Regulacija metabolizmaBiohemija 2010/11Prof. dr G. Grubor-Lajsic
Da se podsetimo...funkcija metabolizma je: da obezbedi energiju, razgradnjom energijom bogatih nutrijenata ili koriscenjem sunceve energije da molekule nutrijenata prevede u prekursore izgradnju makromolekula i celiskih komponenti za
da formira i razgradi biomolekule za specijalizovane funkcije celije
Razliciti su putevi katabolizma i anabolizma
KATABOLIZAM
ANABOLIZAM
mnogi metabolicki putevi su nezavisni komunikacija izmedju metabolickih puteva je koordinirana i kontrolisana
Regulacija metabolizma prostornim rasporedom enzima i metabolita raspolozivost supstrata (kompartmenizacija) razdvojenost suprotnih puteva (sinteza m.k. u citosolu, razgradnja u mitohondrijama)
enzimima hormonima (koordiniraju metabolizam izmedju razlicitih tkiva) cesto kontrolisu reverzibilnu modifikaciju enzima koordinisu energetski status celije
Mehanizmi kontrole enzimima kontrola kolicine enzima promenom genske ekspresije degradacijom enzima kontrola kataliticke aktivnosti (regulatorni enzimi) nekovalentne interakcije reverzibilna alosterna kontrola (npr. kontrola povratnom spregom, odgovor brz) kovalentne modifikacije fosforilacija, ubikvatinizacija
Koji enzim je regulatorni? katalise reakciju koja odredjuje brzinu celog metabolickog puta reakcija koju katalise je najcesce na pocetku metabolickog puta katalise nepovratnu reakciju za koju je potrebna energija cesto nastaje proizvod koji je fosforilisan
Tipovi regulatornih mehanizama nekovalentne interakcije alosterna modulacija enzima protein-protein interakcija kovalentne modifikacije enzima promene u zastupljenosti enzima
Nekovalentne interakcije alosterna regulacija vezivanje alosternog efektora na alosterno mesto utice na kataliticku efikasnost enzima alosterni efektori - aktivatori smanjuju Km (veci afinitet) i povecavaju Vmax (povecavaju efikasnost enzima) alosterni efektori - inhibitori povecavaju Km (manji afinitet) i smanjuju Vmax (smanjuju efikasnost enzima)
Alosternadrugo mesto
kontrola
alosterni aktivator/inhibitor vezuje se za enzim (ali ne za aktivno mesto) promovise ili inhibira enzimsku aktivnost
Alosterna aktivacijaalosterni efektor
supstrat
Alosterna inhibicijaalosterni efektor supstrat
Molekuli koji mogu da budu alosterni efektorni molekuli krajnji produkti metabolickog puta povratna sprega (feedback inhibicija) supstrati samog metabolickog puta kao aktivatori vuku reakciju napred indikatori energetskog stanja ATP/ADP/AMP NAD/NADH citrat i acetil CoA
Inhibicija povratnom spregom (feedback inhibicija)enzim 2 enzim 3 enzim 4 enzim 5
enzim 1
Promene u celiji, kao rezultat specificne aktivnosti, prekidaju aktivnost koja je dovela do te promene
supstrat
krajnji proizvod
protein kinaza A - modulira aktivnost mnogih proteina fosforilacijom postoji u neaktivnoj formi (R2C2) R regulatorne (inhibirajuce) subjedinice C kataliticke subjedinice (2C - aktivne forme) cAMP aktivira protein kinazu A - R subjedinice disosuju iz kompleksa R2C2 - ostaju aktivne C subjedinice
R subjedinice sadrze pseudosupstrat sekvencu Arg - Arg - Gly Ala Ile sa kojima se vezu za C-subjedinice. Vezivanje cAMP alosterno menja R i oslobadja katalicko mesto
Nekovalentne interakcije protein-protein interakcije kalmodulin (KALcijum MODULiran proteIN) vezivanje Ca2+ za kalmodulin (protein male Mr) menja njegovu konformaciju i omogucava njegovo vezivanje za odredjeni enzim koji se tako aktivira
kalmodilin bez kalcijuma
kalcijum vezan za kalmodilin, otkriva nepolarna mesta koja dolaze u interakciju sa drugim proteinima (obelezeno zvezdicama)
u celiji je Ca uglavnom vezan oslobadja se delovanjem signalnih molekula, inervacijom nerva, svetloscu oslobodjeni Ca se vezuje za kalmodulin, koji onda aktivira veliki broj proteina (enzima)
Tipovi regulatornih mehanizama nekovalentne interakcije alosterna modulacija enzima protein-protein interakcija kovalentne modifikacije enzima promene u zastupljenosti enzima
Kovalentne modifikacije enzima (neke su reverzibilne)
Kovalentna regulacija enzimske aktivnosti fosforilacija/defosforilacija dodavanje ili eliminisanje fosfatne grupe na aminokiselinskim ostacima proteina (posttranslaciona modifikacija proteina) menja enzimsku aktivnost najcesce na aminokiselinama : serin, treonin ili tirozin
protein kinaze
protein fosfataze
Kovalentna regulacija enzimske aktivnosti delimicna proteoliza specificna proteoliza moze da aktivira odredjene proteine i enzime (zimogene) digestivni enzimi proteini koagulacije krvi peptidni hormoni (insulin)
neki proteini se sintetisu kao neaktivni prekursori (zimogeni ili proenzimi)
himotripsinogen neaktivni prekursor, sintetisan u pankreasu -himotripsin nastaje aktivacijom delovanjem tripsina na Arg-Ile (1516) -himotripsin odstranjuje 2 dipeptida (14-15 i 147-148) nastaje -himotripsin aktivni i i himotripsin
laktat dehidrogenaza (LDH) izoenzimi razlikuju se po alosternoj regulaciji i tkivno su specificni
Tipovi regulatornih mehanizama nekovalentne interakcije alosterna modulacija enzima protein-protein interakcija kovalentne modifikacije enzima promene u zastupljenosti enzima
Promene u kolicini prisutnih enzima inducibilni u odnosu na konstitutivne enzime indukcija je rezultat povecanja brzine transkripcije gena hormoni aktiviraju transkripcione faktore povecava se sinteza specificnih mRNK povecava se sinteza specificnih enzima
Primer - kontrola energetskog metabolizmam da li ce metabolizam hrane, kao energetskog goriva, biti usmeren ka potrosnji ili deponovanju energije zavisi od hormona koncentracije raspolozivog goriva zahteva organizma za energijom
Stanje dobre snabdevenosti posle uzimanja hrane glukoza i aminokiseline transportuju se u krv lipidi hrane preko limfaticnog sistema dospevaju u krv glukoza stimulise sekreciju insulina insulin: - signalizira stanje dobre snabdevenosti, stimulise deponovanje energetskih rezervi i sintezu proteina, od glukoze se sintetisu TAG, stimulise se sinteza glikogena u misicima i jetri, supresuje se glukoneogenezu u jetri, povecava se glikoliza u jetri, povecava se sinteza masnih kiselina, povecava se usvajanje glukoze u jetri, povecavaju se rezerve glikogena
Stanje dobre snabdevenosti posle uzimanja hrane
Rana faza gladovanja (preko noci)nivo glukoze u krvi opada nekoliko sati posle uzimanja hrane - smanjena sekrecija insulina - povecava se sekrecija glukagona glukagon: signalizira stanje gladi, mobilise rezerve glikogena, inhibira sintezu glikogena (u jetri), inhibira sintezu masnih kiselina, stimulise glukoneogenezu u jetri velike kolicine glukoze se oslobadjaju iz jetre u cirkulaciju - odrzava se nivo glukoze u krvi misici i jetra koriste masne kiseline kao izvor energije, kada nivo glukoze u krvi opadne
Rana faza gladovanja (preko noci)
Signalni molekuli, receptori, medjucelijska komunikacija hormoni i neurotransmiteri aminokiseline i njihovi derivati mali proteinski molekuli (peptidni hormoni) derivati holesterola (steroidni hormoni) modifikovane masne kiseline (eikozanoidi)
Signalni molekuli deluju preko receptora
Od hemijske prirode signalnih molekula zavisi gde je receptor prema hemijskoj prirodi signalni molekuli su hidrofilni (ne mogu da prodju kroz celijsku membranu) modifikovane aminokiseline (adrenalin) peptidni hormoni (glukagon) hidrofobni (lipofilni) (mogu da prodju kroz celijsku membranu) tireoidni i steroidni hormoni i eikozanoidi (ima izuzetaka)
intracelularni receptori lipofilni signalni molekuli steroidni hormoni, vitamin D, retinoidi, tiroksin vezuju se za intracelularne receptore zajedno za regulatorne elemente na DNK menjaju brzinu transkripcije indukuju ili represuju transkripciju
receptori u celijskoj membrani za hidrofilne signalne molekule peptidne hormone, kateholamine, neurotransmitere tri klase receptora receptori vezani za kanale kataliticki receptori receptori vezani za G protein
Razlike u delovanju hidrofilnih (peptidi, proteini, derivati aminokiselina) i hidrofobnih signalnih molekula (steroidi, tiroidni hormoni)
Signalni molekuli se dele i prema podela prema mestu produkcije i ciljnog mesta autokrini (eikozanoidi) deluju na celiju koja ih proizvodi (lokalni medijatori) parakrini deluju na susedne celije (histamin) endokrini sintetisu se u celijama endokrinog sistema i transportuju putev krvi do ciljnog tkiva (adrenalin, insulin)
podela prema brzini odgovora odgovor brz (sekunde) regulacija metabolizma preko vec prisutnih enzima (modifikacija-fosforilacija) odgovor polagan (sati, dani, nedelje) promena na nivou ekspresije gena (u regulaciji rasta i diferencijacije)
Signalna transdukcija hidrofilni signalni molekul, receptor integralni membranski protein , povezan sa jonskim kanalom regulise permeabilnost membrane za jone sa G proteinom aktiviraju se protein kinaze preko unutarcelijskih glasnika (sekundarnih glasnika) sa enzimskom aktivnoscu citoplazmatski deo receptora ima tirozin kinaznu aktivnost i fosforilisu ciljne enzime u celiji
Unutarcelijski glasnici ciklicni AMP (cAMP) diacilglicerol (DAG) i inozitoltrifosfat (IP3) ciklicni GMP (cGMP)
vezivanje hormona za receptor uzrokuje: GTP zamenjuje GDP alfa subjedinica disosuje od beta i gama subjedinice G proteina aktivira se (ili inhibira) adenilat ciklaza nastaje cAMP (aktivira protein kinazu A) cAMP se razlaze fosfodiesterazom (stimulisana insulinom, kofeinom)
aktivirana alfa subjedinica G proteina deluje i na fosfolipazu C nastaju dva glasnika: DAG i IP3 deluju na protein kinazu C i Ca
Metabolicki putevi
Koenzimi oksidoreduktaza
Reduction of NAD+ or NADP+ to NADH or NADPH
Figure 14-11
Redukcija FAD u FADH2
Figure 14-13 part 2
Pregled oksidacionih puteva katabolizma biomolekula
O H H HO H H C C C C C OH H OH OHheksokinaza (glukokinaza u jetri)
O H ATP ADP H HO H H C C C C C OH H OH OHfosfoglukozo izomeraza
CH2OH C HO H H C C C O H OH OH
CH2OHD-Glukoza
CH2O P Glukozo 6-P
CH2O P Fruktozo 6-P ATPfosfofruktokinaza-1
CH2O P C O
Glikoliza
ADP CH2O P C HO H H C C C O H OH OH H Haldolaza
CH2OH Dihidroksiaceton fosfattriozofosfat izomeraza
O C C OH
CH2O P Fruktozo 1,6-bisP
CH2OH P Gliceraldehid 3-P NAD+ Pigliceraldehid 3-fosfat dehidrogenaza
NADH + H+ O C H C O P OH
CH2O P 1,3-bisfosfoglicerat ATPfosfoglicerat kinaza
ADP O C C CH3 Piruvat OOpiruvat kinaza
ATP
ADP O C C CH2 O-
O H2O O P enolaza H C C O-
O Cmutaza
OOH
O P
H
C
CH2OH 2-Fosfoglicerat
CH2O P 3-Fosfoglicerat
Fosfoenolpiruvat
Glikoliza - regulacija
Glikoliza u aerobnim i anaerobnim uslovima
Ulazak drugih monosaharida u glikolizu
Metabolizam galaktoze
Metabolizam glikogena
Regulacija glikogen fosforilaze
Regulacija glikogen fosforilaze
Glukoneogeneza
Glukoneogeneza
Glukoneogeneza - regulacija
Korijev ciklus
OKSIDACIONA FAZAO H H C C C C C 3NADPH + 3H + H OH 3NADP+ H OH OHglukozo-6-fosfat dehidrogenaza
O C C C C C OH H OH O6-fosfo glukonolaktonoza
O C 3H 2O 3H + H C C C C
O-
3NADPH + 3H + 3CO 2 CH2OH C O OH OH
3
HO H H
3
HO H H
3
HO H H
OH 3NADP + H OH OH
fosfoglukonat dehidrogenaza
3HH
C C
CH2O P Glukozo 6-P
CH2O P 6-Fosfoglukono lakton CH2OH C HO + H H H C C C C O H OH OH OHtransketolaza
CH2O P 6-Fosfoglukonat H C H H H C C C OH OH OHribulozo 5-fosfat izomeraza
CH2O P Ribulozo 5-P
NEOKSIDACIONA FAZAO C H C H OH
O
CH2O P Gliceraldehid 3-P
Pentozofosfatni putHO H H
transaldolaza
CH2O P Sedoheptulozo 7-P
CH2O P Ribozo 5-P CH2OH C O H OH
2 HOCH2OH C C C C O H OH OH + H H C H H C C OH OH O
ribulozo 5-fosfat epimeraza
C C
CH2O P Ksilulozo 5-P CH2OH C HO H H C C C O H OH OH + H O C C H OH
CH2O P Eritrozo 4-Ptransketolaza
CH2O P Fruktozo 6-P
CH2O P Gliceraldehid 3-P
CH2O P Fruktozo 6-P
Oksidativna dekarboksilacija piruvataE1: piruvat dekarboksilaza oksidativna dekarboksilacija piruvata E2: dihidrolipoil transacetilaza transfer acetil grupe sa TPP na lipoicnu kiselinu E3: dihidrolipoil dehidrogenaza transfer acetil grupe na CoA, transfer elektrona sa redukovane lipoicne kiseline na NADH
TCA
Glioksalatni put
Aktivacija masnih kiselina i ulazak u mitohondrije
Mitohondrijski matriks CH3
O CH2 CH2 CH2 C FAD FADH2 O Elektron transportni lanac trans 2 enoil-CoA SCoA Acil-CoA
Oksidacija masnih kiselina-Oksidacija
C=n acil-CoA dehidrogenaza
CH3
CH2 CH CH C H 2O
SCoA
enoil-CoA hidrataza
Spiralni put CH3
OH
O SCoAL-Hidroksi
CH2 CH CH2 C NAD
acil-CoA
-hidrokis acil-CoAdehidrogenaza
NADH + H+ O O SCoA
Elektron transportni lanac
CH3
CH2 CH CH2 C CoASH
-Keto acil-CoA
-keto tiolaza
O CH3C=n-2
O SCoA + CH3 C SCoA Acetil-CoA
CH2 C
Acil-CoA ' (2C atoma kraci)
Ketonska tela
CH3 C CH3 Aceton O
Neenzimska reakcija
O CH3 C
NADH + H+
NAD+
CH3 HC CH2 COOOH
-hidroksibutiratdehidrogenaza
CO2
CH2 COO-
Acetoacetat
-Hidroksibutirat
O CH3 C SCoA + CH3tiolaza
O C SCoA 2 Acetil-CoA
Ketogeneza
CoA-SH
O CH3 C CH2 C O O CH3HMG-CoA sintaza
Acetoacetil-CoA
SCoA
C
SCoA
OH CH3 C CH2 C O CH2
Co-ASH O C O-Hidroksi--metilglutaril-CoA (HMG-CoA)
SCoAHMG-CoA liaza
Acetil-CoA O CH3 CH CH2D--hidroksibutirat
O C OAcetoacetatSpontano
dehidrogenaza
NADH + H+ NAD+ CO2
OH CH3 CH CH2 C
O O-
O CH3 C CH3
D--Hidroksibutirat
Aceton
Koriscenje ketonskih telaCH3 HC CH2 OH-hidroksibutiratdehidrogenaza
NAD+
NADH + H+ CH3
O C CH2
COO-Hidroksibutirat
COOAcetoacetat Sukcinil-Co-A-ketoacil-Co-Atransferaza
Sukcinat Acetoacetil-Co-A
Acetil-Co-A
Acetil-Co-A
Krebsov ciklus
Malat-aspartat atl
Glicerol 3-fosfat atl
Elektron transportni lanac i oksidativna fosforilacija
Deo energije gradijenta koncentracije H+ jona se koristi za generisanje toplote
Metabolizam aminokiselina
Glukogene aminokiseline
Ketogene aminokiseline
Amino kiselina1
-Ketokiselina1
Transaminacija
transaminaza
-Ketokiselina2
Amino kiselina2
COOH3N+ C CH2 COOAspartat H
COOC CH2 COOOksalacetat O
COO C CH2 CH2
aspartat transaminaza (AST) -
COOC CH2 CH2 H
O
H3N+
COO-Ketoglutarat
COOGlutamat
Oksidativna deaminacija glutamata
Sinteza karbamoil fosfata
Ciklus ureeNH2 M itohondrija CO 2 + H 2 O HCO 3 - + NH 4 + 2 ATPcarbamoil fosfat sintaza I (CPSI)
Urin
Urea C Citosol
O NH2arginaza
H 2O NH2 C CH2 NH NH
CH2 NH2 CH2
CH2 NH2 CH2 CH2 H NH2
CH2 CH2 C NH2 COOH HC CH COOH Fum arat NH O C CH2 NH CH2 NH COOH CH CH2 COOH Argininosukcinat NH2
2 ADP + Pi O H2 N C O O P OH
CH2 C NH2 H
C
COOH Argininargininosukcinat liaza
OKarbam oil fosfat
COOH O rnitinornitin transkarbamoilaza
COOH Ornitin
NH2 Pi CH2 CH2 H C NH2 H C CH2 NH O
NH2 C CH2 NH CH2 CH2 C NH2argininosukcinat sintetaza
CH2 H C
COOH Citrulin
COOH Citrulin
COOH
ATP COOH H2 N C CH2 COOH Aspartat H
AM P + PPi
Metabolizam hema
Metabolicka aktivnost u citosolu i mitohondrijama_____________________________________________organela glavne funkcije _____________________________________________________________ Mitohondrije TCA, elektron transport i oksidativna fosforilacija, oksidacija masnih kiselina, razlaganje aminokiselina, sinteza karbamoil fosfata i deo ciklusa uree, oksidativna dekarboksilacija piruvata, ketogeneza Citosol glikoliza, pentozofosfatni put, biosinteza masnih kiselina, vecina reakcija glukoneogeneze, sinteza i razlaganje glikogena, veci deo ciklusa uree
Table 14-3