Respirația celulară (partea a VII-a): mecanisme de reglare

Respirația celulară trebuie reglată pentru a furniza cantități echilibrate de energie sub formă de ATP. Celula trebuie, de asemenea, să genereze o serie de compuși intermediari care sunt utilizați în anabolismul și catabolismul macromoleculelor. În lipsa unor mecanisme de reglare, reacțiile metabolice s-ar opri rapid pe măsură ce ele ar ajunge la o stare de echilibru. Resursele ar fi utilizate inadecvat.

O celulă nu are nevoie de cantitatea maximă de ATP pe care o poate produce tot timpul: uneori, celula trebuie să redirecționeze unii dintre intermediari către căile pentru producția de aminoacizi, proteine, glicogen, lipide și acizii nucleici. Pe scurt, celula trebuie să-și controleze metabolismul.

Mecanisme de reglare

Respirația celulară este controlată printr-o varietate de mecanisme de reglare. În fiecare etapă a metabolismului glucozei există un anumit tip de control. Pătrunderea glucozei în celulă poate fi controlată prin proteinele GLUT, care transportă glucoza (Figura 10). Diferitele forme ale proteinelor GLUT controlează pătrunderea glucozei în celule țesuturilor specifice.

Figura 10 – GLUT4 este un transportor de glucoză stocate în vezicule. Legarea insulinei la un receptor de pe membrana celulară face ca veziculele cu GLUT4 să fuzioneze cu aceasta, astfel încât glucoza să poată pătrunde în celulă.

Unele reacții sunt controlate prin existența a două enzime diferite – câte una pentru fiecare dintre cele două sensuri ale unei reacții reversibile. Reacțiile care sunt catalizate de o singură enzimă pot ajunge la echilibru, fapt care duce la blocarea reacției. În schimb, dacă două enzime diferite (fiecare specifică pentru o direcție dată) sunt necesare pentru o reacție reversibilă, oportunitatea de a controla viteza reacției crește și echilibrul nu este atins.

Un număr de enzime implicate în fiecare dintre căi – în special, enzima care catalizează prima reacție a căii – sunt controlate prin atașarea unei molecule la un situs alosteric al proteinei. Moleculele cel mai frecvent utilizate în acest fel sunt nucleotidele ATP, ADP, AMP, NAD⁺ și NADH. Acești regulatori, efectori alosterici, pot crește sau scădea activitatea enzimatică, în funcție de condițiile predominante.

Efectorul alosteric alterează structura sterică a enzimei, afectând de obicei configurația situsului activ. Această modificare a structurii proteinei (enzimei) fie crește, fie scade afinitatea acesteia pentru substratul său, cu efect de creștere sau scădere a vitezei de reacție. Această legare poate crește sau reduce activitatea enzimei, oferind feedback. Acest tip de control prin​​feedback este eficient atâta timp cât substanța chimică care îl afectează este atașată de enzimă. Odată ce concentrația totală a substanței chimice scade, aceasta va difuza departe de proteină, iar controlul va fi relaxat.

Controlul căilor catabolice

Enzimele, proteinele, purtătorii de electroni și pompele care joacă roluri în glicoliză, ciclul acidului citric și lanțul transportor de electroni tind să catalizeze reacții ireversibile. Cu alte cuvinte, dacă are loc reacția inițială, calea va continua cu reacțiile rămase. Activarea unei anumite enzime depinde de nevoile de energie ale celulei (așa cum se reflectă de nivelurile de ATP, ADP și AMP).

Glicoliza

Controlul glicolizei începe cu prima enzimă din această cale metabolică, hexokinaza. Această enzimă catalizează fosforilarea glucozei, ceea ce ajută la pregătirea compusului pentru scindare într-o etapă ulterioară. Prezența fosfatului încărcat negativ în moleculă împiedică, de asemenea, zahărul să părăsească celulă. Când hexokinaza este inhibată, glucoza difuzează în afara celulei și nu devine un substrat pentru căile respirației celulare din acel țesut. Produsul reacției hexokinazei este glucozo-6-fosfatul, care se acumulează atunci când o enzimă ulterioară, fosfofructokinaza, este inhibată.

Fosfofructokinaza este principala enzimă controlată în glicoliză. Nivelurile ridicate de ATP, citrat sau un pH mai scăzut (mai acid) scad activitatea enzimei. O creștere a concentrației de citrat poate apărea din cauza blocării ciclului acidului citric. Fermentația, cu producția sa de acizi organici, cum ar fi acidul lactic, explică frecvent aciditatea crescută a unei celule; totuși, produsele fermentației nu se acumulează în mod obișnuit în celule.

Ultima etapă a glicolizei este catalizată de piruvat-kinază. Piruvatul produs poate fi catabolizat sau transformat în aminoacidul alanină. Dacă nu mai este nevoie de energie și alanina este în cantitate adecvată, enzima este inhibată. Activitatea enzimei este crescută atunci când nivelul de fructozo-1,6-bifosfat crește. (Reamintim că fructoza-1,6-bisfosfatul este un intermediar în prima jumătate a glicolizei.) Reglarea piruvat-kinazei implică fosforilarea de către o kinază (o kinază a piruvat-kinazei), rezultând o enzimă mai puțin activă. Defosforilarea de către o fosfatază o reactivează. Piruvat-kinaza este, de asemenea, reglată de ATP (un efect alosteric negativ).

Dacă este nevoie de mai multă energie, mai mult piruvat va fi convertit în acetil-CoA prin acțiunea piruvat-dehidrogenazei. Dacă se acumulează fie grupări acetil, fie NADH, este mai puțină nevoie de reacție și viteza scade. Piruvat-dehidrogenaza este, de asemenea, reglată prin fosforilare: o kinază o fosforilează pentru a forma o enzimă inactivă, iar o fosfatază o reactivează. Kinaza și fosfataza sunt, de asemenea, reglate.

Ciclul acidului citric

Ciclul acidului citric este controlat prin enzimele care catalizează reacțiile ce formează primele două molecule de NADH. Aceste enzime sunt izocitrat-dehidrogenaza și α-cetoglutarat-dehidrogenaza. Când sunt disponibile niveluri adecvate de ATP și NADH, ratele acestor reacții scad. Când este nevoie de mai mult ATP, așa cum se reflectă în creșterea nivelurilor de ADP, rata crește. α-cetoglutarat-dehidrogenaza va fi, de asemenea, afectată de nivelurile de succinil-CoA – un intermediar ulterior în ciclu – provocând o scădere a activității.

O scădere a ratei de funcționare a căii în acest punct nu este neapărat negativă, deoarece nivelurile crescute de α-cetoglutarat neutilizate de ciclul acidului citric pot fi utilizate de celulă pentru sinteza aminoacizilor (glutamat).

Lanțul transportor de electroni

Enzimele specifice ale lanțului  transportor de electroni nu sunt afectate de inhibiția prin feedback, dar viteza de transport a electronilor este afectată de nivelurile de ADP și ATP. Consumul mai mare de ATP de către o celulă este indicat de o acumulare de ADP. Pe măsură ce utilizarea ATP-ului scade, concentrația de ADP scade și acum, iar ATP-ul începe să se acumuleze în celulă. Această modificare a concentrației relative de ADP față de ATP determină celula să încetinească lanțul transportor de electroni.