Regulace metabolických drah na úrovni buňky SBT – 116 Josef Fontana
Obsah přednášky • Obecné principy regulace metabolických drah na úrovni buňky – Regulace zajištěná kompartmentací metabolických dějů – Změna absolutní koncentrace enzymu – Modulace aktivity již existujícího enzymu
Obsah přednášky • Přehled regulací jednotlivých metabolických drah – – – – – – – – – – – –
Regulace dýchacího řetězce a aerobní fosforylace Regulace Krebsova cyklu Regulace oxidační dekarboxylace pyruvátu Regulace glykolýzy a glukoneogeneze Regulace metabolismu glykogenu Regulace pentózového cyklu Regulace lipolýzy a beta-oxidace Regulace ketogeneze Regulace syntézy mastných kyselin a triacylglycerolů Regulace syntézy cholesterolu Regulace močovinového cyklu Regulace syntézy purinových a pyrimidinových nukleotidů
Obecné principy regulace metabolických drah na úrovni buňky
Obecné principy regulací • Aktivita metabolických drah je neustále monitorována a upravována tak, aby syntéza a degradace metabolitů uspokojila fyziologické požadavky buněk i celého organismu. • Regulace je obecně založena buď na kompartmentaci metabolických dějů nebo na změně koncentrace aktivního regulačního enzymu (nejčastěji katalyzuje první rozhodující reakci metabolické dráhy, která bývá silně exergonická, tj. prakticky nevratná).
Regulační mechanismy na úrovni buňky • 1) regulace zajištěná kompartmentací metabolických dějů • 2) změna koncentrace aktivního regulačního enzymu – a) změna absolutní koncentrace enzymu – b) modulace aktivity již existujícího enzymu
Obecné principy regulace metabolických drah na úrovni buňky Regulace zajištěná kompartmentací metabolických dějů
Kompartmentace metabolických dějů
The figure is found at http://fig.cox.miami.edu/~cmallery/150/proceuc/c7x7metazoan.jpg (May 2007)
Kompartmentace metabolických dějů • Eukaryotická buňka je membránami rozdělena na jednotlivé oddíly (kompartmenty). • V jednotlivých oddílech buňky probíhají pouze určité metabolické dráhy. • Ty jsou podmíněny odlišným enzymatickým vybavením kompartmentů a specifickými přenašeči v membránách.
Cytoplazma • • • • • • • • • •
glykolýza glukoneogeneze metabolismus glykogenu pentózový cyklus syntéza mastných kyselin syntéza neesenciálních aminokyselin transaminace syntéza močoviny (část) syntéza hemu (část) metabolismus purinových a pyrimidinových nukleotidů
Mitochondrie • • • • • • • • • • •
pyruvátdehydrogenázová reakce počátek glukoneogeneze β-oxidace mastných kyselin syntéza ketolátek oxidační deaminace glutamátu transaminace citrátový cyklus dýchací řetězec (vnitřní mitochondriální membrána) aerobní fosforylace (vnitřní mitoch. membrána) syntéza hemu (část) syntéza močoviny (část)
Endoplazmatické retikulum • Drsné ER –
proteosyntéza (translace a posttranslační modifikace)
• Hladké ER –
syntéza TAG a fosfolipidů
–
elongace a desaturace MK
–
syntéza steroidů
–
biotransformace xenobiotik
–
glukóza-6-fosfatáza
Další organely • Golgiho aparát – – –
posttranslační modifikace proteinů třídění proteinů export proteinů (tvorba sekrečních váčků)
• Ribosomy –
• Jádro – –
proteosyntéza replikace a transkripce DNA syntéza RNA
Další organely • Lysosomy – –
hydrolýza proteinů, sacharidů, lipidů a nukleových kyselin kyselé pH: 4,5 - 5,0
• Peroxisomy – – –
oxidační reakce vyžadující O2 využití peroxidu vodíku (kataláza) degradace MK s dlouhým řetězcem (od C20)
Kompartmentace metabolických drah • transport látek mezi kompartmenty • různá distribuce enzymů • různá distribuce substrátů a produktů (~ transport) • transport koenzymů • rychlost reakcí v jednotlivých oddílech buňky závisí hlavně na rychlosti přesunu substrátů na místo jejich přeměny a na rychlosti odčerpávání produktů jinými drahami nebo jen pryč z daného kompartmentu či z buňky
Kompartmentace metabolických drah • Kompartmentace usnadňuje regulaci protichůdných dějů (např. syntéza mastných kyselin probíhá v cytoplazmě a jejich degradace v mitochondrii). • Následné procesy probíhají nedaleko od sebe (KC a DŘ) - místní nahromadění vyšší koncentrace substrátu. • Transport nadbytečného citrátu z mitochondrie do cytoplazmy (přenos AcCoA a regulace glykolýzy a syntézy MK).
Obecné principy regulace metabolických drah na úrovni buňky Změna absolutní koncentrace enzymu
Změna absolutní koncentrace enzymu • Indukce (= aktivace) nebo represe (= inhibice) exprese genu kódujícího daný enzym. • Transkripční faktor (induktor nebo represor) • Působení TF je obvykle reverzibilní a často závislé na vazbě ligandu (ligand-dependentní TF). • Jako ligandy působí mnohé signální molekuly, ale i různé metabolity. • Regulace touto cestou trvá déle (hodiny až dny) než regulace aktivity již existujícího enzymu (sekundy, minuty).
Změna absolutní koncentrace enzymu • Enzymy glukoneogeneze indukované glukokortikoidy • Indukce enzymů monooxygenázového systému působením xenobiotik • Hem inhibuje syntézu deltaaminolevulátsyntázy
Obecné principy regulace metabolických drah na úrovni buňky Modulace aktivity již existujícího enzymu
Modulace aktivity již existujícího enzymu • Aktivita enzymu může být modulována: • 1) kovalentními modifikacemi molekuly enzymu • 2) zásahy, které ovlivňují enzymovou kinetiku
Kovalentní modifikace molekuly enzymu • A) tvorba aktivních enzymů z neaktivních prekurzorů • B) interkonverze enzymů
Tvorba aktivních enzymů z neaktivních prekurzorů • přeměna neaktivního proenzymu v aktivní enzym jeho částečnou proteolýzou • vede k rychlému zvýšení koncentrace aktivního enzymu • trávicí enzymy, enzymy koagulační kaskády • vyřazení takto aktivovaného enzymu je možné jen jeho proteolytickým odbouráním
Interkonverze enzymů • enzym je aktivován / inhibován jiným enzymem • většinou jako odpověď na hormonální signál • nejčastěji jde o reverzibilní ATP-dependentní fosforylaci a defosforylaci hydroxylových skupin aminokyselin (serin, treonin, tyrosin) • některé enzymy se fosforylací aktivují (glykogenfosforyláza), jiné jsou fosforylací inhibovány (glykogensyntáza). • fosforylaci katalyzují proteinkinázy, defosforylaci zajišťují fosfatázy • umožňuje rychlé přepínání mezi aktivní a neaktivní formou enzymu
The figure is found at: http://fig.cox.miami.edu/~cmallery/150/memb/c11x11enzyme-cascade.jpg (December 2006)
Ovlivnění enzymové kinetiky • 1) vliv koncentrace substrátů a produktů a hodnoty KM, pH a teploty • 2) vliv přítomnosti modulátorů aktivity (aktivátorů nebo inhibitorů): regulace zpětnou vazbou, zkřížená regulace, regulace krokem vpřed
Vliv koncentrace substrátu a produktu • Koncentrace substrátů je běžně mnohem nižší než hodnota Michaelisovy konstanty nepatrná změna koncentrace substrátu tak vede ke změně rychlosti jeho přeměny. • Odebírání produktu jedné reakce reakcí následnou (metabolické dráhy) nebo využití produktu jedné metabolické dráhy v metabolické dráze jiné, případně transport produktu do jiného oddílu buňky urychluje první reakci.
Vliv koncentrace substrátu
Vliv hodnoty pH a teploty • ovlivnění aktivity enzymu změnou disociace funkčních skupin • v aktivním centru enzymu (elektrostatické interakce při vazbě substrátu) • v celé molekule enzymu (změna biologicky aktivní konformace enzymu v konformaci méně aktivní - např. přístup k aktivnímu centru) • tepelná denaturace bílkovin • každý enzym má své pH a teplotní optimum
Každý enzym má Teplotní optimum
pH optimum
afinitu k substrátu
The figure is found at: http://stallion.abac.peachnet.edu/sm/kmccrae/BIOL2050/Ch1-13/JpegArt1-13/05jpeg/05_jpeg_HTML/index.htm (December 2006)
Modulátory aktivity • aktivitu enzymů ovlivňuje vazba různých látek (aktivátory a inhibitory) • nahromadění meziproduktu, nebo častěji konečného produktu metabolické dráhy – inhibice regulačního enzymu (regulace zpětnou vazbou) • meziprodukt (nebo produkt) jedné metabolické dráhy ovlivňuje aktivitu regulačního enzymu jiné metabolické dráhy (zkřížená regulace) • meziprodukt ovlivňuje jeden z následujících enzymů metabolické dráhy (regulace krokem vpřed)
Principy regulace pomocí modulátorů • regulace zpětnou vazbou • zkřížená regulace • regulace krokem vpřed
http://users.rcn.com/jkimball.ma.ultranet/BiologyPages/E/Enzymes.html
Inhibice enzymů
The figure is found at: http://stallion.abac.peachnet.edu/sm/kmccrae/BIOL2050/Ch1-13/JpegArt1-13/05jpeg/05_jpeg_HTML/ind (December 2006)
Přehled regulací jednotlivých metabolických drah
Regulace dýchacího řetězce a aerobní fosforylace • dostupnost O2 • poměr NADH / NAD+ • dostupnost ADP pro syntézu ATP • UCP (uncoupling proteins = odpřahovače DŘ od aerobní fosforylace - snížení protonového gradientu)
Regulace Krebsova cyklu • dostupnost substrátů • odebírání produktů následnými reakcemi (NAD, FAD) • Poměr ATP/ADP •
• Citrátsyntáza • Izocitrátdehydrogenáza (hlavní regulační enzym) • 2-oxoglutarátdehydrogenáza
Regulace oxidační dekarboxylace pyruvátu • interkonverzí pyruvátdehydrogenázového komplexu (PDH): fosforylovaný je inaktivní, defosforylovaný aktivní (= hlavní regulační mechanismus) • kompetitivní inhibice produktem (acetylCoA a NADH) •
• I: zvýšený poměr NADH / NAD+, acetylCoA • A: inzulin
Regulace glykolýzy • 1) hexokináza • 2) glukokináza • 3) 6-fosfofrukto-1-kináza (hlavní regulační enzym) • 4) Pyruvátkináza • Regulace PPK: • A: zvýšený poměr AMP / ATP, fruktóza-2,6bisfosfát (zvýšen při zvýšení poměru inzulin / glukagon), inzulin (indukce) • I: zvýšený poměr ATP / AMP, citrát, kyselé pH
Regulace glukoneogeneze • • • •
1) pyruvátkarboxyláza 2) fosfoenolpyruvátkarboxykináza 3) fruktóza-1,6-bisfosfatáza 4) glukóza-6-fosfatáza
• obecná regulace (Ad 1) - 4)): • A: kortizol a glukagon (indukce) • I: insulin (reprece) • Ad 3): I: zvýšený poměr AMP / ATP, fruktóza-2,6bisfosfát (zvýšen při zvýšení poměru inzulin/glukagon) • Ad 1): A: AcCoA
Regulace metabolismu glykogenu • 1) glykogenfosforyláza (degradace glykogenu) • 2) glykogensyntáza (syntéza glykogenu) •
• Ad 1): • A: glukagon, adrenalin (fosforylace), zvýšený poměr AMP / ATP, Ca2+ (ve svalu) • I: insulin, glukóza-6-fosfát •
• Ad 2): • A: inzulin (indukce), glukóza-6-fosfát • I: glukagon, adrenalin (fosforylace)
Regulace pentózového cyklu • ↑ NADPH / NADP+ inhibuje regulační enzymy: glukóza-6-fosfát dehydrogenázu a 6-fosfoglukonát dehydrogenázu • v podstatě jde o nedostatek NADP+
Regulace lipolýzy • hormon-senzitivní lipáza (v adipocytech) • A: katecholaminy, glukagon, ACTH (fosforylace) • I: inzulin
• lipoproteinová lipáza (na endoteliích kapilár) • A: inzulin, apolipoprotein C-II
Regulace beta-oxidace • zvýšený přísun mastných kyselin (viz. regulace lipolýzy) • rychlost transportu MK do mitochondrie: karnitin-palmitoyltransferáza I (karnitin-acyl transferáza): • I: malonyl-CoA a zvýšený poměr I/G
• poměr FAD/FADH2 a NAD+/NADH (více redukovaných forem - inhibice) • odebírání acetyl-CoA následnými reakcemi
Regulace ketogeneze • produkce acetyl-CoA (= substrát) • regulace je už na úrovni lipolýzy a beta-oxidace
Regulace syntézy MK • 1) acetyl-CoA karboxyláza (hlavní regulační enzym) • 2) syntáza mastných kyselin •
• Ad 1) • A: citrát, inzulin, nízkotučná, energeticky bohatá vysokosacharidová dieta (indukce) • I: acyl-Co A (C16 – C18), glukagon (fosforylace, represe), strava bohatá na lipidy, hladovění (represe)
Regulace syntézy TAG • dostupnost acyl-CoA (z MK syntetizovaných de novo nebo z MK uvolněných z TAG) •
• lipoproteinová lipáza (významná pro skladování TAG v adipocytech) • A: inzulin, apolipoprotein C-II •
• fosfatáza kyseliny fosfatidové • A: steroidní hormony (indukce)
Regulace syntézy cholesterolu • HMG-CoA reduktáza • A: inzulin, tyroxin (indukce) • I: cholesterol, glukagon (represe), oxosteroly (represe), statiny
Regulace močovinového cyklu • indukce enzymů dietou bohatou na proteiny nebo metabolickými změnami při hladovění • při zvýšeném odbourávání AK se tvoří více Gln doplňování ornithinu do močovinového cyklu • ve vztahu k ABR: acidóza - inhibice močovinového cyklu (šetří se HCO3-) •
• karbamoylfosfátsyntetáza I • A: N-acetylglutamát
• N-acetylglutamátsyntetáza • A: arginin
Regulace syntézy purinových a pyrimidinových nukleotidů • PRPP-syntetáza • I: purinové a pyrimidinové nukleotidy (nukleosidDP a nukleosidTP) - inhibice zpětnou vazbou
• Nukleosiddifosfátreduktáza • A: nukleosidtrifosfáty • I: deoxyadenosintrifosfát (dATP)
Regulace syntézy purinových a pyrimidinových nukleotidů • Klíčové regulační enzymy: • Glutamin-PRDP-amidotransferáza (puriny) • A: PRPP • I: IMP, GMP, AMP (alosterická inhibice)
• karbamoylfosfátsyntetáza II (pyrimidiny) • A: PRDP, ATP • I: UTP
