Regulace metabolických drah na úrovni buňky

Transkript

1 Regulace metabolických drah na úrovni buňky EB

2 Obsah přednášky Obecné principy regulace metabolických drah na úrovni buňky regulace zajištěná kompartmentací metabolických dějů změna absolutní koncentrace enzymu modulace aktivity již existujícího enzymu

3 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 pentozového cyklu regulace lipolýzy a beta-oxidace regulace ketogeneze regulace syntézy mastných kyselin regulace močovinového cyklu

4 Obecné principy regulace metabolických drah na úrovni buňky

5 Obecné principy regulace Metabolické dráhy neustále monitorovány a upravovány Syntéza a degradace metabolitů odpovídá požadavkům buněk i celého organismu

6 Regulační mechanismy na úrovni buňky 1) Kompartmentace metabolických dějů 2) Změna koncentrace aktivního regulačního enzymu: a) změna absolutní koncentrace enzymu b) modulace aktivity již existujícího enzymu

7 Obecné principy regulace metabolických drah na úrovni buňky Regulace zajištěná kompartmentací metabolických dějů

8 Kompartmentace metabolických dějů Eukaryotická buňka rozdělena na jednotlivé oddíly - kompartmenty V jednotlivých oddílech probíhají pouze určité metabolické dráhy Odlišné enzymatické vybavení kompartmentů Specifické přenašeče v membránách (různá distribuce substrátů a produktů)

9 Kompartmentace metabolických dějů Usnadnění regulace protichůdných dějů: syntéza MK probíhá v cytoplazmě a degradace naopak v mitochondrii Nasledné procesy probíhají nedaleko od sebe - KC a DŘ - místní nahromadění substrátu Transport nadbytečného citrátu z mitochondrie do cytoplazmy - přenos AcCoA a regulace glykolýzy a syntézy MK

10 Obecné principy regulace metabolických drah na úrovni buňky Změna absolutní koncentrace enzymu

11 Změna absolutní koncentrace enzymu Indukce (aktivace) nebo represe (inhibice) exprese genu kódujícího daný enzym Transkripční faktor - induktor nebo represor Vliv TF obvykle reverzibilní a často závislý na vazbě ligandu - ligand-dependentní TF Ligandy - signální molekuly, metabolity Trvá déle (hodiny, dny) než regulace aktivity již existujícího enzymu (sekundy, minuty)

12 Změna absolutní koncentrace enzymu Enzymy glukoneogeneze indukované glukokortikoidy Indukce enzymů monooxygenázového systému působením xenobiotik Hem inhibuje syntézu deltaaminolevulátsyntázy

13 Obecné principy regulace metabolických drah na úrovni buňky Modulace aktivity již existujícího enzymu

14 Modulace aktivity již existujícího enzymu 1) Kovalentní modifikace molekuly enzymu 2) Zásahy, které ovlivňují enzymovou kinetiku

15 Kovalentní modifikace molekuly enzymu A) Tvorba aktivních enzymů z neaktivních prekurzorů B) Interkonverze enzymů

16 Tvorba aktivních enzymů z neaktivních prekurzorů Přeměna neaktivního proenzymu v aktivní enzym jeho částečnou proteolýzou Rychlé zvýšení koncentrace aktivního enzymu Travicí enzymy, enzymy koagulační kaskády Vyřazení takto aktivovaného enzymu je možné jeho proteolytickým odbouráním

17 Interkonverze enzymů Aktivace / inhibice díky jinému enzymu Reverzibilní ATP-dependentní fosforylace a defosforylace (Ser, Thr, Tyr) Proteinkinázy a proteinfosfatázy Fosforylace aktivuje či inhibuje Často odpověď na hormonální signál Rychle přepínání aktivní a neaktivní formy

18 Zásahy, které ovlivňují enzymovou kinetiku 1) Vliv koncentrace substrátů a produktů a hodnoty K M, ph, teploty atd. 2) Vliv přítomnosti modulátorů aktivity (aktivátorů či inhibitorů):

19 Vliv koncentrace substrátu

20 Vliv koncentrace produktu 1) Odebírání produktu jedné reakce reakcí následnou (metabolické dráhy) 2) Využití produktu jedné metabolické dráhy v metabolické dráze jiné 3) Transport produktu do jiného oddílu buňky urychlení první reakce

21 Obrázek převzat z

22 Modulátory aktivity Aktivátory a inhibitory 1) Nahromadění meziproduktu, nebo konečného produktu metabolické dráhy vede k inhibici - regulace zpětnou vazbou 2) Meziprodukt (či produkt) jedné metabolické dráhy ovlivňuje rychlost jiné metabolické dráhy - zkřížená regulace 3) Meziprodukt ovlivňuje jeden z následujících enzymů metabolické dráhy - regulace krokem vpřed

23 Přehled regulací jednotlivých metabolických drah

24 Regulace dýchacího řetězce a aerobní fosforylace Dostupnost O 2 Poměr NADH / NAD + Dostupnost ADP pro syntézu ATP UCP (uncoupling proteins - odpřahovače DŘ od aerobní fosforylace - snížení protonového gradientu)

25 Regulace Krebsova cyklu Dostupnost substrátů Odebírání produktů následnými reakcemi (NAD, FAD) Poměr ATP/ADP Citrátsyntáza Izocitrátdehydrogenáza (hlavní regulační enzym) 2-oxoglutarátdehydrogenáza

26 Regulace oxidační dekarboxylace pyruvátu Interkonverze pyruvátdehydrogenázového komplexu (PDH): fosforylovaný je inaktivní, defosforylovaný aktivní - aktivuje inzulin - hlavní regulační mechanismus Kompetitivní inhibice produktem - acetyl-coa a zvýšený poměr NADH / NAD +

27 Regulace glykolýzy 1) Hexokináza / glukokináza 2) 6-fosfofrukto-1-kináza (hlavní regulační enzym) 3) Pyruvátkináza Regulace PPK: A: poměr AMP / ATP, Fru-2,6-bisP (zvýšen při zvýšení poměru inzulin / glukagon), inzulin (indukce) I: poměr ATP / AMP, citrát, kyselé ph

28 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: inzulin (represe) Ad 3): opak regulace fosfofruktokinázy Ad 1): aktivuje AcCoA

29 Regulace metabolismu glykogenu 1) Degradace glykogenu - glykogenfosforyláza 2) Syntéza glykogenu - glykogensyntáza Ad 1): A: glukagon, adrenalin (fosforylace), zvýšený poměr AMP / ATP, Ca 2+ (ve svalu) I: inzulin Ad 2): A: inzulin I: glukagon, adrenalin (fosforylace)

30 Regulace pentozového cyklu NADPH / NADP + inhibuje regulační enzym glukóza-6-fosfát dehydrogenázu V podstatě jde o nedostatek NADP + Inzulin aktivuje regulační enzym

31 Regulace lipolýzy Hormon-senzitivní lipáza (adipocyty) A: katecholaminy, glukagon (fosforylace) I: inzulin

32 Regulace beta-oxidace Zvýšený přísun mastných kyselin (viz regulace lipolýzy) Rychlost transportu MK do mitochondrie: karnitin-acyl transferáza I: I: malonyl-coa a zvýšený poměr I/G Odebírání acetyl-coa, FADH 2 a NADH následnými reakcemi

33 Regulace ketogeneze Tvorba substrátu - acetyl-coa Regulace na úrovni lipolýzy a betaoxidace

34 Regulace syntézy mastných kyselin Acetyl-CoA karboxyláza - hlavní regulační enzym I: palmityl-coa (obecně acyl-coa), glukagon (fosforylace, represe) a AMP A: citrát, inzulin, nízkotučná, energeticky bohatá vysokosacharidová dieta (indukce)

35 Regulace močovinového cyklu Indukce enzymů dietou bohatou na proteiny nebo metabolickými změnami při hladovění Protonproduktivní reakce - tlumen při acidóze Karbamoylfosfátsyntetáza I A: N-acetylglutamát N-acetylglutamátsyntetáza A: arginin