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
- steroidní: pohlavní hormony (testosteron, progesteron, aldosteron)
- odvozené od AMK (adrenalin, thyroxin)
- peptidické a bílkovinné povahy (parathormon, insulin, glukagon, oxytocin, somatotropin)
- glykoproteiny: luteinizační hormon
- dělení dle místa vzniku, působení a charakteru účinků:
- neurohormony – hormony hypothalamu (liberiny, statiny) a neurohypofýzy (ADH, oxytocin)
– jsou to peptidy
- adenotropní hormony – hormony adenohypofýzy (FSH, LH, PRL, TSH, STH, ACTH)
– jsou peptidové povahy
- žlázové hormony – jsou syntetizované ve žlázách s vnitřní sekrecí
- tkáňové hormony
- 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:
- Jednoduché bílkoviny
- 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:
- Účinková – jeden typ chemické reakce, kterou katalyzuje
- Substrátová – enzym katalyzuje pouze jednu určitou reakci určitého substrátu
– odpovídá za ní apoenzym
- absolutní specifita
- skupinová specifita
- Působí
- Intracelulární – působí v buňce, kde vznikly (protepsyntézou)
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- Izomerázy
– umožňují vnitromolekulové přesuny atomů nebo skupiny (např . metabolismus sacharidů)
– většinou jednoduché bílkoviny
- Triosofosfátizomeráza – katalyzuje vytvoření rovnováhy mezi glyceraldehydfosfátem a dihydroxyacetonofsfátem
- 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)
- 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+
- 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
- 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)
- Ubichinon = koenzym Q (součást dýchacích řetězců)
– Plastochinon (světelná fáze fotosyntézy)
– Cytochromy (součást dýchacích řetězců)
– uplatňují se v elektrontransportním řetězci
- Kofaktory přenášející skupiny atomů
- 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)
- Adenosylmethionin
– přenos –CH3
- 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
- Tetrahydrofolát
– přenáší jednouhlíkaté štěpy (CH3; CH2OH; CH=O)
- Thiamindifosfát TPP
– přenáší aktivní acetaldehyd
- Pyridoxalfosfát
– přenášejí aminovou skupinu
– derivát vitamínu B6 pyridoxinu
- 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
- kompetitivní inhibice (soutěžení) – vyvolávají látky, které mají podobnou strukturu jako substrát a
navážou se na enzym místo něj
– tvorba tohoto komplexu je vratná
- nekompetitivní inhibice – většinou ionty těžkých kovů
– nevratné
- 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
- Rozpustné v tucích (lipofilní) – A, D, E, K
- Rozpustné ve vodě (hydrofilní) – B, C, H, PP, kyselina nikotinová
- dělení dle povahy
- Dusíkaté povahy: aminy
- 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