Regulace biochemických procesů v živých soustavách

– v buňkách živého organismu dochází neustále k toku látek, informací a energie

– aby zůstalo vnitřní prostředí konstantní, vytvořily se regulační mechanismy, které dokážou zvyšovat rychlost chemických reakcí, které jsou v daném okamžiku nebo v určité situaci pro buňku nejdůležitější, nebo utlumit chemické reakce, jejichž průběh je v dané situaci pro buňku méně významný

– regulační mechanismy fungují na různých úrovních, ale v zásadě je lze rozdělit na intracelulární a neurohormonální

– regulační obvod – regulátor, který zodpovídá za regulaci a nastavuje funkce (efektory) k dosažení požadovaných podmínek

– je uzavřen čidly, která měří skutečnou hodnotu regulované veličiny a průběžně ji hlásí regulátoru, který je porovnává s požadovanou hodnotou

– probíhá v samotném orgánu (autoregulace) nebo přes nadřazený orgán (CNS, endokrinní žláza)

Intracelulární regulace

– zahrnuje regulaci metabolických pochodů v rámci jedné buňky

– dochází k ní syntézou nebo pozměňováním látek, které se účastní určitých pochodů a zároveň je kontrolují

– mezi nejúčinnější mechanismy regulace patří ovlivňování aktivity enzymů. Toho se dosahuje různými sloučeninami, které lze rozdělit na aktivátory a inhibitory enzymů

Neurohormonální dráhy

– hormony – biologicky aktivní látky různého chemického složení > specifické pro určitý orgán

– regulují chemické procesy v buňkách

– tvoří ve specializovaných buňkách nebo tkáních

– na orgánu receptory pro určitý hormon

1. steroidní: pohlavní hormony (testosteron, progesteron, aldosteron)
2. odvozené od AMK (adrenalin, thyroxin)
3. peptidické a bílkovinné povahy (parathormon, insulin, glukagon, oxytocin, somatotropin)
4. glykoproteiny: luteinizační hormon

• dělení dle místa vzniku, působení a charakteru účinků:

1. neurohormony – hormony hypothalamu (liberiny, statiny) a neurohypofýzy (ADH, oxytocin)

  – jsou to peptidy

2. adenotropní hormony – hormony adenohypofýzy (FSH, LH, PRL, TSH, STH, ACTH)

– jsou peptidové povahy

3. žlázové hormony – jsou syntetizované ve žlázách s vnitřní sekrecí
4. tkáňové hormony
5. mediátory

• hormonální soustava – specializuje se na plošné a déletrvající šíření informace

 – řídí výživu, metabolismus, růst, zrání, reprodukci a stálost vnitřního prostředí

 – jako nosiče informací využívá hormony

 – ty jsou vylučovány endokrinními žlázami a rozváděny oběhovým systémem na vzdálená místa

 – nevýhodou hormonální regulace je relativně pomalý přenos informace

• nervová soustava – specializuje se na rychlé a pružné odpovědi, zpětná vazba je téměř okamžitá

– nevýhodou nervového přenosu je energetická náročnost a špatná dostupnost signálu pro větší oblast

– regulace probíhá pomocí neuromediátoru, který je vysypán z váčků poté, co doběhne do terminálního butonu akční potenciál

Enzymy

– biokatalyzátory biochemických reakcí (regulují rychlost fyziologických procesů)

– urychlují průběh biochemických reakcí snižováním aktivační energie, ale neovlivňují jejich rovnováhu

– katalyzátory = z reakce vystupují stejní, jako do ní vstoupili

– účinnější než umělé katalyzátory (Pt, Fe) – 5* 104 molekul substrátu za sekundu

– regulovatelná účinnost > určitá rychlost

– netoxické    

– pracují většinou při mírných podmínkách – určité teplotě, pH

        > např. pepsinogen – zaktivován v žaludku kyselým prostředím na pepsin

– proenzym (zymogen) – neaktivní forma enzymu

– první enzym (sladová amyláza) byl popsán roku 1914, ale dnes je jich známo již několik tisíc, přičemž se počet všech odhaduje na 109 (takto vysoké číslo je způsobeno i tím, že enzymy jsou druhově specifické)

– enzymy = fermenty (fermentace: kvašení – přeměna látek za přítomnosti enzymů; výroba nápojů a potravin – pivo, těsto)

– nacházejí se ve všech systémech; přeměna látek > metabolismus

– v daný okamžik probíhají jen reakce, které jsou pro život organismu výhodné a jen takovou rychlostí, která poskytuje náležité množství produktů té které reakce (udržování homeostázy)

Slinivka břišní: v

• Patologie:

• Cirhóza jater: zhoršená schopnost buněk tvořit enzymy katalyzující proces syntézy močoviny -> vzniká čpavek -> vede k selhání jater
• Karcinomy, infarkty: do krve enzymy, které mají být ve specifické tkáni

• Enzymy:

1. Jednoduché bílkoviny
2. Složené bílkoviny – obsahují bílkovinnou a nebílkovinná část = holoenzym

• bílkovinná část = apoenzym
• nebílkovinná část = kofaktor (nízkomolekulární látka; ne AMK)

• prostetická skupina – pevně vázána (kovalentně)
• koenzym – slabě vázán (např. iontová vazba)

– dokáže se snadno odštěpit, není trvale vázán na jeden enzym-> může přecházet

– struktura: často odvozena od vitamínů (zákl. l. heterocyklus; vázány ve formě nukleotidů- cukr, báze, kys. fosforečná)  

• Specifita:  

1. Účinková – jeden typ chemické reakce, kterou katalyzuje
2. Substrátová – enzym katalyzuje pouze jednu určitou reakci určitého substrátu

– odpovídá za ní apoenzym

• absolutní specifita
• skupinová specifita

• Působí

1. Intracelulární – působí v buňce, kde vznikly (protepsyntézou)
2. Extracelulární – vznik v buňkách, vylučovány do tělních tekutin (mozkomíšní moc, krev); např. pepsinogen

• Názvosloví

• původní koncovka –in  (pepsin)
• dnes –áza (amyláza – co štěpí + áza; lipáza- lipidy)
• systémové názvy: název substrátu + typ reakce

6 tříd enzymů +  podtřída + podpodtřída + pořadové číslo

 

• Třídy enzymů

1. Oxidoreduktázy 

– katalyzují redoxní reakce

– intermolekulární oxidačně-redukční přeměny

– podílejí se na metabolismu sacharidů, dusíkatých a lipidických látek a redoxních procesů v dýchacím řetězci

– složené bílkoviny

– 30% všech enzymů

• Dehydrogenázy – katalyzují redoxní děje pomocí přenosu vodíku
• Oxidázy – odnímají ze substrátu malou skupinu atomů, nejčastěji vodíku a oxidují ho na H2O
• Transelektronázy – katalyzují redoxní děje pomocí e–
• Oxygenázy – přenos O2 do substrátu
• Transhydrogenázy
• Peroxidázy – akceptorem vodíků je H2O2
• Hydrogenázy – přenos H2

2. Transferázy

– přenášejí různé skupiny (alkyl, acyl, NH3, zbytek glukózy) z jedné sloučeniny na jinou

– souvisí s energetikou metabolismu (např. aminotransferázy přenášejí aminoskupiny z AMK na oxokyselinu)

– složené bílkoviny

– 30% všech enzymů

• Fosfotransferázy – katalyzují přenos fosfátového zbytku z ATP a dalších nukleosidtrifosfátů
• Transmetylázy; transaminázy; transacylázy

3. Hydrolázy

– katalyzují hydrolytické štěpení vazeb (které vznikly kondenzací) – esterové, glykosidické a peptidické

– většinou jednoduché bílkoviny

• Lipázy – štěpí tuky na mastné kyseliny a glycerol
• Proteázy – štěpí peptidické vazby v molekulách bílkovin
• Glykosidázy – štěpí glykosidy na di- nebo monosacharidy
• Pepsin; trypsin

4. Lyázy = synthesy

– katalyzují nehydrolytické štěpení a vznik vazeb CO, CC, CN

– štěpí substráty za vzniku dalšího reaktantu.

– je jich velmi málo.

– složené bílkoviny

• Dekarboxylázy – štěpí kyselinu pyrohroznovou na acetaldehyd a CO2

5. Izomerázy

– umožňují vnitromolekulové přesuny atomů nebo skupiny (např . metabolismus sacharidů)

– většinou jednoduché bílkoviny

• Triosofosfátizomeráza – katalyzuje vytvoření rovnováhy mezi glyceraldehydfosfátem a dihydroxyacetonofsfátem

6. Ligázy = syntetházy 

– katalyzují syntézu molekul organických sloučenin za účastí látky uvolňující energii např. ATP

– vznikají energeticky náročné vazby zároveň s rozkladem ATP

– složené bílkoviny

– je jich málo

• Pyruvátkarboxyláza – katalyzuje zabudování CO2 do molekuly pyruvátu za vzniku oxalacetátu v Crabsově cyklu
• Karboxyláza – dekarboxylaci katalyzují lyasy

  – opačný proces vyžaduje dodání energie a realizují jej ligásy

CH3 – C – C = O     + CO2   →   HOOC – CH2 – C – COOH

           ǁ    │                                                 ǁ                              

                   O    OH                                                        O  

Kofaktory

– většinou obsahují heterocyklus; vitamíny nebo jejich deriváty rozpustné ve vodě a zbytek kyseliny fosforečné

• Kofaktory oxidoreduktáz (mění svá oxidační čísla)

1. Nikotinamidadenindinukleotid NAD+

Nikotinamidadenindinukleotdifosfát  NADP+

– molekuly se skládají z nikotinamidového a adeninového nukleotidu propojených prostřednictvím kyseliny fosforečné

– jejich součástí je derivát vitamínu B (kyselina nikotinová- vit. PP)

– odnímají substrátům dva vodíky (jeden H se váže na do polohy 4 na pyridinový kruh nikotinamidu, druhý jako proton na apoenzym)  

+ 2H (2H+ + 2e–)

NAD+       → NADH + H+   (= energií bohaté redukční činidlo)

NADP+ → NADPH + H+

2. Flavinmononukleotid FMN

Flavinadenindinukleotid FAD

– jejich součástí je vitamín B2 (riboflavin)

– prostetická skupina (pevně vázána)

– využívány k redoxním reakcím a přenosem atomů vodíku

– FAD – žlutý, FADH2 – bezbarvý > toho lze využít při sledování reakcí optickými metodami

3. Hem

– prostetická skupina hemoglobinu a myoglobinu

– přenášejí samostatné elektrony

– základ struktury: 4 pyrrolová jádra, která jsou spojená methionovými můstky; uprostřed vázán iont Fe

– Fe – přechází z ox. čísla II a III (přenos elektronů)

4. Ubichinon = koenzym Q (součást dýchacích řetězců)

– Plastochinon (světelná fáze fotosyntézy)

– Cytochromy (součást dýchacích řetězců)

– uplatňují se v elektrontransportním řetězci

• Kofaktory přenášející skupiny atomů

1. ATP

– součást transferáz označovaných jako kinasy

– přenášejí fosforylovou skupinu – PO32-  (za současného odštěpení ADP) nebo méně často difosfátový zbytek (uvolnění AMP)

ATP + S → S-P + ADP

ATP + S → S-P-P + AMP

ATP + S → S-AMP + P-P

ATP + S → S-rib-ade + P + P-P

– dále GTP (guanin), UTP (uracil), CTP (cytosintrifosfát)

2. Adenosylmethionin

– přenos –CH3

3. Koenzym A (CoA; CoASH)

– součást je pantothenová kyselina (jeden z vitamínů B)

– cysteamin – součást koenzymu A ( -NH-CH2-CH2-SH)  

– přenášené acyly se vážou na skupinu SH cysteaminu

4. Tetrahydrofolát

– přenáší jednouhlíkaté štěpy (CH3; CH2OH; CH=O)

5. Thiamindifosfát TPP

– přenáší aktivní acetaldehyd

6. Pyridoxalfosfát

– přenášejí aminovou skupinu

– derivát vitamínu B6 pyridoxinu

7. Biotin

– přenáší aktivovaný CO2

Mechanismus

• Faktory ovlivňující rychlost chemické reakce

• Množství substrátu – rychlost reakce roste, dokud nejsou obsazená všechna aktivní centra
• Množství enzymu – s rostoucím množstvím enzymu roste i rychlost (musí být i dostatek substrátu)
• Teplota – rychlost s teplotou roste až do teploty 50̊C, pak začne klesat (denaturace bílkovin)
• pH prostředí – každý enzym má oblast pH při které působí

• Aktivním centrum

– malá oblast, ve které probíhá enzymová reakce

– skládá se z – vazebného místa, kam se váže substrát (bílkovinná část enzymu)

  – katalytického centra (nebílkovinná část)

– mechanismus – nejprve se substrát nekovalentně váže do vazebného centra – vzniká komplex

 – tím se substrát dostává do těsné blízkosti katalytických skupin, které uskuteční reakci

 – vazba substrátu do aktivního místa se děje na základě komplementarity

• model zámku a klíče – dřívější představa, přesně zapadá

 

• model ruka v rukavici – aktivní místo se může trochu pozměnit při vazbě substrátu

• Řízení aktivity enzymů

– vyžaduje pečlivou regulaci toku látek jednotlivými metabolickými drahami

• Regulace na úrovni syntézy enzymů (represe, indukce)

• Indukce – povoluji tvorbu enzymu
• Represe – zabrzdím tvorbu ezymu (naváže se represor na DNA a nemůže dojít k transkripci)

• Regulace kovalentních modifikací enzymů – změna kovalentní struktury již syntetizovaného enzymu

• Přeměna proenzymu na účinný enzym, ireverzibilní – nezvratné
• Změna aktivity pomocí fosforylace, reverzibilní – zvratné

• Regulace pomocí efektorů

• Aktivátory – vážou se vratně na enzym

 – mohou to být ionty kovů, organické látky

• Inhibitory – ionty, organické i anorganické látky

1. kompetitivní inhibice (soutěžení) – vyvolávají látky, které mají podobnou strukturu jako substrát a

 navážou se na enzym místo něj

  – tvorba tohoto komplexu je vratná

2. nekompetitivní inhibice – většinou ionty těžkých kovů

 – nevratné

3. allosterická inhibice – inhibitor se váže mimo aktivní centrum, ale mění přitom jeho konformaci,

takže se substrát už nemůže navázat

• Mechanismus zpětné vazby – produkt je sám aktivátorem nebo inhibitorem enzymů, které nepomáhaly jeho

tvorbě

        E1      E2    E3     E4     E5 

A → B → C → D → E → F     moc produktu – F = inhibitor E1   

     ↑__________________│          

                                                   E1     E2     E3     E4 

                                               A → B → C → D → E     moc látky A – A=aktivátor E2 

                                               │_____↑                                            

Vitamíny

– nízkomolekulární organické sloučeniny

– esenciální pro některé heterotrofní organismy – přijímají v potravě; nižší autotrofní organismy je vyrábějí sami

– symbiotické bakterie: např escherichia coli – ve střevě, podílí se na tvorbě vitamínu K

– snížený příjem vyvolává funkční poruchy (hypovitaminóza), zvýšený (hypervitaminóza), naprostý nedostatek (avitaminóza)

– názvy: velká písmena, podobné se liší indexem

• dělení dle rozpustnosti

1. Rozpustné v tucích (lipofilní) – A, D, E, K
2. Rozpustné ve vodě (hydrofilní) – B, C, H, PP, kyselina nikotinová

• dělení dle povahy

1. Dusíkaté povahy: aminy
2. Nedusíkaté: A C D E K

Rozpustné v lipidech

Vitamín A (Retinol)

– provitamín A- látka, kterou je organismus schopný přeměnit na aktivní vitamín A (β-karoten v játrech)

– mrkev, kapusta, meruňky

– nedostatek – šeroslepost

Vitamín D (Kalciferol)

– dokážeme vyrobit jen za přítomnosti UV

– D2, D3 – vapenatění kostí (osifikace)

– nedostatek –  křivice

– zdroj: tuky, máslo, mořské ryby

Vitamín E (Tokoferol)

– nedostatek –  nedozrávání spermií, potraty

– zdroj: rostlinné klíčky, máslo, vejce

– antioxidant (zabraňuje oxidaci)

Vitamín K (Fylochinon)

– vliv na srážení krve (tvorba protrombinu)

– zdroj: zelí, květák, luštěniny

– tvoří bakterie ve střevech

Rozpustné ve vodě

Vitamín C (kyselina L-askorbová)

– cukerné povahy

– neumí vyrobit: člověk, opice, morče

– tvorba a udržení vaziva, zubovina

– zvyšuje krvácivost

– obsažený v čerstvých plodech

– varem a stykem s kovy dojde k jeho zničení

– nedostatek – kurděje

– oxidací vzniká kyselina L-dehydroaskorbová

Vitamín H (Biotin)

– v lidských střevech jsou mikroorganismy, které syntetizují biotin

– součást enzymů karboxyláz a enzymů katalyzujících přeměnu sacharidů

– nedostatek – spavost a kožní problémy

Vitamín  B1 (Thiamin)

– umožňuje odštěpování CO2

– nezbytný pro kůži a nervovou soustavu

– obsažen v celozrnné mouce a slupkách

– nedostatek – ochrnutí, nemoc Beri-beri – jedí jen loupanou rýži

Vitamín B2 (Riboflavin)

– strukturní základ FAD a FMN

– obsažen v rajčatech, listové zelenině

– nedostatek – poškození sliznic a kůže, zánět spojivek, praskání ústních koutků

Vitamín B5 (Kyselina pantothenová)

– účastní se aktivace karboxylových kyselin

– nedostatek – poruchy metabolismu

Vitamín B6 (Pyridoxin)

– obsažen v kvasnicích, játrech, listové zelenině

– součást enzymu katalyzující přeměnu AMK

– nedostatek – deprese, svalová slabost

Vitamín B12 (Kobalamin)

– metabolismus bílkovin a nukleových kyselin

Vitamín PP (Kyselina nikotinová)

– základ NAD+  a NADP+

– nedostatek – poruchy trávení