INFORMAČNÍ A REGULAČNÍ SYSTÉMY ORGANIZMŮ

jedna ze základních podmínek vzniku a fungování živých organizmů Přítomnost autoreplikačních molekul Přítomnost molekul s enzymatickou funkcí

Živý organizmus = autoreprodukční a autoregulační soustava, která je ve stavu dynamické rovnováhy se svým okolím života



koordinace Bi Ch reakcí v prostoru a čase = podmínka zachování

METABOLISMUS

představuje organizovaný soubor chemických reakcí a s nimi spojených energetických přeměn , které probíhají v živých systémech

1) katabolické procesy

disimilační- produkují energii

2) anabolické procesy

= děje = děje rozkladné = = 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

užívaných typů reakcí je relativně

malý

,ale počet 2) centrální úlohu v metabolismu má pouze

druhů

molekul asi

100 různých

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 metabolizmu metabolické dráhy – z pohledu regulací umělé členění – vzájemná integrace těchto drah

Osud Glc-6-P (hepatocyt)

Glykolýza - ATP Pentózofosfátový cyklus-NADPH, pentózy Hydrolýza – Glc+P→ glykémie  Syntéza jiných sacharidů Syntéza ACoA→FA, steroidy (Zdroj C – E.coli)

Produkce potřebného metabolitu v pravý čas a optimálním množství – udržení homeostázy – fascinující vlastnost živých systémů Louis Pasteur

Zaznamenal zvýšení spotřeby Glc u kvasinek při přechodu z aerobního do anaerobního prostředí → Pasteurův efekt Nezaznamenáno však signifikantní zvýšení ATP a dalších metabolitů

regulační mechanismy působí na různých úrovních, ale vždy

jsou založeny na molekulových interakcích

působení informačních a regulačních mechanismů probíhá na dvou úrovních: 1.

buněčné = metabolická regulace

2.

mnohobuněčného organismu

– endokrinní regulace – nervová regulace – imunitní regulace

Principy a mechanizmy regulace metabolizmu

Základní principy homeostatických mechanizmů: Zpětná vazba (feed-back) Negativní (negative feedback) Pozitivní (positive feedback) Adaptivní regulace

Negativní zpětná vazba

Pro udržení stability systému významnější negativní ZV Odchylka hodnoty regulované veličiny (např. glykémie) mimo žádanou hodnotu → reakce vedoucí k upravení na původní hodnotu

Pozitivní zpětná vazba

Zvýrazňuje výchylku regulované veličiny Intracelulární transdukce signálu Vznik nervového vzruchu (Δψ→ vznik akčního potenciálu)

Adaptivní regulace

Umožňuje adaptaci organizmu na změny ve vnějším prostředí Připravení organizmu v předstihu na působení změn ve vnějším prostředí (anticipace, stresová reakce- glykémie  )

METABOLICKÁ (INTRACELULÁRNÍ) REGULACE

pro regulace

není možné využívat změny p a T

, tak jako u chemických reakcí  možnost pouze ovlivňování účinnosti biokatalyzátorů = enzymů hlavní nástroj regulace metabolizmu  Regulace E a =

enzymová regulace

spočívá v: ovlivnění aktivity enzymů ovlivnění biosyntézy enzymů ovlivnění degradace enzym kompartmentace buňky

OLIVNĚNÍ BIOSYNTÉZY A DEGRADACE ENZYMŮ

–

potenciální soubor enzymů

zahrnuje všechny enzymy, které je buňka schopna produkovat – –

Enzymové vybavení buněk zahrnuje:

pro každou buňku je stálý a typický, protože ho určuje její

genom

u mikroorganismů se stanovení vybraných enzymů používá k typizaci druhu – –

aktuální soubor enzymů

zahrnuje enzymy, které jsou za daných podmínek reálně přítomny v buňce tento soubor je proměnlivý a je do značné míry určován

vlivy okolního prostředí

Podle odpovědi na působení vnějších činitelů (především substrátů) lze buněčné enzymy rozdělit :

–

konstitutivní enzymy

tvoří se konstitutivně tzn. za každých podmínek ve kterých je buňka schopná existovat – – bez ohledu na složení kultivačního nebo růstového média bez některého z těchto enzymů by buňka nebyla schopna existence – –

induktivní = inducibilní = adaptivní enzymy

syntetizují se v důsledku stimulace určitým faktorem vnějšího prostředí (nejčastěji specifickým substrátem) pro buňku jsou postradatelné

Rychlost syntézy E-ů závisí na indukci/supresi strukturního genu TF-y Aktivita TF může být regulována: cAMP Hormony Metabolity: Glc, FA, AA (alkohodehydrogenáza-příjem alkoholu, E-y ornitinového cyklu-amoniak  ) Řízení degradace enzymů zatím nejasné (rozpoznání zřejmě založeno na pozměněné konformaci)

INTRACELULÁRNÍ PROTEOLYTICKÉ MECHANISMY

Proteazomy

REGULACE ENZYMOVÉ AKTIVITY

enzymovou aktivitu lze regulovat:  pH  koncentrace S   koncentrace koenzymů koncentrace aktivátorů a inhibitorů

regulační enzymy

metabolických drah regulují začátek, průběh, ukončení jednotlivých

Regulační enzymy

Každá metabolická dráha zahrnuje enzym(y) schopné ovlivnit rychlost toku metabolitů touto dráhou =

regulační enzymy

Zvyšují resp. snižují svou katalytickou aktivitu, jako odpověď na určitý signál Ve většině případů se jedná o první enzym v dané metabolické dráze (nehromadění nepotřebných meziproduktů)

Ovlivnění aktivity regulačních enzymů

Reverzibilní

Alosterická regulace alosterické efektory (modulátory)- zpravidla metabolity popř. kofaktory Kovalentní modifikace enzymů

Ireverzibilní

Limitovaná proteolýza – trávení, hemokoagulace, aktivace komplementového systému

Alosterické enzymy

aktivita je ovlivněna působením

alosterických efektorů = modulátorů

alosterický efektor se váže mimo aktivní centrum enzymu a vyvolává

konformační změny

, což se projeví

změnou enzymové aktivity

mají následující vlastnosti (Monod, Wyman, Changeux, Koshland):

jsou multimerní se symetrickým uspořádáním protomerů jednotlivé protomery mohou, ale nemusí být identické každý protomer má zpravidla centrum nejen pro vazbu substrátu, ale i pro vazbu alosterického efektoru (ligandu) konformaci protomeru je částečně ovlivněna interakcí s ostatními protomery enzym může existovat ve dvou navzájem přeměnitelných stavech, které se liší v interakci mezi jednotlivými protomery (aktivita ligandů pro vazebná centra na protomerech se přitom mění) molekuly enzymů bez ligandů mají stejnou konformaci vazba ligandu na protomer způsobuje změnu konformace protomeru

vazba alosterického efektoru na alosterické centrum je

reverzibilní a nekovalentní

alosterické efektory po vazbě na alosterický enzym způsobují: inhibici jeho aktivity = negativní efektory =

alosterické inhibitory

stimulaci jeho aktivity = pozitivní efektory =

alosterické aktivátory

podle počtu specifických alosterických efektorů rozlišujeme:

monovalentní enzymy

mají jen jeden specifický alosterický efektor

polyvalentní enzymy

– reagují se dvěma popř. více alosterickými efektory , přičemž každý z nich má specifické vazebné místo

enzymová aktivita alosterických enzymů je ovlivňována následujícími mechanismy:

heterotropní mechanismus

– efektor = modulátor má jinou strukturu jako substrát

homotropní mechanismus

funkci modulátoru zde plní substrát

Zpětnovazebná inhibice

Bakteriální threonin dehydratáza Heterotropní alosterická inhibice Izoleucin se neváže do aktivního centra

Kinetika alosterických enzymů

Homotopní enzym-substrát pozitivní modulátor Vliv pozitivního resp. negativního alosterického efektoru

Kovalentní modifikace enzymu

Fosforylace Nukleotidylace

Limitovaná proteolýza

Limitovaná proteolýza