INFORMAČNÍ A REGULAČNÍ SYSTÉMY ORGANIZMŮ
jedna ze základních podmínek vzniku a fungování živých organizmů
Přítomnost autoreplikačních molekulPřítomnost molekul s enzymatickou funkcí
Živý organizmus = autoreprodukční a autoregulační soustava, která je ve stavu dynamické rovnováhy se svým okolím koordinace Bi-Ch reakcí v prostoru a čase = podmínka zachování života
METABOLISMUS- představuje organizovaný soubor chemických reakcí a s nimi spojených energetických přeměn, které probíhají v živých systémech
1) katabolické procesy = děje = děje rozkladné = disimilační- produkují energii
2) anabolické procesy = děje = děje biosyntetické = asimilační – , energie se spotřebovává
-jednoduché látky, které jsou stavebním materiálem při biosyntézách se označují jako prekurzory
- amfibolické dráhy, které plní obě základní funkce metabolismu (TCA)- anaplerotické reakce – slouží k doplňování vyčerpaných meziproduktů metabolických drah
Společné charakteristické rysy metabolismu
1) sestává z velkého počtu chemických dějů ,ale počet užívaných typů reakcí je relativně malý
2) centrální úlohu v metabolismu má pouze asi 100 různých druhů molekul
3) jednotlivé reakce neprobíhají izolovaně, ale prostřednictvím meziproduktů jsou spojeny do řetězců nebo cyklů, které se vzájemně protínají a tvoří tzv. metabolické dráhy = cesty
Popis metabolizmuPopis metabolizmu
metabolické dráhymetabolické dráhy– z pohledu regulací z pohledu regulací
umělé členěníumělé členění– vzájemná integrace vzájemná integrace
těchto drah těchto drah
Osud Glc-6-P (hepatocyt)Osud Glc-6-P (hepatocyt)Glykolýza - ATPGlykolýza - ATP
Pentózofosfátový cyklus-NADPH, pentózyPentózofosfátový cyklus-NADPH, pentózy
Hydrolýza – Glc+P→ glykémie Hydrolýza – Glc+P→ glykémie Syntéza jiných sacharidůSyntéza jiných sacharidů
Syntéza ACoA→FA, steroidySyntéza ACoA→FA, steroidy
(Zdroj C – E.coli)(Zdroj C – E.coli)
Produkce potřebného metabolitu v Produkce potřebného metabolitu v pravý čas a optimálním množství – pravý čas a optimálním množství – udržení homeostázy – fascinující udržení homeostázy – fascinující vlastnost živých systémůvlastnost živých systémů
Louis PasteurLouis Pasteur
Zaznamenal zvýšení spotřeby Glc u Zaznamenal zvýšení spotřeby Glc u kvasinek při přechodu z aerobního do kvasinek při přechodu z aerobního do anaerobního prostředí → Pasteurův efektanaerobního prostředí → Pasteurův efekt
Nezaznamenáno však signifikantní Nezaznamenáno však signifikantní zvýšení ATP a dalších metabolitů zvýšení ATP a dalších metabolitů
regulační mechanismy působí na různých regulační mechanismy působí na různých úrovních, ale vždy úrovních, ale vždy jsou založeny na jsou založeny na molekulových interakcíchmolekulových interakcích
působení informačních a regulačních působení informačních a regulačních mechanismů probíhá na dvou úrovních:mechanismů probíhá na dvou úrovních:
1. 1. buněčné = metabolická buněčné = metabolická regulaceregulace
2. 2. mnohobuněčného organismumnohobuněčného organismu
– endokrinní regulaceendokrinní regulace– nervová regulacenervová regulace– imunitní regulaceimunitní regulace
Principy a mechanizmy regulace Principy a mechanizmy regulace metabolizmumetabolizmu
Základní principy homeostatických Základní principy homeostatických mechanizmů:mechanizmů:
Zpětná vazba (feed-back)Zpětná vazba (feed-back)Negativní (negative feedback)Negativní (negative feedback)
Pozitivní (positive feedback)Pozitivní (positive feedback)
Adaptivní regulaceAdaptivní regulace
Negativní zpětná vazbaNegativní zpětná vazba
Pro udržení stability systému významnější Pro udržení stability systému významnější negativní ZVnegativní ZV
Odchylka hodnoty regulované veličiny Odchylka hodnoty regulované veličiny (např. glykémie) mimo žádanou hodnotu (např. glykémie) mimo žádanou hodnotu → reakce vedoucí k upravení na původní → reakce vedoucí k upravení na původní hodnotuhodnotu
Pozitivní zpětná vazbaPozitivní zpětná vazba
Zvýrazňuje výchylku regulované veličinyZvýrazňuje výchylku regulované veličiny
Intracelulární transdukce signáluIntracelulární transdukce signálu
Vznik nervového vzruchu (Vznik nervového vzruchu (Δψ→Δψ→ vznik vznik akčního potenciálu)akčního potenciálu)
Adaptivní regulaceAdaptivní regulace
Umožňuje adaptaci organizmu na změny Umožňuje adaptaci organizmu na změny ve vnějším prostředíve vnějším prostředí
Připravení organizmu v předstihu na Připravení organizmu v předstihu na působení změn ve vnějším prostředí působení změn ve vnějším prostředí (anticipace, stresová reakce- glykémie(anticipace, stresová reakce- glykémie) )
METABOLICKÁ (INTRACELULÁRNÍ) METABOLICKÁ (INTRACELULÁRNÍ) REGULACEREGULACE
pro regulace pro regulace není možné využívat změny p a Tnení možné využívat změny p a T, tak , tak jako u chemických reakcí jako u chemických reakcí možnost pouze ovlivňování možnost pouze ovlivňování účinnosti biokatalyzátorů = enzymů účinnosti biokatalyzátorů = enzymů Regulace E Regulace Eaa = = hlavní nástroj regulace metabolizmuhlavní nástroj regulace metabolizmu
enzymová regulaceenzymová regulace - spočívá v:- spočívá v:ovlivnění aktivity enzymůovlivnění aktivity enzymůovlivnění biosyntézy enzymůovlivnění biosyntézy enzymůovlivnění degradace enzymovlivnění degradace enzymkompartmentace buňkykompartmentace buňky
Enzymové vybavení buněk zahrnuje:Enzymové vybavení buněk zahrnuje:potenciální soubor enzymůpotenciální soubor enzymů
– zahrnuje všechny enzymy, které je buňka schopna zahrnuje všechny enzymy, které je buňka schopna produkovatprodukovat
– pro každou buňku je stálý a typický, protože ho pro každou buňku je stálý a typický, protože ho určuje její určuje její genomgenom
– u mikroorganismů se stanovení vybraných enzymů u mikroorganismů se stanovení vybraných enzymů používá k typizaci druhupoužívá k typizaci druhu
aktuální soubor enzymůaktuální soubor enzymů– zahrnuje enzymy, které jsou za daných podmínek zahrnuje enzymy, které jsou za daných podmínek
reálně přítomny v buňcereálně přítomny v buňce– tento soubor je proměnlivý a je do značné míry tento soubor je proměnlivý a je do značné míry
určován určován vlivy okolního prostředívlivy okolního prostředí
OLIVNĚNÍ BIOSYNTÉZY A DEGRADACE ENZYMŮOLIVNĚNÍ BIOSYNTÉZY A DEGRADACE ENZYMŮ
Podle odpovědi na působení vnějších činitelů Podle odpovědi na působení vnějších činitelů (především substrátů) lze buněčné enzymy rozdělit :(především substrátů) lze buněčné enzymy rozdělit :
konstitutivní enzymykonstitutivní enzymy– tvoří se konstitutivně tzn. tvoří se konstitutivně tzn. za každých podmínek ve za každých podmínek ve
kterých je buňka schopná existovatkterých je buňka schopná existovat– bez ohledu na složení kultivačního nebo růstového bez ohledu na složení kultivačního nebo růstového
médiamédia– bez některého z těchto enzymů by buňka nebyla bez některého z těchto enzymů by buňka nebyla
schopna existenceschopna existence
induktivní = inducibilní = adaptivní enzymyinduktivní = inducibilní = adaptivní enzymy– syntetizují se v důsledku syntetizují se v důsledku stimulace určitým faktorem stimulace určitým faktorem
vnějšího prostředívnějšího prostředí (nejčastěji specifickým (nejčastěji specifickým substrátem)substrátem)
– pro buňku jsou postradatelnépro buňku jsou postradatelné
Rychlost Rychlost syntézy E-ůsyntézy E-ů závisí na indukci/supresi závisí na indukci/supresi strukturního genu strukturního genu TF-yTF-y
Aktivita TF může být regulována:Aktivita TF může být regulována:cAMPcAMP
HormonyHormony
Metabolity: Glc, FA, AAMetabolity: Glc, FA, AA
(alkohodehydrogenáza-příjem alkoholu, E-y (alkohodehydrogenáza-příjem alkoholu, E-y ornitinového cyklu-amoniakornitinového cyklu-amoniak))
Řízení Řízení degradace enzymů-degradace enzymů- zatím nejasné zatím nejasné (rozpoznání zřejmě založeno na pozměněné (rozpoznání zřejmě založeno na pozměněné konformaci)konformaci)
INTRACELULÁRNÍ PROTEOLYTICKÉ MECHANISMY
Proteazomy
REGULACE ENZYMOVÉ AKTIVITYREGULACE ENZYMOVÉ AKTIVITY
enzymovou aktivitu lze regulovat:enzymovou aktivitu lze regulovat:pHpH
koncentrace Skoncentrace S
koncentrace koenzymůkoncentrace koenzymů
koncentrace aktivátorů a inhibitorůkoncentrace aktivátorů a inhibitorů
regulační enzymyregulační enzymy - regulují začátek, - regulují začátek, průběh, ukončení jednotlivých průběh, ukončení jednotlivých metabolických drahmetabolických drah
Regulační enzymyRegulační enzymy
Každá metabolická dráha zahrnuje Každá metabolická dráha zahrnuje enzym(y) schopné ovlivnit rychlost toku enzym(y) schopné ovlivnit rychlost toku metabolitů touto dráhou = metabolitů touto dráhou = regulační regulační enzymyenzymyZvyšují resp. snižují svou katalytickou Zvyšují resp. snižují svou katalytickou aktivitu, jako odpověď na určitý signálaktivitu, jako odpověď na určitý signálVe většině případů se jedná o první enzym Ve většině případů se jedná o první enzym v dané metabolické dráze (nehromadění v dané metabolické dráze (nehromadění nepotřebných meziproduktů) nepotřebných meziproduktů)
Ovlivnění aktivity regulačních Ovlivnění aktivity regulačních enzymůenzymů
ReverzibilníReverzibilníAlosterická regulace-Alosterická regulace- alosterické efektory alosterické efektory (modulátory)- zpravidla metabolity popř. (modulátory)- zpravidla metabolity popř. kofaktorykofaktory
Kovalentní modifikace enzymůKovalentní modifikace enzymů
IreverzibilníIreverzibilníLimitovaná proteolýzaLimitovaná proteolýza – trávení, – trávení, hemokoagulace, aktivace hemokoagulace, aktivace komplementového systémukomplementového systému
Alosterické enzymyAlosterické enzymy
aktivita je ovlivněna působením aktivita je ovlivněna působením alosterických efektorůalosterických efektorů = modulátorů = modulátorů
alosterický efektor se váže alosterický efektor se váže mimo aktivní mimo aktivní centrumcentrum enzymu a vyvolává enzymu a vyvolává konformační konformační změnyzměny, což se projeví , což se projeví změnou změnou enzymové aktivityenzymové aktivity
jsou jsou multimernímultimerní se symetrickým uspořádáním protomerů se symetrickým uspořádáním protomerů jednotlivé protomery mohou, ale nemusí být identickéjednotlivé protomery mohou, ale nemusí být identickékaždý protomer má zpravidla centrum nejen pro vazbu každý protomer má zpravidla centrum nejen pro vazbu substrátu, ale i pro vazbu alosterického efektoru (ligandu)substrátu, ale i pro vazbu alosterického efektoru (ligandu)konformaci protomeru je částečně ovlivněna interakcí s konformaci protomeru je částečně ovlivněna interakcí s ostatními protomeryostatními protomeryenzym může existovat ve dvou navzájem přeměnitelných enzym může existovat ve dvou navzájem přeměnitelných stavech, které se liší v interakci mezi jednotlivými stavech, které se liší v interakci mezi jednotlivými protomery (aktivita ligandů pro vazebná centra na protomery (aktivita ligandů pro vazebná centra na protomerech se přitom mění)protomerech se přitom mění)molekuly enzymů bez ligandů mají stejnou konformacimolekuly enzymů bez ligandů mají stejnou konformacivazba ligandu na protomer způsobuje změnu konformace vazba ligandu na protomer způsobuje změnu konformace protomeruprotomeru
- mají následující vlastnosti (Monod, Wyman, - mají následující vlastnosti (Monod, Wyman, Changeux, Koshland):Changeux, Koshland):
vazba alosterického vazba alosterického efektoru na alosterické efektoru na alosterické centrum je centrum je reverzibilní reverzibilní a nekovalentní a nekovalentní
alosterické efektory po alosterické efektory po vazbě na alosterický vazbě na alosterický enzym způsobují:enzym způsobují:
inhibici jeho aktivityinhibici jeho aktivity = negativní efektory = negativní efektory = = alosterické alosterické inhibitoryinhibitorystimulaci jeho stimulaci jeho aktivityaktivity = pozitivní = pozitivní efektory = efektory = alosterické alosterické aktivátoryaktivátory
podle počtu specifických podle počtu specifických alosterických efektorů rozlišujeme:alosterických efektorů rozlišujeme:
monovalentní enzymymonovalentní enzymy-- mají mají jen jeden jen jeden specifický alosterický efektorspecifický alosterický efektor
polyvalentní enzymypolyvalentní enzymy – reagují – reagují se se dvěma popř. více alosterickými dvěma popř. více alosterickými efektoryefektory, přičemž každý z nich má , přičemž každý z nich má specifické vazebné místospecifické vazebné místo
enzymová aktivita enzymová aktivita alosterických alosterických enzymů je enzymů je ovlivňována ovlivňována následujícími následujícími mechanismy:mechanismy:
heterotropní heterotropní mechanismusmechanismus – – efektor = modulátor efektor = modulátor má jinou strukturu má jinou strukturu jako substrátjako substráthomotropní homotropní mechanismusmechanismus-- funkci modulátoru funkci modulátoru zde plní substrátzde plní substrát
Zpětnovazebná Zpětnovazebná inhibiceinhibice
Bakteriální threonin Bakteriální threonin dehydratázadehydratáza
Heterotropní Heterotropní alosterická inhibicealosterická inhibice
Izoleucin se neváže Izoleucin se neváže do aktivního centrado aktivního centra
Kinetika alosterických enzymůKinetika alosterických enzymů
Homotopní enzym-substrátpozitivní modulátor
Vliv pozitivního resp. negativního alosterického efektoru
Kovalentní modifikace enzymuKovalentní modifikace enzymu
Fosforylace Nukleotidylace
Limitovaná proteolýza
Limitovaná proteolýzaLimitovaná proteolýza