Metabolizam i regulacija

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)


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


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

Documents

Metabolizam i regulacija