Эволюция. Регуляция катаболизма глюкозы (регуляция гликолиза, цикла кребса, глюконеогенеза). Аллостерическая регуляция гликолиза
 Скачать 29.55 Kb.
|
|
РЕГУЛЯЦИЯ КАТАБОЛИЗМА ГЛЮКОЗЫ (РЕГУЛЯЦИЯ ГЛИКОЛИЗА, ЦИКЛА КРЕБСА, ГЛЮКОНЕОГЕНЕЗА). Аллостерическая регуляция гликолиза Поскольку основное значение гликолиза состоит в синтезе АТФ, его скорость должна коррелировать с затратами энергии в организме. Большинство реакций гликолиза обратимы, за исключением трёх, катализируемых гексокиназой (или глюкокиназой), фосфофруктокиназой и пируваткиназой. Регуляторные факторы, изменяющие скорость гликолиза, а значит и образование АТФ, направлены на необратимые реакции. Показателем потребления АТФ является накопление АДФ и АМФ. Последний образуется в реакции, катализируемой аденилаткиназой: 2 АДФ ↔ АМФ + АТФ. Даже небольшой расход АТФ ведёт к заметному увеличению АМФ. Отношение уровня АТФ к АДФ и АМФ характеризует энергетический статус клетки, а его составляющие служат аллостерическими регуляторами скорости как общего пути катаболизма, так и гликолиза. Существенное значение для регуляции гликолиза имеет изменение активности фосфофруктокиназы, потому что этот фермент катализирует наиболее медленную реакцию процесса. Фосфофруктокиназа активируется АМФ, но ингибируется АТФ. АМФ, связываясь с аллостерическим центром фосфофруктокиназы, увеличивает сродство фермента к фруктозо-6-фосфату и повышает скорость его фосфорилирования. АТФ может взаимодействовать как с аллостерическим, так и с активным центром, в последнем случае как субстрат. При физиологических значениях АТФ активный центр фосфофруктокиназы всегда насыщен субстратами (в том числе АТФ). Повышение уровня АТФ относительно АДФ снижает скорость реакции, поскольку АТФ в этих условиях действует как ингибитор: связывается с аллостерическим центром фермента, вызывает конформационные изменения и уменьшает сродство к его субстратам. Изменение активности фосфофруктокиназы способствует регуляции скорости фосфорилирования глюкозы гексокиназой. Снижение активности фосфофруктокиназы при высоком уровне АТФ ведёт к накоплению как фруктозо-6-фосфата, так и глюкозо-6- фосфата, а последний ингибирует гексокиназу. Регуляция скорости реакции гликолиза и глюконеогенеза, составляющих субстратные циклы "Субстратные" циклы - парные комбинации процессов синтеза и распада метаболитов. Название "субстратный цикл" означает объединение реакций синтеза и распада субстрата. Изменение гликолитического направления на глюконеогенез и обратно происходит главным образом в результате регуляции активности ферментов, катализирующих реакции субстратных циклов. Направление реакции первого субстратного цикла регулируется главным образом концентрацией глюкозы Активность глюкокиназы при высоких концентрациях глюкозы максимальна. Вследствие этого ускоряется гликолитическая реакция образования глюкозо-6-фосфата. Направление реакций второго субстратного цикла зависит от активности фосфофруктокиназы и фосфатазы(фермента который катализирует расщепление фруктозо-1,6-бисфосфата до фруктозо-6-фосфата остатка фосфорной кислоты глюконеогенезе). Регуляторное влияние фруктозо-2,6-бисфосфата заключается в том, что он аллостерически активирует фосфофруктокиназу (фермент гликолиза). При этом фруктозо-2,6-бисфосфат снижает ингибирующее действие АТФ на этот фермент и повышает его сродство к фруктозо-6-фосфату. В то же время фруктозо-2,6-бисфосфат ингибирует фруктозо-1,6-бисфосфатазу (фермент глюконеогенеза). Итак, в гликолизе уровень фруктозо-2,6-бисфосфата повышается, что приводит к активации фосфофруктокиназы и ускорению гликолиза. Результатом уменьшения количества фруктозо-2,6-бисфосфата приглюконеогенезе будет снижение активности фосфофруктокиназы, замедление гликолиза и переключение гликолиза на глюконеогенез. Окислительное декарбоксилирование пирувата Окислительное декарбоксилирование пирувата происходит в матриксе митохондрий. Транспорт пирувата в митохондриальный матрикс через внутреннюю мембрану митохондрий осуществляется при участии специального белка-переносчика по механизму симпорта с Н+. Превращение пирувата в ацетил-КоА описывают следующим суммарным уравнением: СН3-СО-СООН + NAD+ HSKoA → CH3-CO-SKoA + NADH + H+ + CO2 В ходе этой реакции происходит окислительное декарбоксилирование пирувата, в результате которого карбоксильная группа удаляется в виде СО2, а ацетильная группа включается в состав ацетил-КоА. Главные продукты реакции — это NADH+H+ и ацетил—КоА. NADH+H+ далее окисляется в дыхательной цепи, где энергия используется на синтез 3 моль АТР, а ацетил—КоА окисляется в цикле трикарбоновых кислот. Активность пируватдегидрогеназного комплекса регулируется различными способами: доступностью субстратов, ингибированием продуктами реакции, аллостерически. ПДК аллостерически активируется АМФ,АДФ, NAD+, КоА, Са2+и пируватом; ацетил-КоА, NADH и АТФ ингибируют ПДК. Таким образом, при накоплении NADH и ацетил-КоА тормозится превращение пирувата в ацетил-КоА. В случае глюконеогенеза образование пирувата из компонентов цикла трикарбоновых кисло происходит через оксалоацетат и фосфоенолпируват. Эти реакции проходят под действием пируваткарбоксилазного комплекса.Его активность также может регулироваться уровнями NADH и АТФ в клетке, высокие уровни которых вызывают повышение их активности. Кроме того, положительным образом сказываются высокие концентрации ацетил-КоА. Таким образом можно видеть, что в гликолизе и глюконеогенезе регуляция происходит в одних и тех же узлах(глюкокиназа- глюкозо-6-фосфат фосфатаза,фосфофруктокиназа-фруктозодифосфатаза,питруватдегидрогеназа-пируваткарбоксилаза).Такое координированное изменение активности ферментов называется реципроктной регуляцией. Она позволяет клетке в зависимости от субстратов, условий культивирования осуществлять либо гликолитические реакции, либо вырабатывать глюкозу путем глюконеогенеза. Цикл Кребса Цикл лимонной кислоты (цитратный цикл, цикл Кребса, цикл трикарбоновых кислот, ЦТК) - заключительный этап катаболизма, в котором углерод ацетильного остатка ацетил-КоА окисляется до 2 молекул СО2. Все реакции цитратного цикла, как и окислительного декарбоксилирования пирувата, локализованы в митохондриях. В ходе одного полного цикла происходит: полное окисление ацетильного остатка до двух молекул СО2; образование трех молекул восстановленного NAD+ и одной молекулы FADH2; образование одной молекулы GTP в результате субстратного фосфорилирования. Ферменты, катализирующие 1-ю, 3-ю и 4-ю реакции ЦТК, являются чувствительными к аллостерической регуляции метаболитами:
Эффект Пастера. Исходя из основных принципов регуляции гликолиза можно представить биохимический механизм эффекта Пастера.Эффект Пастера - это снижение потребления глюкозы и прекращение продукции этилового спирта или молочной кислоты клеткой в присутствии кислорода (или переход от брожения к дыханию). Биохимическая основа эффекта заключается в конкуренции за субстрат между пируватдегидрогеназой, превращающей пируват в ацетил-S-КоА, и лактатдегидрогеназой, превращающей пируват в лактат. У пируватдегидрогеназы сродство гораздо выше и в обычных аэробных условиях она окисляет большую часть пировиноградной кислоты. Как только поступление кислорода уменьшается происходит следующее: внутримитохондриальные процессы дыхания не идут и НАДН в дыхательной цепи не окисляется, накапливающийся в митохондриях НАДН тормозит цикл трикарбоновых кислот, ацетил-S-КоА не входит в ЦТК и вместе с НАДН ингибирует ПВК-дегидрогеназу. В этой ситуации пировиноградная кислота превращается в молочную или этиловый спирт. При наличии кислорода ингибирование ПВК-дегидрогеназы прекращается и она, обладая большим сродством к пирувату, выигрывает конкуренцию. |