14. Regulace metabolických drah na úrovni buňky

Náplň podkapitoly:

1. Obecné principy regulací metabolických drah na úrovni buňky
2. Kompartmentace metabolických dějů
3. Změna absolutní koncentrace enzymu
4. Modulace aktivity již existujícího enzymu
5. Regulace jednotlivých metabolických drah

_

Obecné principy regulací metabolických drah na úrovni buňky

Aktivita metabolických drah musí být neustále monitorována a upravována, aby syntéza a degradace metabolitů uspokojila fyziologické požadavky organismu. Přepínání mezi různými katabolickými a anabolickými reakcemi je nezbytné jednak podle aktuálních metabolických potřeb každé buňky, jednak podle potřeb celého organismu. Pro zachování existence živých objektů je proto nutné propojení jednotlivých částí organismu (viz Regulace na úrovni makroorganismu) a zajištění vzájemné regulace.

Buňky od okolí ohraničuje membrána. Signál, který k nim přichází z vnějšku, musí být přes tuto membránu přenesen. Regulace buněčných dějů v rámci samotné buňky souvisí s regulací přicházející z okolí – regulační děje navazující na vnější signál probíhají obdobným mechanismem, jako regulace zprostředkované samotnou buňkou. Regulační kaskády často vedou ke změně koncentrace aktivního enzymu působícího jako vlastní regulační efektor. Takový enzym je označován jako klíčový nebo regulační enzym a obvykle se v buňce vyskytuje v nízké koncentraci. Z regulačního hlediska je nejvýhodnější měnit aktivitu enzymu katalyzujícího nejpomalejší reakci dané metabolické dráhy. O rychlosti celé metabolické dráhy tedy rozhoduje ta reakce, která probíhá za daných podmínek nejpomaleji. Regulován bývá enzym katalyzující první rozhodující reakci metabolické dráhy. Nejčastěji jde o silně exergonické (tj. prakticky nevratné) reakce. Všechny kroky metabolických drah regulovány nebývají. Rychlost regulační reakce závisí jak na koncentraci daného enzymu v buňce, tak na tom, jak velká část z přítomných molekul enzymu je aktivní.

Regulací na úrovni buňky zde rozumíme obecné regulační mechanismy odehrávající se uvnitř buňky:

1) Po přijetí signálu přicházejícího z vnějšku (tj. po přenesení neboli transdukci signálu přes membránu)

2) Obecné principy zajišťující „přepínání“ mezi jednotlivými metabolickými drahami probíhajícími v buňce

Popis regulačních mechanismů na úrovni buňky lze rozdělit na tři části:

1) Regulace zajištěná kompartmentací metabolických dějů

2) Změna absolutní koncentrace enzymu

3) Modulace aktivity již existujícího enzymu

_

Kompartmentace metabolických dějů

Kompartmentaci metabolických drah byla věnována Podkapitola 2/3. Zde se proto omezíme jen na nejdůležitější poznatky.

Eukaryotická buňka je členěna pomocí semipermeabilních membrán na jednotlivé kompartmenty. Ty poskytují chemicky poměrně různorodá prostředí, což v nich napomáhá optimalizovat metabolické pochody. Vzájemně se odlišují například enzymatickým vybavením, membránovými transportními přenašeči či hodnotou pH. Enzymy katalyzující jednotlivé reakce mají totiž často různá pH optima a při existenci jen jednoho prostoru v buňce by část enzymů pravděpodobně nebyla funkční nebo by jimi zprostředkovaná katalýza nebyla dostatečně efektivní. Rozdělením prostoru se mohou vytvořit optimální podmínky pro průběh jednotlivých enzymaticky katalyzovaných reakcí. V různých částech buňky proto probíhají různé metabolické dráhy, jejichž přehled uvádí následující tabulka:

Oddíl buňky

Metabolické dráhy

Cytoplazma Metabolismus sacharidů: glykolýza, část glukoneogeneze, glykogenolýza a syntéza glykogenu,  pentózový cyklus Metabolismus mastných kyselin: syntéza mastných kyselin Metabolismus aminokyselin: syntéza neesenciálních AMK, některé transaminace Jiné dráhy: část drah syntézy hemu a močoviny, metabolismus purinů a pyrimidinů
Mitochondrie Metabolismus sacharidů: pyruvátdehydrogenázový komplex, začátek glukoneogeneze (přeměna pyruvátu na OAA) Metabolismus mastných kyselin: β-oxidace MK (Linnenova spirála), syntéza ketolátek (jen jaterní buňky), degradace ketolátek (jen extrahepatální tkáně) Metabolismus aminokyselin: oxidativní deaminace glutamátu, některé transaminace Jiné dráhy: Krebsův cyklus, dýchací řetězec a oxidativní fosforylace (na vnitřní mitochondriální membráně), část syntézy hemu a močoviny
Hladké endoplazmatické retikulum Syntéza triacylglycerolů a fosfolipidů Elongace a desaturace mastných kyselin Část syntézy steroidů Biotransformace xenobiotik Přeměna glukózy-6-fosfát na glukózu (v tkáních, kde se vyskytuje glukóza-6-fosfatáza)
Drsné endoplazmatické retikulum Proteosyntéza (translace mRNA) Posttranslační modifikace (oxidace, štěpení, metylace, fosforylace, glykosylace)
Golgiho aparát Posttranslační modifikace proteinů (glykosylace, …) Třídění proteinů a tvorba sekrečních vesikul
Lyzosomy Hydrolytické štěpení proteinů, sacharidů, lipidů a nukleových kyselin
Peroxisomy Degradace MK s dlouhým řetězcem (od 20 uhlíků)
Jádro Replikace a transkripce DNA Syntéza RNA
Jadérko Úprava RNA Syntéza ribosomů
Ribosomy Syntéza proteinů

_

Kromě rozdílné distribuce enzymů pozorujeme v různých oddílech buňky i různou distribuci substrátů a produktů a zjišťujeme, že některé koenzymy nemohou být transportovány mezi jednotlivými kompartmenty (např. molekuly NADH a koenzymu A neprocházejí vnitřní mitochondriální membránou). Většina enzymů totiž potřebuje pro svou katalytickou funkci vhodný koenzym.

Kompartmentace tak usnadňuje regulaci protichůdných dějů (např. syntéza mastných kyselin probíhá v cytoplazmě, jejich odbourávání v mitochondrii). Rychlost reakcí v jednotlivých oddílech buňky závisí hlavně na rychlosti přesunu substrátů na místo jejich přeměny (viz např. regulace beta-oxidace), na rychlosti odčerpávání produktů jinými metabolickými drahami nebo jen pryč z daného kompartmentu či z buňky (např. reoxidace NADH v dýchacím řetězci navazující na Krebsův cyklus; transport nadbytečného citrátu, který vznikl v mitochondrii, do cytoplazmy, kde slouží jako regulační efektor). Děje na sebe přímo navazující probíhají blízko sebe i s ohledem na lokalizaci (např. již zmíněný Krebsův cyklus a dýchací řetězec), což zvyšuje rychlost následných reakcí na základě místního nahromadění (vyšší koncentrace) substrátu.

Kompartmentace ale zároveň klade zvýšené nároky na energetickou spotřebu buňky. Ty vyplývají z časté nutnosti užití ATP-dependentních přenašečů transportujících látky přes membrány proti koncentračnímu gradientu a vytvářejících tak v oddělených prostorech různá prostředí.

Celkově vzato, kompartmentace umožňuje citlivou a cílenou regulaci metabolických drah probíhajících v jednom kompartmentu bez souběžného ovlivnění pochodů v jiné oblasti buňky. Probíhá převážně na místě vstupu molekul do daného kompartmentu, jejž zprostředkovávají početné transportní mechanismy.

_ 

Změna absolutní koncentrace enzymu

Ke změně absolutní koncentrace molekul enzymu v buňce dochází na základě indukce (aktivace) nebo represe (inhibice) exprese genu kódujícího daný enzym. Regulační protein, který přímo interaguje s DNA a následně ovlivňuje transkripci, se nazývá transkripční faktor (induktor nebo represor). Působení regulačních proteinů je obvykle reverzibilní a často závislé na vazbě ligandu na daný regulační protein (tzv. ligand-dependentní transkripční faktory). Jako ligandy působí mnohé signální molekuly (např. hormony) i různé metabolity. Regulace touto cestou trvá déle (hodiny až dny) oproti regulaci aktivity enzymu již existujícího (sekundy, minuty).

Obecně se vyskytují čtyři různé mechanismy ovlivnění exprese genu:

1) Po vazbě ligandu na represor, který je navázán na DNA, se komplex represor-ligand uvolní z vazby na DNA a umožní tak transkripci genu

2) Po vazbě ligandu na volný represor se komplex represor-ligand naváže na DNA a znemožní transkripci genu

3) Po vazbě ligandu na induktor, který je navázán na DNA, se komplex induktor-ligand uvolní z DNA a znemožní tak transkripci genu

4) Po vazbě ligandu na volný induktor se komplex induktor-ligand naváže na DNA a umožní tak transkripci genu

Nová syntéza enzymů enzymovou indukcí směřuje k mnohonásobnému zvýšení množství enzymu v buňce. Jako příklad si uveďme enzymy glukoneogeneze indukované působením glukokortikoidů či indukci tvorby enzymů monooxygenázového systému vlivem xenobiotik, danými enzymy metabolizované. Podobným mechanismem může být syntéza enzymu naopak inhibována. Zde jako příklad poslouží inhibice syntézy delta-aminolevulátsyntázy působením hemu. Těmito procesy se buňky adaptují na měnící se vnitřní prostředí.

Přechodná „změna koncentrace“ regulačního enzymu také nastává při inhibici enzymu různými inhibitory, které se vážou mimo aktivní centrum enzymu (nekompetitivní inhibice, allosterická inhibice). I zde se někdy snižuje koncentrace aktivních molekul daného enzymu, ačkoli je enzym v tomto případě stále přítomný. O tomto druhu regulace se zmíníme dále v textu.

_

Modulace aktivity již existujícího enzymu

Kovalentní modifikace molekuly enzymu

Tvorba aktivních enzymů z neaktivních prekurzorů

Mnoho enzymů se tvoří ve své neaktivní formě, hovoříme pak o tzv. proenzymech či zymogenech. K jejich přeměně na aktivní molekuly dopomůže proces částečné (parciální) proteolýzy. Díky ní se může rychle zvýšit koncentrace aktivního enzymu. Vyřazení takto aktivovaných enzymů zařídí jejich proteolytické odbourání. Tento proces je typický například pro trávicí enzymy či pro některé faktory koagulační kaskády.

Interkonverze enzymů

Interkonverzi enzymů podmiňuje rychlé přepínání aktivní a inaktivní formy molekuly enzymu prostřednictvím působení jiného enzymu. Její nejznámější formou je reverzibilní ATP-dependentní fosforylace a defosforylace hydroxylových skupin aminokyselin serinu, threoninu či tyrosinu tvořících řetězce enzymu. Některé enzymy se fosforylací aktivují (např. glykogenfosforyláza), jiné jsou fosforylací inhibovány (např. glykogensyntáza). Fosforylaci katalyzují enzymy patřící mezi proteinkinázy (fosfotransferázy), defosforylaci zajišťují proteinfosfatázy. Tento způsob modulace enzymové aktivity se vyskytuje hlavně jako součást transdukčních kaskád při přenosu signálu z membránových receptorů do nitra buněk, například při odpovědi hormonální signál (propojení mezi signálem přicházejícím k buňkám z vnějšku s následným ovlivněním dějů uvnitř nich).

Zásahy, které ovlivňují enzymovou kinetiku

1) Vliv koncentrace substrátů a produktů, hodnoty KM, pH, teploty atd.
a) Dostupnost substrátů

Koncentrace regulačních enzymů metabolických drah je v buňce obecně velmi nízká. Stejně tak i koncentrace substrátů je běžně mnohem nižší, než odpovídá hodnotě Michaelisovy konstanty (KM se shoduje s koncentrací substrátu, při níž rychlost enzymem katalyzované reakce dosahuje poloviny maximální rychlosti). Již nepatrná změna koncentrace substrátu tak mění rychlost jeho přeměny. To se uskutečňuje jejich zvýšeným příjmem nebo syntézou a také s transportem na místo, kde je metabolizujeme.

b) Vliv KM

Kromě toho mají enzymy určitou substrátovou specifitu. Přeměňuje-li enzym více různých substrátů, obvykle tak činí různě ochotně. Pokud mohou stejný substrát přeměňovat např. dva různé enzymy, každý z nich má k danému substrátu jinou afinitu. Čím je afinita k substrátu vyšší (KM pro dvojici enzym-substrát je tím nižší), tím stačí enzymu nižší koncentrace substrátu v okolí jeho aktivního centra, nezbytná k uskutečnění dané reakce.

c) Odstraňování produktů

Pokud je produkt reakce ihned využíván, nehromadí se a reakce dále probíhá ve směru jeho další tvorby. Začne-li se nevyužitý produkt hromadit, často pak slouží jako inhibitor reakce nebo sledu reakcí vedoucích k jeho vzniku. Tomu v metabolismu zabrání následující mechanismy:

1. Odebírání produktu jedné reakce reakcí následnou (princip metabolických drah)

2. Využití produktu jedné metabolické dráhy v metabolické dráze jiné

3. Transport produktu do jiného buněčného kompartmentu

Všechny tyto procesy urychlí průběh dané reakce.

d) Vliv pH

Změna pH může také ovlivnit aktivitu enzymu změnou disociace funkčních skupin v aktivním centru enzymu (elektrostatické interakce při vazbě substrátu) i v celé molekule enzymu (změna biologicky aktivní konformace enzymu v konformaci méně aktivní – např. přístup k aktivnímu centru).

2) Vliv přítomnosti modulátorů aktivity (aktivátorů nebo inhibitorů)

Aktivitu regulačního enzymu může ovlivnit také přímá vazba nějaké látky (ligandu neboli efektoru či modulátoru) na jeho proteinovou molekulu. Pozitivní efektor slouží jako aktivátor enzymu, negativní efektor je naopak jeho inhibitorem. Tato problematika byla podrobně vysvětlena v Podkapitole 2/6, na tomto místě si některé poznatky připomeneme.

a) Nahromadění konečného produktu (či meziproduktu) dané metabolické dráhy často vede k inhibici regulačního enzymu dané dráhy, na nějž se produkt váže – tzv. regulace zpětnou vazbou

b) (Mezi)produkt jedné metabolické dráhy může ovlivňovat (aktivovat nebo inhibovat) aktivitu regulačního enzymu jiné, nějakým způsobem související metabolické dráhy – tzv. zkřížená regulace

c) Meziprodukt metabolické dráhy může ovlivňovat aktivitu následného enzymu dané metabolické dráhy – tzv. regulace krokem vpřed

Modulátory se mohou vázat na enzym buď přímo do aktivního centra (kompetitivní inhibice), nebo se vážou na jiné, tzv. allosterické místo (allosterická regulace). Přirozené modulátory aktivity se na enzym vážou nekovalentně, jen pomocí slabých nevazebných interakcí.

Izosterická modulace enzymové aktivity se týká jednoduchých enzymů, které vykazují hyperbolickou závislost mezi rychlostí reakce a koncentrací substrátu. Jejich aktivitu ovlivňují zejména změny v koncentraci substrátu, snížení nebo zvýšení syntézy enzymu, případně inhibitory, které se vážou přímo na aktivní centrum namísto substrátu (kompetitivní inhibice). Kompetitivním inhibitorem může být jeden z produktů metabolické dráhy (inhibice zpětnou vazbou).

Allosterickou regulaci registrujeme u enzymů složených z více podjednotek (většina regulačních enzymů metabolických drah). Tyto enzymy vykazují sigmoidální závislost rychlosti reakce na koncentraci substrátu. Allosterické modulátory aktivity se vážou mimo aktivní centrum na různá jiná místa molekuly enzymu. Vazbou modulátoru se mění konformace molekuly, což se může projevit změnou afinity enzymu k substrátu (tj. dochází ke snížení nebo zvýšení hodnoty KM). Také se může dokonce snížit koncentrace aktivního enzymu (část molekul enzymu je inaktivováno), tím se pak vyvolá změna hodnoty maximální rychlosti enzymem katalyzované reakce. Vazbou aktivátoru se méně aktivní tzv. T-forma enzymu („tenzní“) mění na aktivnější R-formu („relaxovanou“), vazba allosterických aktivátorů tak zvýší počet molekul enzymu v R-formě. Substráty a efektory obecně pouze ovlivňují rovnováhu mezi konformacemi T a R – obě konformace existují vedle sebe v různých poměrech. Konečné množství aktivních forem enzymu záleží na celkovém účinku různých aktivátorů a inhibitorů vázajících se na enzym, tj. závisí na jejich vzájemném poměru v buňce. Při zvýšení KM může být za fyziologických podmínek reakce úplně vyřazena, neboť fyziologická koncentrace substrátu leží v oblasti, kde je enzym prakticky neúčinný. Jde o velmi jemnou a plynulou regulaci reakční rychlosti na základě propojení různých metabolických drah.

_

Regulace jednotlivých metabolických drah

Regulace dýchacího řetězce a aerobní fosforylace

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 DŘ od aerobní fosforylace → snížení protonového gradientu)

Regulace Krebsova cyklu

Regulačními body (enzymy) Krebsova cyklu jsou:

1) Citrátsyntáza

2) Isocitrátdehydrogenáza hlavní regulační enzym

3) α-ketoglutarátdehydrogenáza

Regulačními faktory Krebsova cyklu jsou:

1) Poměr NADH / NAD+ a FADH2 / FAD – respirační kontrola

Hromadí-li se NADH a FADH2 (nastane zvýšení obou poměrů), dojde k inhibici isocitrátdehydrogenázy a α-ketoglutarátdehydrogenázy.

2) Poměr ATP / (ADP a AMP) – energetická kontrola

Je-li dostatek energie, inhibuje se isocitrátdehydrogenáza a α-ketoglutarátdehydrogenáza – ATP je jejich inhibitorem, ADP a AMP jsou naopak 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 rovněž těsně souvisí s dostupností O2, ačkoli žádná z reakcí v cyklu nevyžaduje O2. Kyslík se ale vyžaduje pro respirační řetězec, protože zde 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

1) Interkonverze pyruvátdehydrogenázového komplexu (PDH)

Jedná se o hlavní regulační mechanismus. Fosforylace snižuje aktivitu komplexu, defosforylace ji naopak zvyšuje. Inzulin prostřednictvím defosforylace aktivuje komplex.

2) Kompetitivní inhibice produkty

Acetyl-CoA a zvýšený poměr NADH / NAD+ způsobují inhibici.

Regulace glykolýzy

Regulačními body glykolýzy jsou 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)

Fosfofruktokináza, allosterický enzym regulovaný několika aktivátory a inhibitory, je hlavním regulačním bodem glykolýzy:

1) Zvýšení poměru ATP / AMP vede k inhibici glykolýzy

Glykolýza je děj směřující k tvorbě ATP. ATP je substrátem a souběžně i allosterickým inhibitorem tohoto enzymu. AMP se oproti tomu chová jako aktivátor enzymu. Při nadbytku ATP se tedy zastaví další spotřeba glukózy jako živiny.

2) Citrát inhibuje glykolýzu

Pokud jsou oxidovány mastné kyseliny, 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 totiž, že v mitochondrii je dostatek substrátů Krebsova cyklu, a tudíž není zapotřebí tvořit další.

3) Fruktóza-2,6-bisfosfát (Fru-2,6-P)

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).

4) Glykolýzu aktivuje inzulin a inhibují ji kontraregulační hormony

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

5) Inhibice kyselým pH

6-fosfofrukto-1-kináza je inhibována protony. Jak pyruvát, tak laktát jsou poměrně silné kyseliny a jejich významná akumulace by mohla ohrozit buňku. Proto jejich zvýšené koncentrace vedou skrze protony k inhibici regulačního enzymu.

Zbylé enzymy mají menší význam, proto je popíšeme jen velmi stručně. Jak jsme již uvedli, 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

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

Regulační enzymy glukoneogeneze jsou ty, jež obcházejí nevratné reakce glykolýzy:

1) Pyruvátkarboxyláza: aktivuje ji acetyl-CoA pocházející například z β-oxidace mastných kyselin

2) 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

Regulace obou procesů, syntézy i degradace glykogenu, je protichůdná.

Regulace syntézy glykogenu

Hlavním regulačním enzymem je glykogensyntáza. Její aktivita je regulována pomocí fosforylacepokud je enzym fosforylován, inaktivuje se, defosforylace naopak vede k aktivaci enzymu. 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

Hlavním regulačním enzymem glykogenolýzy je glykogenfosforyláza, patřící mezi ty enzymy, jejichž aktivitu reguluje kovalentní modifikace molekuly. Přitom platí, že 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 jejich 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

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

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

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 kyselinmalonyl~CoA. Hovoříme o tzv. cross regulaci, jež brání současnému průběhu syntézy i degradace MK. Inzulin β-oxidaci inhibuje, kontraregulační hormony naopak aktivují.

Regulace ketogeneze

Regulace ketogeneze probíhá na čtyřech stupních:

1) Hormon-senzitivní lipázalipolýza v tukové tkáni

2) Karnitinacyltransferáza Ivstup 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

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

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

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

Autoři podkapitoly: Josef Fontana a Petra Lavríková

cc-by-sa