Regulacja oddychania komórkowego

Jak można przyspieszyć lub spowolnić proces oddychania komórkowego. Kluczowe enzymy i inhibicja przez sprzężenie zwrotne. Tłumaczenie na język polski: fundacja Edukacja dla Przyszłości dzięki wsparciu Fundacji HASCO-LEK

Wprowadzenie

Czasami możesz mieć za dużo dobrych rzeczy. Weźmy na przykład lody. Może naprawdę lubisz lody i kupisz ich kilka w sklepie. Jeśli jesteś bardzo głodny, może to być dobry wybór: możesz zjeść je wszystkie szybko, zanim się rozpuszczą. Jeśli jesteś tylko trochę głodny, może to być zły wybór: większość lodów rozpuści się niezjedzona, a ty zmarnujesz pieniądze.

Komórki napotykają podobny problem, gdy rozkładają paliwo (np. glukozę), w celu wytworzenia ATP. Jeśli zapas ATP w komórce jest niski, dobrze byłoby jak najszybciej rozłożyć glukozę, uzupełniając ATP, którego potrzebuje, aby „utrzymać się przy życiu”. Z drugiej strony, jeśli zapas ATP jest wysoki, utlenianie glukozy przy najwyższej prędkości może nie być dobrym pomysłem. ATP jest niestabilną cząsteczką, a jeśli zbyt długo jest w komórce, prawdopodobne jest, że spontanicznie zhydrolizuje z powrotem do ADP. Tak jak w przypadku rozpuszczonych lodów: komórka wykorzysta glukozę na produkcję ATP, a ATP ostatecznie zmarnuje się.

Ważne jest, aby komórka dokładnie dopasowała aktywność rozkładu paliwa (w stosunku do zapotrzebowania na energię w danym momencie). Tutaj zobaczymy, jak komórki zmieniają szlaki oddychania komórkowego „przyspieszają” lub „spowalniają” w odpowiedzi na poziomy ATP i inne sygnały metaboliczne.

Enzymy allosteryczne i regulacja szlaku

W jaki sposób kontrolowana jest aktywność szlaku? W wielu przypadkach szlaki są regulowane przez enzymy, które katalizują poszczególne etapy szlaku. Jeśli enzym dla określonego etapu jest aktywny, ten etap może przebiegać szybko, ale jeśli enzym jest nieaktywny, etap ten będzie się odbywał powoli lub wcale. Dzięki temu, jeśli komórka chce kontrolować aktywność szlaku metabolicznego, musi regulować aktywność jednego lub więcej enzymów na tym szlaku.

The primary target for regulation of a biochemical pathway is often the enzyme that catalyzes the pathway’s first committed step (that is, the first step that is not readily reversible). The concept of a committed step can get a little complicated when there are many intersecting metabolic pathways, as in cellular respiration, but this is still a useful idea to keep in mind.

W jaki sposób regulowane są enzymy kontrolujące szlaki metaboliczne? Szereg enzymów oddychania komórkowego jest kontrolowanych przez wiązanie cząsteczek regulatorowych w jednym lub więcej miejscach (centrach) allosterycznych. (Centrum allosteryczne jest po prostu miejscem regulacyjnym innym niż centrum aktywne.) Wiązanie regulatora z miejscem allosterycznym enzymu zmienia jego strukturę, czyniąc go mniej lub bardziej aktywnym.

Cząsteczki dowiązujące się do enzymów oddychania komórkowego działają jak sygnały, dostarczając enzymowi informacji o stanie energetycznym komórki. ATP, ADP i NADH są przykładami cząsteczek, które regulują enzymy oddychania komórkowego. Na przykład ATP jest sygnałem „stop”: jego wysoki poziom oznacza, że komórka ma wystarczającą ilość ATP i nie musi produkować go więcej na dordze oddychania komórkowego. Jest to przykład inhibicji na zasadzie sprzężenia zwrotnego, w którym produkt „udziela informacji zwrotnej”, aby zamknąć swój szlak.

Regulacja glikolizy

Kilka etapów glikolizy jest regulowanych, ale najważniejszym punktem kontrolnym jest trzeci etap szlaku, który jest katalizowany przez enzym o nazwie fosfofruktokinaza (PFK). Ta reakcja jest pierwszym determinującym etapem, dzięki czemu PFK jest głównym celem regulacji szlaku glikolizy jako całości

^{1}

PFK jest regulowany przez ATP, pochodną ADP o nazwie AMP i cytrynian, a także niektóre inne cząsteczki, o których tutaj nie będziemy rozmawiać.

ATP. ATP jest regulatorem PFK na zasadzie ujemnego sprzężenia zwrotnego: jeśli w komórce jest już dużo ATP, glikoliza nie musi produkować go więcej.
AMP. Adenozynomonofosforan (AMP) jest regulatorem PFK na zasadzie dodatniego sprzężenia zwrotnego. Kiedy komórka ma bardzo niski poziom ATP, zacznie produkować więcej ATP z cząsteczek ADP, przekształcając je w ATP i AMP (ADP + ADP $\to$ ‍ ATP + AMP). Wysoki poziom AMP oznacza, że komórka jest głodna energii, a glikoliza musi przebiegać szybko, aby uzupełnić ATP $^{2}$ ‍.
Cytrynian. Cytrynian, pierwszy produkt cyklu kwasu cytrynowego, może również hamować PFK. Jeśli cytrynian się gromadzi, jest to znak, że glikoliza może spowolnić, ponieważ cykl kwasu cytrynowego jest cofnięty i nie potrzebuje więcej paliwa.

Utlenianie pirogronianu

Następny kluczowy punkt kontrolny pojawia się po glikolizie, gdy pirogronian ulega przekształceniu w acetylo-CoA. Ten etap jest nieodwracalny dla wielu organizmów i reguluje, ile „paliwa” w formie acetylo-CoA wchodzi do cyklu kwasu cytrynowego

^{3}

. Enzym, który katalizuje tę reakcję, nazywa się dehydrogenazą pirogronianową.

ATP i NADH powodują, że enzym ten jest mniej aktywny, a ADP czyni go bardziej aktywnym. Tak więc, gdy zapasy energii są niskie, powstaje więcej acetylo-CoA.
Dehydrogenaza pirogronianowa jest również aktywowana przez swój substrat, pirogronian, i hamowana przez produkt, acetylo-CoA. To gwarantuje, że acetylo-CoA jest wytwarzany tylko wtedy, gdy jest potrzebny (i gdy jest dużo dostępnego pirogronianu) $^{4}$ ‍.

Cykl kwasu cytrynowego

Wejście do cyklu kwasu cytrynowego jest w dużej mierze kontrolowane przez dehydrogenazę pirogronianową (patrz powyżej), enzym, który wytwarza acetylo-CoA. Istnieją jednak dwa dodatkowe etapy cyklu, które podlegają regulacji. Jest to etap uwalniania cząsteczek dwutlenku węgla, a także etap, w którym powstają dwie pierwsze cząsteczki NADH cyklu.

Dehydrogenaza izocitratu kontroluje pierwszy z tych dwóch etapów, przekształcając cząsteczkę sześciowęglową w cząsteczkę pięciowęglową. Enzym ten jest hamowany przez ATP i NADH, ale aktywowany przez ADP.
Dehydrogenaza α-ketoglutaranowa kontroluje drugi z tych dwóch etapów, przekształcając związek pięciowęglowy z poprzedniego etapu w związek czterowęglowy związany z CoA (bursztynylo-CoA). Enzym ten jest hamowany przez ATP, NADH i kilka innych cząsteczek, w tym sam bursztynylo-CoA.

Zapiszmy to wszystko razem:

Istnieje wiele innych mechanizmów regulacyjnych oddychania komórkowego oprócz tych, które tutaj omówiliśmy. Na przykład prędkość łańcucha transportu elektronów jest regulowana przez poziomy ADP i ATP, a także wiele innych enzymów podlega regulacji. Jednak te przykłady pokazują logikę i strategię wykorzystywaną przez komórki do regulowania procesów metabolicznych.

Na każdym etapie możemy zobaczyć podobne schematy. Na przykład obserwujemy hamowanie na zasadzie sprzężenia zwrotnego na wielu etapach, na poziomie szlaków i poszczególnych reakcji. Monitorowanie stanu energetycznego komórki poprzez poziom ilości cząsteczek, takich jak ATP, ADP, AMP i NADH, to kolejna wspólna cecha.

Poniższy schemat podsumowuje kluczowe enzymy, o których mówiliśmy, oraz niektóre z ich najważniejszych regulatorów.

Żródła:

Ten artykuł jest zmodyfikowaną wersją artykułu “Regulation of cellular respiration,” autor OpenStax College, Biology (CC BY 3.0). Pobierz oryginalny artykuł za darmo z http://cnx.org/contents/185cbf87-c72e-48f5-b51e-f14f21b5eabd@9.85:40/Regulation-of-Cellular-Respira.

Zmodyfikowany artykuł może być używany zgodnie z licencją CC BY-NC-SA 4.0.

Cytowane prace:

Berg, J. M., Tymoczko, J. L., and Stryer, L. (2007). Glycolysis and gluconeogenesis. In Biochemistry (6th ed.). New York, NY: W. H. Freeman, 454.
Berg, J. M., Tymoczko, J. L., and Stryer, L. (2007). Glycolysis and gluconeogenesis. In Biochemistry (6th ed.). New York, NY: W. H. Freeman, 453.
Berg, J. M., Tymoczko, J. L., and Stryer, L. (2007). The citric acid cycle. In Biochemistry (6th ed.). New York, NY: W. H. Freeman, 490.
Berg, J. M., Tymoczko, J. L., and Stryer, L. (2007). The citric acid cycle. In Biochemistry (6th ed.). New York, NY: W. H. Freeman, 491.

Dodatkowe źródła

Berg, J. M., Tymoczko, J. L., and Stryer, L. (2007). Glycolysis and gluconeogenesis. In Biochemistry (6th ed., pp. 433-474). New York, NY: W. H. Freeman.

Berg, J. M., Tymoczko, J. L., and Stryer, L. (2007). The citric acid cycle. In Biochemistry (6th ed., pp. 475-501). New York, NY: W. H. Freeman.

Berg, J. M., Tymoczko, J. L., and Stryer, L. (2002). The regulation of cellular respiration is determined primarily by the need for ATP. W Biochemistry (5th ed., section 18.6). New York, NY: W. H. Freeman. Źródło: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK22448/.

Citrate. (7 lipca 2015). Dostęp 20 września 2015 z Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Citrate.

Raven, P. H., Johnson, G. B., Mason, K. A., Losos, J. B., and Singer, S. R. (2014). How cells harvest energy. In Biology (10th ed., AP ed., pp. 122-146). New York, NY: McGraw-Hill.

Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., and Jackson, R. B. (2011). Cellular respiration and fermentation. In Campbell biology (10th ed., pp. 162-184). San Francisco, CA: Pearson.

Chcesz dołączyć do dyskusji?

Zaloguj się

Sortuj według

Na razie brak głosów w dyskusji

Rozumiesz angielski? Kliknij tutaj, aby zobaczyć więcej dyskusji na angielskiej wersji strony Khan Academy.