Regulierung des TCA-Zyklus und der Glykolyse durch Adeninnukleotide

Zusammenfassung

Die Glykolyse und der Tricarbonsäurezyklus (TCA-Zyklus) sind unterschiedliche Prozesse, die nicht notwendigerweise sequentiell miteinander verbunden sind. Es ist daher nicht verwunderlich, dass ihre Regulierungsmodi nicht identisch sind und tatsächlich eine weitaus komplexere Regulierung beinhalten als in der Frage erwähnt. Die Verwendung von AMP anstelle von ADP als Sensor des Energiedefizits hängt von der Wirkung der Adenylatkinase ab, die zwischen Zytoplasma und Mitochondrien unterschiedlich sein kann.

Beziehung zwischen Glykolyse und dem TCA-Zyklus

Die in der Fragestellung enthaltene Erwartung, dass die Glykolyse und der TCA-Zyklus genau gleich gesteuert werden sollten, setzt voraus, dass entweder beide Prozesse untrennbar miteinander verbunden sind oder zumindest die Funktion des TCA-Zyklus von der Glykolyse abhängig ist. Dies ist nicht der Fall, obwohl der Student diesen falschen Eindruck durch die (vielleicht unvermeidliche) Art und Weise entschuldigen kann, wie die Themen in Lehrbüchern der Biochemie im Allgemeinen sequentiell behandelt werden.

Die primäre Funktion der Glykolyse besteht darin, ATP direkt aus ADP herzustellen. Das Endprodukt des Stoffwechselwegs, Pyruvat, wird unter Umständen für den TCA-Zyklus in Acetyl-CoA umgewandelt, und das erzeugte NADH wird zur Erzeugung von ATP über die Elektronentransportkette (usw.) und oxidative Phosphorylierung verwendet. Pyruvat hat jedoch eine Vielzahl anderer möglicher Schicksale, abhängig von der Art des Organismus oder – in höheren Organismen – des Gewebes und ihren gesamten Stoffwechselanforderungen. Zum Beispiel im anaeroben Stoffwechsel – einschließlich des auf dem Poster erwähnten Trainings von Muskelgewebe – kann das Pyruvat durch Reaktionen reduziert werden, die NAD ^{+ regenerieren}von NADH, zB Umwandlung in Laktat. Es kann als Vorstufe der Aminosäuren Alanin, Valin und Leucin dienen. Es kann auch in der von Pyruvincarboxylase katalysierten Reaktion in Oxalacetat umgewandelt werden, das Schlüsselintermediat, das es Acetyl-CoA ermöglicht, in den TCA-Zyklus einzutreten. Die Bedeutung der direkten Synthese von Oxalacetat auf diese Weise besteht darin, dass sie die Fortsetzung des Zyklus ermöglicht, wenn Zwischenprodukte für Synthesezwecke verwendet werden (unten diskutiert), unter welchen Umständen Oxalacetat erschöpft wird.

Hinsichtlich des TCA-Zyklus gibt es andere Quellen für Acetyl-CoA als Pyruvat, das durch Glykolyse produziert wird, und es hat andere Funktionen als die Energieerzeugung. Acetyl-CoA kann beim Abbau von Fettsäuren und bestimmten Aminosäuren entstehen. In vielzelligen Organismen kann Pyruvat auch aus aus dem Blut aufgenommenem Laktat hergestellt werden, obwohl es in Leberzellen wahrscheinlich für die Gluconeogenese verwendet wird. Und bestimmte Bakterien – Essigsäurebakterien wie Acetobacter – können das durch Fermentation produzierte Ethanol im TCA-Zyklus verwerten. Zusätzlich zu seiner Funktion bei der Energieerzeugung sind einige seiner Zwischenprodukte (α-Ketoglutarat, Succinyl-CoA und Oxalacetat) Vorläufer von Biosynthesewegen, und die Produktion von Citrat aus Acetyl-CoA ist ein Mittel, um letzteres aus dem Mitochondrium zu transportieren, wo es durch das Citratspaltungsenzym (ATP-Citrat-Lyase) wieder in Acetyl-CoA umgewandelt wird.

Es ist daher nicht verwunderlich, dass es Unterschiede in der Regulation der Glykolyse und des TCA-Zyklus geben wird, und tatsächlich, dass es Unterschiede zwischen verschiedenen Organismen geben wird – etwas, das im Allgemeinen in Grundschultexten nicht erwähnt wird.

Regulierung der Glykolyse

Die Hauptfunktion der Glykolyse ist die direkte Erzeugung von ATP („auf Substratebene“), und der Glukosefluss wird durch die regulatorischen Wirkungen von ATP (–ve) und AMP (+ve) auf die Phosphofructokinase kontrolliert, was war etabliert und rationalisiert von DE Atkinson (Biochemistry 1968, 7, 11, 4030-4034) im Hinblick auf eine Reaktion auf die Gesamtenergieladung des Systems.

Dies ergibt sich aus der Fähigkeit der Adenylatkinase, ADP wieder in ATP umzuwandeln:

               2ADP → ATP + AMP

[von Atkinson und Walton (1967) J.Biol. Chem. 242 3239–3241]

Es ist ersichtlich, dass AMP unter den Umständen, die durch das obige Diagramm dargestellt sind, ein viel besserer Indikator für eine Ladung mit niedriger Energie ist als ADP.

Citrat ist auch ein negativer Effektor des Enzyms und sorgt für die Koordination zwischen der Glykolyse und dem TCA-Zyklus. (Hormonregulation über Proteinphosphorylierung findet in den Geweben höherer Eukaryoten statt.)

Regulierung der Umwandlung von Pyruvat in Acetyl-CoA

Um in den TCA-Zyklus eintreten zu können, muss Pyruvat durch den Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex in Acetyl-CoA umgewandelt werden. Die Regulation dieses Enzyms bestimmt das Ausmaß, in dem dies geschieht, und somit das Ausmaß, in dem Pyruvat durch andere Prozesse metabolisiert wird. Negativregulatoren sind hier hohe Konzentrationen der Reaktionsprodukte Acetyl-CoA und NADH, obwohl bei höheren Eukaryoten die hormonell induzierte Proteinphosphorylierung wichtig ist.

Regulierung des TCA-Zyklus

Dann reagiert das erste regulatorische Enzym des TCA-Zyklus, Isocitratdehydrogenase, auf die Konzentration der Schlüsselmoleküle, die an der oxidativen Phosphorylierung beteiligt sind: Es wird durch ADP und ⁺ stimuliert und durch ATP und NADH gehemmt. Es lohnt sich, über die Folgen der Hemmung nachzudenken. Wenn eine Ansammlung von Citrat auftritt, kann dies die Phosphofructokinase in der Glykolyse zurückkoppeln und hemmen. Das Citrat kann sich jedoch in das Zytoplasma von Eukaryoten bewegen und durch das Citratspaltungsenzym, das durch ATP stimuliert und durch ADP gehemmt wird, in Acetyl-CoA (für die Fettsäuresynthese) umgewandelt werden.

Eine spätere regulatorische Stufe ist die α-Ketoglutarat-Dehydrogenase, die durch ATP, NADH und sein Produkt, Succinyl-CoA, gehemmt wird. Die Hemmung dieses Enzyms würde einen Aufbau von α-Ketoglutarat ermöglichen, das ein Vorläufer mehrerer Aminosäuren ist.

Das Vorhandensein mehrerer regulatorischer Schritte bei der Pyruvatoxidation und dem TCA-Zyklus ermöglicht die Verwendung des Zyklus sowohl zur Energieerzeugung als auch als Quelle für synthetische Vorläufer. Daher sollte es offensichtlich sein, warum ihre Steuerung in mancher Hinsicht ähnlich der Glykolyse ist, aber wesentliche Unterschiede aufweist.

[Berget al. Biochemie 5. Auflage, Abbildung 17.18]

Aber warum ist AMP kein regulatorisches Molekül im TCA-Zyklus?

Die Glykolyse und der TCA-Zyklus müssen nicht im Gleichschritt marschieren, obwohl ihre Schlüsselenzyme, wenn sie beide auf den Bedarf an ATP reagieren, unter anderem durch Adeninnukleotide reguliert werden. Die ursprüngliche Frage (oder eine Modifikation davon) bleibt, warum AMP ein positiver Effektor der Phosphofructokinase ist, aber nicht der Isocitratdehydrogenase, die auf ADP reagiert. Interessant ist, dass im Abschnitt von Berg et al. Bei der Diskussion des Konzepts der Energieladung wird ohne weitere Erklärung ein ziemlich lahmer Reiter hinzugefügt, der besagt, dass das ATP/ADP-Verhältnis auch als Index für den Energiestatus dienen kann.

Ich weiß es nicht genau , vermute aber, dass die Bedingungen, unter denen Atkinsons Gleichung für die Energieladung gültig ist, im Mitochondrium nicht gelten. Dies wird von Sobol et al. (1978) Eur. J. Biochem. 87 377–390die AMP-Konzentrationen in Mitochondrien der Rattenleber als viel niedriger fanden, als von der Äquilibrierung mit ATP und ADP durch die Adenylatkinase-Reaktion zu erwarten wäre. Sie schlugen vor, dass eine zusätzliche Reaktion von AMP mit GTP in den Mitochondrien dafür verantwortlich sein könnte, und zitierten auch Berichte, dass Adenylatkinase in der Matrix der Mitochondrien der Rattenleber fehlte. Zumindest in der Rattenleber würde dies erklären, dass AMP kein nützliches regulatorisches Molekül wäre, wohingegen das ATP/ADP-Verhältnis auf die Notwendigkeit einer oxidativen Phosphorylierung hinweisen würde.