WZAJEMNE ZWIĄZKI I REGULACJA PRZEMIANY MATERII

Rozdział 13
WZAJEMNE ZWIĄZKI I REGULACJA
PRZEMIANY MATERII
Pomimo że przemiany metaboliczne różnych klas związków organicznych dokonują się niezależnie od siebie, istniejące między nimi zależności nadają im charakter procesów zintegrowanych na poziomie całego organizmu. Tymczasem badania przemian substancji różnych klas związków prowadzone są najczęściej niezależnie. W związku z tym, w celu dokładnego zrozumienia przemian białek, kwasów nukleinowych, węglowodanów i lipidów, procesy te należy rozpatrywać
z punktu widzenia wzajemnych związków pomiędzy nimi oraz biorąc pod uwagę
mechanizmy ich regulacji.
13.1. Wzajemne związki procesów przemiany materii
Pierwszym trwałym związkiem utworzonym w efekcie pierwotnej biosyntezy substancji organicznych jest kwas 3-fosfoglicerynowy, powstający w rezultacie połączenia
dwutlenku węgla z rybulozo-1,5-dwufosforanem. Od kwasu 3-fosfoglicerynowego
rozpoczyna się łańcuch reakcji katalitycznych, w rezultacie których dochodzi do syntezy węglowodanów, aminokwasów, glicerydów, wyższych kwasów tłuszczowych,
poliizoprenoidów i steroli. Z CO2 i NH3 i aminokwasów powstają zasady purynowe
i pirymidynowe. Prostą kontynuacją przemian dwutlenku węgla są różnorodne procesy
syntezy monomerów, z których następnie budowane są polisacharydy, białka, kwasy
nukleinowe, różnorodne lipidy i wiele innych związków organicznych, wchodzących
w skład roślin, zwierząt i mikroorganizmów.
U organizmów autotroficznych wraz z prostą, pierwotną biosyntezą substancji
organicznych, dochodzi do tworzenie nowych związków i ich wzajemnego przekształcania na poziomie różnych klas. Intensywność tego rodzaju przemian jest
szczególnie widoczna u heterotrofów, u których nie tylko w procesie żywienia, ale
i podczas realizacji określonych funkcji, następuje przebudowa białek, kwasów
nukleinowych, węglowodanów, lipidów i wielu innych związków. Dochodzi do
niej w wyniku aktywności kluczowych metabolitów przemian pośrednich, w pierwszej kolejności kwasu pirogronowego (KPG), kwasów α-ketoglutarowego i szczawiooctowego (KSO) i acetylo-CoA (rys. 13.1).
Wzajemne przemiany zachodzące pomiędzy odrębnymi klasami związków organicznych są zjawiskiem naturalnym, nieuniknionym i przebiegającym w dużej
394
Podstawy biochemii
skali w przyrodzie ożywionej. Szczegółowo omówione zostaną wybrane konkretne
przypadki przebiegu takich procesów.
Lipidy
Wyższe
kwasy
tłuszczowe
Gliceryna
Węglowodany
Białka
Kwas nukleinowy
KGP
Aminokwasy
Nukleotydy
KSO
Acetylo-CoA
Cykl
kwasów tróji dikarboksylowych
CO
NH
Cfragmenty
Rys. 13.1. Wzajemne zależności w procesach przemian głównych klas substancji
organicznych
Wzajemne związki przemiany kwasów nukleinowych i białek polegają na tym,
że synteza zarówno nukleozydotrójfosforanów, jak i samych kwasów nukleinowych zależy od obecności w komórce odpowiedniego zestawu białek enzymatycznych (polimeraz DNA i RNA, ligaz, topoizomeraz, oraz enzymów uczestniczących
w biosyntezie cyklicznych puryn i pirymidyn). Ponadto aminokwasy (kwas asparaginowy w przypadku nukleotydów pirymidynowych oraz glicyna, kwas asparaginowy i glutamina w przypadku nukleotydów purynowych) są głównymi substancjami wyjściowymi do budowy pierścieni purynowych i pirymidynowych. Natomiast synteza białek de novo według schematu matrycowego nie jest możliwa bez
udziału określonych rodzajów RNA, a przede wszystkim DNA, który stanowi matrycę dla tworzących się kwasów rybonukleinowych. Dlatego wielu badaczy uważa, że w historii rozwoju życia na Ziemi proces biosyntezy kwasów nukleinowych
zachodzi w celu ”obsługiwania” biosyntezy białek. Z kolei w procesie urykolizy
powstaje kwas glioksylowy, który na drodze transaminacji może być przekształcany w glicynę, a więc część cząsteczki tego aminokwasu może powstawać kosztem
rozpadających się zasad purynowych.
Wzajemne związki przemian kwasów nukleinowych i węglowodanów można
przedstawić w formie czterech rodzajów zależności.
Po pierwsze, w procesie rozpadu węglowodanów powstaje początkowo rybozo5-fosforan, a następnie 5-fosforybozylo-1-pirofosforan, niezbędny do biosyntezy
nukleotydów purynowych i pirymidynowych. Związek ten jest akceptorem niepełnej cząsteczki pirymidyny i właśnie z jego udziałem rozpoczyna się synteza imidazolowego pierścienia purynowego. W ten sposób reszty β,D-rybozy i β,Ddezoksyrybozy, jako elementy składowe nukleotydów purynowych i pirymidyno-
Rozdział 13. Wzajemne związki i regulacja przemiany materii
395
wych, uczestniczą w budowie kwasów nukleinowych kosztem rozpadających się
węglowodanów.
Po drugie, związki powstające w następstwie rozpadu kwasów nukleinowych
mogą być włączane w biosyntezę węglowodanów, ponieważ ryboza uwalniana
podczas hydrolizy nukleotydów purynowych i pirymidynowych, włączając się
w ogólny obieg węglowodanów w organizmie, może ulegać przekształceniu w rybozo-5-fosforan, z którego powstaje glukozo-6-fosforan. Ten z kolei może być
przekształcany w estry fosforowe innych monosacharydów.
Po trzecie, rozpadające się węglowodany podtrzymują częściowo utlenianie
substratowe oraz fosforylacię oksydacyjną, czyli procesy prowadzące do biosyntezy ATP, który uczestniczy w przemianach monofosforanów nukleozydów w ich
trójfosforany, tj. substraty dla polimeraz. Tak więc od intensywności rozkładu cukrów w organizmie zależy ilość syntetyzowanych kwasów nukleinowych. U organizmów fotosyntetyzujących i chemosyntetyzujących zależność ta może być zachwiana kosztem syntezy ATP, powstającego w procesie fosforylacji.
Po czwarte, biosynteza węglowodanów w znacznej mierze uzależniona jest od
przemiany kwasów nukleinowych, np. podczas biosyntezy z kwasu urydynotrójfosforowego UDP-glukozy, z którego reszty glukozy przyłączane są do nieredukującego końca cząsteczki syntetyzującego się glikanu. Analogiczną rolę spełnia guanozynodwufosforan glukozy w biosyntezie celulozy, nukleotydów oraz heksozanów i pentozanów. Wyraźna jest zatem, zależność pomiędzy biosyntezą węglowodanów złożonych a przemianami związków pochodzenia nukleotydowego.
Związki pomiędzy przemianami kwasów nukleinowych i lipidów nie są dokładnie poznane. Zarówno kwasy nukleinowe, jak i lipidy nie są źródłem związków wykorzystywanych do syntezy jednych kosztem drugich, a wiązanie substratowe nie jest charakterystyczne dla ich przemian, przy czym częściowe przejście
jednych związków w drugie może zachodzić za pośrednictwem węglowodanów
i białek.
Wyraźny jest natomiast inny rodzaj wzajemnych zależności pomiędzy tymi
grupami związków. W wyniku rozpadu zasad pirymidynowych tworzy się
β-alanina, aminokwas wykorzystywany do syntezy koenzymu A, który uczestniczy
zarówno w syntezie, jak i procesach rozpadu wyższych kwasów tłuszczowych.
Poprzez β-utlenianie utlenianie wyższych kwasów tłuszczowych sprzężone z fosforylowaniem i syntezą ATP utrzymywany jest prawidłowy poziom syntezy trójfosforanów nukleozydów. Tak więc podobnie jak w przypadku biosyntezy węglowodanów, dużą rolę w powstawaniu lipidów odgrywają dwufosforany nukleozydów powstające w wyniku przemian odpowiadających im trójfosforanów. Biorące
udział w syntezie fosfatydów CDP-choliny lub CDP-kolaminy wymagają obecności CTP-metabolitu przemiany nukleinowej dla syntezy własnej cząsteczki.
Ogniwem wiążącym przemiany białek i węglowodanów jest KPG, końcowy
produkt rozpadu węglowodanów i jednocześnie substancja wyjściowa dla biosyntezy alaniny, waliny i guaniny. Produktem jego karboksylacji jest kwas szczawio-
396
Podstawy biochemii
octowy, z którego może tworzyć się następna grupa aminokwasów, tj. kwas asparaginowy, treonina, izoleucyna oraz lizyna. KPG uczestniczy w biosyntezie kwasu
α-ketoglutarowego, z którego powstaje kwas glutaminowy, prolina oraz arginina.
Prekursor KPG, kwas 3-fosfoglicerynowy, jest związkiem wyjściowym dla syntezy
seryny, cystyny oraz cysteiny. Z kolei produkty pośrednie rozpadu węglowodanów
wchodzą w reakcje syntezy pozostałych aminokwasów białkowych. Pierścień imidazolowy histydyny zostaje utworzony w obecności rybozo-5-fosforanu, natomiast
kwas szikimowy, z którego powstaje fenyloanina tyrozyna i tryptofan, z udziałem
erytrozo-4-fosforanu i kwasu fosfoenolopirogronowego. W taki sposób z węglowodanów w obecności źródła amoniaku organizmy autotroficzne mogą syntetyzować wszystkie aminokwasy spotykane w białkach. Ich synteza zachodząca z początkowym przekształceniem węglowodanów w aminokwasy jest głównym rodzajem wzajemnego związku przemian białek i węglowodanów.
Możliwy jest także proces odwrotny. Aminokwasy zawierające fragmenty trójwęglowe (alanina, fenyloanalina, tyrozyna, histydyna, tryptofan, seryna, cysteina)
w wyniku rozpadu uwalniają KPG i jego pochodne. Dezaminacja kwasów glutaminowego i asparaginowego prowadzi do powstawania odpowiednio kwasów α-ketoglutarowego i szczawiooctowego, które w cyklu kwasów dwu- i trójkarboksylowych przechodzą w KPG. Podobnym przemianom podlega prolina ulegająca przekształceniu w kwas glutaminowy, a następnie w pirogronowy. Większość aminokwasów może w związku z tym, stanowić źródło KPG, który uczestniczy w tworzeniu węglowodanów na drodze reakcji dwudzielnego rozpadu fruktozo-1,6-difosforanu.
Z innych rodzajów powiązań przemian białek i węglowodanów istotne znaczenie ma udział białek enzymatycznych w procesach syntezy i rozpadu węglowodanów oraz powstający w wyniku rozpadu węglowodanów ATP, który dostarcza
energię dla syntezy białek
Związek między przemianą białek i lipidów polega na tym, że rozpad lipidów,
podobnie jak węglowodanów, z jednej strony dostarcza związków wyjściowych dla
biosyntezy aminokwasów (a następnie białek), z drugiej zaś, w stopniu co najmniej
odpowiadającym węglowodanom, zabezpiecza energetycznie syntezę białek.
Jednym z głównych produktów rozpadu lipidów, w szczególności wyższych
kwasów tłuszczowych, powstających podczas hydrolizy trójglicerydów, fosfatydów lub sterydów, jest acetylo-CoA. Włączając się w cykl kwasów dwu- i trójkarboksylowych uczestniczy w syntezie kwasu α-ketoglutarowego, którego przemiany prowadzą do powstawania aminokwasów. Wchodząc w cykl glioksalowy acetylo-CoA bierze udział w odtwarzaniu kwasu szczawiooctowego i powstającego
w wyniku jego przemian KPG. W wyniku kolejnych przemian zarówno szczawiooctan, jak i KPG przyczyniają się do syntezy aminokwasów.
Przemiana gliceryny, uwolnionej w trakcie hydrolizy trójglicerydów, z udziałem węglowodanów, prowadzi do powstania takich aminokwasów, jak: histydyna,
fenyloalanina, tyrozyna i tryptofan, w związku z czym wszystkie aminokwasy
Rozdział 13. Wzajemne związki i regulacja przemiany materii
397
wchodzące w skład białek mogą być syntetyzowane kosztem rozpadających się
lipidów.
Proces syntezy lipidów może odbywać się także kosztem rozpadających się białek. W poprzednim rozdziale wykazano, że rozpad niektórych aminokwasów związany jest z utworzeniem KPG, który ulegając dekarboksylacji oksydacyjnej daje
acetylo-CoA, związek wyjściowy dla syntezy wyższych kwasów tłuszczowych,
steroli i innych związków budujących lipidy. KPG w cyklicznej reakacji dwudzielnego rozpadu węglowodanów może być również przekształcany w inny komponent lipidów, tzn. w fosfoglicerynę. Ten rodzaj przemian jest jednak rzadko spotykany w prawidłowym przebiegu procesów metabolicznych.
Powszechnie znana energetyczna funkcja lipidów, a zwłaszcza trójglicerydów,
odnosi się do możliwości syntezy ATP poprzez utlenianie wyższych kwasów tłuszczowych. Znane są przypadki, w których rozpad lipidów okazuje się jedynym źródłem energii dla biosyntezy białka, np. podczas syntezy fibroiny oraz serycyny
jedwabiu w gruczołach wydzielniczych jedwabnika.
Wzajemne zależności pomiędzy białkami i lipidami dotyczą także procesu biosyntezy białek, którego intensywność wzrasta, gdy rybosomy związane są z błonami lipoproteinowymi.
Węglowodany i lipidy ulegają w organizmie wzajemnym przemianom. Związki, które łączą te procesy to KPG oraz acetylo-CoA.
Kwas pirogronowy jest głównym produktem rozpadu węglowodanów po dekarboksylacji oksydacyjnej powstającym z acetylo-CoA i biorącym udział w syntezie wyższych kwasów tłuszczowych, steroli, karotenoidów i innych poliizoprenoidów. Podobnie węglowodany ulegają przemianie w fosfoglicerynę, z której syntetyzowane są lipidy proste i złożone.
Acetylo-CoA i gliceryna stanowią główne produkty rozpadu lipidów i są związkami wyjściowymi dla syntezy węglowodanów. Acetylo-CoA za pośrednictwem
cyklu kwasu glioksalowego przechodzi w KPG, a następnie w węglowodany na
drodze cyklicznej reakcji ich dwudzielnego rozpadu.
Przekształcenie gliceryny w węglowodany odbywa się za pośrednictwem aldehydu 3-fosfoglicerynowego, według opisanego wcześniej mechanizmu.
Powiązania procesów przemian białek, kwasów nukleinowych, węglowodanów,
lipidów i innych związków, dotyczą o wiele bardziej złożonych form wzajemnej
zależności od prostego udziały w charakterze substratów. Substancje powstające
jako produkty przemian jednej klasy związków wykazują duży wpływ na przemianę substancji należących do innej klasy. Przykładem takiego rodzaju zależności
przemian białek i kwasów nukleinowych jest, z jednej strony, powstawanie cząsteczki informacyjnego RNA stanowiącej matrycę w procesie biosyntezy specyficznych białek, zaś z drugiej, blokowanie jego syntezy przez specyficzne białka.
Wiadomo, że każda reakcja wymiany może zachodzić tylko w obecności specyficznego białka enzymatycznego, w związku z czym przemiana białkowa decyduje
o przebiegu przemiany innych klas związków. Istotne znaczenie ma wpływ proce-
398
Podstawy biochemii
su fosforylacji oksydacyjnej i tworzenie w komórce zapasów ATP, od których
uzależniony jest przebieg wszystkich procesów przemiany materii. ATP zabezpiecza energetycznie syntezę wiązań wszystkich klas związków. Liczbę podobnych
przykładów wzajemnych uwarunkowań przebiegu przemiany białek, kwasów nukleinowych, węglowodanów i lipidów można mnożyć, przy czym należy pamiętać,
że regulacja przemian metabolicznych jest procesem zachodzącym w sposób wzajemnie zależny i zintegrowany, a każda z nich indywidualnie przyczynia się do
prawidłowego przebiegu pozostałych.
13.2. Regulacja przemiany materii
Przedstawione powyżej informacje dotyczące powiązań przemian różnych klas
związków wskazują, że stanowią one harmonijny zespół licznych i ściśle ze sobą
powiązanych procesów chemicznych. Główną rolę we wzajemnych oddziaływaniach odgrywają białka, które dzięki swej funkcji katalitycznej regulują procesy
syntezy i rozpadu związków. Przy udziale kwasów nukleinowych utrzymywana
jest specyficzność biosyntezy makrocząsteczek decydująca o swoistej dla gatunku
budowie najważniejszych biopolimerów. Dzięki przemianie węglowodanów i lipidów w sposób ciągły odnawiane są zapasy ATP, jako uniwersalnego dawcy energii
niezbędnej do przekształceń chemicznych. Wszystkie wymienione związki dostarczają najprostszych cząstek organicznych, z których powstają biopolimery i ich
kompleksy. W rezultacie trwa nieprzerwany proces samoodnowy żywej materii,
stanowiący przedmiot badań biochemii ogólnej, opisującej charakteryzujące ją
mechanizmy.
Zgodność przemian biochemicznych, ich ścisłe powiązanie i wzajemne uwarunkowanie, możliwość szybkiej mobilizacji jednej klasy związków do syntezy innych,
możliwość przemian jednej klasy związków w drugą i powszechne podporządkowanie mechanizmów biochemicznych występuje szczególnie wyraźnie, gdy oceniamy
przemianę materii jako jeden działający wspólnie mechanizm. Ogólny przebieg procesów biochemicznych w organizmie, regulowany przez czynniki wewnętrzne i zewnętrzne, stanowi jedyną nieprzerwaną całość tworzącą samowystarczalny i samoregulujący się system, utrzymujący się w wyniku przemian materii.
Tym niemniej regulację procesów życiowych przyjęto rozpatrywać od strony
metodycznej na poziomie metabolitów, komórek, organizmów i populacji. Każdym
z nich kierują określone prawidłowości regulacji procesów przemian właściwej dla
niego materii. Charakterystyczne jest, że wraz ze wzrostem stopnia regulacji przemiany materii, wyraźniej zaznacza się hierarchiczny, blokowy system kierowania,
którego istota sprowadza się do kontroli i odpowiedzi na wpływające sygnały.
Metaboliczny poziom regulacji. Synchronizacja przemiany materii organizmu
w znacznej mierze zależy od stężenia różnych metabolitów, tzn. związków niskocząsteczkowych, stanowiących produkty przemian zachodzących w organizmie lub
przyjmowanych z pożywieniem.
Rozdział 13. Wzajemne związki i regulacja przemiany materii
399
Różnorodne są formy regulacji przemiany materii w obecności metabolitów.
Najprostsza z nich polega na przyspieszeniu lub spowolnieniu procesów biochemicznych wskutek niedoboru lub nadmiaru związków uczestniczących w odpowiednich reakcjach. Na przykład synteza białek przez organizmy heterotroficzne
limitowana jest wpływem aminokwasów egzogennych i intensywnością syntezy
aminokwasów względnie egzogennych. Zjawisko to wykorzystywane jest w mikrobiologicznej metodzie ilościowego oznaczania zawartości aminokwasów w hydrolizatach białkowych i innych materiałach biologicznych.
Bardziej złożony charakter ma regulacja przemiany materii wskutek wzajemnej
konkurencji procesów, w których biorą udział te same metabolity należące do
kluczowych, tj. kwasy pirogronowy, szczawiooctowy, α-ketoglutarowy, acetyloCoA oraz 6-glukozo-6-fosforan. Przykłady tego typu przemian zostały opisane na
początku tego rozdziału.
Znaczącą rolę w regulacji przemian metabolicznych odgrywa szereg związków
niskocząsteczkowych zaliczanych do kategorii aktywnych regulatorów, takich jak:
witaminy, antywitaminy, hormony, antyhormony, wtórne pośredniki.
Metabolity wraz z enzymami aktywują lub hamują przebieg procesów przemian. Przykładem pierwszego, aktywującego typu reakcji jest aktywacja kinaz
proteinowych przez cAMP. Podobnie znaczącą rolę w regulacji przemiany materii
odgrywa inny wtórny pośrednik, cTMP, aktywujący fosfolipazę A2 i C, uczestniczący także w biosyntezie prostoglandyn z kwasu arachidonowego. Jak pokazano
na rysunku 13.2, źródłem nowej grupy wtórnych pośredników są fosfoinozydy.
Sygnał
hormonalny
Serotonina
CH O CO R'
Acetyloholina
O
Histamina
CH2 O P
OH
Bradykinina
Wazopresyna
OH
HO
Egdyzon
CH2 O
3
H
4
O
O 5
HO
P
OH
2
OH
P
OH
O
CO
O
1
H
6
R
Fosfolipaza C
H2O
OH
CH2 O
CO
R
H
O
CO
R' +
4
CH
HO
O
3
O
O 5
CH2 OH
OH
Fosfotydyloinozyt4,5-difosforan
( PIP2 )
HO P
OH
P
2
OH
P
OH
OH
O
O
1
6
H
O
OH
OH
O
Diacylogliceryna
( DAG )
Inozydo-1,4,5trójfosforan
( IP3 )
Rys. 13.2. Schemat reakcji powstawania fosfoinozydu
Przykładem drugiego, hamującego typu reakcji jest retrohamowanie (hamowanie
na zasadzie sprzężenia zwrotnego) aktywności enzymu początkującego wielostop-
400
Podstawy biochemii
niowe przekształcenia substratu przez produkty reakcji, co zostało szczegółowo zbadane dla regulacji biosyntezy nukleotydów pirymidynowych (zob. rozdz. 6).
Zjawiska te zachodzą także w wielu przypadkach na skutek zmiany aktywności
allosterycznej enzymu. Metabolity mogą wykazywać również aktywność izosteryczną (konkurencyjną) w hamowaniu reakcji enzymatycznych (zob. rozdz. 3).
Przyjmuje się, że metabolony (zob. rozdz. 8) regulowane są sygnałami, przekazywanymi przez wtórne pośredniki. Na przykład metabolon glikolityczny regulują
wnikające do komórki kationy Ca2+. Ostatecznie, metabolity mogą być induktorami
i korepresorami w układach działających na poziomie operonu.
Regulacja na poziomie operonu. Operonem nazywa się uporządkowany, zwarty
układ cystronów (wraz ze znakami początku i końca), odczytywany jako całość
w procesie syntezy mRNA na DNA. W przypadku operonu monocystronowego
syntetyzowany mRNA zawiera informację o biosyntezie jednego białka, natomiast
w przypadku operonu policystronowego (do 15 cytronów) z syntetyzowanych
mRNA powstaje rodzina różnorodnych białek (najczęściej enzymów), niezbędnych
do przeprowadzenia w komórce wielostopniowego procesu biochemicznego.
Wiadomo już, że na poziomie operonu regulowana jest głównie ilość enzymów
kosztem zmiany ilości mRNA powstających w procesie transkrypcji. Taka sytuacja
ma decydujący wpływ na przebieg procesów enzymatycznych. Na poziomie operonu regulowana jest ponadto synteza mRNA białek histonowych, niehistonowych
i rybosomalnych. Podobnej regulacji podlega wiele innych białek nie posiadających aktywności katalitycznej, a pełniących rolę regulatorów aktywności metabolicznej genomu oraz aktywności aparatu translacyjnego i innych podstawowych
procesów przemiany materii.
Komórkowy poziom regulacji. Do procesów regulacji na poziomie komórki należą: równowaga jądrowo-cytoplazmatyczna, modyfikacje posttranskrypcyjne i posttranslacyjne białek i kwasów nukleinowych, transport substancji przez membrany
struktur subkomórkowych i membrany sieci endoplazmatycznej oraz oddziaływania typu białko-białko, białko-nukleotyd, białko-węglowodan i białko-lipid.
Wszystkie poziomy regulacji i rodzaje oddziaływań wnoszą swoisty wkład w przebieg procesów przemian metabolicznych.
Równowaga jądrowo-cytoplazmatyczna polega na współzależnej kontroli syntezy funkcjonalnie aktywnych biopolimerów. Na przykład, małe białkowe podjednostki karboksylozy rybulozo-1,5-difosforanowej, przy udziale której dochodzi do
włączania CO2 w komórce roślinnej (zob. rozdz. 8) syntetyzowane są w cytoplazmie, natomiast większe powstają w chloroplastach. Biosyntezę pierwszych kontroluje aparat jądra komórki, a drugich aparat chloroplastów, zlokalizowany w cytoplazmie. Z 800-1000 białek, niezbędnych dla funkcjonowania chloroplastów,
tylko około 15% kodowanych jest przez DNA chloroplastowy. Poza karboksylazą
ryboluzo-1,5-difosforanową, dwa systemy genetyczne komórki roślinnej (jądrowy
i chloroplastowy) decydują o powstawaniu membran tylakoidów oraz kompleksów
chloroplastów z ATPazą i polimerazą RNA. Podobny rodzaj kontroli jądrowo-
Rozdział 13. Wzajemne związki i regulacja przemiany materii
401
cytoplazmatycznej jest charakterystyczny dla syntezy podjednostek białkowych
ważniejszych układów katalitycznych, takich jak: ATPaza protonowa, oksydaza
cytochromu, czy też dla białek błon mitochondriów, chloroplastów i rybosomów.
Tylko wspólne działanie genów jądra komórki, mitochondriów, chloroplastów
wraz z innymi strukturami subkomórkowymi uczestniczącymi w syntezie białek,
stwarza możliwość budowania złożonych kompleksów białko-enzym, wyznaczających podstawowe kierunki przemiany materii.
Posttranskrypcyjna i posttranslacyjna modyfikacja cząsteczek jest ważnym
procesem regulacji na poziomie komórkowym. Powstające w procesie transkrypcji
prekursory kwasów rybonukleonowych w wyniku licznych przekształceń (metylowanie, odłączanie lub przyłączanie fragmentów oligonukleotydowych), tworzą
funkcjonowanie aktywne formy RNA. Procesy te zachodzą podczas dojrzewania
mRNA, rRNA, tRNA (zob. rozdz. 6). Podobnie białka, które powstały w wyniku
syntezy rybosomowej także są modyfikowane, m.in. poprzez metylowanie, odszczepienie fragmentów peptydowych czy włączanie komponenty węglowodanowej podczas biosyntezy glikoprotein. W rezultacie z polipeptydowych prekursorów
otrzymywane są aktywne formy enzymów, hormonów, peptydów biologicznie
aktywnych. Poziom wymienionych modyfikacji wpływa bezpośrednio lub pośrednio na większość z wymienionych procesów metabolicznych.
Szczególne znaczenie przypisywane jest ostatnio kowalencyjnym modyfikacjom, które regulują aktywność około 100 enzymów. Obok fosforylowania w cząsteczkach enzymów rodników seryny, treoniny i tyrozyny przez odpowiednie kinazy proteinowe (zob. rozdz. 9 i 12), znaczącą rolę odgrywa adenylowanie i urydylowanie, a także ADP-rybozylacja.
Adenylowanie oraz urydylowanie opisał E. Stedman dla syntetazy glutaminowej (m.cz. 600 kDa, 12 × 50.000):
ATP → ADP + H 3 PO 4
HOOCCH2CH2CH(NH2)COOH + NH3
Kwas glutaminowy
→
Syntetaza
glutaminowa
H2NOCCH2CH2CH(NH2)COOH
Glutamina
W biosyntezie glutaminy bierze udział deadenylowana syntetaza glutaminowa.
W miarę przyłączania do każdej z 12 podjednostek reszt kwasu adenylowego, dającego potencjalnie 328 form enzymu, aktywność enzymu ulega zmniejszeniu.
Reakcja adenylowania zachodzi z udziałem grupy hydroksylowej tyrozyny:
402
Podstawy biochemii
Z kolei transferaza adenylowa aktywna jest jedynie po związaniu białka regulatorowego, nie zawierającego reszty urydyny w miejscu rodnika tyrozyny (reakcja
zachodzi analogicznie do adenylowania, ale z UTP w charakterze donora reszty
urydyny), w związku z czym katalizuje ona reakcję deadenylacji syntetazy glutaminowej i przeprowadza ją ponownie w stan aktywny.
W przypadku ADP-rybozylacji rodnika argininy, a także grupy NH2 lizyny lub
asparaginy enzymu, przenoszona jest z NAD+ reszta ADP-rybozy, z uwolnieniem
amidu kwasu nikotynowego. Reakcję katalizuje NAD+-aza, posiadająca aktywność
ADP-rybozylotransferazową:
Oprócz modyfikacji posttranslacyjnych białka, szczególnie enzymatyczne, ulegają ograniczonej degradacji proteolitycznej, dzięki której komórkowe procesy
rozpadu i syntezy enzymów regulują ich poziom wyznaczając szybkość określonych reakcji.
Modyfikacje posttransnlacyjne są źródłem licznych form enzymów, tak jak np.
syntetazy glutaminowej. Obok determinowanych genetycznie izoenzymów nadają
one swoisty charakter ich odrębnym formom, przyczyniając się do zwiększenia
Rozdział 13. Wzajemne związki i regulacja przemiany materii
403
różnorodności zachodzących reakcji. Ostatnio aktywnie badane jest zjawisko kontroli transkrypcji genów jądrowych i mitochondrialnych poprzez białka cytoplazmatyczne zwierząt i roślin.
Przeniesienie substancji przez błony jądra, mitochondrium, lizosomów, sieci
endoplazmatycznej oraz innych substruktur komórkowych jest jednym z istotnych
mechanizmów regulacji przemiany materii i wielu fizjologicznych funkcji organizmów na poziomie komórkowym. W transporcie jonów główną rolę odgrywają
cykliczne peptydy oraz depsipeptydy, specyficzne enzymy (translokazy), związki
wielkocząsteczkowe, w szczególności białka oraz peptydy sygnałowe i ich oddziaływania z błoną białkowo-lipidową. Niedawno wykryto nową kategorię białek
zwanych porynami, tworzących w membranach pory, przez które aktywnie przenoszone są różne związki.
Badaniu procesów transportu substancji więcej uwagi poświęca membranologia. Transport metabolitów do wnętrza i na zewnątrz struktur komórkowych oraz
kompartmentów komórki w sposób bezpośredni wpływa na szybkość reakcji biochemicznych, przy czym problem przestrzennego rozdzielenia reakcji przemian
komórkowych nie sprowadza się tylko do utworzenia gradientu stężeń metabolitów. Istotną rolę w tych procesach odgrywają enzymy związane z cząsteczkami
obecnymi na terenie substruktur komórki. Ich aktywność wzrasta stosownie do
„absorpcyjnego mechanizmu” regulacji enzymów, któremu towarzyszy sukcesywne przekazanie przejściowych produktów procesu katalitycznego.
Rola oddziaływań wielkocząsteczkowych w regulacji przemiany materii na poziomie komórkowym jest widoczna szczególnie wyraźnie w przypadku oddziaływań białko-kwas nukleinowy. Okazuje się, że pre-mRNA, syntetyzowane w jądrze,
początkowo łączą się z białkami jądrowymi (informatynami), przy czym na tym
etapie zachodzi dobór pre-mRNA. Jedynie część z nich ulega przekształceniu w rybonukleoproteiny (podjednostki 30 S i ich kompleksy), a pozostałe nieistotne w danym momencie dla metabolicznych potrzeb komórki ulegają zdegradowaniu. premRNA związane z podjednostką 30 S dojrzewają i przechodzą przez błonę jądrową w wyniku czego tracą część białkową. Wraz z wejściem do cytoplazmy mRNA
ponownie łączą się z białkami o wysokim powinowactwie do białek cytoplazmatycznych i tworzą informosomy, w których utrzymywane są w stanie ukrytym aż
do momentu połączenia z rybosomem. Opisany mechanizm kaskadowego przekazywania informacji genetycznej z jądra do cytoplazmy komórki ma istotne znaczenie dla przebiegu procesów przemiany materii.
Wyniki ostatnich badań dostarczyły nowych informacji na temat kontroli procesów przemiany materii na poziomie oddziaływań białkowo-nukleinowych. Wykryto,
że podstawowa rola uniwersalnej kinazy proteinowej komórek eukariotycznych, tj.
kazeino-kinazy typu II, polega na regulacji stopnia stabilizacji – destabilizacji mRNA przez współdziałające z nim białka, przy czym zarówno samym mRNA, jak
i RNA innych klas, przypisywana jest rola regulatora aktywności proteinokinazy.
404
Podstawy biochemii
Wraz ze wzrostem poziomu fosforylacji białek wiążących RNA, zmniejsza się ich
powinowactwo do mRNA, a zwiększa zdolność włączenia w procesy translacyjne.
Dla regulacji przemiany materii szczególne ważne są te oddziaływania białkolipid, które zachodzą w obszarze białkowo-lipidowych membran komórki. Właśnie
one decydują o poziomie aktywności enzymów związanych z błoną, o stopniu
przepuszczalności błon dla metabolitów, o możliwość transmembranowego przenoszenia makrocząsteczek oraz o realizacji szeregu innych procesów zależnych od
parametrów fizykochemicznych aparatu membranowego komórki.
Badania oddziaływań białkowo-węglowodanowych wykazały ważną rolę specyficznych kontaktów zachodzących na poziomie makrocząsteczek, struktur subkomórkowych oraz komórek. Podstawę tych oddziaływań stanowią lektyny, białka,
które selektywnie rozpoznają składniki węglowodanowe, w następstwie czego dochodzi do inicjacji procesów mających duże znaczenie dla regulacji metabolizmu.
Najistotniejsze znaczenie dla regulacji komórkowej przemiany materii realizowane jest jednak na poziomie oddziaływań białko-białko, i dotyczy tworzenia
kompleksów wieloenzymatycznych, formowania zespołów enzymów i metabolitów oraz powstawania hormonalnych kompleksów receptorowych natury peptydowej i białkowej. Przykłady tego rodzaju oddziaływań zostały omówione w poprzednich rozdziałach.
Jeszcze do niedawna nie było żadnych informacji na temat biologicznego znaczenia oddziaływania pomiędzy cząsteczkami węglowodanów. Sytuacja uległa
zmianie wraz z ujawnieniem mechanizmu adhezji międzykomórkowej, pośredniej
lub inicjowanej oddziaływaniem węglowodanowo-węglowodanowym, przy czym
aktywność tych kompleksów ma charakter pierwotny, poprzedzający adhezję białkowo-białkową. W wyniku badania oddziaływań między błonami komórek, charakteryzujących się wysoką gęstością wbudowanych glikolipidów, otrzymano
zdumiewające dane na temat ich funkcji i możliwości regulacyjnych.
Regulacja na poziomie organizmu. Głównym sposobem regulacji przemiany
materii na poziomie organizmu jest mechanizm regulacji hormonalnej (zob. rozdz.
12) za pośrednictwem hormonów i kierowany przez sygnały układu nerwowego
zwierząt oraz przez systemy szlaków przewodzących u roślin w odpowiedzi na
sygnały środowiska. Na tym poziomie realizowane jest naturalne i logiczne połączenie reakcji biochemicznych z procesami fizjologicznymi.
Populacyjny poziom regulacji. Podobnie jak poprzedni, tak i ten poziom regulacji znajduje się na pograniczu biochemii i fizjologii, przechodząc w nowo rozwijającą się dziedzinę nauki określaną jako ekologia chemiczna. W związku z tym,
mając na uwadze globalne aspekty chemicznych oddziaływań w przyrodzie żywej,
aktualnie powinno się mówić o poziomie regulacji metabolizmu w ekosystemach.
Sens takiej interpretacji wynika z istotnego wpływu związków chemicznych produkowanych i uwalnianych przez organizmy, a mających wpływ na przemiany
metaboliczne, reakcje i zachowania innych osobników. Wpływ ten realizowany
jest za pośrednictwem układów receptorowych.
Rozdział 13. Wzajemne związki i regulacja przemiany materii
405
Przykłady przedstawione w rozdziale 4, dotyczą antybiotyków i telergonów.
Jednak lista związków biorących udział w wewnątrz- i międzygatunkowych oddziaływaniach chemicznych jest znacznie szersza i wciąż uaktualniana. Obejmuje
ona antybakteryjne fitoncydy produkowane przez zdrowe rośliny, fitoaleksyny
ochronne powstające w roślinach w odpowiedzi na zakażenie bakteryjne lub grzybicze, nowe antybiotyki, fitohormony, neurohormony itp. Wszechstronne badania
prowadzące do poznania ich budowy i w konsekwencji mechanizmów istniejących
w przyrodzie powiązań biochemicznych, są niezwykle pomocne w opracowaniu
strategii ekologicznej, niezbędnej w czasach, w których żyjemy.