Regulace metabolických drah na úrovni buňkyvyuka-data.lf3.cuni.cz/CVSE1M0001/regulace metabolickych drah na … · Obsah přednášky •Obecné principy regulace metabolických

Regulace metabolických drah

na úrovni buňky

EB

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 pentozového cyklu

– regulace lipolýzy a beta-oxidace

– regulace ketogeneze

– regulace syntézy mastných kyselin

– regulace močovinového cyklu

Obecné principy regulace

metabolických drah na úrovni

buňky

Obecné principy regulace

• Metabolické dráhy neustále

monitorovány a upravovány

• Syntéza a degradace metabolitů

odpovídá požadavkům buněk i

celého organismu

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

Obecné principy regulace

metabolických drah na úrovni

buňky

Regulace zajištěná

kompartmentací metabolických

dějů

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)

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

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

• 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)

Změna absolutní koncentrace

enzymu

• Enzymy glukoneogeneze indukované

glukokortikoidy

• Indukce enzymů

monooxygenázového systému

působením xenobiotik

• Hem inhibuje syntézu delta-

aminolevulátsyntázy

Obecné principy regulace

metabolických drah na úrovni

buňky

Modulace aktivity již

existujícího enzymu

Modulace aktivity již existujícího

enzymu

• 1) Kovalentní modifikace 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

• Rychlé zvýšení koncentrace aktivního

enzymu

• Travicí enzymy, enzymy koagulační

kaskády

• Vyřazení takto aktivovaného enzymu je

možné jeho proteolytickým odbouráním

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

Zásahy, které ovlivňují

enzymovou kinetiku

• 1) Vliv koncentrace substrátů a

produktů a hodnoty KM, pH, teploty

atd.

• 2) Vliv přítomnosti modulátorů

aktivity (aktivátorů či inhibitorů):

Vliv koncentrace substrátu

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

Obrázek převzat z http://web.indstate.edu/thcme/mwking/glycolysis.html

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

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

• Interkonverze

pyruvátdehydrogenázového komplexu

(PDH): fosforylovaný je inaktivní,

defosforylovaný aktivní - aktivuje inzulin

- hlavní regulační mechanismus

• Kompetitivní inhibice produktem -

acetyl-CoA a zvýšený poměr NADH /

NAD+

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

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

Regulace metabolismu

glykogenu • 1) Degradace glykogenu - glykogenfosforyláza

• 2) Syntéza glykogenu - glykogensyntáza

• Ad 1):

• A: glukagon, adrenalin (fosforylace), zvýšený

poměr AMP / ATP, Ca2+ (ve svalu)

• I: inzulin

• Ad 2):

• A: inzulin

• I: glukagon, adrenalin (fosforylace)

Regulace pentozového cyklu

• ↑ NADPH / NADP+ inhibuje

regulační enzym glukóza-6-fosfát

dehydrogenázu

• V podstatě jde o nedostatek NADP+

• Inzulin aktivuje regulační enzym

Regulace lipolýzy

• Hormon-senzitivní lipáza

(adipocyty)

• A: katecholaminy, glukagon

(fosforylace)

• I: inzulin

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, FADH2 a NADH

následnými reakcemi

Regulace ketogeneze

• Tvorba substrátu - acetyl-CoA

• Regulace na úrovni lipolýzy a beta-

oxidace

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)

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