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

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 metabolizmu metabolické dráhy z pohledu regulací umělé členění vzájemná integrace těchto drah

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)

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

1. buněčné = metabolická regulace 2. mnohobuněčného organismu 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

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

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

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

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

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

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

induktivní = inducibilní = adaptivní enzymy 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

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)

INTRACELULÁRNÍ PROTEOLYTICKÉ MECHANISMY Proteazomy

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

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)

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

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

- 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

alosterické efektory po vazbě na alosterický enzym způsobují: 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

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

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

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

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

Kovalentní modifikace enzymu

Nukleotidylace Fosforylace

Limitovaná proteolýza

Limitovaná proteolýza