INTEGRACJA I REGULACJA METABOLIZMU
W komórkach organizmów (szczególnie wyższych), w macierzy pozakomórkowej, a nawet w płynach biolo-
gicznych zachodzi równocześnie ogromna - niewyobrażalnie wysoka - liczba reakcji.
Istnieją dwa główne powody, dla których jest to możliwe.
Pierwszy to „kompartmentyzacja” komórki, czyli podział jej wnętrza na szereg przedziałów, oddzielonych od
siebie błonami biologicznymi.
Sprawia to, iż procesy zachodzące w jednym przedziale nie utrudniają przemian zachodzących w innych
przedziałach.
Drugi powód to precyzyjna regulacja procesów metabolicznych poprzez różne - niżej opisane - mechanizmy,
sterowane przez układ nerwowy i hormonalny.
Katabolizm i anabolizm
Procesy metaboliczne funkcjonujące w organizmie dzielą się na dwie główne grupy.
Równolegle funkcjonują szlaki: kataboliczne (degradujące) i anaboliczne (syntetyzujące).
Procesy kataboliczne powodują rozpad związków złożonych, takich jak białka, kwasy nukleinowe, polisa-
charydy, lipidy do kilku związków prostych, jak CO
2
, NH
3
, H
2
O, mocznik lub kwas moczowy.
Procesy anaboliczne prowadzą do powstania związków złożonych z prostych substratów.
Katabolizm
Celem procesów katabolicznych jest:
-
uwolnienie energii z substratów energetycznych i zmagazynowanie jej w postaci ATP,
-
przekształcenie składników pokarmowych lub elementów składowych tkanek w postać użytecz-
ną do syntezy związków złożonych.
Procesami katabolicznymi są przede wszystkim:
-
proteoliza - uwalniająca aminokwasy z białek,
-
hydroliza kwasów nukleinowych wraz z deaminacją i utlenieniem zasad purynowych i pirymi-
dynowych,
-
lipoliza - powodująca rozkład acylogliceroli do glicerolu i kwasów tłuszczowych,
-
glikogenoliza - polegająca na rozpadzie glikogenu do glukozo-1-fosforanu,
-
β-oksydacja kwasów tłuszczowych - prowadząca do ich rozpadu na fragmenty dwuwęglowe (ace-
tylo~S-CoA),
-
glikoliza i oksydacyjna dekarboksylacja pirogronianu - prowadzące do rozpadu glukozy po-
przez pirogronian do acetylo~S-CoA,
-
cykl kwasów trikarboksylowych, będący ostatecznym miejscem utlenienia fragmentów dwuwę-
glowych (grup acetylowych) do CO
2
i H
2
O.
Katabolizm jest procesem „zbieżnym”.
Oznacza to, iż wiele substratów przekształca się w nieliczne, wspólne produkty końcowe, jak mocznik, CO
2
i H
2
O.
Oto przykłady.
Grupy aminowe (lub amoniak) pochodzące z rozpadu różnych aminokwasów, deaminacji zasad puryno-
wych i pirymidynowych, czy hydrolizy amidów kwasowych, przekształcają się w wątrobie, poprzez szereg
etapów pośrednich, w jeden produkt końcowy: mocznik.
Tylko niewielka ilość amoniaku wydziela się przez nerki w postaci jonu amonowego: NH
4+
.
Przemiana glukozy (pośrednio także innych heksoz) drogą glikolizy i oksydacyjnej dekarboksylacji pirogro-
nianu,
- β-oksydacja kwasów tłuszczowych,
- utlenianie etanolu i glicerolu,
- rozpad ciał ketonowych,
- utlenianie szkieletów węglowodorowych niektórych aminokwasów, prowadzą do po-
wstania wspólnego metabolitu pośredniego, w postaci acetylo~S-CoA.
Reszty acetylowe włączają się do cyklu kwasów trikarboksylowych, gdzie utleniają się do CO
2
i H
2
O.
Przemiana wielu różnych substratów prowadzi do powstania dwóch, tych samych produktów końcowych:
H
2
O i CO
2
.
Procesy kataboliczne są związane z licznymi reakcjami utleniania, w których funkcję akceptorów wodoru
(2H
+
+ 2e
-
) pełnią najczęściej NAD
+
, NADP
+
, FMN lub FAD.
Przenoszeniu elektronów przez łańcuch oddechowy na tlen towarzyszy wytwarzanie ATP, na drodze fosfory-
lacji oksydacyjnej.
Anabolizm
Procesy anaboliczne przekształcają drobnocząsteczkowe substraty w bardziej złożone, często wielkoczą-
steczkowe produkty.
Procesami anabolicznymi są przede wszystkim biosynteza kwasów nukleinowych i białek, glukoneoge-
neza, glikogenogeneza i lipogeneza.
W wielu przypadkach procesy biosyntezy wykorzystują w charakterze substratów bardzo proste związki.
Na przykład: CO
2
, NH
3
, aktywne fragmenty jednowęglowe, wbudowują się do zasad purynowych i pirymi-
dynowych, a pośrednio do nukleotydów i wielkocząsteczkowych kwasów nukleinowych.
Oto przykłady.
Pirogronian jest substratem, z którego powstaje glukoza, a z niej wielkocząsteczkowe polisacharydy, jak
glikogen i glikozoaminoglikany.
Fragmenty dwuwęglowe, w postaci grup acetylowych związanych z CoA, zamieniają się w długołańcucho-
we kwasy tłuszczowe, a te w acyloglicerole, fosfolipidy i sfingomieliny.
Proste aminokwasy endogenne (powstałe w komórce) i aminokwasy egzogenne (pochodzące spoza organi-
zmu) wbudowują się do wielkocząsteczkowych białek.
Anabolizm jest procesem „rozbieżnym”, w którym te same proste substraty tworzą różne produkty złożo-
ne.
Na przykład grupa acetylowa związana z koenzymem A: acetylo~S-CoA, może być użyta do:
-
biosyntezy różnych kwasów tłuszczowych,
-
cholesterolu (a pośrednio wszystkich steroidów),
-
ciał ketonowych,
-
do acetylacji aminoheksoz wbudowywanych do glikozoaminoglikanów.
Procesy anaboliczne wiążą się z licznymi reakcjami redukcji, w których dawcami wodoru (2H
+
+2e
-
)
są głównie NADPH +H
+
lub tetrahydrofolian oraz ze zużyciem energii w postaci ATP.
Powiązanie katabolizmu i anabolizmu
Szlaki anaboliczne nie są prostym odwróceniem szlaków katabolicznych.
Tylko niektóre ich etapy są katalizowane przez te same enzymy, chociaż w przeciwnych kierunkach.
Te dwa procesy odpowiadają na różne sygnały regulacyjne.
Jakkolwiek reakcje kataboliczne i anaboliczne przebiegają w przeciwnych kierunkach, są one ze sobą
nierozłącznie powiązane.
Mechanizmem łączącym te dwa przeciwstawne procesy są wspólne metabolity.
Oto przykłady.
Acetylo~S-CoA: produkt rozpadu kwasów tłuszczowych, pirogronianu, ciał ketonowych i niektórych
aminokwasów staje się substratem w biosyntezie innych kwasów tłuszczowych, steroidów, ciał ketonowych
czy N-acetyloaminoheksoz.
Pirogronian, produkt rozpadu glukozy lub aminokwasów (alaniny, seryny, cysteiny) jest równocześnie
substratem w procesach syntezy, jak glukoneogeneza lub powstawanie alaniny, a ta ostatnia staje się
substratem w biosyntezie białka.
ATP - produkt katabolizmu - jest dawcą energii dla procesów anabolicznych, zużywających ATP, a produ-
kujących ADP.
Z kolei ADP staje się akceptorem reszt fosforanowych w trakcie syntezy ATP, towarzyszącej reakcjom
katabolicznym.
NADPH+H
+
powstający w procesach katabolicznych - szlak pentozofosforanowy, rozkład jabłczanu przez
enzym jabłczanowy - jest dawcą 2H
+
+ 2e
-
w reakcjach anabolicznych, jak biosynteza kwasów tłuszczo-
wych lub steroidów.
Fosfodihydroksyaceton jest metabolitem integrującym proces kataboliczny - glikolizę, z procesami anabo-
licznymi: glukoneogenezą i lipogenezą.
Może przekształcać się w glukozę, poprzez odwrócenie reakcji aldolazowej, lub redukować się do glicerolo-
3-fosforanu - akceptora reszt kwasów tłuszczowych w procesie biosyntezy acylogliceroli i fosfolipidów.
Sygnały regulacyjne
Szlaki metaboliczne muszą być koordynowane, tak aby produkcja energii w komórce lub synteza składni-
ków komórki odpowiadały jej potrzebom.
Pojedyncze komórki nie funkcjonują w izolacji, lecz są częściami składowymi współdziałających ze sobą
tkanek.
Tak więc muszą funkcjonować bardzo precyzyjne mechanizmy regulacyjne, koordynujące funkcjonowanie
procesów metabolicznych.
Niektóre procesy zachodzące w komórce regulują się w sposób automatyczny, za pomocą „narzędzi” zawar-
tych w samej komórce.
Inne natomiast są modulowane przez sygnały pochodzące z innych komórek.
Poszczególne komórki wymieniają sygnały poprzez cząsteczki sygnalizacyjne, jak hormony, cytokiny, pro-
staglandyny czy leukotrieny.
Komórka reaguje tylko na taki sygnał, który jest odbierany przez odpowiedni receptor, zlokalizowany w
błonie komórkowej lub w cytoplazmie, a niekiedy w jądrze komórkowym.
Sygnały pochodzące z wnętrza komórki zwykle wywołują szybką odpowiedź i są głównym mechanizmem
doraźnej regulacji metabolizmu.
Charakter sygnałów regulacyjnych pochodzących z wnętrza komórki jest bardzo zróżnicowany.
Funkcje sygnałowe mogą spełniać (między innymi):
-
niedobór bądź nadmiar pewnych substratów,
-
stosunek ATP do ADP, NADH do NAD
+
, NADPH do NADP
+
,
-
niedobór bądź nadmiar enzymów,
-
obecność efektorów allosterycznych dodatnich i ujemnych,
-
inhibitorów i aktywatorów różnych enzymów,
-
obecność bądź niedobór koenzymów - zależny od dostępności witamin,
-
stężenie Ca
2+
w cytosolu, stosunek Na
+
/K
+
,
-
fosforylacja lub defosforylacja białek,
-
hamowanie zwrotne przez produkty końcowe pewnych procesów.
Na przykład, wysoki stosunek ATP do ADP świadczy o dostatku energii w komórce i jest sygnałem do
spowolnienia utleniania substratów energetycznych.
Natomiast zużycie ATP, z równoczesnym przyrostem zawartości ADP, jako produktu tej reakcji, powoduje
obniżenie stosunku ATP do ADP, a w konsekwencji nasilenie utleniania substratów energetycznych.
Wysoki stosunek NADH do NAD
+
spowalnia procesy utleniania substratów energetycznych.
Sytuacja taka występuje, na przykład, po spożyciu alkoholu, gdy w cytosolu przybywa NADH, a ubywa
NAD
+
.
Dehydrogenaza alkoholowa cechuje się bowiem bardzo niską stałą Michaelisa wobec alkoholu etylowego,
dlatego substrat ten jest utleniany w pierwszej kolejności, redukując cytosolowy NAD
+
do NADH+H
+
, kosz-
tem spowolnienia utleniania innych substratów energetycznych.
Niedobór NAD
+
sprawia, iż w cytosolu brakuje akceptora równoważników redukcyjnych, co uniemożliwia
utlenianie innych substratów energetycznych.
Szczególną funkcję w metabolizmie pełni szlak pentozofosforanowy.
Jest on głównym producentem NADPH+H
+
, potrzebnego głównie do biosyntezy kwasów tłuszczowych i
steroidów.
W przypadku intensywnych biosyntez, zużywających NADPH+H
+
, maleje stosunek NADPH do NADP
+
.
Jest to sygnałem do nasilenia przemiany glukozy szlakiem pentozofosforanowym.
Spowolnienie biosyntezy kwasów tłuszczowych i steroidów skutkuje zmniejszonym zużyciem NADPH+H
+
.
Rośnie stosunek NADPH do NADP
+
, a konsekwencją tego jest spowolnienie przemiany glukozy szlakiem
pentozofosforanowym i wzmożenie jej przekształcania drogą glikolizy.
Hamowanie zwrotne
W niektórych przypadkach produkt końcowy procesu biosyntezy wywiera działanie hamujące na enzym
katalizujący jedną z wcześniejszych reakcji tego procesu.
Regulacja ta będzie omawiana na wykładach z enzymologii.
Sygnały przenoszone poprzez neuromediatory
Impulsy nerwowe są przekazywane do komórek efektorowych za pomocą neuromediatorów, zwanych
także neuroprzekaźnikami lub neurotransmiterami.
Należą do nich przede wszystkim: acetylocholina, noradrenalina, dopamina, serotonina, glutaminian,
glicyna i kwas γ-aminomasłowy - wymieniany zwykle pod skrótową nazwą: GABA.
Większość neuromediatorów działa na komórki poprzez otwieranie i zamykanie kanałów jonowych, zlokali-
zowanych w błonach plazmatycznych.
Receptor neuromediatora i kanał jonowy są częścią tego samego wielkocząsteczkowego kompleksu.
W wielu przypadkach utożsamia się receptor neuromediatora z kanałem jonowym.
Receptory neuromediatorów, pełniące funkcję kanałów jonowych, są białkami allosterycznymi.
Zmieniają one swą strukturę przestrzenną (konformację) w odpowiedzi na związanie neuromediatora, który
pełni funkcję efektora allosterycznego.
Zmiana struktury przestrzennej receptora, wywołana przez neuromediator, otwiera lub zamyka kanał
jonowy.
Na przykład związanie acetylocholiny przez jej receptor powoduje szybkie (trwające przez milisekundy)
otwarcie kanałów jonowych, które selektywnie przepuszczają swoiste kationy lub aniony, zgodnie z gra-
dientem ich stężeń.
W następstwie przemieszczeń jonów zmienia się potencjał błonowy komórek postsynaptycznych.
Sygnał chemiczny zostaje przetworzony w sygnał elektryczny.
Tak funkcjonują receptory acetylocholinowe mięśni i nerwów oraz receptory glutaminianowe, glicynowe
i receptory GABA występujące w centralnym układzie nerwowym.
Sygnały przenoszone przez hormony
Hormony i cytokiny wywierają regulacyjne efekty metaboliczne tylko na wybrane komórki docelowe, czyli
takie, które na swojej powierzchni lub w ich wnętrzu posiadają odpowiedni receptor wiążący hormon,
będący ligandem tego receptora.
Poszczególne receptory różnią się lokalizacją i mechanizmem działania.
Hormony białkowe, peptydowe i aminokwasowe (z wyjątkiem tarczycowych) oraz większość peptydo-
wych czynników wzrostowych działa poprzez pobudzanie receptorów błonowych.
Wspomniane substancje regulacyjne, ze względu na ich hydrofilny charakter, nie mogą pokonać bariery,
jaką stwarza hydrofobowa, podwójna warstwa lipidowa błony komórkowej.
Nie wnikają one do wnętrza komórki, natomiast oddziałują na komórkę poprzez receptor, określany jako
powierzchniowy lub błonowy.
Hormony steroidowe i hormony tarczycowe ze względu na swój hydrofobowy i lipofilowy charakter łatwo
przenikają przez błonę komórkową i są wiązane przez receptor cytosolowy lub jądrowy.
Opisano przypadki wrodzonych braków lub defektów niektórych receptorów.
Powoduje to niezdolność komórki do reagowania na regulacyjne sygnały niesione przez hormon.
Receptory błonowe
Receptor hormonu stanowi integralną część błony komórkowej.
Jest glikoproteiną, zawierającą domenę pozakomórkową - wiążącą hormon, domeną transbłonową w po-
staci kilku helis przenikających przez podwójną warstwę lipidową i domenę wewnątrzkomórkową sprzężo-
ną funkcjonalnie z mechanizmem efektorowym.
Receptor powierzchniowy odpowiada na związanie swoistego liganda zmianami konformacyjnymi, które
uruchamiają sygnały komunikacji transbłonowej.
Autofosforylacja
Receptory insuliny i niektórych peptydowych czynników wzrostowych posiadają szczególną aktywność
katalityczną.
Związanie liganda przez pozakomórkową domenę receptora, nadaje domenie wewnątrzkomórkowej aktyw-
ność kinazy tyrozynowej, swoistej wobec wybranych substratów białkowych, szczególnie wobec innych
cząsteczek receptora.
Cząsteczki te, pobudzone poprzez związanie liganda, agregują w obrębie błony komórkowej i fosforylują się
nawzajem.
Proces ten nosi nazwę autofosforylacji.
Dawcą reszt fosforanowych jest ATP, a miejscem ich wiązania są grupy hydroksylowe reszt tyrozyny.
W większości przypadków fosforylacja receptora obejmuje kilka do kilkunastu reszt tego aminokwasu.
Autofosforylacja nasila aktywność kinazową receptora.
Fosforylowany receptor uzyskuje zdolność do wiązania niektórych białek cytosolowych.
Białka te integrują się z błoną plazmatyczną, ulegają fosforylacji przez kinazę tyrozynową receptora i tą
drogą uzyskują nowe właściwości.
Pełnią funkcje enzymatyczne lub służą jako ogniwa w łańcuchu transmisji sygnałów wewnątrzkomórko-
wych.
Zwrócono uwagę na fakt, iż autofosforylowany receptor insulinowy wiąże i intensywnie fosforyluje białko
cytosolowe o masie cząsteczkowej 131 kDa, określane skrótową nazwą IRS-1 (insulin receptor substrate-1).
Około 20 reszt tyrozylowych tego białka ulega fosforylacji.
Wtórne przekaźniki
Większość hormonów działających na komórkę docelową poprzez receptor błonowy, współdziała z enzy-
mami generującymi wtórne przekaźniki: cyklazą adenylanową lub fosfolipazą C oraz z białkiem G.
Zarówno receptor, jak i białko G oraz obydwa enzymy są integralnymi częściami składowymi błony komór-
kowej.
Wysyłają one sygnał do wnętrza komórki za pośrednictwem wtórnego przekaźnika, którym może być cy-
kliczny 3
’
5
’
AMP (cAMP), rzadziej cykliczny 3
’
5
’
GMP (cGMP), diacyloglicerol (DAG) i inozytolo-tris-fosforan
(IP
3
).
Funkcje wtórnych przekaźników mogą pełnić także jony Ca
2+
i tlenek azotu (NO), które powstają niezależ-
nie od wspomnianych cyklaz.
System wtórnych przekaźników wewnątrzkomórkowych służy do amplifikacji (zwielokrotnienia) sygnału.
Jedna cząsteczka pobudzonego receptora błonowego wytwarza i wysyła do wnętrza komórki wiele cząste-
czek wtórnego przekaźnika.
Białko G pełni funkcję pośrednika między błonowym kompleksem - hormon : receptor a enzymami generu-
jącymi wtórne przekaźniki.
Jego nazwa wywodzi się stąd, iż wiąże ono nukleotydy guaninowe, w zależności od sytuacji GTP lub GDP.
Receptory wewnątrzkomórkowe
Hormony steroidowe i hormony tarczycowe działają na komórki docelowe w sposób zasadniczo odmienny
od mechanizmu działania hormonów peptydowych i aminokwasowych.
Hydrofobowy charakter steroidów oraz pierścieni aromatycznych tyroksyny i trijodotyroniny sprawia, iż
łatwo przenikają one przez podwójną warstwę lipidową błony komórkowej.
Ich receptory mieszczą się we wnętrzu komórki; na ogół w cytosolu, a w przypadku hormonów tarczyco-
wych i prawdopodobnie estrogenów - w jądrze komórkowym.
Nie korzystają one z wtórnych przekaźników.
Nie powodują modyfikacji białek wewnątrzkomórkowych czy przenośników błonowych, lecz indukują bądź
hamują ich biosyntezę.
Wywierają ten efekt poprzez bezpośrednie oddziaływanie na aparat genetyczny komórki.
Wewnątrzkomórkowe receptory hormonów, po związaniu liganda (hormonu), pełnią funkcję czynników
transkrypcyjnych.