Основно съдържание
Курс: Биологична библиотека > Раздел 12
Урок 6: Вариации на клетъчно дишанеРегулация на клетъчно дишане
Как клетъчното дишане може да се ускори или забави. Ключови ензими и потискане на обратната връзка.
Въведение
Понякога може да имаш в повече от нещо хубаво. Например помисли за сладоледа. Може би наистина харесваш сладолед и си купуваш няколко от магазина. Ако изпитваш силен глад, това може и да е добър избор: ще изядеш всичките сладоледи, преди да се разтопят. Ако не изпитваш чак толкова силен глад обаче, това може да бъде лош избор: повечето сладоледи ще се разтопят неизядени и всичко това ще ти коства известна сума пари.
Клетките се изправят пред подобен проблем, когато разграждат горива, като глюкоза, за да произведат АТФ. Ако запасът от АТФ на клетката е ниско, добре ще е да се разгради глюкоза колкото е възможно по-бързо, за да се възстанови АТФ, от което клетката има нужда, за да поддържа процесите си. Ако запасът от АТФ е висок, от друга страна, може да не е толкова добра идея да се окислява глюкозата с най-висока скорост. АТФ е нестабилна молекула и ако стои в клетката твърде дълго, вероятно спонтанно ще хидролизира обратно до АДФ. Това е като разтопеният сладоледен сандвич: клетката трябва да изразходи глюкоза, за да изработи АТФ, и това АТФ отива на боклука.
Важно е една клетка внимателно да съчетае дейността на пътищата на разграждането на горива с енергийните си нужди в даден момент. Тук ще видим как клетките "засилват" или "потискат" пътищата на клетъчно дишане в отговор на нивата на АТФ и други метаболитни сигнали.
Aлостерични ензими и контрол на пътища
Как се контролира активността на един път? В много случаи пътищата биват регулирани чрез ензими, които катализират отделните стъпки на пътя. Ако ензимът за определена стъпка е активен, тази стъпка може да протече бързо, но ако ензимът е неактивен, стъпката ще протече бавно или няма да се осъществи.
Следователно, ако една клетка иска да контролира дейността на един метаболитен път, тя трябва да регулира активността на един или повече от ензимите в този път.
Основната мишена за регулация на един биохимичен път често е ензим, който катализира първата невъзвръщаема стъпка на пътя (тоест, първата стъпка, която не е лесно обратима). Концепцията за невъзращаема стъпка може да стане малко сложна, когато има много пресичащи се метаболитни пътища, както в клетъчното дишане, но пак е полезна идея, която да помним.
Как биват регулирани ензимите, които контролират метаболитните пътища? Доста ензими на клетъчното дишане биват контролирани чрез прикрепяне на регулаторни молекули в един или повече алостерични центрове. (Един алостеричен център е просто регулаторно място, различно от активния център.) Прикрепянето на един регулатор към алостеричния център на един ензим променя неговата структура, правейки го по-силно или по-слабо активен.
Молекулите, които се прикрепват към ензимите на клетъчното дишане, действат като сигнали, давайки на ензима информация за енергийното състояние на клетката. АТФ, АДФ и НАДН са примери за молекули, които регулират ензимите на клетъчното дишане. АТФ например е сигнал "стоп": високи нива означават, че клетката има достатъчно АТФ и не трябва да прави повече чрез клетъчно дишане. Това е случай на инхибиране на обратната връзка, при което един продукт дава "обратна връзка", за да спре пътя си.
Регулация на гликолиза
Няколко стъпки в гликолизата са регулирани, но най-важният контролен момент е третата стъпка от пътя, която се катализира от ензим, наречен фосфофруктокиназа (ФФК). Реакцията е първата посокоопределяща стъпка в цикъла, което прави ФФК основна цел за регулиране на пътя на гликолизата като цяло
ФФК се регулира от АТФ и производно на АДФ, наречено АМФ, и цитрат, както и от някои други молекули, които няма да обсъждаме тук.
- АТФ. АТФ е отрицателен регулатор на ФФК, което е логично: ако вече има много АТФ в клетката, не е нужно гликолизата да произвежда повече.
- АМФ. Аденозин монофосфат (АМФ) е положителен регулатор на ФФК. Когато една клетка има ниско ниво на АТФ, тя започва да създава повече АТФ от АДФ молекули, като ги преобразува до АТФ и АМФ (АДФ + АДФ
- Цитрат. Цитратът, първият продукт на цикъла на лимонената киселина, също може да инхибира ФФК. Ако цитратът се натрупа, това е знак, че гликолизата може да се забави, понеже цикълът на лимонената киселина е претрупан и няма нужда от повече гориво.
Пируватно окисление
Следващата ключова контролна точка идва след гликолизата, когато пируватът се превръща в ацетил СоА. Тази стъпка на преобразуване е необратима в много организми и контролира колко ацетил СоА "гориво" навлиза в цикъла на лимонената киселина
- АТФ и НАДН правят този ензим по-слабо активен, докато АДФ го прави по-активен. Тоест се синтезира повече ацетил СоА, когато енергийните запаси са ниски.
- Пируват дехидрогеназата също се активира от субстрата си –пируват, и се инхибира от продукта си – ацетил СоА. Това гарантира, че ацетил СоА ще се синтезира само тогава, когато е необходим (и когато има голямо количество наличен пируват)
Цикъл на Кребс
Навлизането в цикъла на Кребс се контролира до голяма степен от пируват дехидрогеназата (по-горе), ензимът, които произвежда ацетил CoA. Въпреки това има две допълнителни стъпки в цикъла, които са предмет на регулация. Това са двете стъпки, при които се освобождава въглероден диоксид, и също стъпките, при които се получават първите две НАДН молекули в цикъла.
- Изоцитрат дехидрогеназата контролира първата от тези две стъпки, превръщайки молекула с шест въглеродни атома в молекула с пет въглеродни атома. Този ензим се инхибира от АТФ и НАДН, но се активира от АДФ.
- α-кетоглутарат дехидрогеназата контролира втората от тези две стъпки, превръщайки съединението с пет въглеродни атома от предишната стъпка в съединение с четири въглеродни атома, свързано с CoA (сукцинил CoA). Този ензим се инхибира от АТФ, НАДН и няколко други молекули, включително самия сукцинил CoA.
Да сглобим общата картина
Има много други регулаторни механизми за клетъчното дишане, освен тези, които обсъдихме тук. Например скоростта на електрон-транспортната верига се регулира от нивата на АДФ и АТФ и много други ензими също са обект на регулация. Но тези примери ти дават усещане за логиката и стратегиите, които клетките използват, за да регулират метаболитните процеси.
На всеки етап можем да видим подобни елементи. Например виждаме инхибиране на обратната връзка на много етапи, на нивото на пътища и отделни реакции. Наблюдаването на енергийното състояние на клетката чрез нивата на молекули като АТФ, АДФ, АМФ и НАДН е друга често срещана характеристика.
Диаграмата по-долу обобщава ключовите ензими, които обсъдихме, заедно с някои от най-важните им регулатори.
Искаш ли да се присъединиш към разговора?
Все още няма публикации.