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Stoffwechsel - Energiezustand der Zelle

Energiezustand der Zelle

Es ist charakteristisch für katabolische Wege, dass sie nicht zu eindeutig identifizierbaren Endprodukten führen. Die Hauptprodukte der Glykolyse und des TCA-Zyklus sind beispielsweise Kohlendioxid und Wasser . In der ZelleEs ist unwahrscheinlich, dass die Konzentrationen von beiden ausreichend variieren, um als wirksame regulatorische Metaboliten dienen zu können. Die Prozesse, durch die Wasser anfänglich hergestellt wird, beinhalten jedoch zunächst die Reduktion von Coenzymen, deren Reoxidation von der Synthese von ATP aus ADP begleitet wird. Darüber hinaus ergibt die Verwendung von ATP in energieaufwendigen Reaktionen, wie in den vorhergehenden Abschnitten beschrieben, ADP und AMP. Daher enthält eine lebende Zelle zu jedem Zeitpunkt ATP, ADP und AMP; Der relative Anteil der drei Nukleotide liefert einen Index des Energiezustands der Zelle. Es ist daher vernünftig, dass der Nährstofffluss über katabolische Wege im Allgemeinen durch hohe intrazelluläre Spiegel beider reduzierter Coenzyme (z. B. FADH 2 , reduziertes NAD +) behindert wird) und ATP, und dass diese hemmenden Wirkungen häufig durch AMP überwunden werden.

Die Kontrolle, die durch die ATP-, ADP- und AMP-Spiegel in der Zelle ausgeübt wird, wird durch die Regulationsmechanismen der Glykolyse und des TCA-Zyklus veranschaulicht. Diese Nukleotide dienen auch dazu, das Auftreten des entgegengesetzten Weges, der Glukoneogenese , zu steuern und eine gegenseitige Beeinflussung der katabolen und anabolen Sequenzen zu vermeiden. Obwohl nicht festgestellt wurde, dass nicht alle der nachstehend genannten Kontrollen in allen untersuchten lebenden Organismen funktionieren, wurde beobachtet, dass im Allgemeinen:

1. Glucose-6-phosphat stimuliertGlykogensynthese aus Glucose-1-phosphat und hemmt sowohl den Glykogenabbau als auch seine eigene Bildung aus Glucose .

2. Phosphofructokinase , das wichtigste Schrittmacherenzym der Glykolyse, wird durch hohe Konzentrationen seiner eigenen Substrate (Fructose-6-phosphat und ATP) gehemmt . Diese Hemmung wird durch AMP überwunden. In Geweben, wie Herzmuskel , die verwendet werden Fettsäuren als Hauptbrennstoff, Inhibierung der Glykolyse von Citrat kann physiologisch das wichtigere Kontrollmittel sein. Die Kontrolle durch Citrat, das erste Zwischenprodukt des TCA-Zyklus, das den Großteil des zellulären ATP produziert, entspricht somit im Prinzip der Kontrolle durch ATP.

3. Fructose-1,6-Diphosphatase, die die der Phosphofructokinase entgegengesetzte Reaktion katalysiert, wird durch AMP stark gehemmt.

4. Der schnelle Abbau von Kohlenhydraten erfordert die effiziente Umwandlung von PEP in Pyruvat. In der Leber und in einigen Bakterien wird die Aktivität der Pyruvatkinase, die diesen Prozess katalysiert, durch die Anwesenheit von Fructose- 1,6-diphosphat stark stimuliert , das somit als Potentiator für eine Reaktion fungiert, die für ihren endgültigen Katabolismus erforderlich ist.

5. Die Oxidation von Pyruvat zu Acetyl-Coenzym A wird durch Acetyl-Coenzym A gehemmt. Da Acetyl-Coenzym A auch als positiver Modulator der Pyruvatcarboxylierung wirkt, verstärkt diese Kontrolle die Verteilung zwischen dem Pyruvatkatabolismus und seiner Umwandlung in Zwischenprodukte mit vier Kohlenstoffatomen für Anaplerose und Glukoneogenese.

6. Citrat-Synthase , das erste Enzym des TCA-Zyklus, wird durch ATP in höheren Organismen gehemmt und reduziertNAD + in vielen Mikroorganismen. Bei einigen streng aeroben Bakterien wird die Hemmung durch reduziertes NAD + durch AMP überwunden.

7. Citrate wirkt als positiver Effektor für das erste Enzym der Fettsäure- Biosynthese . Ein hoher Citratgehalt, der auch auf eine ausreichende Energieversorgung hinweist, hemmt somit die Kohlenhydratfragmentierung und lenkt das von der Verbrennung fragmentierte Kohlenhydrat zur Bildung von Lipiden um .

8. Einige Formen von Isocitratdehydrogenase ist nur in Gegenwart von maximal aktivADP oderAMP und werden durch gehemmtATP . Dies ist ein Beispiel für die Regulation durch kovalente Modifikation eines Enzyms, da die Wirkung von ATP hier darin besteht, die Isocitratdehydrogenase zu phosphorylieren und folglich zu inaktivieren. Eine spezifische Phosphatase, bei der es sich um eine andere enzymatische Aktivität des Proteins handelt, die die Phosphorylierung durch ATP bewirkt , katalysiert die Abspaltung der Phosphateinheit an der inaktiven Isocitratdehydrogenase durch Wasser und schränkt somit die Aktivität ein. Wiederum dient der Energiezustand der Zelle als Signal, das ein Enzym reguliert, das an der Energieübertragung beteiligt ist.

Grobe Kontrolle

Obwohl Feinkontrollmechanismen die empfindliche Anpassung des Nährstoffflusses entlang der Stoffwechselwege im Verhältnis zu den Bedürfnissen der Zellen unter relativ konstanten Umgebungsbedingungen ermöglichen, sind diese Prozesse möglicherweise nicht ausreichend, um mit schwerwiegenden Veränderungen im chemischen Milieu fertig zu werden .

Solche schwerwiegenden Veränderungen können bei höheren Organismen mit einer Ernährungsumstellung oder wenn als Reaktion auf andere Reize das hormonelle Gleichgewicht verändert wird, auftreten. ImHunger , zum Beispiel die übergeordnete Notwendigkeit, den Blutzuckerspiegel aufrechtzuerhalten, kann es erforderlich machen, dass die Leber Glukose aus Nichtkohlenhydratprodukten des Gewebeabbaus mit höheren Raten synthetisiert, als dies durch die normalerweise in der Leber vorhandenen Enzyme erreicht werden kann. Unter solchen Umständen können die Zellkonzentrationen von Schlüsselenzymen der Glukoneogenese wie Pyruvatcarboxylase und PEP-Carboxykinase um das 10-fache ansteigen, während die Konzentration von Glucokinase und der Enzyme der Fettsäuresynthese in ähnlichem Maße abnimmt. Umgekehrt hochKohlenhydratdiäten und die Verabreichung des Hormons Insulin an diabetische Tiere lösen eine bevorzugte Synthese von Glucokinase und Pyruvatkinase aus. Diese Änderungen der relativen Anteile und absoluten Mengen an Schlüsselenzymen sind das Nettoergebnis einer Zunahme der Syntheserate und einer Abnahme der Zerstörungsrate. Obwohl solche Änderungen Änderungen der Transkriptions- , Translations- oder beider spezifischer Regionen des Genoms widerspiegeln , sind die Mechanismen, durch die die Änderungen bewirkt werden, noch nicht geklärt.

Microorganisms sometimes encounter changes in environment much more severe than those encountered by the cells of tissues and organs, and their responses are correspondingly greater. Mention has already been made of the ability of E. coli to form β-galactosidase when transferred to a medium containing lactose as the sole carbon source; such a transfer may result in an increase of 1,000-fold or more in the cellular concentration of the enzyme. Because this preferential enzyme synthesis is elicited by exposure of the cells to lactose, or to non-metabolizable but chemically similar analogues, and because synthesis ceases as soon as the eliciting agents (inducers) are removed, β-galactosidase is termed an inducible enzyme. It has been established that a regulator gene exists that specifies the amino-acid sequence of a so-called repressor protein, and that the repressor protein binds to a unique portion of the region of DNA concerned with β-galactosidase formation. Under these circumstances the DNA is not transcribed to mRNA, and virtually no enzyme is made. The repressor, however, is an allosteric protein and readily combines with inducers. Such a combination prevents the repressor from binding to DNA and allows transcription and translation of β-galactosidase to proceed.

Although this mechanism for the specific control of gene activity may not apply to the regulation of all inducible enzymes—for example, those concerned with the utilization of the sugar arabinose—and is not universally applicable to all coarse control processes in all microorganisms, it can explain the manner in which the presence in growth media of at least some cell components represses (i.e., inhibits the synthesis of) enzymes normally involved in the formation of such components by gut bacteria such as E. coli. Although, for example, the bacteria must obviously make amino acids from ammonia if that is the sole source of nitrogen available to them, it would not be necessary for the bacteria to synthesize enzymes required for the formation of amino acids supplied preformed in the medium. Thus, of the three aspartokinases formed by E. coli, two are repressed by their end products, methionine and lysine. On the other hand, the third aspartokinase, which (as described above) is inhibited by threonine, is repressed by threonine only if isoleucine is also present. This example of so-called multivalent repression is of obvious physiological utility. It is likely that the amino acids that thus specifically inhibit the synthesis of aspartokinases do so by combining with specific protein repressor molecules; however, whereas the combination of the inducer with the repressor of β-galactosidase inactivates the repressor protein and hence permits synthesis of the enzyme, the repressor proteins for biosynthetic enzymes would not bind to DNA unless they were also combined with the appropriate amino acid. Aspartokinase synthesis would thus occur in the absence of the end-product effectors and not in their presence.

This explanation applies also to the coarse control of the anaplerotic glyoxylate cycle. The synthesis of both of the enzymes unique to that cycle, isocitrate lyase and malate synthase, is controlled by a regulator gene that presumably specifies a repressor protein unable to bind to DNA unless combined with pyruvate or PEP. Cells growing on acetate do not contain high levels of these intermediates because they are continuously being removed for biosynthesis. The enzymes of the glyoxylate cycle are therefore formed at high rates. If pyruvate or substances catabolized to PEP or pyruvate are added to the medium, however, further synthesis of the two enzymes is speedily repressed.