Regulace jednotlivých metabolických drah (FBLT)

Z WikiSkript

Regulace dýchacího řetězce a aerobní fosforylace[✎ upravit | ☲ editovat zdroj]

  1. Dostupnost O2, který je finálním akceptorem elektronů
  2. Poměr NADH/NAD+ a FADH2/FAD
  3. Dostupnost ADP pro syntézu ATP
  4. UCP (uncoupling proteins – odpřahovače dýchacího řetězce od aerobní fosforylace → snížení protonového gradientu)

Regulace Krebsova cyklu[✎ upravit | ☲ editovat zdroj]

Regulační enzymy Krebsova cyklu
  • Citrátsyntáza
  • Isocitrátdehydrogenáza – hlavní regulační enzym
  • α-ketoglutarátdehydrogenáza
Regulační faktory Krebsova cyklu
  1. Poměr NADH/NAD+ a FADH2/FAD – respirační kontrola
    Hromadí-li se NADH a FADH2, zvýši se ich poměr, dojde k inhibici isocitrátdehydrogenázy a α-ketoglutarátdehydrogenázy.
  2. Poměr ATP/(ADP a AMP) – energetická kontrola
    Je-li dostatek energie (ATP), inhibuje se isocitrátdehydrogenáza a α-ketoglutarátdehydrogenáza – ATP je jejich inhibitorem, ADP a AMP jsou aktivátory.
  3. Dostupnost substrátů Krebsova cyklu – substrátová kontrola
Substrátová kontrola leží na úrovni citrátsyntázy, která produkuje tolik citrátu, kolik jí dodáme oxaloacetátu a acetyl-CoA.

Aktivita Krebsova cyklu souvisí s dostupností O2. Ačkoli žádná z reakcí v cyklu nevyžaduje O2, je důležitý pro dýchací řetězec. Tam slouží jako finální akceptor elektronů. V respiračním řetězci se reoxidují:

NADH → NAD+ a FADH2 → FAD

Jestliže buňka postrádá O2, klesá koncentrace NAD+ a FAD a následně se sníží i aktivita Krebsova cyklu.

Regulace oxidační dekarboxylace pyruvátu[✎ upravit | ☲ editovat zdroj]

Interkonverze pyruvátdehydrogenázového komplexu (PDH)
Jedná se o hlavní regulační mechanismus. Fosforylace snižuje aktivitu komplexu, defosforylace zvyšuje. Inzulin prostřednictvím defosforylace aktivuje komplex.
Kompetitivní inhibice produkty
Acetyl-CoA a zvýšený poměr NADH/NAD+ způsobují inhibici.
Glykolýza

Regulace glykolýzy[✎ upravit | ☲ editovat zdroj]

Regulační body glykolýzy

Jsou to enzymy katalyzující nevratné exergonní reakce.

  1. Hexokináza/glukokináza.
  2. 6-fosfofrukto-1-kináza (PFK-1) – hlavní allosterický regulační enzym.
  3. Pyruvátkináza.

6-fosfofrukto-1-kináza (PFK-1)[✎ upravit | ☲ editovat zdroj]

Fosfofruktokináza je hlavním regulačním bodem glykolýzy.

  • Zvýšení poměru ATP/AMP vede k inhibici glykolýzy.
Glykolýza je děj směřující k tvorbě ATP. ATP je substrátem a souběžně i allosterickým inhibitorem a proto při jeho nadbytku se zastaví spotreba glukóuy. AMP se chová jako aktivátor enzymu.
  • Citrát inhibuje glykolýzu.
Při oxidaci mastných kyselin, vzniklý acetyl-CoA inhibuje PDH. Vznikající pyruvát směřuje do karboxylace na oxalacetát. Je-li současně dostatek acetyl-CoA i oxalacetátu, syntetizuje se citrát, který se hromadí před enzymem isocitrátdehydrogenázou. Citrát uniká do cytoplazmy, kde blokuje regulační enzym glykolýzy. Signalizuje, že v mitochondrii je dostatek substrátů Krebsova cyklu, a tudíž není zapotřebí tvořit další.

Fruktóza-2,6-bisfosfát (Fru-2,6-P)[✎ upravit | ☲ editovat zdroj]

  • Fruktóza-2,6-bisfosfát, aktivátor glykolýzy, funguje jako prodloužená ruka inzulinu – jeho koncentrace se zvyšuje, pokud je poměr inzulin / glukagon zvýšený.
  • Vzniká z fruktóza-6-P reakcí katalyzovanou 6-fosfofruktokinázou-2 (PFK-2).

Glykolýzu aktivuje inzulin a inhibují ji kontraregulační hormony[✎ upravit | ☲ editovat zdroj]

  • Vzestup poměru inzulin / glukagon snižuje intracelulární koncentraci cAMP. Tím nastává převaha defosforylačních dějů.
  • Pokles poměru a působení dalších kontraregulačních hormonů vyvolá vzestup koncentrace cAMP – převažují fosforylační děje. 6-fosfofrukto-1-kináza je aktivní v defosforylované formě.

Inhibice kyselým pH[✎ upravit | ☲ editovat zdroj]

  • 6-fosfofrukto-1-kináza je inhibována protony.
  • Jak pyruvát, tak laktát jsou poměrně silné kyseliny. Proto jejich zvýšené koncentrace vedou skrze protony k inhibici regulačního enzymu.

Zbylé enzymy mají menší význam. Hexokinázu jednak inhibuje její produkt – Glc-6-P, jednak ji aktivuje inzulin. Pyruvátkinázu reguluje kovalentní modifikace pod vlivem poměru inzulin / glukagon.

Regulační enzym Aktivace Inhibice
Hexokináza Inzulin Glukóza-6-fosfát
Glukokináza Inzulin, fruktóza-1-fosfát (játra) Fruktóza-6-fosfát
6-fosfofrukto-1-kináza (hlavní regulační enzym) Snížení poměru ATP / AMP, fruktóza-2,6-bisfosfát (zvýšen při zvýšení poměru inzulin / glukagon), inzulin Zvýšení poměru ATP / AMP, citrát, kyselé pH
Pyruvátkináza Inzulin, fruktóza-1,6-bisfosfát Glukagon

Regulace glukoneogeneze[✎ upravit | ☲ editovat zdroj]

Glukoneogeneze je metabolická dráha, která se aktivuje během hladovění nebo za patologických stavů – stres v důsledku infekce, polytraumata...

Regulační enzymy glukoneogeneze
  • Pyruvátkarboxyláza
aktivuje ji acetyl-CoA pocházející například z β-oxidace mastných kyselin.
  • Fosfoenolpyruvátkarboxykináza, Fru-1,6-bisfosfatáza a Glc-6-fosfatáza
regulují je stejné vlivy jako reakce glykolýzy, pouze v opačném směru. Fru-1,6-bisfosfatáza se například aktivuje pomocí citrátu, inhibiční efekt naopak vykazuje AMP či Fru-2,6-bisP.

Kromě aktivity regulačních enzymů je důležitým faktorem určujícím efektivitu glukoneogeneze i dodávka jejích substrátů, jež vznikají např. proteolýzou či lipolýzou.

Kontraregulační hormony (glukokortikoidy, glukagon či katecholaminy) glukoneogenezi zesilují. Inzulin ji naopak inhibuje.

Regulační enzym Aktivace Inhibice
Pyruvátkarboxyláza Acetyl-Co A Kortizol, glukagon (indukce) Inzulin (represe)
Fosfoenolpyruvátkarboxykináza Kortizol, glukagon (indukce) Inzulin (represe)
Fruktóza-1,6-bisfosfatáza Kortizol, glukagon (indukce) Snížení poměru ATP / AMP Fruktóza-2,6-bisfosfát (zvýšen při zvýšení poměru inzulin / glukagon), inzulin (represe)
Glukóza-6-fosfatáza Kortizol, glukagon (indukce) Inzulin (represe)

Regulace metabolismu glykogenu[✎ upravit | ☲ editovat zdroj]

Regulace syntézy glykogenu[✎ upravit | ☲ editovat zdroj]

Hlavním regulačním enzymem je glykogensyntáza. Její aktivita je regulována pomocí fosforylace. Ve fosforylované forme je inaktívna. Pokud je defosforylována, aktivuje se. Fosforylaci ovlivňuje poměr inzulin / glukagon (např. skrze intracelulární koncentraci cAMP). Zvýšení poměru aktivuje syntézu glykogenu (inzulin je anabolický hormon). Snížení poměru či katecholaminy ji naopak inhibují.

Regulace degradace glykogenu[✎ upravit | ☲ editovat zdroj]

Hlavním regulačním enzymem glykogenolýzy je glykogenfosforyláza. Fosforyláza je aktivní fosforylovaná. Aktivovaná fosforyláza se označuje jako fosforyláza a, neaktivní fosforylázu (nemá navázanou fosfátovou skupinu) nazýváme fosforyláza b. Fosforylaci glykogenfosforylázy katalyzuje enzym fosforylázakináza. Defosforylaci naopak katalyzují proteinfosfatázy. Glykogenolýzu aktivují kontraregulační hormony: glukagon, katecholaminy a glukokortikoidy (např. kortizol), inzulin ji oproti tomu inhibuje.

Ve svalových buňkách je regulace glykogenolýzy spojena i se změnou koncentrace Ca2+ iontů. Zvýšení intracelulární koncentrace vyústí v aktivaci fosforylázykinázy a glykogenfosforylázy – aktivace glykogenolýzy. Prostředníky jejich účinku jsou jednak vazebná bílkovina kalmodulin, jednak kalmodulin-dependentní proteinkinázy.

Regulační enzym Aktivace Inhibice
Glykogenfosforyláza (glykogenolýza) Glukagon, adrenalin (fosforylace), snížení poměru ATP / AMP Ca2+ (ve svalu) Zvýšení poměru ATP / AMP, inzulin
Glykogensyntáza (syntéza glykogenu) Inzulin (indukce) Glukagon, adrenalin (fosforylace)

Regulace pentózového cyklu[✎ upravit | ☲ editovat zdroj]

Pentózový cyklus je regulován na úrovni dostupnosti koenzymu NADP+. Není-li vznikající redukovaná forma (NADPH) odčerpávána a reoxidována v jiných metabolických procesech, dochází k inhibici reakcí, které vyžadují oxidovanou formu tohoto koenzymu – katalyzuje glukóza-6-fosfátdehydrogenáza a 6-fosfoglukonátdehydrogenáza. Syntézu klíčových enzymů rovněž indukuje inzulin.

Regulace lipolýzy[✎ upravit | ☲ editovat zdroj]

Regulační enzym lipolýzy, hormon-senzitivní lipáza, je pod důslednou hormonální kontrolou. Její aktivitu podněcuje fosforylace její molekuly. Inzulin jako anabolický hormon vyvolává její inhibici, kontraregulační hormony (glukagon, katecholaminy) či hormony štítné žlázy ji naopak aktivují.

Regulace beta-oxidace[✎ upravit | ☲ editovat zdroj]

Regulace β-oxidace probíhá na úrovni vstupu mastných kyselin do mitochondrie – neboli na úrovni karnitinového přenašeče, přesněji na úrovni karnitinacyltransferázy I (CAT I). Tento enzym je inhibován meziproduktem tvorby mastných kyselin – malonyl~CoA. Hovoříme o tzv. cross regulaci, jež brání současnému průběhu syntézy i degradace MK. Inzulin β-oxidaci inhibuje, kontraregulační hormony naopak aktivují.

Regulace ketogeneze[✎ upravit | ☲ editovat zdroj]

Regulace ketogeneze probíhá na čtyřech stupních:

1) Hormon-senzitivní lipáza – lipolýza v tukové tkáni
2) Karnitinacyltransferáza I – vstup mastných kyselin do mitochondrie, kde proběhne jejich β-oxidace
3) Směřování AcCoA z β-oxidace do ketogeneze a ne do Krebsova cyklu
4) Mitochondriální HMG-CoA-syntáza

Vysoká hladina ketolátek v krvi signalizuje přítomnost velkého množství AcCoA. Jejím následkem je inhibice lipolýzy.

Regulace syntézy mastných kyselin[✎ upravit | ☲ editovat zdroj]

Syntéza mastných kyselin probíhá za situace, kdy tělo disponuje dostatkem substrátů i dostatkem energie. Klíčovou regulační roli hraje AcCoA-karboxyláza:

1) Inzulin aktivuje karboxylázu, glukagon a adrenalin ji naopak inhibují (skrze fosforylaci)
2) Citrát ji aktivuje – znak dostatku stavebních jednotek a energie
3) Palmitoyl-CoA (obecně acyl-CoA) inhibuje karboxylázu – feedback inhibice
4) AMP ji inhibuje

Regulace močovinového cyklu[✎ upravit | ☲ editovat zdroj]

Karbamoylfosfátsyntetáza I, hlavní regulační enzym ornitinového cyklu, je aktivována prostřednictvím N-acetylglutamátu, který vzniká reakcí AcCoA a glutamátu katalyzovanou N-acetylglutamátsyntetázou. Její aktivitu zvyšuje aminokyselina arginin. Transkripce enzymů močovinového cyklu se zvyšuje u vysokoproteinové diety či u narůstajícího proteokatabolismu (např. za hladovění), tedy ve stavech zvýšené nabídky aminokyselin. Protože močovinový cyklus patří mezi protonproduktivní reakce, nastává jeho útlum při poklesu pH – acidóze.

Regulace syntézy hemu[✎ upravit | ☲ editovat zdroj]

Aktivitu ALA-syntázy, hlavního regulačního enzymu tvorby hemu, inhibuje konečný produkt celé dráhy – hem (negativní zpětná vazba).