Основное содержание
Биология
Course: Биология > Модуль 9
Урок 6: Виды клеточного дыханияРегуляция клеточного дыхания
Как может ускоряться или замедляться клеточное дыхание. Ключевые ферменты и ингибирование по типу обратной связи.
Введение
Иногда и хорошего бывает слишком много. Например, представьте, что вам захотелось мороженого. Вы очень любите мороженое и купили в магазине сразу много порций. Если вы сильно проголодались, это хорошая идея: его можно съесть сразу, пока оно не растает. Но если вы хотели лишь немного перекусить, тогда эта идея плохая: недоеденное мороженое быстро растает, а вы зря потратите деньги.
Клетки, расщепляя глюкозу для получения АТФ, сталкиваются со схожей проблемой. Если в организме не хватает молекул АТФ, тогда для поддержания его «в тонусе» необходимо расщеплять глюкозу как можно быстрее и как можно больше. Однако если в организме и так достаточно АТФ, тогда быстрое расщепление глюкозы ни к чему. Молекула АТФ нестабильна, и если она будет долго «храниться» в клетке, то с большой вероятностью в какой-то момент самопроизвольно гидролизуется назад в АДФ. Ситуация похожа на случай с растаявшим мороженым: клетка потратила глюкозу для производства АТФ и эта АТФ в конечном итоге уходит в отходы.
Поэтому клеткам важно корректировать скорость расщепления «топлива» в соответствии с текущими потребностями в энергии. В этой статье мы рассмотрим, как клетки управляют клеточным дыханием в зависимости от уровня АТФ и прочих метаболических сигналов.
Аллостерические ферменты и контроль их механизмов
Как осуществляется контроль активности механизма? Во многих случаях эти механизмы регулируются с помощью ферментов, которые катализируют их отдельные этапы. Если фермент для определенного этапа является активным, тогда реакция протекает быстро, но если фермент неактивен, тогда реакция замедлится или вовсе остановится.
Таким образом, если клетка хочет контролировать активность метаболического пути, ей нужно регулировать активность одного или нескольких ферментов.
Основной мишенью регуляции биохимического механизма, как правило, является фермент, который катализирует первый этап, который чаще является необратимым. Найти такой этап бывает не так просто, если множество метаболических путей пересекаются, как, например, при клеточном дыхании, однако об этом всё равно полезно помнить.
Как регулируются ферменты, которые контролируют метаболические пути? Многие ферменты, участвующие в клеточном дыхании, регулируются путём связывания регулирующей молекулы с одним или несколькими аллостерическими центрами. Аллостерический центр — это специальный регулирующий центр фермента, отличающийся от активного. Если регулятор свяжется с ферментом в аллостерическом центре, фермент меняет структуру и становится либо более, либо менее активным.
Молекулы, которые связываются с ферментами, участвующими в клеточном дыхании, сигнализируют об энергетическом состоянии клетки. Примерами таких молекул, регулирующих ферменты клеточного дыхания, являются АТФ, АДФ и НАДH. В частности, АТФ выступает «стоп-сигналом»: высокое содержание этих молекул в клетке означает достаточное их количество и отсутствие необходимости синтезировать новые молекулы АТФ. Это пример так называемого ингибирования по типу обратной связи, когда продукт реакции даёт «обратную связь» о необходимости приостановить процесс.
Регуляция гликолиза
В процессе гликолиза регуляции подвержены несколько этапов,, но наиболее важной контрольной точкой является третья стадия пути, который катализируется ферментом под названием фосфофруктокиназа (ФФК). Эта реакция — первая необратимая реакция цикла, поэтому ФФК является центральной мишенью для регуляции механизма гликолиза в целом
Фермент ФФК регулируют несколько молекул: АТФ, производная молекула от АДФ под названием АМФ, а также цитрат и несколько других молекул, о которых мы здесь говорить не будем.
- АТФ. АТФ является отрицательным регулятором фермента ФФК, и это логично: если в клетке достаточно молекул АТФ, значит, производство новых в процессе гликолиза не требуется.
- АТФ. АТФ является отрицательным регулятором фермента ФФК. Когда у клетки очень низкий уровень АТФ, она начинает вытягивать больше АТФ из молекул АДФ, превращая их в АТФ и АМФ (АДФ + АДФ
- Цитрат. Цитрат, первый продукт цикла трикарбоновых кислот, также способен ингибировать ФФК. Если количество цитрата в клетке начинает расти, это является сигналом к замедлению процесса гликолиза. Это значит, что для цикла трикарбоновых кислот достаточно «топлива».
Окисление пирувата
Следующая ключевая контрольная точка после гликолиза — это превращение пирувата в ацетил-КоА. У большинства организмов эта реакция необратима, и она контролирует количество «топлива» ацетил-КоА, участвующего в цикле трикарбоновых кислот
- АТФ и НАДH делают этот фермент менее активным, в то время как АДФ делает его более активным. Таким образом, при низких запасах энергии образуется больше ацетил-КоА.
- Пируватдегидрогеназа также активируется своим субстратом (пируватом) и ингибируется продуктом реакции (ацетил-КоА). Это гарантирует, что синтез ацетил-КоА происходит только в случае необходимости и при достаточном количестве пирувата
Цикл трикарбоновых кислот
Начало цикла трикарбоновых кислот в основном регулируется пируватдегидрогеназой (об этом мы говорили выше), ферментом, отвечающим за синтез ацетил-КоА. Однако есть ещё два этапа в цикле, которые можно регулировать. Это те самые этапы, на которых происходит выделение углекислого газа и создаются две первые молекулы НАДH.
- Изоцитратдегидрогеназа отвечает за первый из этих двух этапов, превращая 6-углеродную молекулу в 5-углеродную. Этот фермент ингибируется молекулами АТФ и НАДH, в тоже время активируется АДФ.
- α-кетоглутаратдегидрогеназа контролирует второй этап, превращая 5-углеродное соединение, полученное на предыдущем этапе, в 4-углеродное соединение, связанное с КоА, — сукцинил-КоА. Этот фермент ингибируется молекулами АТФ, НАДH и некоторыми другими, включая сам сукцинил-КоА.
Подведение итогов
Существует множество других механизмов регуляции клеточного дыхания, кроме тех, что мы обсудили выше. Например, скорость работы электрон-транспортной цепи регулируется уровнем АДФ и АТФ, многие другие ферменты также подвержены регуляции. Но даже эти примеры могут вам дать представление о том, какую логику и стратегии используют клетки для регулирования метаболических процессов.
На каждом этапе есть схожие принципы регуляции. Например, на многих этапах наблюдается ингибирование по типу обратной связи. Ещё один общий признак — наблюдение за энергетическим состоянием клетки посредством отслеживания уровня таких молекул как АТФ, АДФ, АМФ и НАДH
На схеме ниже показаны все основные ферменты, которые мы обсуждали, а также некоторые их самые важные регуляторы.
Хотите присоединиться к обсуждению?
Пока нет ни одной записи.