Opracowanie do kolosa.doc

1.       Amfiboliczny charakter cyklu Krebsa: Amfiboliczny charakter: Oznacza to, że cykl Krebsa odgrywa rolę zarówno w procesach syntez, jak i w procesach rozkładu – bierze udział jednocześnie i w katabolizmie, i w anabolizmie ważnych dla organizmu związków.

Niektóre szlaki przemian kończą się na związku pośrednim cyklu Krebsa, inne się z nich wywodzą. Dotyczy to następujących szlaków przemian metabolicznych:

a.       Przemian glukozy – glukoneogeneza i glikoliza: Połącznie między cyklem kwasu cytrynowego a glukoneogenezą i glikolizą jest uwarunkowane istnieniem dwóch enzymów:

·         Karboksykinaza fosfoenolopirogronianowa - przy udziale GTP jako źródła energii przekształca szczawiooctan do fosfoenolopirogronianu (i CO2), który następnie pod wpływem enzymów glukoneogenezy w hepatocycie jest przekształcany do glukozy i uwalniany do krwi. W związku z tym, wszystkie metabolity pośrednie cyklu Krebsa są uważane za glukogenne à mogą być przekształcane do szczawiooctanu i dalej do glukozy.

·         Karboksylaza pirogronianowa – wchodzi w skład kompleksu wieloenzymatycznego przekształcającego produkt glikolizy - pirogronian do szczawiooctanu, przy udziale energii z ATP. Jest to ważny etap regulujący zdolność komórki do włączania acetylo-CoA do cyklu kwasu cytrynowego. Mleczan wchodzi do cyklu poprzez najpierw przemianę w pirogronian pod wpływem LDH, a następnie – w szczawiooctan.

b.      Przemian aminokwasów – transaminacji i deaminacji – transaminacje są to odwracalne reakcje katalizowane przez aminotransferazy, deaminacja polega na odłączeniu grupy aminowej aminokwasu. Cykl może więc służyć jako źródło szkieletów węglowych do syntezy aminokwasów. W wyniku działania transaminaz:

·         asparaginian ↔ szczawiooctan,

·         α-ketoglutaran ↔ glutaminian,

·         alanina ↔ pirogronian.

Aminokwasy po deaminacji lub transaminacji mogą również wspierać glukoneogenezę, po przemianie w szczawiooctan. Włączane są one na różnych etapach cyklu:

·         jako pirogronian – Ala, Cys, Gly, Hyp, Ser, Tre, Trp,

·         jako α-ketoglutaran, poprzez Glu – Arg, His, Gln, Pro,

·         jako sukcynylo-CoA – Ile, Met, Val,

·         jako fumaran – Phe, Tre.

c.       Przemian kwasów tłuszczowych – biosynteza kwasów tłuszczowych zachodzi w cytozolu, acetylo-CoA, stanowiący główny jej substrat, powstaje w mitochondriach. Acetylo-CoA nie przechodzi przez błony mitochondrialne, może być jednak przetransportowany w formie cytrynianu, po przekształceniu w cyklu Krebsa i rozszczepiony z powrotem do acetylo-CoA w cytozolu przez liazę ATP:cytrynianową.

2.       Anaboliczne reakcje cyklu Krebsa: Reakcje anaboliczne są to takie reakcje, w których z prostszych związków – substratów, powstaje bardziej złożony produkt. W cyklu Krebsa mamy dwie takie reakcje:

a.       Reakcja katalizowana przez syntazę cytrynianową, w której ze szczawiooctanu, acetylo-CoA i wody powstaje kwas cytrynowy i uwalnia się CoA.

b.      Reakcja katalizowana przez syntetazę sukcynylo-CoA (tiokinaza bursztynianowa), w której z α-ketoglutaranu i CoA powstaje sukcynylo-CoA i CO­2, przy równoczesnej redukcji NAD+ do NADH + H+.

3.       Regulacja cyklu Krebsa: Cykl Krebsa jest przede wszystkim regulowany przez łańcuch oddechowy i fosforylację oksydacyjną à aktywność cyklu jest bezpośrednio zależna od podaży utlenionych kofaktorów dehydrogenaz, czyli NAD+ i FAD. Ponieważ utlenianie tych kofaktorów jest sprzężone z fosforylacją, czynnikiem regulującym jest również pośrednio dostępność ADP i szybkość zużywania ATP (wszystko dotyczy środowiska tlenowego).

Cykl może być również regulowany na poziomie aktywności poszczególnych enzymów, katalizujących głównie reakcje nieodwracalne:

a.       Kompleks dehydrogenazy pirogronianowej: aktywowany przez jony wapnia, hamowany przez produkty swojej reakcji, czyli acetylo-CoA i NADH + H+; występuje również regulacja kowalencyjna - kompleks może występować w dwóch postaciach – aktywnej nieufosforylowanej i nieaktywnej ufosforylowanej. Przyłączanie i odłączanie grupy fosforanowej jest prowadzone przez kinazę i fosfatazę; kinaza jest aktywowana przez wzrost stosunku acetylo-CoA/CoA-SH i NADH/NAD i hamowana przez wzrost ADP/ATP, który również aktywuje fosfatazę.

b.      Syntaza cytrynianowa: aktywowana przez jony wapnia, hamowana allosterycznie przez ATP, długołańcuchowe acylo-CoA

c.       NAD-zależna dehydrogenaza izocytrynianowa: aktywowana przez jony wapnia, ADP, hamowana allosterycznie przez ATP i NADH

d.      Kompleks dehydrogenazy α-ketoglutaranowej: aktywowana przez jony wapnia,

e.       Dehydrogenaza bursztynianowa: hamowana przez szczawiooctan, którego dostępność zależy od dehydrogenazy jabłczanowej – MDH, zależnej od poziomu energetycznego komórki.

Do inhibitorów cyklu Krebsa zaliczamy: fluorooctan (hamuje przejście cytrynianu w cis-akonitan), arsenian (blok działania kompleksu dehydrogenazy α-ketoglutaranowej), malonian (hamuje dehydrogenazę bursztynianową).

4.       Reakcje anaplerotyczne cyklu Krebsa: Reakcje anaplerotyczne, czyli reakcje uzupełniające, cyklu Krebsa dostarczają intermediatów cyklu, zapewniając jego ciągłość à metabolity pośrednie są wykorzystywane do biosyntezy różnych związków, np. bursztynylo-CoA do syntezy porfiryn, więc aby nie doszło do zatrzymania cyklu związki pośrednie muszą być uzupełniane w ramach reakcji anaplerotycznych. Należą one do dwóch grup:

a.       Reakcje pozwalające na asymilację endogennego dwutlenku węgla, katalizowane przez:

·         Karboksylazę pirogronianową: tworzenie szczawiooctanu z pirogronianu i CO2, przy użyciu energii z ATP,

·         Karboksykinazę fosfoenolopirogronianową: przekształcanie fosfoenolopirogronianu i CO2 do szczawiooctanu, przy użyciu energii z GTP, wymaga obecności jonów manganu,

·         Karboksylazę pirogronianową redukującą: tworzenie jabłczanu z CO2 i pirogronianu, wymaga NADH + H+,

Zaliczamy tu również szlak pozwalający włączyć produkty β-oksydacji kwasów nieparzystowęglowych (propionylo-CoA) do cyklu Krebsa. Proces wymaga jonów magnezu, ATP i witaminy B12.

b.      Przemiany aminokwasów:

·         w pirogronian – Ala, Cys, Gly, Hyp, Ser, Tre, Trp,

·         w α-ketoglutaran, poprzez Glu – Arg, His, Gln, Pro,

·         w sukcynylo-CoA – Ile, Met, Val,

·         w fumaran – Phe, Tre,

·         w acetylo-CoA – Ile, Leu, Trp,

·         w acetoacetylo-CoA – Leu, Phe, Tyr, Trp, Lys,

·         w szczawiooctan – Asp, Asn.

5.       Punkty uchwytu leków w metabolizmie puryn:

a.       Ponieważ dwa atomy węgla – 2 i 8 w pierścieniu purynowym pochodzą z pochodnych tetrahydrofolianu (2 z N5-formylotetrahydrafolianu, 8 z N5,N10-metenylotetrahydrofolianu), leki przeciwfolianowe zahamują tworzenie się tych związków, a co za tym idzie – zahamują syntezę puryn.

b.      Analogi glutaminy uniemożliwiają zajście reakcji przeniesienia azoty z Gln na powstający nukleotyd purynowy. Azaseryna hamuje dostarczanie atomu azotu z glutaminy, który wystąpi w pozycji trzeciej pierścienia purynowego. Diazanorleucyna hamuje tworzenie wiązania N-glikozydowego i powstawanie 5-fosfo-β-D-rybozyloaminy. Kwas mykofenolowy hamuje tworzenie GMP przez amidację XMP.

c.       Kwas 6-merkaptopurynowy hamuje reakcje konwersji IMP do AMP i GMP – odłączanie fumaranu i utlenianie IMP.

6.       Wpływ ołowiu na syntezę porfiryn: Ołów, poprzez wiązanie się z grupami tiolowymi –SH, hamuje aktywność enzymów syntezy porfiryn, które zawierają taką grupę w swojej strukturze. Są to: dehydrogenaza ALA, dekarboksylaza uroporfirynogenowa i ferrochelataza. W wyniku działania Pb dochodzi do porfirii wtórnej – porfirii nabytej toksycznej à prócz ołowiu może być ona wywołana również solami innych metali ciężkich, zażyciem gryzeofulwiny i sedormidu. Obraz kliniczny jest taki sam, jak w porfirii skórnej późnej, czyli występuje fotodermatoza, hepatomegalia, hipertrichoza (zwłaszcza na czole, przedramionach i w okolicy kostek) i nadmierna pigmentacja skóry wystawionej na działanie promieni słonecznych.

7.       Metabolizm pirymidyn: W odróżnieniu od puryn, produkty rozkładu pirymidyn – CO2, NH3, β-alanina i β-aminoizomaślan – są dobrze rozpuszczalne w wodzie.

a.       Rozkład cytozyny: Prz udziale tlenu cząsteczkowego, zachodzi przemiana cytozyny w uracyl, uwalniany jest amoniak. Następnie, pod wpływem NADH + H+, powstaje dihydrouracyl, który jest hydrolizowany do β-ureidopropionianu, a następnie do CO2, NH3 i β-alaniny (która również może być przekształcana do dwutlenku węgla i amoniaku).

b.      Rozkład tyminy: Tymina, pod wpływem NADH + H+, przechodzi w dihydrotyminę, dalej przy udziale wody, w β-ureidoizomaślan i dalej do CO2, NH3 i β-aminoizomaślanu.

8.       Schemat cyklu syntezy pirymidyn – enzymy, reakcje, regulacja, droga salvage i de novo:

a.       Przebieg cyklu – reakcje (droga de novo):

·         Synteza karbamoilofosforanu z glutaminy (Gln) i ATP i CO2 – cytoplazmatyczna syntetaza II karbamoilofosforanowa.

·         Kondensacja karbamoilofosforanu z asparaginianem (Asp) z utworzeniem karbamoiloasparaginianu – transkarbamoilotransferaza asparaginowa.

·         Zamknięcie pierścienia przez utratę cząsteczki wody, dające kwas dihydroorotowy – dihydroorotaza.

·         Wprowadzenie podwójnego wiązania między C5-C6 przy udziale NAD+, powstaje kwas orotowy – mitochondrialna dehydrogenaza dihydroorotanowa.

·         Przeniesienie cząsteczki rybozofosforanu z PRPP na kwas orotowy z wytworzeniem orotydynomonofosforanu (OMP) – fosforybozylotransferaza orotanowa.

·         Dekarboksylaja OMP prowadzi do wytworzenia urydynomonofosforanu (UMP – pierwszy rybonukleotyd pirymidynowy) – dekarboksylaza OMP.

·         Przy udziale kinaz i ATP jako dawcy reszty fosforanowej dochodzi do utworzenia UDP i UTP.

·         UTP jest aminowany do cytydynotrifosforanu (CTP), przy udziale ATP i Gln – syntaza CTP.

·         Redukcja NDP pirymidynowych do deoksyNDP – reduktaza rybonukleotydowa.

·         Defosforylacja dUDP do dUMP.

·         Metylacja dUMP w pozycji piątej przez N5,N10-metylenotetrahydrofolian daje tymidynomonofosforan (TMP) – syntaza tymidylanowa.

b.      Enzymy: Wszystkie enzymy cyklu, z wyjątkiem dehydrogenazy dihydroorotanowej, znajdują się w cytoplazmie. Enzymy reakcji 1-3 i 5-6 tworzą kompleksy wieloenzymatyczne:

·         CAD (MEpyr 1-3): C = CPS – syntetaza karbamoilofosforanowa, A = ATC II – karbamoilotransferaza asparaginianowa, D = DHO – dihydroorotaza. Kompleks jest zlokalizowany w cytoplazmie, katalizuje trzy pierwsze reakcje syntezy nukleotydów pirymidynowych. Jest to kompleks bez pompy – nie związany z błoną. Zachodzi tu zjawisko – channeling (kanałowanie), polegające przemieszczaniu w sposób preferencyjny, bez utraty energii, intermediatów z jednego centrum aktywnego do drugiego. Domeny katalityczne w tym kompleksie są ułożone w następujący sposób: NH2-DHO-CPS-ATC-COOH. Kompleks jest kodowany przez pojedyncze białko CAD.

·         Syntaza UMP (Mepyr 5-6): w jego skład wchodzi fosforybozylaza orotanowa i dekarboksylaza OMP.

c.       Regulacja:

·         Oba kompleksy wieloenzymatyczne ulegają regulacji na poziomie genu, przez skoordynowaną represję i derepresję.

·         CPS jest regulowana allosterycznie – hamowana przez UTP i nukleotydy purynowe, aktywowana przez PRPP.

·         ATC II – regulacja allosteryczna, hamowanie przez CTP, aktywacja przez ATP.

d.      Reakcje salvage: Reakcje te prowadzą do przekształcenia rybonukleozydów – cytydyna i urydyna oraz dwóch deoksyrybonukleozydów – tymidyna i deoksycytydyna do nukleotydów. Kinaza urydynowo-cytydynowa, przy udziale ATP, przekształca urydynę i cytydynę do, odpowiednio, UMP i CMP, kinaza tymidynowa – tymidynę do TMP, a kinaza deoksycytydynowa – deoksycytydynę do dCMP.

9.       Synyteza puryn – reakcje, enzymy, regulacja, synteza na drodze salvage i de novo:

a.       Przebieg cyklu – reakcje (droga de novo):

·         Synteza PRPP (II) poprzez przeniesienie reszty pirofosforanowej z ATP do węgla w pozycji pierwszej rybozo-5-fosforanu (I) – syntaza PRPP.

·         Synteza 5-fosforybozyloaminy (III) przez wytworzenie wiązania N-glikozydowego, Gln jest donorem azotu – amidotransferaza glutamylo-PRPP.

·         Synteza glicynamido-rybozylo-5-fosforanu (IV), przez kondensację z glicyną (Gly).

·         Synteza formyloglicynamido-rybozylo-5-fosforanu(V) przez przeniesienie grupy formylowej z N5,N10-metenylotetrahydrofolianu – formylotransferaza.

·         Synteza formyloglicynamidyno-rybozylo-5-fosforanu (VI) przez przeniesienie azotu aminowego Gln – syntetaza VI.

·         Synteza ...