Regulacija metabolizma

Biohemija 2011/12

Prof. 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 za

izgradnju makromolekula i celiskih komponenti

• 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

Alosterna kontrola

• alosterni aktivator/inhibitor

• vezuje se za enzim (ali ne za aktivno mesto)

• promovise ili inhibira enzimsku aktivnost

drugo mesto

Alosterna aktivacija

supstrat

alosterni efektor

Alosterna inhibicija

supstrat

alosterni efektor

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 4enzim 2enzim 3

enzim

1

enzim 5

krajnji

proizvodsupstrat

Promene u celiji, kao rezultat

specificne aktivnosti, prekidaju

aktivnost koja je dovela do

te promene

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

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)

Tipovi regulatornih mehanizama

• nekovalentne interakcije

– alosterna modulacija enzima

– protein-protein interakcija

• kovalentne modifikacije enzima

• promene u zastupljenosti enzima

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

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

Figure 14-11

Redukcija NAD+ ili NADP+ do

NADH ili NADPH

Figure 14-13 part 2

Redukcija FAD u FADH2

Pregled

oksidacionih

puteva katabolizma

biomolekula

D-Glukoza

C OHH

C

C

HO H

OHH

C

CH

O

CH2OH

OHH

C

C

O

O

O-

CH3

ATP

fosfoglukozo izomeraza

heksokinaza(glukokinaza u jetri)

ADP

fosfofruktokinaza-1

Glukozo 6-P Fruktozo 6-P

Fruktozo 1,6-bisP

Gliceraldehid 3-P

1,3-bisfosfoglicerat

3-Fosfoglicerat2-FosfogliceratFosfoenolpiruvatPiruvat

piruvatkinaza

enolaza mutaza

fosfoglicerat kinaza

gliceraldehid 3-fosfatdehidrogenaza

triozofosfat izomerazaaldolaza

Dihidroksiaceton fosfat

NAD+

Pi

NADH + H+

H2OADPATP

ATP ADP

P

C

CH2OH

CH

O

OHH

C

C

C

HO H

OHH

C

CH2O

CH2O

OHH

O

P

C OHH

C

C

HO H

OHH

C

CH

O

CH2O

OHH

P

C

CH2

C

O

O

O-

P

C

CH2OH

CH2O

O

P

P

C

CH2O

C

H OH

O

O

ADP

ATP

C

CH2O

C

H OH

O

O-

P

PC

CH2OH

C

H O

O

O-

C

C

C

HO H

OHH

C

CH2OH

CH2O

OHH

O

P

P

P

Glikoliza

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

Glukozo 6-P

glukozo-6-fosfat dehidrogenaza

6-Fosfoglukono lakton 6-FosfoglukonatRibulozo 5-P

C OHH

C

C

OHH

CH2O

OHH

C

H OCH2OH

C

C

C

HHO

OHH

O

C

C

H OH

OHH

CH2O

C

C

CH2O

OH +H

HO

Ribozo 5-P

Ksilulozo 5-P

6-fosfo glukonolaktonoza

fosfoglukonat dehidrogenaza

transketolaza

ribulozo 5-fosfat izomeraza

ribulozo 5-fosfat epimeraza

Sedoheptulozo 7-Ptransaldolaza

Gliceraldehid 3-P

Eritrozo 4-P

transketolaza

33 3

C OHH

C

C

HO H

OHH

C

CH

O

CH2O

OHH

P

C OHH

C

C

HO H

OHH

C

C

O

CH2O

H

O

P

3NADP+

3NADPH + 3H+

3H2O3H+

3

2

OKSIDACIONA FAZA

NEOKSIDACIONA FAZA

C

C

OH

HHO

H

C

C

O-O

C

OHH

CH2O

OHH

P

3NADP+

3NADPH + 3H+

3CO2

P

CH2OH

C

C

C

OHH

CH2O

OHH

O

P

P

P

P

C OH+ H

C

CH2O

OHH

C

H O

CH2OH

C

C

C

HHO

CH2O

OHH

O

P

P

Fruktozo 6-P

CH2OH

C

C

C

HHO

OHH

O

CH OH

CH2O

P

Fruktozo 6-P

CH2OH

C

C

C

HHO

OHH

O

CH OH

CH2O

C

C

CH2O

OH + H

HO

Gliceraldehid 3-P

P

Pentozofosfatni

put

Oksidativna dekarboksilacija piruvata

E1: piruvat dekarboksilazaoksidativna dekarboksilacija piruvata

E2: dihidrolipoil transacetilazatransfer acetil grupe sa TPP na lipoicnu kiselinu

E3: dihidrolipoil dehidrogenazatransfer acetil grupe na CoA, transfer elektrona sa redukovane lipoicne kiseline na NADH

TCA

Aktivacija masnih

kiselina i

ulazak u

mitohondrije

Acil-CoA

trans ∆2 enoil-CoA

β-Keto acil-CoA

acil-CoAdehidrogenaza

FAD

CH2 CH CH C SCoA

O

CH3

CH3 CH2 CH2 CH2 C SCoA

O

FADH2

CH3 CH2 CH CH2 C SCoA

OOH

CH3 CH2 CH CH2 C SCoA

OO

CH3 CH2 C SCoA +

O

C SCoA

O

CH3

β-keto tiolaza

β-hidrokis acil-CoAdehidrogenaza

enoil-CoA hidrataza

L−β-Hidroksi acil-CoA

Acil-CoA Acetil-CoA

NAD

NADH + H+

CoASH

β-Oksidacija H2O

Mitohondrijski matriks

C=n

C=n-2

Spiralni put

Elektron transportni lanac

Elektron transportni lanac

(2C atoma kraci)'

Oksidacija

masnih kiselina

Aceton Acetoacetat ββββ-Hidroksibutirat

Neenzimskareakcija

C

O

CH2

CH3

COO-

CH3

C

CH3

O HC

CH2

COO-

CH3

OH

CO2

β-hidroksibutiratdehidrogenaza

NADH + H+ NAD+

Ketonska tela

C SCoA +

O

CH3 C SCoA

O

CH3

C

SCoA

O

CH2

C

OH

CH2CH3 C

O

O-

2 Acetil-CoA

CH CH2CH3 C

O

O-

O

CH CH2CH3 C

O

O-

OH

C CH3CH3

O

Acetoacetil-CoA

ββββ-Hidroksi-ββββ-metilglutaril-CoA (HMG-CoA)

Acetoacetat

Aceton D-ββββ-Hidroksibutirat

HMG-CoA sintaza

HMG-CoA liaza

D-β-hidroksibutirat dehidrogenaza

tiolazaCoA-SH

Co-ASH

C SCoA

O

CH3

SpontanoNADH + H+

NAD+

Acetil-CoA

C

O

CH2

CH3

C

SCoA

O

CO2

Ketogeneza

C

O

CH2

CH3

COO-

HC

CH2

COO-

CH3

OH β-hidroksibutirat

dehidrogenaza

NAD+

Sukcinat

ββββ-Hidroksibutirat

NADH + H+

Acetoacetat

Acetoacetil-Co-A

Sukcinil-Co-A

β-ketoacil-Co-A transferaza

Acetil-Co-A Acetil-Co-A

Krebsov ciklus

Koriscenje ketonskih tela

Malat-aspartat šatl

Glicerol 3-fosfat

šatl

Elektron transportni lanac i oksidativna fosforilacija

Deo energije

gradijenta

koncentracije H+ jona

se koristi za

generisanje toplote

Metabolizam aminokiselina

Glukogene aminokiseline

Ketogene aminokiseline

transaminaza

Amino kiselina1 α-Ketokiselina1

α-Ketokiselina2 Amino kiselina2

αααα-Ketoglutarat Glutamat

aspartattransaminaza

(AST)

Aspartat Oksalacetat

COO-

C

CH2

O

COO-

COO-

C

CH2

O

CH2

COO-

COO-

C

CH2

COO-

HH3N+

COO-

C

CH2

CH2

COO-

HH3N+

Transaminacija

Oksidativna deaminacija glutamata

Sinteza karbamoil fosfata

Citosol

Mitohondrija

CH2

C

CH2

CH2NH2

COOH

NH2H

CH2

C

CH2

CH2

COOH

NH2H

NH

C O

NH2

C O P O-H2N

OO

O -

CO2 + H2O

Pi

HCO3- + NH4

+

2 ATP

2 ADP + Pi

carbamoil fosfat sintaza I (CPSI)

ornitin transkarbamoilaza

Citrulin

Ornitin

Karbamoil fosfat

Urin

CH2

C

CH2

CH2NH2

COOH

NH2H

CH2

C

CH2

CH2

COOH

NH2H

NH

C O

NH2

Ornitin

Citrulin

Aspartat

Arginin

CH2

C

CH2

CH2

COOH

NH2H

NH

C NH

NH2

CH2

C

CH2

CH2

COOH

NH2H

NH

C NH

NH

CH

COOH

CH2

COOH

HC

CH

COOH

COOH

CH2

COOH

CH2N H

COOH

Argininosukcinat

Fumarat

ATP AMP + PPi

H2O

C O

NH2

NH2

Urea

arginaza

argininosukcinatliaza

argininosukcinatsintetaza

Ciklus uree

Metabolizam

hema

Table 14-3

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