Презентация на тему Общие аспекты регуляции

в организме. Под термином метаболический путь подразумевается последовательность реакций, приводящих к

образованию определенного продукта. Соединения, образующиеся в ходе превращений, называют метаболитами. Изучение отдельных путей выделяют для удобства. В действительности метаболические пути связаны между собой в сети общими промежуточными продуктами и необходимостью обращения коферментов. В клетке коферменты присутствуют в низких фиксированных концентрациях, поэтому для функционирования метаболических путей необходима их постоянная регенерация.

которые предназначены для биосинтезов, и пути катаболизма, которые ведут

к расщеплению сложных молекул. Хотя катаболические и анаболические пути во многом различаются, они тесно связаны друг с другом. Связь между ними обеспечивает оптимальный уровень метаболизма. Катаболизм и анаболизм — это сопряженные взаимодополняющие процессы.
Энергия и метаболизм. Живые системы требуют постоянного притока энергии для своей жизнедеятельности. В отсутствие энергии клетку можно сравнить с неработающей машиной. Жизнь, рост, целостность клетки зависят от пищи не только как источника углерода, азота, фосфора и других необходимых элементов, но также как источника энергии.

энергии, связаны между собой. Центральную роль в этой взаимосвязи

выполняет АТФ — основное высокоэнергетическое соединение клетки. Роль АТФ в клеточной энергетике можно определить следующим образом:
— химическая энергия, освобождаемая в процессе катаболизма, запасается путем фосфорилирования АДФ с образованием АТФ;
— энергия АТФ затем используется за счет расщепления макроэргических связей АТФ в ходе эндергонических реакций синтеза и других процессов, требующих затрат энергии, например активного транспорта (рис. 1).
АТФ часто рассматривается как энергетическая валюта. Важно понимать, что АТФ — это не вид энергии, а форма запасания энергии, получаемая при деградации сложных молекул. Пример рециркуляции АТФ приведен на рис.2.

протекание того или иного метаболического пути со скоростью, необходимой

для удовлетворения физиологических потребностей организма, только некоторые играют ключевую роль в регуляции. Это, во-первых, как правило, ферменты одной из начальных стадий цепи превращений, обязательно необратимой. Во-вторых, регуляторной функцией часто наделены ферменты, находящиеся в точках разветвления метаболических путей.
Кроме того, регуляторные ферменты часто катализируют самые медленные (лимитирующие) стадии метаболического пути. Активность ферментов в этих ключевых точках определяет скорость метаболизма и может регулироваться в основном тремя способами.

на изменения условий среды, выражающиеся в изменении концентрации промежуточных

продуктов или коферментов. Например, увеличение потребности клетки в АТФ приводит к повышению скорости гликолиза в мышечных клетках. Энергетический запас клетки определяется как отношение:

Скорость катаболизма глюкозы обратно пропорциональна энергетическому запасу клетки вследствие противоположности влияния АДФ + АМФ или АТФ на регуляторные ферменты гликолиза. Аллостерическая регуляция ферментов является основным способом регуляции метаболических путей.
Отрицательная обратная связь. В простейших саморегулирующихся системах увеличение концентрации конечного продукта подавляет его синтез на ранних стадиях

конечного продукта подавляет его синтез на ранних стадиях
Положительная и

отрицательная обратные связи

дальнейшее превращение, например, переход в запасные вещества. Вещество запасается

только тогда, когда его количество превосходит потребности метаболического пути.
Ковалентная модификация ключевых ферментов может осуществляться под влиянием внеклеточных воздействий (гормонов) и приводить как к активации, так и к ингибированию ферментов. В этом случае метаболизм клетки изменяется таким образом, чтобы соответствовать в большей мере потребностям организма, чем потребностям самой клетки. Ковалентная модификация обычно осуществляется путем фосфорилирования — дефосфорилирования. Фосфорилирование катализируют протеинкиназы. Соответствующие им фосфатазы дефосфорилируют фермент и, следовательно, отменяют результаты фосфорилирования. Количество фосфорилированных форм фермента зависит от соотношения активностей киназы и фосфатазы.

ферментов и, значит, скорости метаболизма. Подобным способом обеспечиваются долговременные,

адаптивные изменения метаболизма. Индукция и репрессия синтеза ферментов могут происходить в клетках в результате влияния на них некоторых гормонов.

химические посредники (мессенджеры). Они секретируются одним типом клеток в

ответ на определенные стимулы (сигналы) и оказывают воздействие на метаболизм клеток другого типа. Например, клетки островков Лангерганса поджелудочной железы секретируют гормон глюкагон в ответ на снижение концентрации глюкозы в крови. Глюкагон стимулирует распад гликогена в клетках печени и поступление запасенной глюкозы в кровь.

при очень низких концентрациях (10-6 – 10-10 моль/л). С химической точки

зрения гормоны можно разделить на три группы: 1) гормоны — производные аминокислот, 2) белково-пептидные гормоны, 3) стероидные гормоны. Гормоны оказывают свое действие, связываясь со специфическими рецепторами, располагающимися либо на поверхности мембраны клетки, либо в цитозоле. Связывание с рецепторами – обязательный этап в действии гормона. Белково-пептидные гормоны и гормоны — производные аминокислот являются гидрофильными веществами, и проникновение их через плазматическую мембрану, состоящую из липидного бислоя, затруднено или невозможно. Рецепторы таких гормонов находятся на наружной поверхности плазматической мембраны. Гормоны связываются с рецепторными белками тех участков мембран клеток-мишеней,которые контактируют с окружающей средой, что, в свою очередь, активирует ферментную систему, отвечающую за образование вторичного (внутриклеточного) посредника.

пусковым моментом для изменения метаболизма, осуществляемого обычно путем фосфорилирования

белков. Роль вторичных посредников могут выполнять цАМФ, цГМФ, инозитолтрифосфат, диацилглицерол, Ca2+. Наиболее распространенным и хорошо изученным вторичным посредником является циклический 3',5'-аденозинмонофосфат (цАМФ). Связывание гормона с рецептором активирует аденилатциклазу и, следовательно, ведет к повышению внутриклеточной концентрации цАМФ, что сопровождается увеличением скорости фосфорилирования белка. Наличие каскада ферментативных реакций между связыванием гормона с рецептором и изменением метаболизма позволяет значительно усилить первичное воздействие гормона. При участии аденилатциклазной системы реализуются эффекты сотни различных по своей природе сигнальных молекул — гормонов, нейромедиаторов, эйкозаноидов.

— рецептор сигнальной молекулы, которая активирует аденилатциклазу, Ri — рецептор сигнальной

молекулы, которая ингибирует аденилатциклазу; Gs — стимулирующий и Gi — ингибирующий аденилатциклазу белок; ферменты аденилатциклаза (АЦ) и протеинкиназа А (ПКА).
Последовательность событий, приводящих к активации аденилатциклазы:
связывание активатора аденилатциклазной системы, например гормона (Г) с рецептором (Rs), приводит к изменению конформации рецептора и увеличению его сродства к Gs-белку. В результате образуется комплекс [Г][R][G-ГДФ];
присоединение [Г][R] к G-ГДФ снижает сродство α-субъединицы Gs-белкак ГДФ и увеличивает сродство к ГТФ. ГДФ замещается на ГТФ;
это вызывает диссоциацию комплекса. Отделившаяся субъединица α, связанная с молекулой ГТФ, обладает сродством к аденилатциклазе:
[Г][R][G — ГТФ] → [Г][R] + α-ГTФ+ βγ;

и его активации, увеличивается скорость образования цАМФ из АТФ;
конформационные

изменения в комплексе [α-ГТФ][АЦ] стимулируют повышение ГТФ — фосфатазной активности α-субъединицы. Протекает реакция дефосфорилирования ГТФ, и один из продуктов реакции — неорганический фосфат (Рi) отделяется от α-субъединицы; скорость гидролиза определяет время проведения сигнала;
образование в активном центре α-субъединицы молекулы ГДФ снижает его сродство к аденилатциклазе, но увеличивает сродство к β- и γ-субъединицам. Gs-белок возвращается к неактивной форме;
если рецептор связывается с новой молекулой активатора, например гормоном, цикл функционирования Gs белка повторяется.

соединяться с регуляторными субъединицами ПКА. Присоединение цАМФ к регуляторным

субъединицам (R) вызывает диссоциацию комплекса С2R2 на комплекс цАМФ4 R2 и С + С. Субъединицы С представляют собой активную форму протеинкиназы А.
Активная протеинкиназа А фосфорилирует специфические белки по серину и треонину, в результате изменяются конформация и активность фосфорилированных белков, а это приводит к изменению скорости и направления регулируемых процессов в клетке.
Концентрация цАМФ в клетке может изменяться, она зависит от соотношения активностей ферментов аденилатциклазы и фосфодиэстеразы.
Большую роль в регуляции внутриклеточной сигнальной системы играет белок АКАРs. «Заякоренный» белок АКАРs участвует в сборке ферментных комплексов, включающих не только протеинкиназу А, но и фосфодиэстеразу и фосфопротеинфосфатазу.

белка: R (рецептор), фосфолипазу С и Gplc — белок, активирующий

фосфолипазу С, а также белки и ферменты мембран цитозоля, участвующие в связывании и транспорте Са2+.
Последовательность событий, приводящих к активации фосфолипазы С:
связывание гормона с R приводит к изменению его конформации и увеличению сродства к Gplc;
образование комплекса [Г][R][ Gplc –ГДФ]приводит к снижению сродстваα-протомераСplc-белкак ГДФ и увеличению сродства к ГТФ. ГДФ заменяется на ГТФ.

С и активирует ее. Субстратом этого фермента является фосфатидилинозитолбисфосфат

(ФИФ2).
В результате гидролиза ФИФ2 образуется и выходит в цитозоль гидрофильное вещество инозитолтрифосфат(ИФ-3). Другой продукт реакции, диацилглицерол (ДАГ), остается в мембране и участвует в активации фермента протеинкиназы С (ПКС).
ИФ-3 связывается со специфическими центрами Са2+-каналамембраны ЭР, он изменяет конформацию и канал открывается — Са2+ поступает в цитозоль. В отсутствие в цитозоле ИФ-3 канал закрыт.

скорость взаимодействия Са2+ с неактивным цитозольным ферментом протеинкиназой С и

белком кальмодулином, таким образом сигнал, принятый рецептором клетки, раздваивается.
Изменение конформации [ПКС][Са2+] увеличивает сродство центров связывания фермента к липидам клеточной мембраны — ДАГ и фосфатидилсерину (ФС). На внутренней стороне мембраны образуется ферментный комплекс — [ПКС][Са2+] [ДАГ] [ФС] — активная протеинкиназа С, которая меняет активность специфических ферментов, фосфорилируя их по серину и треонину.
В клетках тканей присутствует белок кальмодулин, который функционирует как внутриклеточный рецептор Са2+, он имеет 4 центра для связывания Са2+. Комплекс [кальмодулин][4Са2+] не обладает ферментативной активностью, но взаимодействие комплекса с различными белками и ферментами приводит к их активации.

исходного уровня работают системы Са2+-АТФаз и транслоказ (антипорт).
При повышении

в клетке концентрации Са2+ увеличивается активность Са2+-АТФазы (Е):
это приводит к активации аутофосфорилирования и образованию фосфорилированной формы Са2+-АТРазы (Е-Р);
аутофосфорилирование вызывает изменение конформации Са2+-АТФазы,снижение ее сродства к Са2+ и высвобождение ионов по другую сторону мембраны.

[кальмодулин][4Са2+];
ПКА (фосфорилированием);
ПКС (фосфорилированием), а также зависит от структуры и

состава липидного бислоя мембраны.
Присутствующие в цитозоле ИФ-3 и ДАГ в мембране могут в результате серии реакций опять превращаться в ФИФ2. Активная ПКС стимулирует образование ФИФ2. 

собой тирозиновую протеинкиназу (ТП), то есть протеинкиназу, фосфорилируюшую белки

по ОН-групп амтирозина. Рецептор состоит из 2 α- и 2β-субъединиц, связанных дисульфидными связями и нековалентными взаимодействиями, α- и β-субъединицы являются гликопротеинами с углеводной частью на наружной стороне мембраны. Вне мембраны находятся α-субъединицы. Центр связывания инсулина образуют N-концевые домены α-субъединиц, a β-субъединицы пронизывают мембранный бислой и не участвуют в связывании инсулина.

на внутриклеточных доменах β-субъединиц. Присоединение инсулина к центру связывания на

α-субъединицах активирует аутофосфорилирование β-субъединиц, причем субстратом служит сама ТП. β-субъединицы фосфорилируются по нескольким тирозиновым остаткам. Это, в свою очередь, приводит к способности ТП фосфорилировать и другие внутриклеточные белки. Активация и изменение специфичности обусловлены конформационными изменениями рецептора инсулина после связывания инсулина и аутофосфорилирования.
Фосфорилирование внутриклеточных белков, участвующих в регуляции клеточных процессов, меняет их активность.
Стероидные гормоны являются веществами гидрофобного характера. Они легко преодолевают фосфолипидный барьер мембран и попадают в цитозоль клетки, где связываются с рецепторами. Образующийся комплекс гормон – рецептор перемещается в ядро, взаимодействует с хроматином и стимулирует или репрессирует транскрипцию определенных генов. Некоторые гормоны взаимодействуют с рецепторами, локализованными в ядре в составе хроматина. Таким образом, эти гормоны регулируют метаболические процессы, изменяя скорость биосинтеза ключевых белков.