla la rapidez con la que funciona el ciclo
de Krebs, así como la producción de ATP e
intermediarios biosintéticos. La piruvato deshidrogenasa
es inhibida por acetil CoA, NADH y ATP y activada AMP. Por lo
tanto la enzima puede controlar el flujo de carbono a
través del ciclo de Krebs dependiendo de los niveles de
NADH, ATP y acetil CoA.

6. Modificación de la
   enzima:

Las enzimas pueden activarse o desactivarse por
modificaciones ya sea reversibles o irreversibles, que a menudo
son efectuadas por otras enzimas.

1. Modificación irreversible.

Algunas enzimas, en particular las enzimas digestivas,
se sintetizan en una forma inactiva conocida como
zimógeno. Esta forma se activa por la acción de una
segunda enzima que rompe la molécula en un punto
específico. Un ejemplo de esta forma de control es el
quimotripsinógeno, la forma inactiva de la quimiotripsina,
el quimotripsinógeno se sintetiza en el páncreas y
consiste en una sola cadena polipeptídica, reticulada por
cinco enlaces disulfuro. Cuando el enlace peptídico que
une a la arginina 15 y la isoleucina 16 se rompe por la
acción de la tripsina, el quimiotripsinógeno se
convierte en la quimiotripsina totalmente activa.

1. El grafico no
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   Fig. 8.2.5-1.
   Modificación irreversible del
   quimotripsinógeno a

   quimotripsina activa

2. Modificación reversible.

La modificación de las enzimas de formas
inactivas a formas activas puede ser reversible. Por ejemplo, una
fosforilasa que se encuentra en el músculo existe en dos
formas: una activa y otra inactiva. La forma inactiva pasa a la
forma activa por la fosforilación de un residuo
específico de serina mediante una enzima fosforilasa
cinasa específica. Bajo diferentes condiciones, el
grupo fosfato
es removido de la enzima activa por una segunda enzima
específica, fosforilasa fosfatasa, para producir la enzima
inactiva.

Se puede considerar un buen ejemplo, en el metabolismo
del glucógeno, una forma de almacenamiento de
glucosa, donde la síntesis y el rompimiento deben ser
controlados y coordinados. En los animales, el
metabolismo del glucógeno está bajo el control de
hormonas en
una serie compleja de reacciones que incluyen la
modificación reversible de las enzimas.

Otra forma de modificación reversible de la
actividad enzimática, se encuentra en la enzima glutamina
sintetasa de E. Coli. La enzima puede ser adenilada
(adición del grupo adenina) por una enzima adenilil
transferasa, la cual hace a la enzima más susceptible al
control por retroalimentación por parte de la glutamina.
Además, la glutamina inhibe a una enzima deadenilante, y
por lo tanto, un aumento de la glutamina permitirá la
formación de más enzimas susceptible, reduciendo
así la formación de glutamina.

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Fig. 8.2.5-2. Activación e
inactivación de la fosforilasa por fosforilación
reversible

De un residuo específico de
serina.

Alteración del número de
moléculas de enzima

Hay un segundo tipo de control, posiblemente controles
aproximados, que determinan el número de moléculas
de enzima presentes dentro de una célula. Se puede ver que
el control es ejercitado tanto en el estado
transcripcional como en el traduccional. Un tercer control
posible es un incremento en la degradación de la enzima en
cuestión sin afectar su rapidez de síntesis,
reduciendo así su concentración global.

Sistemas
procarióticos

Los procariotas tienen cromosomas
individuales en forma superior – arrollada. La
expresión genética
correcta en los procariotas depende de las secuencias de ADN que flanquean
las secuencias de instrucciones. La transcripción de los
genes requiere RNA polimerasas, que pueden tener asociados los
factores polipeptídicos sigma y rho. El factor sigma
promueve la unión de la RNA polimerasa al ADN en sitios
específicos ubicados justo antes de las secuencias de
instrucciones de la proteína, conocidos como región
del promotor (figura 8.2.7). Algo importante en el sitio del
promotor, son diez nucleótidos ubicados antes de su
comienzo, conocidos como la caja de Pribnow y que contienen la
secuencia TATAAT. El segundo sitio está aproximadamente de
23 a 25 nucleótidos cuesta arriba, con la secuencia
TTGACA. En los genes cuya secuencia de bases de la región
del promotor se ha analizado, se ha encontrado poca
variación entre los promotores que puede tener
algún efecto sobre la resistencia del
promotor y la longitud de la copia.

Una vez que se inicia la transcripción sobre la
hebra con sentido del ADN. El factor sigma se disocia. Una
característica adicional de la secuencia de
nucleótidos ubicada cuesta arriba de la mayoría de
los genes, es la presencia de un sitio de unión para los
ribosomas o secuencia de Shine – Delgarno. Esto sucede a
pocos pares de bases cuesta arriba del codón de
iniciación, que comúnmente es AUG. La
terminación de la transcripción también se
realiza en sitios específicos del ADN, caracterizado por
un par de secuencias repetidas invertidas, las cuales, por
emparejamiento interno, originan una estructura de
tallo y lazo.

En algunos casos es necesario el polipéptido rho
para la terminación de la transcripción, pero
desconoce su participación.

Promotor Gene estructural

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Fig. 8.2.7. Estructura de las
regiones promotoras, en el ADN de los

organismos procariotas.

1. Operones.

En las bacterias, los
genes para funciones
relacionadas en un proceso
metabólico, con frecuencia se localizan adyacentes entre
sí y se transcriben como una molécula de RNA
mensajero simple (RNA poliscistrónico). Este RNA mensajero
contiene secuencias interpuestas cortas no codificadoras. Este
acomodo de genes se conoce como un operón. Por lo tanto,
el mRNA simple puede producir varias proteínas
relacionadas rápidamente en la
traducción.

Algunos genes se expresan constantemente y se describen
como genes con expresión constitutiva, mientras que otros
pueden inducirse por una señal intracelular. Los genes
indecibles presentan expresión elevada bajo el
estímulo apropiado.

Además de la región del promotor, existe
otra secuencia de bases que es adyacente o traslapa la
región del promotor conocida como región del
operador. Esta región es responsable del control de la
unión de la RNA polimerasa al promotor. Las
proteínas conocidas como represores, se pueden unir al
operador y evitar la transcripción. Este tipo de control
puede funcionar como control positivo o negativo.

1. En el control negativo el operón se transcribe
   en condiciones normales, pero es detenido por el enlace de un
   co – represor con un apo – represor ya presente
   para formar un represor activo que tiene la
   transcripción.
2. En ele control positivo, por lo general el
   operón no se transcribe sino por la unión de un
   coactivador con el apo – activador que favorece la
   combinación para unir al operón que inicia la
   transcripción.

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Fig. 8.2.7-1. Controles positivos
y negativos de la transcripción

1. El operón lac.

El primer operón descubierto fue el operón
lac, el cual se compone de tres genes estructurales que
intervienen en la captación y metabolismo de la lactosa,
la b -galactosidasa, una permeasa, y
transacetilasa. A contra corriente de los genes estructurales se
encuentra un operador, un promotor y un sitio que es reconocido
por una proteína que encuentra un operador, un promotor y
un sitio que es reconocido por una proteína que
actúa como activador positivo, conocida como
proteína activadora de catabolitos (CAP).

Esta proteína tiene un sitio de enlace para el
AMP cíclico AMP el cual se induce cuando baja la
concentración de glucosa. La unión del AMPc activa
a la proteína y lee permite unirse al ADN en el sitio
cuesta arriba del sitio de reconocimiento de la RNA polimerasa lo
cual presumiblemente facilita la unión de la RNA
polimerasa.

Además de la regulación inducible positiva
del operón lac, también existe un elemento
inducible negativo que reprime al operón en ausencia de
lactosa. Una proteína represora de lac se une al operador
y evita la transcripción. La inducción es causada por un isómero
de la lactosa llamado alolactosa que se une a la proteína
represora dando como resultado la detención del enlace del
represor lac con el operador e induciendo así la
transcripción.

5. Sistemas eucarióticos

Las células eucarióticas contienen un
núcleo separado del resto de la célula por una
membrana, el cual contiene cromosomas lineales múltiples.
Cada cromosoma contiene un ADN individual de doble hélice,
aunque generalmente los cromosomas se encuentran en pares y por
lo tanto, contiene información homóloga. En los
mamíferos, un par de cromosomas determina
el sexo, con dos
cromosas tipo X que determina las características
femeninas y un cromosoma X y uno Y que determina las
características masculinas.

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Fig. 8.2.8. Estructuraa de la
región promotora en el ADN de los

Organismos eucariotas.

El ADN nuclear se encuentra asociado con
proteínas, las histonas. Estas proteínas son
responsables de mantener la estructura y el metabolismo del ADN,
incluyendo la expresión genética. En las
células eucarióticas se encuentran tres RNA
polimerasas. La RNA polimerasa I es responsable de la
producción del RNA ribosomal, la polimeras III de la
producción de RNA de transferencia y la polimeras II
participa en la producción del mRNA.

Estos tipos de secuencias que afectan la
transcripción, pueden operar sobre grandes distancias. Las
secuencias mejoradas identificadas en genes virales, pueden
actuar sobre distancias de hasta 3 kb. Estos elementos exhiben
homología secuencial, pero con frecuencia su efecto se
restringe a tipos específicos de tejido. No existe
información clara sobre señales de
terminación de la transcripción en los eucariotas.
En la expresión genética de los eucariotas, se han
incluido otras características como la capacidad de la
hélice para cambiar a la forma Z, así como la
presencia de residuos metilados de citosina como mecanismo para
desconectar genes.

Luego de la transcripción en eucariotas, el RNA
mensajero se modifica por adición de un cap. 5, a partir
de un radical 7 – metilguanilil, le cual ayuda al RNA
mensajero a unirse al ribosoma. También se adiciona una
cola de 100 – 200 nucleótidos de longitud de poli
– A en el extremo 3’ del RNAm y es señalada
por unos 13 – 20 nucleótidos ubicados cuesta debajo
de una secuencia AAUAAA:

En conclusión en los sistemas eucarióticos
se deben tener en cuenta dos cosas:

• Existen tres tipos de ARN polimerasa I, II y
  III.
• Los genes están fragmentados en zonas sin
  sentido o intrones y zonas con sentido o exones. Antes ha de
  madurar y eliminar los intrones.

En la trascripción de eucariontes se distinguen
las siguientes fases:

a) Iniciación: la ARN polimerasa II se une a una
zona del ADN llamada promotor (posee secuencias CAAT y
TATA)

b) Elongación: la síntesis continua en
sentido 5´-3´. Al poco se añade una caperuza
(metil-guanosín trifosfato) al extremo
5´.

c) Finalización: parece que está
relacionado con la secuencia TTATTT. Ahora interviene un poli-A
polimerasa que añade una cola de poli-A al
pre-ARNm (ARNhn).

d) Maduración: se produce en el núcleo y
la hace un enzima llamada RNPpn, que elimina los nuevos intrones
(I) formados.

Posteriormente las ARN ligasas empalman los exones (E) y
forman el ARNm.

1. La secuencia de instrucciones de genes
   eucarióticos también puede contener
   secuencias sin instrucciones llamadas intrones, los cuales
   se procesan o eliminen del RNAm en el núcleo. Las
   secuencias de instrucciones que son interrumpidas por los
   intrones se llaman exones.

2. Intrones.
3. Regulación por modificación post
   – traduccional.

La secuencia de aminoácidos determina las
estructuras secundaria y terciaria en las cuales se dobla la
proteína. Puede ocurrir también otra
modificación que afecte la especificidad, las propiedades
y la actividad de las proteínas.

Las proteínas destinadas a la exportación tienen una secuencia principal
N-terminal de 15 – 30 aminoácidos, que tiene
propiedades hidrofóbicas. Esta secuencia tiene alta
afinidad por las membranas y permite la secreción
posterior. En el proceso de secreción hay también
remoción de la secuencia líder
por una proteasa. El proceso proteolítico también
es importante para producir otras proteínas precursoras,
por ejemplo, la producción de insulina a partir de la
proinsulina.

8.3
Conclusiones.

1. Los procesos enzimáticos de los
   microorganismos están regulados por ciertos tipos de
   controles ya que no se puede llevar a cabo en forma desordenada
   y aleatoria, de este modo se evita síntesis inadecuadas
   y mal funcionamiento del metabolismo.
2. El control metabólico se lleva a cabo por
   medio de metabolitos que pueden inhibir o activar la actividad
   enzimática y cinética de las
   bioreacciones.
3. Existen ciertos tipos de control como son los de
   retroalimentación que se realizan por medio de procesos
   de inhibición por medio de los cuales ciertos compuestos
   inhiben a las enzimas en algunos puntos, provocando la
   formación que éstos a su vez pueden inhibir a
   otras enzimas.
4. La cantidad de energía presente en una
   célula tanto en forma de AMP, ADP o ATP también
   funciona como regulador de ciertos procesos metabólicos,
   ya que la presencia de uno de éstos compuestos activa o
   cataboliza la formación de otros compuestos
   energéticos.
5. Las enzimas pueden activarse o desactivarse por
   modificaciones reversibles o irreversibles que son efectuadas
   por otras enzimas.
6. Algunas enzimas se sintetizan en forma inactiva por
   la acción de una segunda enzima que rompe la
   molécula en un punto específico, esta forma
   inactiva se conoce como zimógeno.

8.4
Bibliografía:

1. Scragg Alan, "Biotecnología para ingenieros. Sistemas
biológicos en procesos tecnológicos", Primera
reimpresión, Editorial Limusa S.A, México,
1997.

Autor:

Arias Edison – Lastra Jorge