15. POGLAVJE: REGULACIJA METABOLIZMA Flashcards
Homeostaza
Principi regulacije
Homeostaza
* stanje dinamičnega ravnotežja
* koncentracija večine metabolitov konstantna (npr. ATP, glukoza,…)
* hitrost sinteze metabolita enaka hitrosti razgradnje
Principi regulacije
* včasih organizem potrebuje veliko nekega metabolita, zato se mora njegova koncentracija spremeniti zelo hitro, npr.:
-med akcijo se poveča kapaciteta glikolize
-po akciji se kapaciteta glikolize zmanjša
-kapaciteta glukoneogeneze se poveča po akciji
Povratna inhibicija
v mnogih primerih zadnji produkt metabolne poti direktno ali indirektno inhibira svojo lastno biosintetsko pot
-npr. ATP inhibira odločilni korak glikolize
Reakcije, ki potekajo daleč od ravnotežja so tiste, ki so regulirane:
* v živih organizmih potekajo nekatere metabolne reakcije daleč od ravnotežnih pogojev (navadno striktno regulirane!)
npr. reakcije glikolize: fosforilacija glukoze s heksokinazo, PFK-1, piruvat kinazna
* koncentracija metabolitov se ohranja v dinamičnem ravnotežju
Hitrost biokemijskih reakcij
Hitrost biokemijske reakcije je odvisna od:
* koncentracije reaktantov
* aktivnosti katalizatorja
o koncentracija encima
o aktivnosti samega encima
* koncentracije efektorjev
o alosterični regulatorji (vežejo se na protein stran od aktivnega mesta; vplivajo na strukturo in protein aktivirajo ali inhibirajo)
-obstajajo tudi direktni regulatorji, ki vplivajo na aktivno mesto
o kompetitivni substrati
* pH, ionska jakost
* (temperature) – bolj pri kemijskih, ne pri biokemijskih
Michaelis- Mentinina Km; tukaj koncentracija substrata ustreza polovici maksimalne hitrosti. Biokemijske reakcije navadno potekajo v okolici Km.
Aktivnost encimov (pomembna slika!)
Kaj vse vpliva na koncentracijo encima v celici?
Preprost koncept – več kot je encima v celici, več produkta lahko dobimo. Kaj vse vpliva na koncentracijo encima v celici?
1-4)transkripcijska regulacija:
sinteza mRNA, ki gre ven iz jedra, lahko se izgradijo novi proteini
o pomembni so primarni sporočevalci, ki aktivirajo
ali deaktivirajo trakskripcijske faktorje, vplivajo na gene in mRNA
o če se mRNA hitro razgradi, bo nastalo manj produkta
o regulirana je tudi translacija
5)degradacija encima
ubikvitin se pripne na encim, ki omogoča razgradnjo encimov
6)translokacija proteina
premik encima na mesto, kjer opravlja določeno funkcijo
7)vezava s substratom
odvisno od kon. in afinitete substrata
8)alosterični efektorji
npr. ligandi, modificirajo encime in vplivajo na aktivnost
9)fosforilacija in defosforilacija (kinaze in fosfataze)
največkrat fosforilacija sproži aktivacijo
10)vezava regulatornih proteinov
omogočijo encimsko aktivnost
Proteini imajo določeno življensko dobo
različni proteini imajo v istem tkivu zelo različno razpolovno
dobo
Zakaj niso narejeni za večno? Ker je s tem omogočena transkripcijska regulacija, prilagajanje razmeram v organizmu in celicah (odvisno od potreb).
Vloga adenin nukleotidov v regulaciji
Veliko celic je reguliranih direktno z ATP, ne pa vse.
Pri ATP 0.5mM sprememba predstavlja 10%, nastane pa 0.5mM AMP, kar predstavlja kar 600% razliko – obstaja od AMP aktivirana protein kinaza, ki se aktivira ob povišani koncentraciji.
ko pade konc ATP-> poveča konc. AMP -> aktivira od AMP odvisno kinazo
AMPK
* Vpliva na vse veje metabolizma
* Signal, da je potrebno obnoviti ATP (konc. se je znižala) – aktivacija
katabolizma in zavor anabolizma
* V možganih pride do sprememb (sporočilo, da smo lačni)
* Tudi redna vadba poveča aktivnost AMPK (dobro za naše zdravje)
* Ne trošimo dodatno ATPja, ko ga je že tako premalo
Fosforilacija vpliva na aktivnost encimov
- fosforilacijo proteinov katalizirajo proteinske kinaze
- defosforilacija je spontana ali pa jo katalizirajo proteinske fosfataze
- največkrat se fosforilirajo hidroksilne skupine Ser, Thr ali Tyr
- fosfatna skupina pride iz ATP, pride do negativnega naboja, ki vpliva na pravilno orientacijo
-elektrostatski privlak/odboj vplivata na daljše razdalje
-intermediati se lahko pravilno orientirajo v aktivnih mestih encimov -
kinon = skupek genov, ki kodirajo kinaze
-kinaze so specifične za določeno AK (poznamo pa tudi recimo Ser-Thr kinaze) - fosfoproteinske fosfataze sodelujejo v nasprotnem procesu
- fosforilacija lahko povzroči aktivacijo ali deaktivacijo! (ni pravila)
Nekateri encimi v metabolični poti vplivajo na pretok metabolitov bolj kot ostali
npr. v glikolizi
večji vpliv imajo tiste reakcije, ki so stran od ravnotežja
heksokinaza in fosfofruktokinaza najbolj vplivata na pretok skozi glikolizo (C- koeficient pretoka)
-skupen delež je 1
-povečana aktivnost heksokinaze omogoča aktivacijo glukoze
-povečana aktivnost fosfofruktokinaze-1 omogoči katabolizem aktivirane glukoze preko glikolizne poti
Kontrola sinteze glikogena
- inzulinska signalna pot
-poveča vnos glukoze v mišice
-stimulira aktivnost heksokinaze v mišicah
-aktivira glikogen sintetazo - povečana heksokinazna aktivnost omogoči aktivacijo glukoze
- glikogen sintetaza sintetizira glikogen- skladišče energije
Imamo kapilaro, ki oskrbuje mišične celice z glukozo.
* GLUT4 transporterji vplivajo na pretok metabolita – je kontrola
* Na GLUT4 vplivajo inzulinski receptorji – več GLUT4 na površini, več glukoze lahko vstopi
* Če celica ne potrebuje glukoze, se pretvori v glikogen za zalogo
-heksokinaza fosforilira glukozo, s čimer omogoča pretvorbo
-glikogen sintaza regulira/kontrolira nastanek glikogena (ohranja se
koncentracija glikogena v jetrih)
Regulacija heksokinaze IV s translokacijo
* heksokinaza se ob povišani koncentraciji fruktoze 6-fosfata veže z regulatornim proteinom in prenese v jedro
* ko koncentracija pade, pride heksokinaza nazaj v citosol in se spet lahko sintetizira glukoza 6- fosfat
Hitrost reakcije in koncentracija substratov
- pri nizkih koncentracijah substrata se hitrost bolj odziva na spremembe (glej graf!)
-pomembno je, kolikokrat se substrat in encim srečata - pri visokih koncentracijah substrata, spremembe teh koncentracij ne vplivajo veliko na hitrost
-takrat je encim skoraj nasičen s substratom
Koncentracije substratov so v neki celici takšne, da ustrezajo koncentracijam, ki so blizu Km, ker je tam encim najbolj občutljiv
naklon krivulje največji pri Km
Tam se encim najbolj odziva (kjer je koeficient elastičnosti največji) - Če ga pomnožimo še s koeficientompretoka, dobimo koeficient odzivnosti
Koeficient elastičnosti odraža odzivnost encima na substrat
pri Km že majhna sprememba substrata vpliva na hitrost
Izocimi
- izocimi so različni encimi, ki katalizirajo enako reakcijo (npr. 4 različne heksokinaze)
- največkrat imajo podobno aminokislinsko zaporedje
- njihova regulacija je pogosto različna
Zakaj potrebujemo različne encime za enake reakcije?
Različne celice imajo različne potrebe po določenem metabolitu, lahko jih različno reguliramo
* Glukokinaza v jetrih in heksokinaza I v mišicah
* Glukoza ki pride v jetra, gre lahko tudi v druge organe (pri 5mM konc še ni tako aktivna)
* V mišicah pa se glukoza porabi (glikoliza ali pa gre za glikogen)
Heksokinaza I (mišice): aktivna že pri majhnih koncentracijah glukoze, glukoza nikoli ne bo šla iz mišic
Heksokinaza IV (alu glukokinaza, jetra): pri nizkih koncentracijah malo aktivna, večina glukoze gre v druge organe
GLIKOLIZA IN GLUKONEOGENEZA
regulacije
Razlikujeta samo v 3 korakih, samo tu je možna regulacija.
* Najpomembnejši je drugi korak s fosfofruktokinazo (fruktoza 1,6-bisfosfat ima zapečateno usodo, lahko gre samo še po poti navzdol; fruktoza 6-fosfat za primer gre lahko tudi v smer izgradnje glikogena)
Regulacija fosfofruktokinaze-1
Regulacija fosfofruktokinaza-1 in fruktoze-1,6-bisfosfaze
Regulacija s fruktozo 2,6-bisfosfatom
GLIKOLIZA IN GLUKONEOGENEZA
Regulacija fosfofruktokinaze-1
- pretvorba fruktoze-6-fosfata v fruktozo 1,6- bisfosfat je korak, ki nujno vodi v glikolizo, rabi ATP
- fosfofruktokinaza-1 je negativno regulirana z ATP
- ne troši glukoze, če je na voljo dovolj ATP
Negativni alosterični regulatorji:
ATP, citrat
Povečana koncentracija citrata nakazuje na to, da je Krebsov cikel dovolj aktiven in imamo dovolj ATPja
Pozitivni alosterični regulatorji:
AMP, ADP, fruktoza 2,6-bisfosfat
Fruktoza 6-fosfat je substrat; večja kot je koncentracija, večja je aktivnost PFK-1
GLIKOLIZA IN GLUKONEOGENEZA
Regulacija fosfofruktokinaza-1 in fruktoze-1,6-bisfosfaze
- glikoliza poteka, če je [AMP] visoka in [ATP] nizka
- glukoneogeneza poteka, če je [AMP] nizka
Ko se koncentracija AMPja poveča, se aktivnost fruktokinaze poveča (aktivacija glikolize in inhibicija glukoneogeneze)
Regulacija s fruktozo 2,6-bisfosfatom
Regulacija regulatorja v jetrih
- F26BP aktivira fosfofruktokinazo( glikolitičen encim)
- F26BP inhibira fruktozo1,6-bisfosfatazo(encim glukoneogeneze)
- F26BP je alosterični regulator obeh encimov
Je tista regulatorna molekula, ki vpliva tako na glikolizno kot na glukoneogenezno pot.
* pozitivni alosterični regulator PFK-1 (aktivira glikolizo)
* negativni alosterični regulator FBPase-1 (inhibira glukoneogenezo)
Regulacija regulatorja (fruktoze 2,6-bisfosfata)
Fruktoza 2,6-bisfosfat nastane iz fruktoze 6-fosfata, če se ta fosforilira na mestu 2; reakcijo katalizira PFK-2, razpad pa katalizira FBPaza-2
(fruktoza bisfosfataza 2).
Regulacija regulatorja v jetrih
* Če je FBPaza-2 defosforilirana, je aktivna PFK-2, če pa je fosforilirana, je aktivna sama
* Fosfoprotein fosfataza se aktivira, ko je prisotno veliko inzulina – poskrbi, da se FBPaza- 2 defosforilira in postane aktivna PFK-2 (inzulin stimulira glikolizo; če je dovolj glukoze, ni potrebe po še več glukoze)
* Glukagon (hormon) ima nasprotno funkcijo od inzulina, sporoča organizmu, da nima dovolj glukoze, poveča se sproščanje cAMP, ki aktivirajo od cAMP odvisno kinazo, ki fosforilirajo FBPazo-2, kar stimulira glukoneogenezo
Molekularne osnove regulacije encimov
Fosfoprotein-fosfataza 2A (PP2A)
Regulacija encimske katalize največkrat vključuje:
* vezavo inhibitorjev, največkrat v aktivno mesto encima
* vezavo regulatornih podenot
* vezavo alosteričnih regulatorjev
Fosfoprotein-fosfataza 2A (PP2A)
Fosfoprotein fosfataza aktivira glikolizo, njo pa regulira ksiluloza 5-fosfat (6 pentoz se protevori v 5 heksoz – pentoza fosfatna pot) – vse metaboliučne poti so med sabo povezane!
Ima osnovno strukurno domeno, na katero so vezane katalitične in regulatorne domene -> dobimo različne protein fosfataze 1, ki regulirajo različne procese
Ko se najemo OH imamo na razpolago veliko glukoze, sprošča se inzulin,
lahko gre glukoza tudi v pentoza fosfatno pot, kjer nastane ksiluloza 5-
fosfat, ki aktivira fosfoprotein fosfatazo, hkrati pa nastane NADPH
(prenosnik elektronov, poskrbi za redukcijski potencial za sintezne poti),
ksiluloza 5-fosfat pa spodbuja glikolizo, piruvat se lahko v PDH kompleksu
pretvori v actil koencim A, ki pa je prekurzor za sintezo maščobnih kislin
Regulacija piruvat kinaze
- vse kar kaže na to, da je na voljo dovolj energije alosterično inhibira vse izoforme piruvat kinaze
- znaki pomanjkanja glukoze (npr. glukagon) inaktivirajo jetrno piruvat-kinazo s fosforilacijo
-glukoza iz jeter se prenese v možgane in druge vitalne organe - Ekstremna regulacija je s pomanjkanjem magnezija
- ATP, alanin (transaminacija piruvata), dolge maščobne kisline,… inhibirajo piruvat kinazo
- Velika koncentracija glukagona aktivira PKA, ki fosforilira jetrno piruvat kinazo (da se v jetrih ne porablja glukoza, ko jo primankuje v drugih tkivih) – hormonska regulacija
Alternativni poti piruvata
- piruvat kot vir za proizvodnjo glukoze (glukoneogeneza)
o skladiščenje energije v obliki glikogena
o proizvodnja NADPH preko pentoza-fosfatne poti - piruvat kot vir acetil-CoA (vir energije)
o skladiščenje energije v obliki maščob
o proizvodnja ATP preko citratnega cikla - acetil-CoA stimulira sintezo glukoze z aktivacijo piruvat-karboksilaze
Če je acetil CoA veliko, inhibira nadaljnjo pretvorbo piruvata v acetil CoA (inhibira piruvat dehidrogenazni kompleks), hkrati pa pozitivno vpliva na piruvat karboksilazo in pretvorbo v oksaloacetat.
Pot, ki vpliva na transkripcijo genov za MK
* Ksiluloza 5-fosfat kontrolira PP2A, ki je ključna za defosforilira proteina, ki se veže na odzivni element na DNA, ki kontrolira metabolizem OH (transkripcijski faktor ChREBP).
* Ko ima vezan le en fosfat, se premakne v jedro, kjer ponovno ksiluloza 5-fosfat odcepi še eno fosfatno skupino.
* Poveže se z Mlx (dodaten protein), kompleks se veže na regulatorni element za karbohidrate na delu DNA; vpliva na transkripcijo teh genov (tukaj specifično za gene, ki so pomembni za sintezo MK)
Pot, ki vpliva na transkripcijo genov za glukoneogenezo
* FOXO1 je transkripcijski faktor, ki je ključen za aktivacijo genov, ki kodirajo za fosfoenol piruvat karboksikinazo (PEP) in glukozo 6-fosfatazo (encima potrebna, da se glukoza producira)
* Protein kinaza B se aktivira, če je dovolj inzulina (dovolj glukoze) – ta pot ne poteka
o fosforilira transkripcijski faktor FOXO1, spoznajo ga specifične ubikvitin kinaze, pride po proteolitične razgradnje s
proteosomom (v citosolu)
o ne more se vezati za transkripcijo genov, ki so odločilni za glukoneogenezo
METABOLIZEM GLIKOGENA
razgradnja
Glikogen je zelo razvejan, v zelo hitrem času lahko dobimo veliko glukoze.
Pri razgradnji sodeluje encim glikogen fosforilaza in anorganski fosfat -> produkt je glukoza 1-fosfat.
Razgradnja glikogena
* glikogen-fosforilaza odceplja nereducirajoče konce in se ustavi 4 enote pred (α1→ 6) razvejitvijo
* klestilni (debrancing) encim prenese tri enote na nereducirajoči konec verige
* klestilni encim cepi preostalo (α1→ 6) –povezano glukozo
glikogen fosforilaza
cepi na nereducirajočih koncih, ustavi 4 enote pred razvejiščem
tam pride klestilni encim
razcepi alfa 1,6 glikozidno vez in jo prenese na konec verige z alfa 1,4 glikozidno vez (transferazna aktivnost)
Nato cepi še preostali glukozo, ki je povezana z alfa
1-6 vezjo
- Produkt je glukoza 1-fosfat, mi pa želimo glukozo 6-fosfat
- Encim fosfoglukomutaza zagotovi, da pride do izomerizacije (fosforilna skupina se iz mesta 1 prenese na mesto 6)
- Prenos poteče preko serina
- Fosfoglukomutaza donira fosforilno skupino na mesto 6, fosforilna skupina iz mesta 1 pa se prenese nazaj na aktivno mesto encima (lahko poteče nova reakcija)
Zakaj potrebujemo glukozo 6-fosfat?
- Glukozo 6-fosfat potrebujemo v eksahepatičnih organih (glukoza 6- fosfataza v jetrih se nahaja v membrani ER in je obrnjena v lumen)
-Fosforilirana glukoza se ne more prenašati ven iz jeter - ER ima transporter za glukozo 6-fosfat, da se prenese v lumen in se fosforilira
- Imamo transporter za glukozo in P
- Preko GLUT2 transporterja gre glukoza
lahko izven celice in v kri - Napake v sintezi glikogena lahko privedejo do različnih bolezni in bolezenskih stanj
- Pri novorojenčkih so napake pogosto
usodne - Homeostaza glukoze je zelo pomembna
Vloga nukleozid difosfat-sladkorjev
- Glikogen se sintetizira tako, da se fosforiliran monomerni sladkor aktivira
- Aktivira se tako, da nastane nukleozid difosfat sladkorja z UTPjem
- Sprosti se pirofosfat – trik biokemijskih reakcij, ki naredi reakcijo ireverzibilno (anorganska pirofosfataza pirofosfat takoj razgradi na posamezne fosfate in ta reakcija ne more več nazaj; odvajamo pirofosfat iz reakcije)
- Termodinamsko je reakcija ugodna! – poteka v smeri NDP sladkorja
- NDP sladkor služi kot zaloga za sodelovanje v sintezi tvorbe polisaharidov
- Največkrat je modificiran z UDPjem
Sinteza glikogena
- Prvi korak je tvorba UDP glukoze (uracil difosfat vezan na glukozo)
- UDP je dobra izstopajoča skupina, glikogen sintaza pa je ključen encim za reakcijo (podaljšanje verige za eno glukozo)
- Tvori se alfa 1,4-glikozidna vez (če bi lahko razgrajevali beta 1,4-vez, bi lahko jedli papir)
- Glikogen sintaza ne more začeti sinteze; lahko samo pripenja na že obstoječo verigo
1 Razvejitev glikogena
* če je veriga dolga vsaj 11 enot, prenos 6-7 enot
* glikogen je tako bolj topen
* več nereducirajočih koncev
Razvejitveni encim (transferaza) prenese verigo in tvori alfa 1,6- glikozidno vez
2 Sinteza začetne verige
* glikogen-sintaza potrebuje začetno verigo
* encim glikogenin služi kot začetek (Tyr194) in sintetizira začetno verigo
* Na OH skupino Tyr194 glikogenin pripne UDP-glukozo
* Nato jih pripne še okoli 6-8 s čimer nastane začetna veriga, ki služi za nadaljnjo sintezo glikogena
- Glikogen je zelo hidratitan (veliko OH skupin)
- Koliko energije dobimo na en C atom?
Ni tako primeren kot maščobne kisline, ki imajo manj vode in so bolj reducirane; pozitivna plat pa je, da takoj dobimo glukozo
Koordinirana sinteza in razgradnja glikogena
- glikogen-fosforilaza: alosterično reguliran encim
- regulirana tudi s fosforilacijo
Ko glukoze primanjkuje se glikogen razgrajuje, ko jo je dovolj se tvori glikogen. Del glikogena je shranjen v mišičnih celicah. - Aktivnost fosforilaze b je odvisna od fosforilacije serina 14 in je manj aktivna kot fosforilaza a
- Glukagon sporoča jetrnim celicam, da je premalo glukoze
- Adrenalinski signal pa je bolj pomemben za mišične celice (povečana koncentracija kalcija in AMPja) -> aktivacija kinaze (fosforilaza b kinaza), ki fosforilira fosforilazo b v fosforilazo a
- Fosfataza defosforilizira mesto, ko potrebujemo manj aktivno forforilazo b
- Fosforilaza ima 2 alosterični mesti, ki direktno zaznavata koncentracijo glukoze v jetrih
-Glukoza se veže, povzroči konformacijske spremembe in izpostavi se fosforiliran serin (ki naredi fosforilazo boljj aktivno) - Fosforilaza a fosfataza je aktivirana s strani inzulina, ostrani fosfatno skupino in fosforilaza preide v manj aktivno b obliko
Stimulacija razgradnje glikogena
Adrenalin in glukagon stimulirata razgradnjo glikogena
Kaskadne reakcije v miocitih in hepatocitih
* Adrenalin povzroči v miocitih ragzdradnji glikogena
* Glukagon pa razgradnjo povzroči v hepatocitih
Glikogen sintaza in izgradnja glikogena
- Encim glikogen sintaza je ključen za izgradnjo glikogena
- Ima dve obliki
-Sintaza b je fosforilirana in manj aktivna
-Sintaza a ni fosforilirana in je bolj aktivna - Inzulin, glukoza in glukoza 6-fosfat aktivirajo fosfoprotein fosfatazo 1, ki povzroči aktivacijo oblike a in posledično sintezo glikogena
- Prisotnost glukogona in epinefrina zavirata delovanje PP1
- Inzulin inhibira tudi GSK3 (glikogen sintaza kinaza 3)
Glikogen sintaza kinaza 3
* Ima več serinov, ki se lahko fosforilirajo
* GSK3 prepozna fosforiliran serin in fosforilira sosednji Ser (4 mesta stran) -> inaktivacija glikogen sintaze
* Fosforilacijo prvega serina zagotovi kazein kinaza
Če je sama GSK3 fosforilirana, je inhibirana in ni aktivna (repek zapre spoznavno in katalitično mesto)
- Inzulin je prisoten, ko je dovolj glukoze, glikogen sintaza je aktivna
- Aktiviran je inzulin receptorski substrat (IRS-1), ki aktivira kaskado encimov
- PKB fosforilira GSK3, da postane neaktivna (ne fosforilira glikogen sintaze, glikogen sintaza a sintetizira glikogen)
Razlika med različnimi tkivi
- Jetra imajo funkcijo zagotavljanja glukoze za ekstrahepatična tkiva (skladiščenja glikogena)
-Adrenalin povzroči glukoneogenezo (jetrna piruvat kinaza se deaktivira), glikoliza je blokirana - V mišicah je prav tako prisoten glikogen, a glukagon na mišice na vpliva (nimajo receptorjev), prav tako ni receptorjev potrebnih za glukoneogenezo
-Adrenalin povzroči glikolizo, ker mišice potrebujejo glukozo
