Regulace jednotlivých metabolických drah (FBLT)

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 dýchacího řetězce od aerobní fosforylace → snížení protonového gradientu)

Regulace Krebsova cyklu

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

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

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)

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 spotřeba glukózy. 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)

• 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

• 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

• 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

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

Regulace syntézy glykogenu

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

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

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 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

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

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).