Základy regulace metabolických drah

Regulační reakce konkrétní metabolické dráhy je obvykle lokalizována na jejím začátku – typicky to bývá první ireverzibilní krok. Důvodem je omezit plýtvání zdrojů a zbytečnou produkci meziproduktů, k níž by docházelo, kdyby se dráha zastavila až uprostřed, nikoli na svém začátku.

Regulační enzym bývá přítomný v nízké koncentraci, která ho limituje. Jedná se o allosterický enzym pracující na principu „všechno, nebo nic“. Pro regulaci je výhodné, když existuje jakýsi koncentrační limit, nad kterým se reakce nastartuje a rychle dosáhne maximální rychlosti, a naopak pod nímž reakce téměř neprobíhá.

V regulaci metabolických drah se uplatňuje princip zpětné vazby (feedback). Jde o zpětné ovlivnění průběhu reakce z vytvořených meziproduktů nebo konečným produktem. Rozlišujeme dva druhy zpětné vazby:

• negativní zpětní vazba,
• pozitivní zpětní vazba.

Negativní zpětná vazba

Vede k sledu reakcí, při které se systém vrací k původní hodnotě. To je zdrojem stability systému, který se neustále zpětně vrací k hodnotě set pointu, nastavené hodnoty. Negativní zpětná vazba je proto součástí většiny drah.

Například enzym ALA-syntáza I (regulační enzym syntézy hemu lokalizovaný v játrech), který je přes negativní feedback zpětně inhibován produktem celé dráhy – hemem.

Negativní zpětná vazba

Pozitivní zpětná vazba

Vede k sledu reakcí, které ji ještě více prohloubí. Hrozí ovšem riziko vzniku bludného kruhu (circulus vitiosus). Každé další zvětšení odchylky její zvětšování ještě urychluje, až nakonec nestabilita systému způsobí jeho kolaps.

Například oxytocin. Jde o hormon produkovaný v jádrech hypotalamu, který (kromě jiného) vyvolává kontrakce hladké svaloviny dělohy a umožňuje tím průběh porodu. Každá kontrakce prostřednictvím aktivace mechanoreceptorů děložní stěny působí jako stimul pro další sekreci oxytocinu. Jeho efekt tak neustále narůstá až do doby, kdy jsou dítě a následně i placenta porozeny a tlak na děložní stěnu opět klesne.

Regulační krok ovlivňuje

Změna absolutní koncentrace enzymu (množství enzymu)

Ovlivňuje se proces transkripce a translace, a to indukce (aktivace) nebo represe (inhibice) exprese genu kódujícího daný enzym. Příkladem je substrátová indukce, kdy přítomnost substrátu indukuje syntézu enzymu.

Modulace aktivity již existujícího enzymu (aktivita enzymu)

• přítomnost aktivátorů / inhibitorů,

• kovalentní modifikace molekuly enzymu (fosforylace / defosforylace, tvorba aktivních enzymů z proenzymů, …).