ZESTAW 44
Udział asparaginianu w metabolizmie komórkowym
Kinetyka reakcji katalizowanych przez enzymy allosteryczne
Struktura i funkcja rRNA
Udział asparaginianu w metabolizmie komórkowym
(na podst. „Biochemii” Stryera)
Asparaginian uczestniczy w cyklu mocznikowym, a więc w szeregu przemian związanych z metabolizmem NH4+ powstającego z rozkładu aminokwasów. Cykl mocznikowy mozna podzielic na fazę tworzenia mocznika z argininy oraz szereg reakcji prowadzących do odtworzenia argininy z ornityny. Asparaginian uczestniczy w reakcji nalezacej do tej drugiej fazy, a więc odtwarzania argininy. Kondensuje on z cytruliną pod działaniem syntetazy arginiobursztynianowej z utworzeniem argininobursztynianu. Reakcja ta przebiega kosztem ATP, który ulega przy tym hydrolizie do AMP i pirofosforanu (który dalej hydrolizuje z uwolnieniem energii). Powstały argininobursztynian jest rozszczepiany przez liazę argininobursztynianową na argininę i fumaran.
Asparaginian jest także wykorzystywany w biosyntezie nukleotydów pirymidynowych, która rozpoczyna się od utworzenia N-karbamoiloasparaginianu z asparaginianu i karbamoilofosforanu. Reakcję tę katalizuje karbamoilotransferaza asparaginianowa (ATCaza). ATCaza jest hamowana na zasadzie sprzężenia zwrotnego przez trifosforan cytydyny CTP, końcowy produkt drogi syntezy nukleotydów pirymidynowych. Wiązanie karbamoilofosforanu i sparaginianu jest kooperatywne, co umozliwia uruchomienie syntezy N-karbamoiloasparaginianu w obecności stosunkowo wąskiego zakresustężeń substratów. CTP kamuje ATCazę przez zmniejszenie jej powinowadztwa do substratu, bez oddziaływania na Vmax. W przeciwieństwie do CTP, ATP jest aktywatorem ATCazy. Zwieksza on powinoiwadztwo enzymu do substratu (tez nie wpływając na Vmax). ATP i CTP konkurują o wiązanie z miejscem regulacyjnym enzymu. Aktywacja przez ATP wskazuje, że istnieje energia dostępma dla replikacji DNA, co prowadzi do syntezy niezbędnych nukleotydów pirymidynowych. Natomiast hamowanie przez CTP zapewnia, że w obecności nadmiaru nukleotydów pirymidynowych nie dojdzie do zbędnej syntezy N-karbamoiloasparaginianu.
Tak więc zarówno w cyklu mocznikowym, jak i w syntezie puryn asparaginian tworzy intermediat karbamoiloasparaginian. Jednak karbamoiloasparaginian zuzywany w syntezie pirymidyn powstaje w cytozolu, natomiast służący do syntezy mocznika tworzy się w mitochondriach. Obydwie reakcje zachodzą z udziałem różnych syntetaz karbamoilofosforanowych. Różnią się ponadto donorem azotu: w cytozolowej syntezie jest nim glutamina, a w mitochondrialnej NH4+. N-acetyloglutaminian nie jest więc aktywatorem allosterycznym reakcji w cytozolu.
Asparaginian uczestniczy także w biosyntezie zasad purynowych. W szielecie puryny z asparaginianu pochodzi atom azotu N1. Grupa aminowa asparaginianu reaguje z grupą karboksylowa intermediatu - rybonukleotydu 5-aminoimidazolo-4-karboksylowego. Powstaje rybonukleotyd 5-aminoimidazolo-4-N-bursztynylokarboksyamid. Do powstania tego wiązania zuzywany jest ATP. W następnej reakcji szielet węglowy asparaginianu odszczepia się w postaci fumaranu i powstaje rybonukleotyd 5-aminoimidazolo-4-karboksyamidu. (dalej dostarczany jest ostatni atom pierścienia przez N10-formylotetrahydrofolian, następuje odszczepienie czsteczki wody i zamknięcia pierścienia z utworzeniem inozynianu - inozynomonofosforanu IMP, który zawiera kompletny pierścień purynowy).
Kinetyka reakcji katalizowanych przez enzymy allosteryczne
(na podst „Krótkich wykładów”, „Biochemii Harpera”, „Biochemii” Bańkowskiego)
Zjawisko allosterii (regulacja allosteryczna) polega na zmianie aktywności enzymatycznej przez drobnocząsteczkowe substancje oddziałujące na strukturę czwartorzędową (niekiedy trzeciorzędową) enzymu. Enzymy takie maja często więcej niż jedno miejsce aktywne. Innymi słowy, związanie substratu w jednym miejscu aktywnym indukuje w enzymie zmiane konformacyjną, zmieniająca powinowadztwo enzymu do substratu w innych miejscach aktywnych. Mówi się, ze miejsca aktywne zachowują się kooperatywnie (np. przyłączanie O2 do czterech podjednostek hemoglobiny).
Taki enzym wykazuje sigmoidalą postać wykresu Michaelisa-Menten (zależność szybkości reakcji od stężenia substratu: V=f(S)), a nie hiperboliczną, jak w przypadku pozostałych enzymów; W środkowym zakresie stężeń krzywa ta ma stromy odcinek odzwierciedlający gwałtowny wzrost szybkości enzymu, zachodzący w wąskim zakresie stężeń substratu. Związane jest to ze szczególną wrażliwością enzymów allosterycznych na zmiany stężenia substratu w zakresie fizjologicznym. Enzymy allosteryczną są często enzymami wielopodjednostkowymi, z których każada ma przynajmniej jedno miejsce aktywne.
Enzymy allosteryczne moga być kontrolowane przez cząsteczki efektorów (aktywatory, inhibitory), które wiążą się z enzymem w miejscach odmiennych od miejsca aktywnego (na tej samej lub innej podjednostce), powodując przez to zmianę konformacji miejsca aktywnego, co zmienia szybkość działania enzymu (np. wiązanie CO2, H+ i 2,3-bisfosfoglicerynianu do hemoglobiny:
Tlen jest efektorem allosterycznym dodatnim. Przyłączenie O2 do jednej z podjednostek zwiększa odstęp pomiędzy podjednostkami, co zwiększa ich powinowadztwo do tlenu
2,3-BPG (2,3-bisfosfoglicerynian).jest efektorem ujemnym: jego związanie powoduje przejscie w forme T - o mniejszym powinowadztwie do O2, uwalnia to uwolnienie tlenu). Efektory zwykle nie wykazuja podobieństwa do substratów i koenzymów danego enzymu.
Aktywator allosteryczny sprawia, że predkość max reakcji zostaje osiągnięta przy niższym stężeniu substratu (stała Michaelisa maleje). Inhibitor przeciwnie.
Regulacja allosteryczna zaliczana jest do modyfikacji odwracalnych.
Enzymem allosterycznym jest np. transkarbamoilaza asparaginianowa, katalizująca decydujący etap w syntezie pirymidyn (patrz poprzednie zagadnienie) - enzym składa się z 6 podjednostek katalitycznych, z których każda ma miejsce aktywne oraz z 6 podjednostek regulatorowych, do których wiążą się regulatory allosteryczne: CTP i ATP. Podjednostki oddziałuja ze sobą nadając enzymowi właściwości allosteryczne. Cząsteczka tego enzymu może występować w formie zwartej T (tense) - mało aktywnej oraz w formie rozluźnionej R (relaxed) - bardziej aktywnej.
Efektory allosteryczne oddziałuą wyłącznie na podjednostki regulacyjne, a nie wiążą się z podjednostkami katalitycznymi. Zmienione podjednostki regulacyjne wpływają hamująco lub aktywująco na podjednostki katalityczne. Aktywator allosteryczny przesuwa równowagę z formy T do R, inhibitor przeciwnie.
Struktura i funkcja rRNA
(na podst „Krótkich wykładów”, „Biochemii” Bańkowskiego)
Najogólniej: rRNA staowią 80% wszystkich kwasów rybonukleinowych. Ich struktura pierwszorzędowa jest podobna do innych RNA. Tworzą lokalne odcinki paralelne, powiązane wiązaniami wodorowymi pomiędzy komplementarnymi zasadami oraz pętle. Występują w kompleksach z białkami rybosomowymi. Wielkość cząsteczek RNA jest bardzo zróżnicowana.
rRNA wraz z biłkami rybosomowymi tworzą podjednostki rybosomowe:
Funkcją rRNA jest udział w syntezie podjednostek rybosomowych, a więc de facto samych rybosomów.
Rybosom prokariotyczny: 70S
(podjednostki 50S + 30S).
Podjednostka 50S składa się z 23S rRNA i 5S RNA oraz 34 polipeptydów; 2 rodzaje rRNA
Podjednostka 30S składa się z 16S rRNA i 21 polipeptydów;
Eukariotyczny rybosom: 80S
(podjednostki 60S + 40S)
Podjednostka 60S składa się z 28S, 5,8S, i 5S rRNA oraz około 49 polipeptydów; 3 rodzaje rRNA
Podjednostka 40S składa się z 18S rRNA oraz 33 polipeptydy.
Transkrypcja i dojrzewanie rRNA u prokariotów (na przykładzie E.Coli)
W genomie E.Coli jest 7 jednostek transkrypcyjnych kodujących rRNA, a każda z nich zawiera po jednej kopii genu kodującego 23S, 16S i 5S rRNA a dodoatkowo od jendnego do czterech genów tRNA. Geny te sa transkrybowane przez jedyną prokariotyczną polimerazę RNA, tworząc pre-rRNA. Układ taki gwaranruje, że cząsteczki 23S, 16S i 5S rRNA sa syntetyzowane w stosunku 1:1:1. Po transkrypcji komplementarne zasady parują się i powstaje wiele fragmentów o strukturze spinki do włosów (ramię-pętla). Białka rybosomowe wiążą się z pre-rRNA formując kompleksy rybonukleoproteinowe (RNP). Pewne nukleotydy sa metylowane w części cukrowej (donorem metylu jest S-adenozylometionina). RNaza III rozcina pre-rRNA w okreslonych miejscach uwalniającprekursory 23S, 16S i 5S rRNA. Te prekursory są docinane na końcach 3' i 5' przez rybonukleazy M5, M16, M23 z utworzeniem dojrzałych rRNA.
Transkrypcja i dojrzewanie rRNA u eukariotów
U eukariotów geny 28S, 18S i 5,8S występują w jednej jednostce transkrypcyjnej, która jest tandemowo powtórzona. Jednostka transkrypcyjna rRNA składa się z jednej kopii genu 18S rRNA, za nią 5,8S oraz 28S (najbliżej końca 3'). Powtórzenia jednostki transkrypcyjnej porozdzielane są tzw sekwencjami nie ulegającymi transkrypcji. Geny rRNA transkrybowane są w jąderku przez polimerazę RNA I (pol RNA I). W jąderku znajdują się pętle DNA zawierające zespoły genów rRNA pochodzące z różnych chromosomów. Każdy taki zespół jednostek transkrypcyjnych nosi nazę organizatora jąderka. W wyniku transkrypcji powstaje pre-rRNA 45S, który ma tzw. Transkrybowane sekwencje zewnętrzne (ETS external transcribed spacers) i transkrybowane sekwencje wewnętrzne (ITS), rozdzielające poszczególnecząsteczki rRNA. pre-rRNA przyjmuje odpowiednią strukturę drugorzędową. Do wybranych sekwencji przyłączają się białka rybosomowe, zachodzi również metylacja pewnych nukleotydów. Transkrypt pre-rRNA 45S jest następnie rozcinany przez rybonukleazy. Powstają prekursorowe cząsteczki 32S i 20S, ulegające dalszym reakcjom dojrzewania z utworzeniem dojrzałych cząsteczek 28S, 18S i 5,8S.
Synteza 5S rRNA u eukariotów:
W komórkach eukariotycznych występuje wiele kopii genu 5S rRNA. W przeciwieństwie do innych eukariotycznych genów rRNA, geny 5S są transkrybowane przez polimerazę RNA III. W wyniku transkrypcji powstaje dojrzały 5S rRNA, nie wymagający dojrzewania.