Serwisy internetowe Uniwersytetu Warszawskiego Nie jesteś zalogowany | zaloguj się


Biochemia D/Wykład 12

Witamy na wiki Wydziału Biologii Uniwersytetu Warszawskiego

Spis treści

REGULACJA AKTYWNOŚCI ENZYMATYCZNYCH W KOMÓRKACH

Aktywność określonego enzymu w komórce jest funkcją:

  • Stężenia tego enzymu w komórce (liczby cząsteczek E przypadającą na objętość komórki)
  • Sprawności katalitycznej enzymu ? mierzymy ją aktywnością molową (liczba moli substratu, którą 1 mol enzymu jest w stanie przekształcić w ciągu 1 sekundy)

Stosowane jest również pojęcie liczby obrotów, która również charakteryzuje sprawność kataboliczna enzymu. Jest to liczba cząsteczek substratu przekształconych przez 1 cząsteczkę enzymu w ciągu 1 minuty.

Między aktywnością molową a liczbą obrotów jest prosta zależność:

Liczba obrotów/60 = aktywność molowa

Aktywność molowa może się bardzo różnić. Wyjątkowo ?nieudany? enzym to karboksylaza rybulozo difosforanowa (uczestniczy w fotosyntezie). Katalaza jest enzymem o bardzo wysokiej sprawności katalitycznej

Aktywność enzymu w komórce może być regulowana poprzez:

  • Regulację ilości enzymu w komórce
  • Regulację sprawności katalitycznej enzymu (może ona zależeć od pewnych czynników)

Szlak metaboliczny w komórce:

Image:12.W.czesc1 html 19b27d27.png

  • Substrat przekształca się poprzez metabolity A - E w produkt;
  • Szlak nie rozgałęziony: jedna substancja może się przekształcić tylko i wyłącznie w drugą;
  • Na szlaku metabolicznym mamy pewną ilość reakcji odwracalnych (?G jest zbliżona do 0) i nieodwracalnych (wysoce ujemna wartość ?G) np. wiele reakcji hydrolizy;
  • Praktycznie wszystkie reakcje zachodzące w komórkach są katalizowane przez enzymy;
  • Szybkość syntezy produktów (zakładając, że stężenie substratu jest stałe) będzie zależała od aktywności enzymów. Różne enzymy katalizujące reakcje na danym szlaku metabolicznym zwykle mają inną aktywność. Zazwyczaj niektóre występują w niedomiarze w stosunku do innych i to one podlegają procesom regulacyjnym => są to enzymy regulatorowe, kluczowe dla danego szlaku metabolicznego.

Ogólne własności enzymów regulatorowych:

  • Zazwyczaj katalizują jedną z pierwszych nieodwracalnych reakcji szlaku;
    • Reakcję charakterystyczną dla danego szlaku
    • Najłatwiej regulować reakcje nieodwracalne ? one nadają kierunek przepływowi metabolitu przez dany szlak
  • Ich aktywność jest zwykle limitująca (?wąskie gardło? szlaku)
  • Ich aktywność może być modulowana poprzez:

- regulację stężenia w komórce

- regulacją sprawności katalitycznej ( liczba obrotów, aktywność molowa)

  • Modulacja zachodzi na zasadzie sprzężeń zwrotnych.

REGULACJA AKTYWNOŚCI ENZYMU REAKCJI A ? B

Image:12.W.czesc1 html 4d79297a.png

  • Regulacja odbywa się w ten sposób, że pojawienie się dużych ilości substratu działa aktywująco, powoduje zwiększenie aktywności tego enzymu.
  • Końcowe produkty hamują aktywność tego enzymu
  • Taka sytuacja może mieć różne podłoże molekularne

Regulacja stężenia enzymu w komórce:

PROKARIONTY:

  • Regulacja poziomu syntezy określonych enzymów jest związana ze specyficzną operonową organizacją genów kodujących odpowiednie enzymy.
  • Poziomem, na którym następuje regulacja biosyntezy enzymów jest poziom transkrypcyjny

REGULACJA SYNTEZY ENZYMÓW NA POZIOMIE TRANSKRYPCYJNYM U PROKARIOTA

  • Enzymy katalizujące określony szlak metaboliczny zwykle są zablokowane i transkrypcja takiego zablokowanego odcinka prowadzi do syntezy policistronowego mRNA zawierającego informacje o wszystkich enzymach wchodzących w skład danego szlaku
  • W skład operonu wchodzi jeszcze odcinek zwany promotorem, który nie ulega transkrypcji, ale który jest potrzebny aby zapoczątkować transkrypcję genów struktury, które kodują określone białka enzymatyczne
  • Jest tam zwykle niezaktywowany odcinek ? operator, do którego przyłącza się polimeraza RNA po to aby móc rozpocząć transkrypcje odcinka zawierającego cechy strukturalne
  • W skład operonu wchodzi jeszcze gen regulatorowy, który może znajdować się dosyć daleko od pozostałych genów; jego ekspresja jest konstytutywna ? prowadzi do syntezy specyficznego mRNA które w wyniku translacji daje białko regulatorowe, które może, oddziaływując z rejonem operatorowym, albo hamować albo stymulować transkrypcję określonego odcinka strukturalnego danego operonu (kontrola negatywna lub pozytywna)

FUNKCJONOWANIE OPERONU LAKTOZOWEGO u E. coli (KONTROLA NEGATYWNA)

Geny strukturalne:

  •  ? ? galaktozydaza rozszczepia laktozę na galaktozę i glukozę
  • Permeaza ? białko, które występuje w błonach komórkowych i jest odpowiedzialne za transport laktozy z przestrzeni zewnątrz komórkowej do komórki
  • Transacetylaza ? uczestniczy w jednym z etapów metabolizmu laktozy
  • Odpowiedni gen regulatorowy syntetyzuje w sposób ciągły, konstytutywny pewne mRNA, które ulegając translacji daje białko regulatorowe (dojrzałe składa się z 4 podjednostek), które w stanie niezmodyfikowanym jest silnym represorem transkrypcji wymienionych genów ? nie ma produkcji odpowiednich białek
  • Jeśli w komórce pojawią się nawet niewielkie ilości laktozy to jej izomer powstający w wyniku procesów zachodzących w komórkach ? aldolaktoza(mogą być również stosowane różne analogi laktozy); gdy nastąpi połączenie laktozy lub jej analoga z białkiem regulatorowym to to białko stanie się nieaktywne ? nie jest w stanie oddziaływać odcinkiem peronowym
  • Jeśli w komórce nie ma laktozy nie są syntetyzowane enzymy potrzebne do rozszczepienia ?????. Tego disacharydu

FUNKCJONOWANIE OPERONU ARABINOZOWEGO (KATABOLICZNEGO) (KONTROLA POZYTYWNA I NEGATYWNA)

  • Arabinoza aby zostać zmetabolizowana najpierw musi zostać ufosforylowana przez kinazę , potem ulec izomeryzacji i epimeryzacji
  • Gen regulatorowy ? ara c ? konstytutywnie syntetyzowane jest odpowiednie mRNA, które prowadzi do syntezy białka regulatorowego, które może występować w 2 postaciach:

- postać podstawowa (P1) ? jest w stanie oddziaływać z rejonem operatorowym operonu arabinozowego (kontrola negatywna)

- jeżeli w komórce pojawi się arabinoza to jest ona w stanie łączyć się z białkiem P1, w wyniku czego następują zmiany konformacyjne i następuje stan P2 i to białko zachowuje powinowactwo do rejonu operatorowego, ale zaczyna stymulować ekspresję genów.

FUNKCJONOWANIE OPERONU TRYPTOFANOWEGO (ANABOLICZNEGO) )(KONTROLA NEGATYWNA)

  • Gen regulatorowy konstytutywnie produkuje odpowiednie mRNA podlegające translacji ? powstaje odpowiednie białko nieaktywne; gdy w komórce stężenie tryptofanu wzrośnie powyżej odpowiedniej granicy, wtedy to białko występuje w postaci połączonej z tryptofanem i w tej postaci białko jest represorem syntezy odpowiednich enzymów zamieniających kw. choryzmowy w tryptofan (kontrola negatywna)

Mechanizmy Operonowe

Są pospolitym mechanizmem regulacji stężenia enzymów u prokariontów. Obok tych bardzo specyficznych mechanizmów występują inne, bardziej generalne:

  • Jeżeli E. coli jest hodowana na pożywce zawierającej glukozę (która jest świetnym źródłem węgla, jest łatwo metabolizowana) to one się przyzwyczajają do tego źródła węgla i po jakimś czasie przestają wytwarzać inne enzymy kataboliczne z wyjątkiem enzymów związanych z katabolizmem glukozy. Gdy takie komórki przeniesiemy na pożywkę głodową to nagle ulegają uruchomieniu rozliczne operony kataboliczne ? pojawia się w komórce wiele enzymów związanych z katabolizmem cukrów i aminokwasów ? komórka stara się jeść to co akurat spotka.
  • Jeśli obniży się stężenie glukozy w pożywce w sposób drastyczny następuje wzrost aktywności enzymu: cyklazy adenylanowej. Rozszczepia on ATP ? odszczepia resztę pirofosforanową , a uwolniona grupa kwasowa łączy się z grupą alkoholową cząsteczki rybozy ? powstaje cykliczny diester, zwany cAMP (3?,5? cykliczny adenozynomonofosforan) Spadek poziomu glukozy w pożywce prowadzi do wzrostu stężenia cAMP
osobiste