Regulace enzymové aktivity
MUDr. Martin Vejražka, PhD. Tato prezentace je přístupná on-line
CHE1.LF1.CUNI.CZ „Prezentace“
Regulace enzymové aktivity Organismus NENÍ rovnovážná
soustava Rovnováha = smrt Život: homeostáza, ustálený stav…
Katalýza v uzavřené soustavě
bez katalyzátoru rovnováha se ustavuje pomalu (ale ustaví se)
Katalýza v uzavřené soustavě
s katalyzátorem ustaví se stejná rovnováha jako bez katalyzátoru, ale mnohem rychleji
Otevřená soustava Veličiny jsou konstantní, ale nejde o rovnováhu • ustálený stav (steady-state) • homeostáza regulace mění hodnotu (nejen čas, za nějž se jí dosáhne)
Regulace enzymů
Mění koncentraci látek Reaguje
– na spotřebu – na dodávku
Regulace enzymů Porucha regulace je příčinou
onemocnění – kinázy a fosfatázy: nádorová onemocnění – nadbytek nějaké látky (cholesterol – ateroskleróza, kys. močová – dna…)
Parametry používané v klinice ↑ či ↓ konc. nějaké látky způsobeno
↑/↓ tvorby / odstraňování nebo měří se aktivita nějakého enzymu
kys. acetylosalicylová
Léky
simvastatin allopurinol
Velká část léků
působí prostřednictvím změny aktivity (většinou inhibice) nějakého enzymu
omeprazol sildenafil vinkristin tetracyklin sulbaktam atorvastatin enalapril kotrimoxazol
Enzymy a léky Aktivita některých enzymů
dramaticky mění účinnost léků – cytochrom P450 – konjugace – acetylace –…
Člověk a bakterie Jednobuněčné organismy – regulace na buněčné úrovni
×
Mnohobuněčné organismy – regulace na buněčné úrovni – hormonální regulace – nervová regulace
Ovlivnění aktivity enzymu Koncentrace enzymu Nabídka substrátu, dostupnost
koenzymů, množství produktu Katalytická účinnost
Regulace enzymu regulace genové exprese
regulace konverze proenzymu
proenzym
regulace katalytické účinnosti
regulace degradace enzymu
ENZYM
substrát
produkt
nabídka substrátu dostupnost koenzymů
odčerpávání produktu
© Martin Vejraž Vejražka, 2007
Koncentrace enzymu
Koncentrace enzymu Tvorba
– exprese genu – konverze proenzym → enzym – sestavení podjednotek Degradace
Indukce a represe regulace genové exprese
regulace konverze proenzymu
proenzym
regulace katalytické účinnosti
regulace degradace enzymu
ENZYM
substrát
produkt
nabídka substrátu dostupnost koenzymů
odčerpávání produktu
© Martin Vejraž Vejražka, 2007
Indukce indukovatelný enzym
konstitutivní enzym
indukce
bazální aktivita
Indukce enzymu Odbourávání ethanolu OH H 3C
CH 2
O H 3C
O H 3C
C
C
H
ethanol
acetaldehyd
acetát
1. alkoholdehydrogenáza a aldehyddehydrogenáza - konstitutivní enzymy 2. MEOS - inducibilní systém
O
Represe
represe produktem
represe katabolitem
Konverze proenzymu regulace genové exprese
regulace konverze proenzymu
proenzym
regulace katalytické účinnosti
regulace degradace enzymu
ENZYM
substrát
produkt
nabídka substrátu dostupnost koenzymů
odčerpávání produktu
© Martin Vejraž Vejražka, 2007
Konverze proenzymu např. cílená proteolýza koagulační kaskáda aktivace trávicích enzymů
Koagulační kaskáda XII
XIIa XI
III XIa
VII
VIIa IX vnitřní
IXa + VIIIa X
zevní
Xa + Va II
IIa I
XIIIa Ia
fibrinová síť
společný
Degradace enzymu regulace genové exprese
regulace konverze proenzymu
proenzym
regulace katalytické účinnosti
regulace degradace enzymu
ENZYM
substrát
produkt
nabídka substrátu dostupnost koenzymů
odčerpávání produktu
© Martin Vejraž Vejražka, 2007
Degradace enzymu Často záleží na konformaci bílkoviny Molekuly enzymu s navázaným
substrátem bývají chráněny
Degradace enzymu Grapefruitová šťáva významně
zvyšuje degradaci střevního cytochromu P450 – aktivita enzymu se sníží o polovinu během několika hodin – zvýší se dostupnost a účinek mnoha lé k ů
Nabídka substrátů
Koncentrace složek reakce regulace genové exprese
regulace konverze proenzymu
proenzym
regulace katalytické účinnosti
regulace degradace enzymu
ENZYM
substrát
produkt
nabídka substrátu dostupnost koenzymů
odčerpávání produktu
© Martin Vejraž Vejražka, 2007
Kompartmentace • různá koncentrace substrátů • různá regulace isoenzymů cytozolový izoenzym
člunky pro substrát
mitochondriální izoenzym
Kompartmentace Tvorba makromolekulárních
komplexů enzymů – předávání produktů→substrátů, vysoké lokální koncentrace – přenos konformačních změn
Koncentrace substrátu koncentrace substrátu
≠ koncentrace volného substrátu
Katalytická účinnost
Regulace katalytické účinnosti regulace genové exprese
regulace konverze proenzymu
proenzym
regulace katalytické účinnosti
regulace degradace enzymu
ENZYM
substrát
produkt
nabídka substrátu dostupnost koenzymů
odčerpávání produktu
© Martin Vejraž Vejražka, 2007
Katalytická účinnost Inhibitory – v regulaci metabolismu nebývají, ale:
léky, jedy Alosterická modifikace Kovalentní modifikace Interakce mezi podjednotkami
Inhibitory lat. in + habeō
= držím v rukou, na uzdě Kompetitivní
– soutěží se substrátem Ostatní
– nekompetitivní, akompetitivní, smíšené (nebudeme rozlišovat)
Kompetitivní inhibice Inhibitor často strukturně podobný
substrátu Účinek záleží na
– poměru koncentrací – poměru afinit Reverzibilní
v
Kompetitivní inhibitory
Kontrola Komp. inh.
[S]
Kompetitivní inhibice H N
N
HO
N
H N
xantinoxidáza N
N
N
N OH
OH
kyselina močová
hypoxantin N
OH
H N N
N
OH
alopurinol
Nekompetitivní inhibice Inhibitor se substrátem nesoutěží Snížení koncentrace funkčního
enzymu Reverzibilní Ireverzibilní
v
Nekompetitivní inhibitory
Kontrola Nekomp. inh.
[S]
Nekompetitivní inhibice O
OH
kys. salicylová OH
O
OH O
O
O
+
O
kys. acetylosalicylová
H2 C HO
H2 C
C CH R
R
O
O
C CH
R
R
Ser Obrá Obrázky z webu firmy Bayer Health Care: http://www.aspirin.cz/aspirin/world/history/1/index.asp (11/2007)
Alosterické modifikátory Nejsou strukturně podobné
substrátům / koenzymům Váží se na místě vzdáleném
aktivnímu centru Mění konformaci enzymové molekuly
Alosterické inhibitory
substrát enzym
alosterický inhibitor
Alosterické inhibitory
substrát enzym
alosterický inhibitor
Alosterická regulace makromolekula
Zpětnovazebný inhibitor je často poslední nízkomolekulární látka před makromolekulou
Alosterická regulace
makromolekula
Obvykle se reguluje první prakticky nevratná reakce
Alosterická regulace
Vícenásobná zpětná vazba Kumulativní
– účinek modifikátorů se sčítá Multivalentní
– jeden zpomalí, dva zastaví Kooperativní
– mezi tím
Saturace alosterického enzymu
v
Kooperativita Kontrola Aloster. inh.
[S]
Kooperace substrátů
Kooperace substrátů
Kooperace substrátů
Kooperace substrátů
Kooperativita
v
Málo substrátu: šetří se
Kontrola Aloster. inh.
[S]
Hodně substrátu: uklízí se
v
v
Alosterická inhibice
[S]
K-typ
Kontrola
Kontrola
Aloster. inh.
Aloster. inh.
[S]
V-typ
Kovalentní modifikace enzymů Reverzibilní fosforylace –OH skupin
– Mimo aktivní centrum Kinázy (vnášejí fosfát z ATP)
– Ser, Thr – Tyr Fosfataázy (defosforylace –
hydrolýza esterové vazby)
Fosforylace a defosforylace Ser HO
CH2
Thr CH3
OH
CH
HO
C
H2N
CH
O
OH CH
H2N
ATP
ADP
P
Pi
H2O
ADP
H2O
CH
O
OH
-O
P
CH3 O
H2N
O
Pi
ADP
H2O
OH -O
CH
O
ATP
O
O-
CH
C
P
O
CH2
OH
C
CH
O H2N
C
H2N
ATP
CH2
OH
CH O
O-
O
CH2
HO
C
Pi
O-O
Tyr
C
O
H2N
O
Fosforylace nervová a hormonální regulace ATP
ATP
ATP
ATP
Jiné kovalentní modifikace acetylace ribosylace sulfatace isoprenylace …
Sestavování podjednotek (interakce protein-protein) Katalytická podjednotka Regulační podjednotka
– vazba cAMP – kalmodulin – váže Ca2+ – G-proteiny – vazba GTP/GDP –…
