A sejt mint üzem energiaforrás energiaellátó mitokondrium glukóz CO2 raktár glukóz vakuola peroxiszóma igazgatóság sejtmag energiafecsérlő végszerelde endoplazmás retikulum előszerelő csarnok riboszómák CO2 hulladékok

Az üzem irányítása Az igényekhez igazodó mennyiségű gép gyártása Az egyes gyártási lépések között sem következhet be felhalmozódás, vagy hiány Az energia- és az anyagfelhasználás optimalizálása Egészséges munkakörülmények, a gyártás során keletkező ártalmas, mérgező anyagok eltávolítása Optimális gyártógép mennyiség Szigorúan összehangolt készletezés, részlépések a sejt szabályozása: BIOREGULÁCIÓ

Bioreguláció A sejt gépei az enzimek: szerepük, alaptulajdonságaik Szabályozásuk: az enzimaktivitás szabályozása szabályozások: allosztérikus enzimek, proteolítikus hasítás, foszforiláció gátlások: kompetitiv, nem-kompetitiv, unkompetitiv a fehérjék életútja a transzlációtól a proteaszómáig az enzimmennyiség szabályozása a sejtdifferenciáció és a génexpresszió szabályozása a génexpresszió szabályozásában résztvevő fehérjék: - hélix-turn-hélix - cinkujj fehérjék - leucin cippzár - hélix-loop-hélix

A gének be- és kikapcsolása - lac operon - triptofán represszor - eukarióta transzkripció szabályozás - transzkripciós faktorok - promoterek - génregulációs szekvenciák - gén regulációs fehérjék Sejtdifferenciáció Poszttranszkripciós szabályozások

Sejtszintű információáramlás: Szignáltranszdukció Általános kitekintés: receptorok, ligandok Extracelluláris jeltovábbítás: - parakrin - szinaptikus - endokrin Sejtmag receptorok: - szteroid hormonok - tiroid hormonok - retinoidok - D-vitamin Sejtfelszini receptorok - Ioncsatorna-kapcsolt - G-fehérjéhez kapcsolt - Enzimkapcsolt receptorfehérjék

Az enzimek katalitikus aktivtásának szabályozása Az elő sejtben több ezer enzim, kis térfogatú kompartimentumokban összetett metabolikus hálózat A problémamentes anyagcsere pontos, precíz szabolyozást igényel

A szabályozás szintjei 1. Az enzimmolekulák száma - génexpresszió szabályozása 2. A sejt specializált kompartimentumokba telepít folyamatokat (enzimeket), ezekben a szubsztrátkoncentrációt a citoszóltól eltérően alakíthatja, a folyamatokat szeparálhatja egymástól 3. Célzott fehérjelebontással a fehérjék (enzimek) életidejét befolyásolhatja 4. A leggyorsabb és legáltalánosabb módszer a reakció sebességének befolyásolása az enzimaktivitás közvetlen és általában reverzibilis változtatása révén

A feedback szabályozás A metabolikus út egy korai szakaszán található enzimet, az útvonal késöbbi szakaszának terméke gátol/aktivál. Rendkívül gyors reagálás jellemzi Negatív szabályozás: enzimaktivitást csökkenti Pozitív szabályozás : a regulátor molekula növeli az enzimaktivitást. Pl.: az ADP feldúsulása pozitivan hat a glukóz metabolizmusára, elősegítve az ADP ATP átalakulást

A feedback szabályozás Útvonalelágazásoknál, vagy kereszteződéseknél többszörös szabályozópontok találhatóak, amelyeknél a különböző végtermékek saját maguk szintézisét befolyásolják.

Az enzimaktivitás közvetlen szabályozásának módjai 1. Allosztérikus enzimek Allos = másik Steros = szilárd, vagy három dimenziós Aktív hely: szubsztrát Regulációs hely: regulátor molekula Kommunikáció A regulátor molekula bekötődése befolyásolja az aktív helyet: konformációváltozás aktivitásváltozás

A fehérjék jelentős része allosztérikus: - enzimek - receptorok - szerkezeti fehérjék - motorfehérjék A ligandok a fehérje azon konformációját stabilizálják, amelyikhez a legerősebben kötődnek. Így be- és kikapcsolhatják a különböző konformációkat.

Kölcsönös ligandhatások Felt: egy fehérjének - glukóz - X kötőhelye van egymástól elkülönülten Ha befolyasolják egymás kötődését, akkor a két kötőhely párosított, vagy összekötött. Ha mindkét ligand ugyanazon fehérjekonformációt részesíti előnyben, akkor bármelyik bekötése növeli a fehérje másik irányába mutatott affinitását.

Kölcsönös ligandhatások A kötőhelyek kötöttsége negatívan befolyásolja a kötődést, ha a két különböző molekula a különböző konformációjú fehérjéhez szeret jobban kötődni. A kötöttség mennyiségileg oda-visszaható, ha az egyik igandnak nagy hatása van a másik kötődésére, akkor a másiknak is nagy hatása van az egyikére.

Az X molekula nem az aktív helyhez kötődik Nem kell, hogy bármilyen kapcsolat legyen közte és a glukóz között. Az X molekula egyszerűen be- (+ reguláció) vagy kikapcsolja (- reguláció) az enzimet. Az allosztérikus fehérjék általános kapcsolóként működhetnek, segítve az anyagcsereutak összehangolását.

Kooperativitás egy alegységes enzim két alegységes enzim négy alegységes enzim Egy alegységes enzim nem ad lehetőséget éles szabályozásra. Több alegységes enzim: az első ligand bekötése allosztérikus változást erdményez az alegységen belül, amely ezt követően átterjedhet a többi alegységre, elősegítve a ligand többi alegység általi megkötését.

Kooperativitás Az első ligand bekötése nehezebb, mivel egy energetikailag kedvező kapcsolat bomlik fel. A második kötődése jóval könnyebb, mivel ez visszaállítja a szimmetrikus molekula monomer-monomer kapcsolatát (és ezzel együtt teljesen inaktiválja az enzimet). A kooperativitás révén jóval élesebb hatás, igazi kapcsolás érhető el.

Példa a kooperatvitásra és az allosztériára: a HEMOGLOBIN A metabolizmus O2 igénye nagy Molekulák oxigén szállításra: hemoglobin tárolásra: mioglobin Hb mentes vér: 5 ml O2/l Hb-nal: 250 ml O2/l Hemoproteinek: Fe (II) és protoporfirin IX Fe koordinációs száma: 6 4 db kötés a porfirin váz 4 N 1 db a globin lánc (proximális) hisztidinjéhez

A 6. kötőhely: oxigén CO 300-szor jobb komplexképző, mint az oxigén. Veszélyes! Csak a ferro vas Fe (II) köt oxigént a ferri Fe (III) methemoglobin nem! Hemoproteinek: - Fe (II) állapotban O2 szállítás (Hb) kötés (Mb) - Fe (II) Fe (III) elektrontranszfer pl.: citokrómok - Fe (II) oxigénkötés, majd Fe (II) Fe (III) redoxreakcióban redukálja az oxigént pl.: citokróm P 450 enzimek

Térszerkezetük Mb: egyetlen polipeptidláncból és a hemből áll Hb: 4 polipeptidlánc + 4x1 hem Hb A (adult): 2 db a lánc Hb F (foetalis): 2 db a lánc 2 db b lánc 2 db g lánc

A hemoglobin szerkezetében O2 kötésére bekövetkező változás

A hemoglobin és a mioglobin oxigéntelítési görbéje Eltérő funkció: eltérő telítési görbék hemoglobin: kooperativitás allosztérikus fehérje

A 2,3-biszfoszfoglicerát szerepe a hemoglobin oxigénkötésében Nagy mennyiségben termelődik a vörösvértestekben a glikolízis során kötődik a deoxi-hemoglobinhoz, a kötődés ekvimoláris 1 db 2,3- BPG 1 db Hb tetramerhez 5 negatív töltése van Az oxi-hemoglobinhoz nem képes kötődni, a térszerkezetváltozás miatt szűk lesz számára a kötőhely

A 2,3-biszfoszfoglicerát kötődése a deoxi-hemoglobinhoz A b-láncban 4 His és 2 Lys alakítja ki a 2,3 BPG számára a pozitivan bélelt kötéhelyet

A 2,3 BPG szintje szabályozott (mechanizmusa jelenleg nem ismert) A 2,3-biszfoszfoglicerát plazmakoncentrációja - normális körülmények között: 4,5 mM - hexokináz hiányos állapotokban: csökken, a Hb O2 affinitása nő - piruvát kináz hiányos állapotokban: nő a Hb O2 affinitása csökken - hypoxiás állapotokban (pl. emphysémiában): 8 mM-ra is emelkedhet, 4500 m tenger szint feletti magasságban 7 mM-ra is emelkedhet, majd tengerszintre visszatérve normalizálódik A tárolás alatt csökken a vér 2,3 BPG szintje - inozit adagolása A Hb F kisebb mértékben köti nagyobb az oxigén irányába az affinitása, így képes a magzat az anya véréből átvenni az oxigént.

Fehérjeszabályozás foszforiláció/defoszforiláció által Allosztéria: pillanatszerű asszociáció/disszociáció (másodrendű kötések) Fehérje foszforiláció: eukarióta sejtekben, a két rendszer kiegészíti egymást. Kovalens módósítás: - lassabb - tartósabb - enzim katalizálta mind a foszforiláció, mind a defoszforiláció A foszforiláció 2 módon érinti a fehérjéket: 1. A foszfát csoport 2 negatív töltéssel rendelkezik, konformációváltozást okoz (pl.: pozitívan töltött aminosavak révén összehúzza a fehérjét 2. A fehérjéhez kötődő foszfátcsoport, egy olyan modul része lehet, amelyet más fehérjék kötőhelye ismer fel (pl.: SH 2 domén)

Inaktiv zimogének és aktiválódásuk Limitált proteolízis proteolízis: peptidkötések bontása limitált: csak jól definiált helyen történő Általában proteáz enzimek aktiválása történik így, hogy csak az adott helyen (emésztőenzimek) és csak az adott körülmények között (véralvadási enzimek) legyenek aktivak. Proformában zimogénként szintetizálódnak és csak késöbb aktiválódnak. Másik szsabályozási lehetőség: Proteáz inhibitorok Inaktiv zimogének és aktiválódásuk 1. Az aktív centrum kialakult csak a fehérje egy másik része lefedi (pl.: pepszinogén) 2. Az aktiv centrum csak a limitált proteolízist követő szerkezetváltozás kapcsán alakulhat ki (pl.: tripszinogén)

A génexpresszió szabályozása A molekuláris biológia centrális dogmája: transzkripció transzláció DNS RNS Fehérje Reverz transzkriptáz Génexpresszió: a gén kifejeződése Bakteriális genom: néhány millió bázispár Humán genom: 3.109 bázispár Önmagában értelmetlen adathalmaz. Mikor, milyen körülmények között készül az adott gén terméke, ha elkészül milyen szerepet lát el?

A génexpresszió szabályozása - a genetikai kapcsolók munka közben E. coli genom: 4,6 millió bázispár (4300 fehérje) Sok fehérje átírása a rendelkezésre álló táplálékoktól függ. Triptofán operon: Az 5 gén egyetlen promóterről iródik át Ha a triptofán készen rendelkezésre áll a szintézis génjeit kikapcsolja

A promóter szerepe a transzkripciós szabályozásban A transzkripció iniciációja kiemelt fontosságú: melyik fehérjét és milyen arányban fejezi ki a sejt Bakteriális RNS polimeráz: több alegységes komplex. Különálló alegység, a s faktor felelős a DNS-en a transzkripció kezdőhelyét jelentő szignál felismeréséért. Az RNS polimeráz gyorsan végigszánkázik a DNS-en, ha azonban a polimeráz a promóter régióra csúszik szorosan hozzáköt. s faktor: a felismerő

A triptofán operon Operátor szekvencia: promóterben található egy szabályozó DNS szakasz. Egy gén szabályzó fehérje, a triptofán represszor kötődhet hozzá. Triptofán represszor: hélix-turn-hélix Ha a triptofán represszor beköt megakadályozza a z RNS polimeráz bekötődését a promóterhez.

A triptofán represszor operátorhoz kötődéséhez, magának is két triptofánt kell kötnie. A fehérje aktív, DNS kötő formája kikapcsolja a gént negatív kontroll a fehérje: transzkripciós vagy gén represszor fehérje

Transzkripciós vagy gén aktívátor fehérjék Néhány bakteriális promöter szekvencia hatásfoka alacsony, mivel: 1. Az RNS polimeráz csak alacsony hatásfokkal ismeri fel 2. Az RNS polimeráznak nehézségei adódnak a DNS kettős hélix felnyitásával és a transzkripció megindításával. Ezen fehérjéknek a promóterhez kapcsolódó gén regulációs fehérje mentővet dobhat. Ezen fehérjék aktív, DNS kötő alakja bekapcsolja a gént pozitív kontroll a fehérje: transzkripciós, vagy gén aktívátor fehérje

Az X kromoszóma inaktívációja A kromatin szerkezet befolyásolja a génexpressziót Férfiak: XY Nők: XX X kromoszóma: nagy méretű több mint 1000 gén Y kromoszóma: kis méretű, kevesebb, mint 100 gén Kompenzációs mechanizmus Cél: kiegyenlíteni a férfiak és nők közti X kromoszóma géntermékek közötti mennyiségi különbséget Megvalósítás: a nők szomatikus sejtjeiben az egyik X kromoszóma transzkripciósan inaktíválódik

A nőnemű embrió sejtjeiben amikor még csak néhány ezer sejtből áll az egyik X kromoszóma jelentősen kondenzálódik, heterokromatin szerkezetet vesz fel. Ezt az erősen kondenzálódott szerkezetet nevezik: Barr testnek

Hogy melyik X kromoszóma inaktíválódik teljesen random dől el. Ha már egyszer inaktíválódott, az a további osztódások során is úgy marad benne és utódaiban. Az inaktíválódás a pár ezer sejtből álló embrióban megy végbe Random Minden egyes nő különböző sejtek mozaikja

Ezek a mozaikos sejtek kisebb klasztereket alkotnak a felnőtt szervezetben, mivel a testvér sejtek egymás mellett maradnak a késöbbi fejlődés során. Ez okozza a macskák fekete-vörös teknőspáncél-szerű bundamintázatát. A hím macskák vagy teljesen feketék, vagy teljesen vörösek.

Hogyan következik be a transzkripciós inaktíválódás egy egész kromoszómán? Az X kromoszóma inaktíválódása az X kromoszóma közepén egy helyről kiindulva indul és terjed tova mindkét irányba. XIC: X inaktívációs centrum, 106 bp, a heterokromatin kiindulási magja XIST: X inaktívációs specifikus transzkript; szokatlan RNS molekula az XIC-n belül kódolt, kizárólag az inaktívált X kromoszómáról expresszálódik, a sejtmagban marad nem iródik át fehérjére, elengedhetetlen az X kromoszóma inaktívációjához, ahogy a XIST RNS tovaterjed, úgy csendesedik el a gén.

X kromoszóma heterokromatin: - XIST RNS - hiszton 2A - alacsony szinten acetilált H3, H4 - specifikus helyen metilált H3, DNS Megválaszolásra várnak: 1. Hogyan dől el, hogy melyik X kromoszóma inaktíválódik? 2. Milyen mechanizmus védi a másik X kromoszómát az inaktíválódástól? 3. Hogyan koordinálja az XIST RNS a heterokromatin szerveződését? 4. Hogyan marad inaktív a kromoszóma a sejtosztódások tömkelrgén keresztül?