Распад глюкозы регулируется ключевыми метаболитами и подчинен комплексной системе контроля

В гликолизе и ЦТК действуют несколько ключевых реакций, благодаря ко­торым весь процесс окисления глюкозы от начала до конца является контро­лируемым. Наиболее важная точка контроля — реакции гликолиза, связанные с I превращением фруктозо-6-фосфата во

фруктозо-1, 6-бисфосфат и обратно. Все ферменты, участвующие в прямой и обратной реакциях, подвержены аллостерической регуляции (рис. 4.6). В клетках животных АТФ-зависимая фосфофруктокиназа активируется АДФ и подавляется АТФ, тогда как в клетках растений этот фермент активируется ионом фосфата, а ингибируется ФЕП. Обратная реакция, катализируемая фосфатазой, в обоих случаях активируется АТФ и цитратом и подавляется АДФ. Такая система регуляции означает, что накопле­ние в клетке нереализованного АТФ и фосфоенолпирувата на фоне низкого уровня АДФ и Ф_н приведет к подавлению активности фосфофруктокиназы и активации фосфатазы, т.е. к торможению скорости распада глюкозы.

Рис. 4.6. Регуляция гликолиза у растений на уровне реакции фосфорилирования фруктозо-6-фосфата:

Фр-6-Ф — фруктозо-6-фосфат; Фр-1, 6-Ф — фруктозо-1, 6-бисфосфат; Фр-2, 6-Ф — фруктозо-2, 6-бисфосфат; АТФ-ФФК — АТФ-зависимая фосфофруктокиназа; ФФ_Н-ФФК — пирофосфат-зависимая фосфофруктокиназа; фосфатаза — фруктозо-1, 6-бисфосфатаза; — активирование;

┴ — ингибирование

В регуляцию этих реакций включен еще один фактор — фруктозо-2, 6-бисфосфат, регуляторная молекула у всех эукариот. Фруктозо-2, 6-бисфосфат дей­ствует как активатор прямой и ингибитор обратной реакции, т. е. стимулирует гликолиз и подавляет глюконеогенез. У животных фруктозо-2, б-бисфосфат ак­тивирует АТФ-зависимую фосфофруктокиназу и подавляет активность фосфа-тазы. У растений в отличие от животных фруктозо-2, 6-бисфосфат не действует на АТФ-зависимый фермент, но четко активирует ФФ_н-зависимую фосфо­фруктокиназу и ингибирует фосфатазу. Пластидная изоформа АТФ-зависимой фосфофруктокиназы, как и цитозольная, активируется фосфатом и подавля­ется ФЕП, а также АТФ. О способах регуляции пластидной фосфатазы извест­но мало.

Фруктозо-2, 6-бисфосфат образуется и деградирует при участии двух фер­ментов: фруктозо-6-фосфат 2-киназы и фруктозо-2, 6-бисфосфатазы:

Активность 2-киназы активируется ионом фосфата и фруктозо-6-фосфатом и ингибируется трехуглеродным продуктом гликолиза — ФГА и ФГК. Таким образом, синтез самой регуляторной молекулы сложным образом зависит от соотношения С6/СЗ-Сахаров в растительной клетке. На это соотношение будут влиять интенсивность синтеза сахарозы и транспорт в хлоропласт Ф_н в обмен на триозофосфат (см. гл. 3).

Второй регуляторный фермент гликолиза, пируваткиназа, аллостерически ин­гибируется метаболитами ЦТК, цитратом и малатом и активируется АДФ и Ф_н.

Следующая точка контроля на пути окисления глюкозы — ПДК, на приме­ре которого можно видеть, как иногда сложно регулируется активность ключевых ферментов. Одним из способов «быстрого реагирования» в клетке явля­ется изменение активности ферментов за счет их обратимого фосфорилирования—дефосфорилирования при участии специальных протеинкиназ и фосфатаз. Именно такому способу регуляции подвержен и ПДК: АТФ-зависимое фосфорилирование комплекса по остатку серина подавляет его активность, а при отщеплении фосфатной группы активность восстанавливается (рис. 4.7). Состояние комплекса зависит от активности киназы, которая в свою очередь подвержена аллостерической регуляции. Киназа активируется АТФ и ионом аммония и ингибируется субстратом комплекса — пируватом. Регуляторные свойства фосфатазы остаются пока неясными. Кроме того, ПДК ингибируется по типу обратной связи НАДН и ацетил-СоА.

Рис. 4.7. Регуляция пируватдегидрогеназного комплекса за счет обратимого фосфорилирования/дефосфорилирования.

Киназа катализирует АТФ-зависимое фосфорилирование одного из белков комплекса, переводя его в неактивное состояние. Киназа активируется АТФ и ионами аммония, ингибируется пиру­ватом. Дефосфорилирование при участии фосфатазы восстанавливает активность комплекса. Кроме того, активность ПДК подавляется продуктами реакции — НАДН и ацетил-СоА; ┴ — ингибирование; — активирование

Регуляторные ферменты ЦТК — цитратсинтаза и НАД-зависимая изоцитратдегидрогеназа. Активность цитратсинтазы аллостерически подавляется АТФ и НАДН. Изоцитратдегидрогеназа активируется АДФ и цитратом и ингибируется АТФ и НАДН. Кроме того, работа дегидрогеназ цикла зависит от соотно­шения НАД /НАДН в матриксе. Следовательно, ключевую роль в управлении ЦТК играет соотношение НАДН/НАД⁺ и АТФ/АДФ в матриксе митохондрий. При высоком содержании АТФ и НАДН работа цикла будет тормозиться.

Итак, на всем пути окисления глюкозы действуют ферменты, активность которых сложным образом зависит от многих факторов. В то же время в системе регуляции прослеживается общий принцип: ключевые реакции регулируются «снизу вверх», т. е. метаболитами, которые образуются в последующих реакци­ях, и прежде всего на заключительной стадии, когда в процессе окислитель­ного фосфорилирования синтезируется основная масса АТФ из АДФ и Ф_н. Во всех случаях ключевые ферменты реагируют либо на абсолютное содержание, либо на соотношение АДФ, АТФ и Ф_н. Такая система регуляции очень логична и направлена на поддержание в клетке режима экономии, при котором скорость распада глюкозы соответствовала бы потребностям клетки в АТФ и дру­гих продуктах дыхания. При высоком уровне АДФ и Ф_н, который отражает быстрый расход в клетке синтезируемой АТФ, ключевые реакции гликолиза и ЦТК активируются, а при накоплении АТФ тормозятся. Благодаря такой си­стеме регуляции скорость окисления глюкозы и дыхания в целом координиру­ется в соответствии с энергетическим статусом клетки.