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