METABOLİZMANIN DÜZENLENMESİ: Dr. V. Kenan ÇELİK vkcelik@cumhuriyet.edu.tr

Yiyeceklerin kalori değeri: Lipidler – 9 kcal/g Karbohidratlar – 4 kcal/g Proteinler – 4 kcal/g Figure 10.1 Anabolism and catabolism. Anabolic reactions use small molecules and chemical energy in the synthesis of organic molecules and in the performance of cellular work. Solar energy is an important source of metabolic energy in photosynthetic bacteria and plants. Some molecules, including those obtained from food, are catabolized to release energy and either monomeric building blocks or waste products. In the remaining figures in this chapter, blue arrows represent biosynthesis pathways and red arrows represent catabolism pathways. ATP

Katabolik pathway Figure 10.6 Overview of catabolic pathways. Amino acids, nucleotides, monosaccharides, and fatty acids are formed by enzymatic hydrolysis of their respective polymers. They are then degraded in oxidative reactions and energy is conserved in ATP and reduced coenzymes (mostly NADH). (Numbers in parentheses refer to the chapters and section in this book.)

Anabolik pathway Figure 10.5 Overview of anabolic pathways. Large molecules are synthesized from smaller ones by adding carbon (usually derived from CO2) and nitrogen (usually as NH3+). The main pathways include the citric acid cycle, which supplies the intermediates in amino acid biosynthesis, and gluconeogenesis, which results in the production of glucose. The energy for biosynthetic pathways is supplied by light in photosynthetic organisms or by the breakdown of inorganic molecules in other autotrophs. (Numbers in parentheses refer to the chapters and section in this book.)

Metabolik Reaksiyonların Organizasyonu Yolaklar (Pathway) aracılığı ile: – Bir seri organize edilmiş reaksiyon basamakları Bölme/bölgelere ayrılmış olarak: – Belirli reaksiyonlar belirli hücrelerde, organlarda ve başka spesifik bölgelerde oluşur. Yolaklar sıkı bir şekilde düzenlenir (kontrol edilir): Anabolizma ve katabolizma reaksiyonlarını ayrı tutabilmek için Yalnızca gerektiğinde ürün oluşturmak için Pathway içerisinde gerekli en az tek bir basamağın irreversible olması nedeniyle (exergonic, -G)

Pathway Tipleri: Bireysel reaksiyon serileri: A) Lineer, Dallı B) Siklik (Dairesel, döngüsel) C) Spiral Birleşik pathwayler: Bir noktaya yöneltilen (metabolik) Birbirinden uzaklaşan

Metabolik Yolaklar (pathway): Serine sentezi Sitrik Asit Döngüsü Yağ asit sentezi

Metabolik Yolakların Düzenlenmesi Regülasyon değişen durumlarda adaptasyonu sağlar. Genel düzenleme yolları: (1) Substrat miktarı (konsantrasyon) (2) Ürünleri uzaklaştırılması (3) Yolakta yer alan enzimlerin aktiviteleri Allosterik regülasyon Kovalent modifikasyon

ATP sentez - Yıkım ATP ATP

Açlık süresince Karaciğerde metabolizma

Metabolik Yolaklar Sinyal iletimi ile Düzenlenir. Figure 10.4 Regulatory role of a protein kinase. The effect of the initial signal is amplified by the signaling cascade. Phosphorylation of different cellular proteins by the activated kinase results in coordinated regulation of different metabolic pathways. Some pathways may be activated, whereas others are inhibited. —P represents a protein-bound phosphate group.

Hücre iletişimleri: 4 Metod Gap junctions: Bitişik-komşu- hücreler arası direkt iletişim (Kimyasal ve elektriksel) Sinyala bağımlı kontak: Komşu membran molekülleri arasındaki etkileşim Lokal iletişim: Otokrin ve Parakrin sinyal iletimi Uzak mesafeli iletişim: -Kimyasallar (hormonlar) ile yavaş. -Elektriksel (nörotransmitter) ileti hızlı 75 trilyon hücre iletişim ağını iki yolla sağlar. Elektriksel Kimyasal

Hücre iletişim metodları

Büyüme faktörleri/Hedef hücre etkileşimleri: 1. Parakrin Farklı hedef hücreler NGF tarafından üretilen GF 2. Otokrin Hücrenin kendisi PDGF/ Tarafından GF üre. tumors 3. Jukstakrin Başka hücreler tarafından TGF-a üretilen GF fakat hedef hücrede sonlanan 4. Holokrin Hedef hücreler tarafından IL’s salınan fakat hiç sinyal oluşturmayan GF

Parakrin

Otokrin

Paracrine/Endocrine Growth Factor GF) Sinyal iletimi Örnek: Insulin, Thyroid hormone, Growth Hormone, Leptin

Paracrine Growth factor Sinyal iletimi : Neurotrophic factors (NGF, Nerve Growth Factor)

Autocrine Growth Factors : PDGF, Onkogenik hücreler

Juxtacrine sinyal iletimi : TGF-a

Homeostazis’ in İdamesi Lokal–parakrinler histamin sitokinler eikosanoidler Uzak mesafede – reflex kontrol Sinirsel Endokrin Sitokinler

Endokrin hormonların hiyerarşisi

Genel olarak hormonlar 4 yapısal grup içerisinde katagorize edilirler: 1. Peptit-protein hormonlar---Insulin, Glukagon,Tiroid Hormon 2. Steroidler 3. Amino asit türevleri 4. Yağ asit türevleri

Hormonların kimyasal çeşitliliği:

Sinyal pathway’inin prensibi:

INTRACELLULAR SIGNAL TRANSDUCTION:

© 2000 by W. H. Freeman and Company. All rights reserved. Reseptör sınıfları Hücre içi reseptörler: - Sinyal iletici moleküller steroid hormones, retinoids, thyroxine, vb - receptör-hormon compleksi bir transcription factor olarak gen transkripsitonunu etkiler Hücre yüzey reseptörleri : - Sinyal iletici molekül peptid hormonlar, katekol- aminler, insulin, growth factors, cytokines, etc Bağlanma ile sitozolik sekonder messenger derişiminde ,veya  Tetikler; buda hücre içi Protein aktivitelerinde Değişikler oluşmasına Neden olur. © 2000 by W. H. Freeman and Company. All rights reserved.

Hedef hücre reseptörleri:

Membran Reseptörleri

Membran reseptörleri İyon Kanalları: Asetilkolin, muscarinic ve nicotinic receptörler üzerinde etkilidir. GABA: Beyin ve spinal kord da nörotransmitter inhibitörüdür, Glutamat: MSS üzerinde depolarizasyon, Na+, K+ and Ca2+ iyonlarına karşı geçirgenliğin artırılması Enzimatik aktiviteye sahip reseptörler G protein bağlı reseptörler Beta-adrenergik reseptörler Alpha -adrenergik reseptörler Integrin reseptörler Hücre adesyon reseptörleri

İyon kanallı kapılar : Medical Cell Biology, (2nd edition), Stephen R Goodman, Lippincott – Raven1998

Ligand-kapılı Kanallar yolu ile direkt mekanizma: Nicotinic ACh receptor İyon permeabilitesindeki değişim membran potansiyelini de değiştirir.

Membran reseptörleri olarak İYON Kanalları

Enzimatik aktiviteye sahip reseptörler Reseptör hücre membranının dışındadır. Enzimatik aktivite hücre içerisindedir. ÖRNEK: Tirozin kinaz:Fosfat grubu ATP den proteindeki Tirozin üzerine aktarılır – growth receptors Guanilsiklaz: GTP’nin cGMP’ ye dönüşümü (nitric oxid)

Tirozin kinaz

SH2 domains found in lots of proteins, Src homology domain, link to lots of RTKs, also have aa specificity The three-dimensional structure of an SH2 domain, The SH2 domain is a compact, "plug-in" module, which can be inserted almost anywhere in a protein without disturbing the protein's folding or function Because each domain has distinct sites for recognizing phosphotyrosine and for recognizing a particular amino acid side chain, different SH2 domains recognize phosphotyrosine in the context of different flanking amino acid sequences. (MBTC) MODULAR DOMAIN

Birçok sinyal iletiminde G-Proteini kullanılır: Yüzlerce tipi mevcuttur GDP / GTP bağlar (adını da burdan alır !) Aktive edilen G proteinleri İyon kanallarını açar Adenilat siklaz aracılığı ile aktivite çoğaltılır cAMP second messenger  protein kinaz aktivasyonu  ________________

Hücreiçi sinyal iletimi G-protein bağlı membran reseptörleri aracılığı ile yapılır Reseptör; İletici (G protein): Effektör (membrane-bound enzyme); Second messenger (cAMP,Ca2+ vb); Yanıt ( protein fosforilasyonları) RESEPTÖR:Membranı 7 kez kat eden integral-heliks membran proteini Ligand bağlayan domain (extracellular bölge) -adrenergic reseptör Gs bağlayan bölge (intracellular site)

Sinyal İletim Pathway  Gs tarafından Adenilat siklazın aktivasyonu Receptor: 7 TM integral membran protein Effector: adenilat siklaz İletici: Gs Second mes: cAMP

CREB (cAMP Response Element Binding protein).

G protein’in aktivasyonu , GTP –GDP değişiminebağlıdır. G protein Ayrışması/birleşmesi: G protein’in aktivasyonu , GTP –GDP değişiminebağlıdır. Bu da Gs’e spesifik GEF protein (guanine nucleotide exchange factor) aracılığı ile olur G protein activation GTPaz aktivitesine sahip  subunit , GAP aracılığı ile(GTPaz activating protein) GTP : GDP’e yavaşca hidroliz olur Adenylate cyclase activation GTP hydrolysis

Fosfolipaz C

G - Protein mediated Signal Transduction Muscarinic ACh receptor G - Protein mediated Signal Transduction

cAMP aracılı sinyal iletiminin inhibisyonu cAMP fosfodiesteraz tarafından hidroliz edilir **

Tek bir ligand için Çoklu reseptörler

Molecular Biology of the Cell, 2002 Her bir hücre sinyal moleküllerine Spesifik yanıtla programlanmıştır. Farklı hücreler aynı kimyasal sinyale farklı yanıt oluşturur. Molecular Biology of the Cell, 2002

Sinyal iletimi ve amplifikasyon

G-protein/cAMP

Sinyal iletimi ve amplifikasyon

miyokardium The Heart, (3nd edition), Lionel H Opie, Lippincott – Raven1998

Hücre içi İKİNCİL MESENGER olarak Ca2+ Hücreler, hücre içi düşük [Ca2+] idame ettirmek için çok çalışmak zorundadır. Aksi taktirde hücre İçi sinyal iletimi etkilenir ** Molecular Biology of the Cell, 2002

İkincil mesenger olarak Kalsiyum

İkincil mesenger olarak Kalsiyum Ekstraselüler sıvıdan – voltaj kapılı kanallar yada ligand kapılı kanallar- aracılığı ile hücre içerisine geçer. Hücre içi komparmandan salınır.(endoplasmic reticulum) – IP3 Kalsiyum salınımı- Kalsiyumun proteinlere bağlanmasına yol açar. Etkileri: Kalmoduline bağlanma – iyon kanalları açılır Troponine bağlanma- kas kasılımını başlatır Düzenleyici proteinlere bağlanması- ekzositozu başlatır (insulin salınımı) İyon kanallarına bağlanma- kanalların açık durumda aktivasyonu – K= sinir hücre kanalları

MESAJ OLUŞTURAN DİĞER SİSTEMLER: : The Heart, (3nd edition), Lionel H Opie, Lippincott – Raven1998

MESAJ OLUŞTURAN DİĞER SİSTEMLER: Siklik guanozin monofosfat (cGMP) -Düz kas gevşemesi, -Trombosit agregasyonu -Görme sistemi üzerinde etkili -Etkisi fosfodiesteraz ile sonlandırılır. -NO tarafından stimüle edilir.

Ara ürün: N-hydroxy-L-Arg Co-factorler: NADPH, FADH2 , BH4 NİTRİK OKSİT (NO) Nitri oxid sentaz (NOS) L-arginine + O2 NO + L-citrulline NOS Ara ürün: N-hydroxy-L-Arg Co-factorler: NADPH, FADH2 , BH4

NO Endotel hücrelerinde sentezlenir -Pulmoner arterlerde kan basıncını azaltır -Kanın oksijenlenmesini artırır -İmmün sistem üzerinde etkilidir -Makrofajlarda NOS aktivitesi düşüktür, Enzim bakteriyal lipopolisakkarit ve enfeksiyona cevap olarak salınan ﻻ -interferon tarafından stimüle olur. -Uyarılan makrofaj oksijen radikalleri oluşturur. Bunlarda NO ile birleşerek tümorisidal ve bakterisidal etki oluşturur. -Beyinde nörotransmitter görevi yapar

1987 – Ignarro & Furchgott:EDRF & NO have similar actions NO’ in Keşfi 1977 - Murad: nitrovasodilators & NO activate soluble guanylyl cyclase (sGC) 1980 – Furchgott: EDRF 1987 – Ignarro & Furchgott:EDRF & NO have similar actions 1988 – Moncada: confirms EDRF is NO 1998 – Murad, Furchgott & Ignarro awarded Nobel Prize for Medicine

nerves smooth muscle cells endothelial cells

Düz kas gevşemesi: Etki mekanizması ACh EC SMC eNOS Ca2+ NO L-Arg cGMP GC RELAXATION

Sinyal pathwayinin Modulasyonu Saturasyon, özgüllük, rekabet (yarışma) ve antagonism

Sinyal pathwayinin Modulasyonu Özgüllük ve Rekabet: Ligandlar ve reseptörler arasındaki affinite farklılıkları Tek bir reseptör için çoklu ligand Benzer yapıdaki farklı moleküllerin aynı reseptöre bağlanabilmesi

Modulasyona yanıt Up ve down regülaston beta-adrenergic reseptörlerin kullanılması ile yapılır. beta-adrenergic reseptör aktivasyonu ↓ PKA’nın aktivasyonu Beta-reseptör üzerindeki kinaz bölgesine bağlanma beta-adrenergic reseptörlerin bloklanması Reseptörlerin azalması etkinin ortadan kalkmasına neden

Up regülasyon ve down regülasyon The Heart, (3nd edition), Lionel H Opie, Lippincott – Raven1998

Sinyalin sonlanması: İlk mesengerin azaltılması

Sinyal sonlanması: İlk ileticinin yıkımı

Sinyal sonlanması: reseptör/ligand complex’ nin yıkımı

Clathrin-dependent Receptor-mediated endocytosis

Sinyal sonlanması: İkinci messenger’ ların uzaklaştırılması Human Physiology, (2nd edition), Moffet and Schauff, Lippincott – Mosby1993

Fosforilasyonun Tersine çevrilmesi Medical Cell Biology, (2nd edition), Stephen R Goodman, Lippincott – Raven1998

Örnek: Glikogenolizis Human Physiology, (2nd edition), Moffet and Schauff, Lippincott – Mosby1993

İkinci mesenger sistemi aktive eden Fosfoinosit’in Down-regülasyonu 1. IP3 hızla fosfatazlar tarafından defosforile edilir. 2. DAG hızla hidroliz edilir 3. Ca2+ hızla dışarı pompalanır.

Negatif endokrin regülasyonu Hypothalamus (TRH) Thyroid Gland (T3 & T4) Anterior Pituitary (TSH) 1 2 3 TSH stimulasyonları: (i) iodine transporter, (ii) thyroid peroxidase (iii) thyroglobulin.

Reseptör dimerizasyonu aktivasyona neden olur RTKs are activated by dimerization, frequently divalent ligand or homodimer ligand Tyr kinase vs S/T kinases Activation usually results in auto or transphosphorylation “RTK”

GDP Ras Use modular protein interaction domains, these are found in many proteins, used to bring Ras to RTK so “adaptors” w/o Ras they do nothing

Don’t worry about the all these ovals, if you know that Raf-1 activates the MAPK pathway and that MAPKs activate transcription of certain target genes, I will be happy Also note an instance of crosstalk—Ras activates PI3K and you can bet that I will be talking about the PI3K pathway later b/c that’s what I work on!