INFORMAČNÍ A REGULAČNÍ SYSTÉMY ORGANIZMŮ

1. INFORMAČNÍ A REGULAČNÍ SYSTÉMY ORGANIZMŮ • jedna ze základních podmínek vzniku a fungování živých organizmů • Přítomnost autoreplikačních molekul • Přítomnost 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

2. 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

5. 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. metabolickédráhy = cesty

7. Popis metabolizmu • metabolické dráhy • z pohledu regulací umělé členění • vzájemná integrace těchto drah

8. Osud Glc-6-P (hepatocyt) • Glykolýza - ATP • Pentózofosfátový cyklus-NADPH, pentózy • Hydrolýza – Glc+P→ glykémie  • Syntéza jiných sacharidů • Syntéza ACoA→FA, steroidy • (Zdroj C – E.coli)

9. Produkce potřebného metabolitu v pravý čas a optimálním množství – udržení homeostázy – fascinující vlastnost živých systémů • Louis Pasteur • Zaznamenal zvýšení spotřeby Glc u kvasinek při přechodu z aerobního do anaerobního prostředí → Pasteurův efekt • Nezaznamenáno však signifikantní zvýšení ATP a dalších metabolitů

10. regulační mechanismy působí na různých úrovních, ale vždy jsou založeny na molekulových interakcích • působení informačních a regulačních mechanismů probíhá na dvou úrovních: 1. buněčné = metabolická regulace 2. mnohobuněčného organismu • endokrinní regulace • nervová regulace • imunitní regulace

11. Principy a mechanizmy regulace metabolizmu • Základní principy homeostatických mechanizmů: • Zpětná vazba (feed-back) • Negativní (negative feedback) • Pozitivní (positive feedback) • Adaptivní regulace

12. Negativní zpětná vazba • Pro udržení stability systému významnější negativní ZV • Odchylka hodnoty regulované veličiny (např. glykémie) mimo žádanou hodnotu → reakce vedoucí k upravení na původní hodnotu

13. Pozitivní zpětná vazba • Zvýrazňuje výchylku regulované veličiny • Intracelulární transdukce signálu • Vznik nervového vzruchu (Δψ→ vznik akčního potenciálu)

14. Adaptivní regulace • Umožňuje adaptaci organizmu na změny ve vnějším prostředí • Připravení organizmu v předstihu na působení změn ve vnějším prostředí (anticipace, stresová reakce- glykémie)

15. METABOLICKÁ (INTRACELULÁRNÍ) REGULACE • pro regulace není možné využívat změny p a T, tak jako u chemických reakcí  možnost pouze ovlivňování účinnosti biokatalyzátorů = enzymů  Regulace Ea = hlavní nástroj regulace metabolizmu • enzymová regulace- spočívá v: • ovlivnění aktivity enzymů • ovlivnění biosyntézy enzymů • ovlivnění degradace enzym • kompartmentace buňky

16. OLIVNĚNÍ BIOSYNTÉZY A DEGRADACE ENZYMŮ • Enzymové vybavení buněk zahrnuje: • potenciální soubor enzymů • zahrnuje všechny enzymy, které je buňka schopna produkovat • pro každou buňku je stálý a typický, protože ho určuje její genom • u mikroorganismů se stanovení vybraných enzymů používá k typizaci druhu • aktuální soubor enzymů • zahrnuje enzymy, které jsou za daných podmínek reálně přítomny v buňce • tento soubor je proměnlivý a je do značné míry určován vlivy okolního prostředí

17. Podle odpovědi na působení vnějších činitelů (především substrátů) lze buněčné enzymy rozdělit : • konstitutivní enzymy • tvoří se konstitutivně tzn. za každých podmínek ve kterých je buňka schopná existovat • bez ohledu na složení kultivačního nebo růstového média • bez některého z těchto enzymů by buňka nebyla schopna existence • induktivní = inducibilní = adaptivní enzymy • syntetizují se v důsledku stimulace určitým faktorem vnějšího prostředí (nejčastěji specifickým substrátem) • pro buňku jsou postradatelné

19. Rychlost syntézy E-ů závisí na indukci/supresi strukturního genu TF-y • Aktivita TF může být regulována: • cAMP • Hormony • Metabolity: Glc, FA, AA • (alkohodehydrogenáza-příjem alkoholu, E-y ornitinového cyklu-amoniak) • Řízení degradace enzymů- zatím nejasné (rozpoznání zřejmě založeno na pozměněné konformaci)

20. INTRACELULÁRNÍ PROTEOLYTICKÉ MECHANISMY Proteazomy

21. REGULACE ENZYMOVÉ AKTIVITY • enzymovou aktivitu lze regulovat: • pH •  koncentrace S •  koncentrace koenzymů •  koncentrace aktivátorů a inhibitorů • regulační enzymy - regulují začátek, průběh, ukončení jednotlivých metabolických drah

22. Regulační enzymy • Každá metabolická dráha zahrnuje enzym(y) schopné ovlivnit rychlost toku metabolitů touto dráhou = regulační enzymy • Zvyšují resp. snižují svou katalytickou aktivitu, jako odpověď na určitý signál • Ve většině případů se jedná o první enzym v dané metabolické dráze (nehromadění nepotřebných meziproduktů)

23. Ovlivnění aktivity regulačních enzymů • Reverzibilní • Alosterická regulace- alosterické efektory (modulátory)- zpravidla metabolity popř. kofaktory • Kovalentní modifikace enzymů • Ireverzibilní • Limitovaná proteolýza – trávení, hemokoagulace, aktivace komplementového systému

24. Alosterické enzymy • aktivita je ovlivněna působením alosterických efektorů = modulátorů • alosterický efektor se váže mimo aktivní centrum enzymu a vyvolává konformační změny, což se projeví změnou enzymové aktivity

25. - mají následující vlastnosti (Monod, Wyman, Changeux, Koshland): • jsou multimerní se symetrickým uspořádáním protomerů • jednotlivé protomery mohou, ale nemusí být identické • každý protomer má zpravidla centrum nejen pro vazbu substrátu, ale i pro vazbu alosterického efektoru (ligandu) • konformaci protomeru je částečně ovlivněna interakcí s ostatními protomery • enzym může existovat ve dvou navzájem přeměnitelných stavech, které se liší v interakci mezi jednotlivými protomery (aktivita ligandů pro vazebná centra na protomerech se přitom mění) • molekuly enzymů bez ligandů mají stejnou konformaci • vazba ligandu na protomer způsobuje změnu konformace protomeru

26. vazba alosterického efektoru na alosterické centrum je reverzibilní a nekovalentní • alosterické efektory po vazbě na alosterický enzym způsobují: • inhibici jeho aktivity = negativní efektory = alosterické inhibitory • stimulaci jeho aktivity = pozitivní efektory = alosterické aktivátory

27. podle počtu specifických alosterických efektorů rozlišujeme: • monovalentní enzymy- mají jen jeden specifický alosterický efektor • polyvalentní enzymy – reagují se dvěma popř. více alosterickými efektory, přičemž každý z nich má specifické vazebné místo

28. enzymová aktivita alosterických enzymů je ovlivňována následujícími mechanismy: • heterotropní mechanismus – efektor = modulátor má jinou strukturu jako substrát • homotropní mechanismus- funkci modulátoru zde plní substrát

29. Zpětnovazebná inhibice • Bakteriální threonin dehydratáza • Heterotropní alosterická inhibice • Izoleucin se neváže do aktivního centra

30. Kinetika alosterických enzymů Vliv pozitivního resp. negativního alosterického efektoru Homotopní enzym-substrát pozitivní modulátor

31. Kovalentní modifikace enzymu

32. Nukleotidylace Fosforylace

33. Limitovaná proteolýza

34. Limitovaná proteolýza