ZESTAW 14
Insulina-budowa, udział w regulacji metabolizmu.
Cykl mocznikowy - przebieg, regulacja.
Dojrzewanie tRNA.
Ad 1. Insulina jest polipeptydem składającym się z 2 łańcuchów, tj. łańcucha A i B połączonych ze sobą mostkami disiarczkowymi w pozycjach A7 i B7 oraz A20 i B19. Trzeci śródłańcuchowy mostek disiarczkowy łączy aa A6 z A11. u większości gatunków wymienione 3 mostki są niezmienne ,zaś łańcuchy A i B składają się odpowiednio z 21aa (A) i 30 aa(B). Istnieje kilka niezmiennych pozycji i sekwencji w strukturze insuliny: 1)położenie wymienionych 3mostków S-S, 2)występowanie reszt hydrofobowych w obszarze C-końcowym łańcucha B oraz3) niezmienność sekwencji aa w obszarze N- i C-końcowym łańcucha A. Hydrofobowy C-końcowy obszar łańcucha B uczestniczy w procesie dimeryzacji insuliny. Insulina świńska różni się od ludzkiej tylko 1 aa ( miejsce Thr w pozycji B30 występuje Ala). Insulina bydlęca różni się od ludzkiej obecnością Ala w miejscu Thr w pozycji B30, Ala zamiast Thr w poz. A8 i Val zamiast Ile w poz. A10. Insulina tworzy bardzo ciekawe struktury kompleksowe. Zn występujący w dużych stężeniach w komórkach, tworzy kompleksy z insuliną i proinsuliną. Cząsteczki insuliny wszystkich kręgowców tworzą izologiczne dimery dzięki wiązaniom wodorowym między grupami peptydowymi 2 monomerów w pozycjach B24 i B26, zaś przy dużych stężeniach insuliny dimery ulegają przekształceniu do heksametrów zawierających po 2 atomy Zn każdy. W stężeniach fizjologicznych insulina występuje prawdopodobnie pod postacią monomeryczną. Insulina jest produkowana pod postacią cząsteczki prekursorowej.( jakby pytali o coś innego załączam krótki opis: Proinsulina jest syntetyzowana na siateczce śródplazmatycznej szorstkiej. Zostaje przeniesiona do Aparatu Golgiego, gdzie rozpoczyna się proces proteolizy i upakowania hormonu do ziarnistości wydzielniczych. Dalszy proces dojrzewania ziarnistości odbywa się w czasie ich wędrówki przez cytoplazmę do błony cytoplazmatycznej . Zarówno insulina, jak i proinsulina łącząc się z Zn tworzą heksamery. Wydzielanie insuliny jest precyzyjnie regulowane. Wzrost stężenia glukozy, wiele leków, głównie pochodne sulfonylomocznika, agoniści b-adrenergiczni, przewlekła ekspozycja na duże stężenie GH, kortyzolu, laktogenu łożyskowego, estrogenów i progestyn zwiększają sekrecje hormonu. Agoniści a-adrenergiczni (gł. Adrenalina)hamują uwalnianie insuliny nawet jeśli proces ten był pobudzany przez glukozę(Glc).) Insulina odgrywa ważną role w przemianach węglowodanów, tłuszczów, białek.
BIAŁKA: Insulina generalnie wykazuje wpływ anaboliczny na przemianę białek pobudzając ich syntezę i hamując degradację. Insulina pobudza pobieranie aa obojętnych przez mięśnie przy czym działanie to nie jest sprzężone z pobieraniem Glc, ani tez wbudowywaniem tych aa do białek.Przyjmuje się, że wpływ na syntezę białek w mięśniach szkieletowych i w sercu realizowany jest na poziomie translacji mRNA. Insulina wpływa na syntezę swoistych białek powodując zmiany odpowiednich mRNA. Insulina wpływa na aktywność lub ilość co najmniej 50 białek występujących w różnych tkankach.Wpływa na syntezę enzymów nie opuszczających komórek, enzymów i białek wydzielanych przez komórkę i białek strukturalnych.
TŁUSZCZE: jest inhibitorem lipolizy w wątrobie i tkance tłuszczowej, przez co wykazuje również pośrednio działanie anaboliczne. Działanie to jest częściowo wynikiem hamującego działania na powstawanie cAMP oraz na aktywność lipazy wrażliwej na działanie hormonów nasilających lipolize. Ten hamujący wpływ spowodowany jest prawdopodobnie aktywacja fosfatazy powodującej defosforylację i inaktywację lipazy lub kinazy białek cAMP-zależnej. Dlatego też insulina obniża stężenie wolnych kwasów tłuszczowych we krwi krążącej, to wpływa także na przemiane węglowodanów-kwasy te hamuja glikolizę i pobudzaja glukoneogenezę. Część tych kwasów ulega metabolizacji do acetylo-CoA a dalej do CO2 w cyklu kw.cytrynowego. U chorych z niedoborem insuliny proces ten szybko przekracza „pojemność” cyklu przez co acetylo-CoA ulega konwersji do acetoacetylo-CoA i kolejno do kw. Acetooctowego i b-hydroksymasłowego. Insulina odwraca ten ostatni proces. W sposób wyraźny wpływa tez na powstawanie i klirens VLDL i LDL. Stężenia tych frakcji lipidowych, a w ich następstwie również stężenie cholesterolu często ulegają podwyższeniu u chorych z niedostatecznie kontrolowana cukrzycą.
WĘGLOWODANY: Insulina działa przeciwnie do wielu hormonów hiperglikemicznych, powodując spadek stężenia Glc we krwi. Wpływa na jej produkcję: wpływ insuliny na transport Glc, glikolizę i glikogenogenezę polega na aktywacji lub dezaktywacji enzymów droga fosforylacji i defosforylacji. Dłużej trwający wpływ na glikemię wywiera insulina poprzez hamowanie glukoneogenezy. Głównym enzymem glukoneogenetycznym jest karboksykinaza fosfoenolopirogronianowa(PEPCK) .Insulina zmniejsza stężenie tego enzymu wybiórczo hamując transkrypcję mRNA kodującego PEPCK. Wpływa na utylizację Glc: U zdrowego człowieka ok.1/2 Glc jest przekształcana w energię w szlaku glikolitycznym, a dalsza część zmagazynowana pod postacia tłuszczów i glikogenu. Jeśli nie ma insuliny glikoliza zmniejsza się, równocześnie zahamowane zostają anaboliczne procesy lipogenezy i glikogenogenezy. Insulina nasila procesy glikolityczne zwiększając aktywność i stężenie enzymów tego szlaku:glukokinazy, fosfofruktokinazy i kinazy pirogronianowej. Obniża aktywność glukozo-6-fosfatazy(jest w wątrobie, brak w mięśniach)zatrzymanie Glc w wątrobie. Pobudza litogenezę w tk.tłuszczowej :dostarczajac acetylo-CoA i NADPH niezbędnych do syntezy kw.tłuszczowych, podtrzymując normalną aktywność karboksylazy acetylo-CoA katalizującej konwersje acetylo-CoA do malonylo-CoA i dostarczając glicerolu niezbędnego do syntezy TG. Wzrost stężenia wolnych kw.tłuszczowych hamuje ich syntezę poprzez sprzężenie zwrotne ujemne.W wątrobie i mięśniach szkieletowych insulina pobudza konwersje Glc do G-6-P ulegającego izomeryzacji do G-1-P i wbudowaniu do glikogenu przez syntazę glikogenową tez aktywowana przez insulinę. Insulina obniża śródkomórkowe stężenie cAMP aktywując fosfodiesterazę i inaktywację syntazy, aktywuje tez fosfatazę i przez to aktywuje enzym. Ostatecznie dochodzi do spadku uwalniania Glc z glikogenu.
PODZIAŁY KOMÓRKOWE: Insulina pobudza mnożenie się licznych komórek w hodowlach oraz może uczestniczyć w regulacji wzrostu In vivo. Nasila działanie czynnika wzrostowego fibroblastów (FGF), czynnika wzrostowego pochodzenia płytkowego (PDGF), naskórkowego czynnika wzrostu(EGF), prostaglandyny F2a(PGF2a), estrów forbolowych pobudzających nowotwory i analogów cAMP, pobudzając procesję cyklu komórkowego zatrzymanego w fazie G1.
Ad 2. Mocznik jest głównym końcowym produktem katabolizmu azotu u ludzi. Syntetyzowany jest w wątrobie, uwalniany do krwi a następnie wydalany przez nerki. W moczniku syntetyzowanym w cyklu mocznikowym jeden atom azotu pochodzi z NH4+ , a drugi z a-aminowego atomu azotu asparaginianu, atom węgla zaś z CO2 .Cały proces wymaga 3 moli ATP( 2 z nich są przekształcane do ADP+Pi ,a 1 w AMP+PPi) i odpowiednich enzymów. Z 6 aa uczestniczących w cyklu N-acetyloglutaminian działa jako aktywator enzymu, a nie jako związek pośredni, pozostałe 5 jako nośniki atomów, z których ostatecznie powstaje mocznik. W skład białek wchodzą tylko 2 spośród nich: Asp, Asn. Pozostałe aa są charakterystyczne dla cyklu mocznikowego.
Przebieg: (1).Synteza karbamoilofosforanu z jonu amoniowego i CO2 wymaga 2 ATP i jest katalizowana przez syntetaze karbamoilofosforanową(enzym występujący w wątrobie zwierząt ureotelicznych). Obecność N-acetyloglutaminianu powoduje zmianę konformacyjną w strukturze enzymu, w wyniku której pewne grupy SH- zostają wyeksponowane, inne zaś schowane, ponadto wpływa na powinowactwo enzymu do ATP. Syntetaza karbamoilofosforanowa działa w połączeniu z dehydrogenazą glutaminianowi przenosząc azot z glutaminianu na karbamoilofosforan i w końcu na mocznik.Dodatkowo ATP pobudza jednokierunkowo aktywność dehydrogenazy w stronę tworzenia NH3. (2).Kondensacja karbamoilofosforanu z ornityną tworzy cytrulinę i Pi reakcje katalizuje transkarbamoilaza ornityniowa . (3). Kondensacja cytruliny z asparaginianem tworzy argininobursztynian w reakcji katalizowanej przez syntetaze argininobursztynianową. Reakcja wymaga ATP. (4). Odwracalne rozszczepienie argininobursztynianu do argininy i fumaranu katalizuje argininobursztynaza, enzym występujący w wątrobie i nerkach ssaków. Reakcja przbiega na zasadzie eliminacji trans. Fumaran może w reakcjach katalizowanych przez fumarazę i dehydrogenazę jabłczanową przekształcić się w szczawiooctan, który przez transaminacje odtwarza asparaginian. (5). Rozszczepienie argininy uwalnia mocznik i ornitynę. Hydrolityczne rozszczepienie grupy guanidynowej Arg katalizuje arginaza(wystepujaca w wątrobie zwierząt ureotelicznych). Enzym aktywowany jest przez Mn2+ lub Co2+ , ornityna i lizyna są potencjalnymi inhibitorami kompetycyjnymi. Poprzez synteze fumaranu cykl ten zazębia się z cyklem kwasu cytrynowego.
Regulacja: szybkość syntezy mocznika ograniczają reakcje katalizowane przez syntetazę karbamoilofosforanową, transkarbamoilazę ornitynową i arginazę. Wszelkie zaburzenia syntezy mocznika powodują zatrucie organizmu amoniakiem. Najcięższe zatrucia występują w przypadkach, gdy blok metaboliczny dotyczy reakcji 1 lub 2 ponieważ poprzez syntezę cytruliny następuje pewnego stopnia związanie kowalencyjne wiązanie NH3 z węglem.
Ad 3. Transportujący RNA (tRNA) jest znacznie modyfikowany. Cząsteczki tRNA służą jako cząsteczki adaptacyjne do translacji mRNA na sekwencje aa w białkach. Cząsteczki tRNA zawierają liczne modyfikacje zasad podstawowych A,G,C,U. Niektóre z nich są prostymi metylowanymi pochodnymi, inne mają przekształcone wiązania glikozydowe.Cząsteczki tRNA u prokariontów i eukariontów są przepisywane w postaci dużych cząsteczek prekursorowych , zawierających często więcej niż 1 tRNA i wtedy podlegają przekształceniom nukleolitycznym i zmniejszeniu wielkości- proces jest katalizowany przez swoistą klasę rybonukleaz. W dodatku geny niektórych cząsteczek tRNA maja bardzo blisko części odpowiadającej petli antykodonowej, pojedynczy intron o długości 10-40 nukleotydów. Te introny w genach tRNA są przepisywane, dlatego też przekształcenie prekursorowych transkryptów wielu cząsteczek tRNA musi obejmować usuniecie intronów i odpowiednie złożenie regionu antykodonowego tak, aby powstała aktywna cząsteczka adaptacyjna do syntezy białek. Enzymy nukleolityczne, przekształcające prekursory tRNA, rozpoznają najpewniej 3-wymiarową strukturę, a nie tylko sekwencję liniową RNA. Dzięki temu ten układ enzymatyczny przekształca tylko te cząsteczki, które są zdolne do sfałdowania w produkty majace właściwości czynnościowe. Dalsze modyfikacje cząsteczek tRNA obejmują alkilację nukleotydów i dołączenie charakterystycznej końcówki C-C-A przy końcu 3' cząsteczki. Ta końcówka C-C-A jest miejscem przyłączenia swoistego aa, który ma wejść w reakcję polimeryzacji podczas syntezy białka. Metylacja prekursorów tRNA u ssaków zachodzi prawdopodobnie w jądrze, podczas gdy odcięcie i dołączenie C-C-A są czynnościami cytoplazmatycznymi, ponieważ końcówki te mają szybszy metabolizm niż same cząsteczki tRNA. W cytoplazmie komórek ssaków są enzymy niezbędne do dołączenia aa do reszt C-C-A.
Rybonukleaza P - rozszczepia pierwotny transkrypt w ten sposób, że utworzone zostają „dojrzałe” końce 5' przyszłych tRNA.
Rybonukleaza D - przycina eksponowane końce 3' każdego prekursorowego tRNA tak długo, aż napotka sekwencje CCA, będącą 3'-końcową sekwencją dojrzałych cząsteczek tRNA.
Za aktywność enzymatyczną RNazy P jest odpowiedzialna cząsteczka RNA M1, która przy stężeniach jonów Mg większych od fizjologicznych sama rozpoznaje miejsca mające ulec rozszczepieniu w pierwotnym transkrypcje i rozcina je ze znaczną szybkością. RNA M1 oddziałuje specyficznie z substratem i zawiera grupy katalityczne.Białko odgrywa rolę pomocniczą zwiększa szybkość reakcji hydrolizy oraz umożliwia przeprowadzenie reakcji w znacznie mniejszych stężeniach jonów Mg+2.