การควบคุม Glycolysis

การควบคุม Glycolysis

ปฏิกิริยาที่ถูกเร่งด้วย hexokinase, PFK-1 และ PK จะพบว่าเกิดขึ้นด้วยการใช้พลังงานที่สูง นั่นคือในปฏิกิริยามีการลดลงของ free energy เป็นอย่างมาก ซึ่งปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นนี้เป็น nonequilibrium reactions ใน glycolysis ซึ่งก็จะถูกพิจรณาว่าเป็นปฏิกิริยาหลักที่จะเกี่ยวข้องกับการควบคุมการดำเนินไปของกระบวนการ glycolysis ที่จริงแล้วการศึกษาใน in vitro ได้มีการแสดงให้เห็นว่าเอนไซม์ทั้งสามตัวนี้ถูกควบคุมด้วยการเปลี่ยนแปลงรูปร่าง (allosterically controlled).

อย่างไรก็ตามปฏิกิริยาที่เร่งด้วย hexokinase ก็ไม่ใช่ปฏิกิริยาหลักที่ทำหน้าที่ควบคุมการเกิด glycolysis เนื่องจากว่า G6P จำนวนมากจะมาจากการสลายของ glycogen อยู่แล้ว (ซึ่งนี่ก็เป็นกลไกหลักสำหรับคาร์โบไฮเดรตที่จะเข้าสู่กระบวนการ glycolysis ในเซลล์กล้ามเนื้อ) และดังนั้นปฏิกิริยาที่เร่ง hexokinase จึงไม่จำเป็น อย่างไรก็ตามการควบคุมการทำงานของ PK มีความสำคัญต่อการย้อนกลับของกระบวนการ glycolysis ในกรณีที่เมื่อมี ATP มาก และเกิดการกระตุ้น gluconeogenesis ดังนั้นปฏิกิริยาเหล่านี้ไม่ใช่ปฏิกิริยาหลักของการควบคุม glycolysis พบว่า rate limiting step ใน glycolysis เป็นปฏิกิริยาที่เร่งด้วยเอนไซม์ PFK-1.



PFK-1 เป็น tetrameric enzyme ที่ประกอบด้วย conformational states สองรูปแบบ เรียกวา R และ T ซึ่งทั้งสองนี้อยู่ในระดับที่สมดุลกัน ATP จะทำหน้าที่เป็นสับสเตรตและเป็น allosteric inhibitor ของ PFK-1 ซึ่ง subunit แต่ละอันจะมี ATP binding sites สองตำแหน่ง นั่นคือตำแหน่งที่จะจับกับซับสเตรต และตำแหน่งที่จะจับกับตัวยับยั้บ (inhibitor) เอนไซม์สามารถที่จะจับกับสซับสเตรต ได้ดีเท่ากับจับกับตัวยับยั้ง ตำแหน่งที่จะจับกับ inhibitor จะจับกับ ATP เมื่อเอนไซม์อยู่ในสภาวะ T state F6P เป็นสับสเตรตอีกตัวหนึ่งของ PFK-1 และมันก็ชอบที่จะจับกับ R state ของเอนไซม์ เมื่อมี ATP จำนวนมาก ตำแหน่งที่จะจับกับ inhibitor จะถูกครอบครอง และจะ shift ไปสู่ equilibrium ของ PFK-1 comformation ซึ่งเป็น T state และจะลดความสามารถของ PFK-1 ที่จะจับกับ F6P การยับยั้งของ PFK-1 โดย ATP จะกลับคืนมาโดยการกระตุ้นด้วย AMP ซึ่งก็จะจับกับ R state ของเอนไซม์ และดังนั้น AMP จะ stabilizes รูปร่าง (conformation) ของเอนไซม์ให้สามารถที่จะจับกับ F6P ได้

การควบคุมด้วย allosteric regulator ที่สำคัญของทั้ง glycolysis and gluconeogenesis คือ fructose 2,6-bisphosphate, F2,6BP ,ซึ่งอย่างไรก็ตาม F2,6BP ไม่ได้เป็น intermediate ใน glycolysis หรือในgluconeogenesis.


การสังเคราะห์ F2,6BP ถูกเร่งด้วย bifunctional enzyme ที่เรียกว่า phosphofructokinase-2/fructose-2,6-bisphosphatase (PFK-2/F-2,6-BPase ใน nonphosphorylated form ของเอนไซม์จะรู้จักกันในนาม PFK-2 ซึ่งก็จะทำหน้าที่ในการเร่งการสังเคราะห์ F2,6BP โดย phosphorylating fructose 6-phosphate. ผลก็คือว่า activity ของ PFK-1 จะถูกกระตุ้นเป็นอย่างมากและในขณะเดียวกัน activity ของ F-1,6-BPase ก็จะถูกยับยั้งเหมือนกัน



ภายใต้สภาวะที่ PFK-2 นั้น active, ก็จะพบว่า fructose จะไหล flow ผ่านปฏิกิริยาที่เร่งด้วย PFK-1/F-1,6-BPase ที่มีทิศทางในการที่จะเกิด glycolysis และก็จะผลิต F-1,6-BP ขึ้น เมื่อ bifunctional enzyme นี้ถูก phosphorylated มันก็จะไม่มี kinase activity อีกต่อไป แต่ว่า active site อีกอันก็จะเร่งการสลาย F2,6BP ให้ไปเป็น F6P และ inorganic phosphate ผลลัพท์จากการเกิด phosphorylation ของ bifunctional enzyme ก็คือจะทำให้หยุดการกระตุ้น (allosteric stimulation) ต่อ PFK-1 และ allosteric inhibition ของ F-1,6-BPase ก็จะหมดไป และก็จะเกิดการไหล flow ของ fructose ผ่านเอนไซม์นี้ไปในกระบวนการ gluconeogenic ซึ่งก็จะมีการผลิต F6P และ กลูโคสในที่สุด



นอกจากนั้นพบว่า interconversion ของ bifunctional enzyme จะถูกเร่งด้วยเอนไซม์ cAMP-dependent protein kinase (PKA) ซึ่งเอนไซม์นี้จะถูกควบคุมอีกทีด้วย peptide hormones เมื่อไดก็ตามที่ระดับกลูโคสในเลือดลดต่ำลง การผลิต insulin จากตับก็จะลดน้อยลงด้วย แต่ในขณะเดียวกันก็จะมีการหลั่ง glucagons เข้าสู่กระแสเลือดมากขึ้น ฮอร์โมน glucagon จะจับกับ plasma membrane receptors ของเซลล์ในตับ และทำให้เกิดการกระตุ้น adenylate cyclase ซึ่งเป็น membrane –localized enzyme ก็จะทำให้มีการเปลี่ยน ATP ไปเป็น cAMP. และ cAMP จะเข้าจับกับ regulatory subunits ของ PKA แล้ว ทำให้เกิดการ release และ activation ของ catalytic subunits ของเอนไซม์.



PKA จะ phosphorylates เอนไซม์หลายชนิดด้วยกัน ซึ่งก็จะรวมถึง bifunctional PFK-2/F-2,6-BPase ภายใต้สภาวะเหล่านี้ตับจะหยุดการใช้กลูโคส แต่จะทำหน้าที่ในการสร้างกลูโคส เพื่อจะกลับคืนสู่สภาวะที่เรียกว่า normoglycemia.

การควบคุม glycolysis สามารถเกิดขึ้นได้ในขั้นตอนที่ถูกเร่งด้วยเอนไซม์ pyruvate kinase, (PK). The liver enzyme has been most studied in vitro. ซึ่งเอนไซม์นี้จะถูกยับยั้งด้วย ATP และ acetyl-CoA และจะถูกกระตุ้นโดยF1,6BP อย่างไรก็ตามการยับยั้งของ PK ด้วย ATP ก็เกิดขึ้นในลักษณะเดียวกันกับการควบคุมการทำงานของPFK-1 ด้วย ATP การจับของ ATP ต่อ inhibitor site จะลดความจำเพาะของเอนไซม์ PK ต่อ PEP. นอกจากนั้นการได้รับcarbohydrate ในระดับที่สูงขึ้นก็จะมีส่วนกระตุ้นการสังเคราะห์ของเอนไซม์ PK เป็นผลให้ในเซลล์มีปริมาณของเอนไซม์มากขึ้นด้วย



ในปัจจุบันได้มีการศึกษา PK isozymes หลายๆชนิด ตัวอย่างเช่น ในตับ liver isozyme (L-type), ซึ่งก็ถือว่าเป็น gluconeogenic tissue, isozyme จะถูกควบคุมด้วยการ phosphorylation โดย PKA ในขณะที่จะพบว่า M-type isozyme จะพบใน brain, muscle, และเนื้อเยื่อๆ ที่มีความต้องการที่จะใช้ glucose ซึ่งในเนื้อเยื่อเหล่านี้การทำงานของ PK จะไม่ถูกควบคุมด้วย PKA ซึ่งก็เป็นผลให้มีกลไกในการควบคุมระดับของ blood glucose levels และก็จะเกี่ยวข้องกับการทำงานของฮอร์โมนในการควบคุมความสมดุลของ liver gluconeogenesis และ glycolysis ในขณะที่ muscle metabolism ไม่ผลกระทบแต่อย่างได



ใน erythrocytes จะพบว่า fetal PK isozyme มี activity ที่สูงกว่า adult isozyme ดังนั้นจึงพบว่า fetal erythrocytes มีระดับของ glycolytic intermediates ที่ต่ำกว่ามาก เนื่องจากการที่มีระดับของ fetal 1,3-BPG ที่ต่ำมาก จะทำให้ 2,3-BPG shunt เกิดได้น้อยกว่าใน fetal cells และle 2,3-BPG ปริมาณเล็กน้อยจะถูกสร้างขึ้น เนื่องจากวา 2,3-BPG เป็น negative effector ของ hemoglobin affinity สำหรับ oxygen, ทำให้ fetal erythrocytes มี oxygen affinity ที่สูงกว่า maternal erythrocytes. ดังนั้นการเกิดการย้ายของ oxygen จาก maternal hemoglobin ไปสู่ fetal hemoglobin จึงเกิดขึ้นได้ง่ายซึ่งก็เป็นการแน่ใจว่าทารกได้รับ oxygen ที่เพียงพอ ในเด็กที่เกิดใหม่ erythrocyte isozyme ของ M-type จะพบว่า PK ที่มี activity ที่ต่ำกว่ามาแทนที่ fetal type, ก็จะเป็นผลให้เกิดการสะสมของ glycolytic intermediates.การเพิ่มขึ้นของ1,3-BPG จะกระตุ้น 2,3-BPG shunt ทำให้มีการผลิต 2,3-BPG ซึ่ง 2,3-BPG มีความจำเป็นในการควบคุม oxygen binding ต่อ hemoglobin



โรคทางพันธุกรรมของ adult erythrocyte PK เป็นที่ทราบกันว่ามีสาเหตุมาจาก kinase อยู่ในสภาพที่ inactive ซึ่งก็พบว่า erythrocytes ของคนที่เป็นโรคจะไม่สามารถสร้าง ATP ได้เพียงพอ และดังนั้นจึงไม่มี ATP ที่จะมาทำงานได้เช่นในการขับไอออนผ่าน channel หรือควบคุม osmotic balance ซึ่งอย่างไรก็ตามerythrocytes มีช่วงครึ่งชีวิตที่ค่อนข้างสั้น (short half-life),นั่นคือเกิดเซลล์แตกได้ง่าย และนี่ก็เป็นสาเหตุของ hereditary hemolytic anemia.

PK isozyme ถูกควบคุมโดยการเกิด phosphorylation, allosteric effectors,และการ modulation ของ gene expression ซึ่งก็พบว่า allosteric

effectors ที่สำคัญก็คือ F-1,6-BP ซึ่งก็จะทำหน้าที่กระตุ้น activity ของ PKโดยการลด Km(app) ของมันเองสำหรับ PEP และสำหรับ negative effector นั่นก็คือ ATP นอกจากนั้นการแสดงออกของ liver PK gene ก็ถูกควบคุมโดยระดับของปริมาณของ carbohydrate ในอาหาร ซึ่งก็พบว่าในอาหารที่มีcarbohydrate อยู่สูงสามารถที่จะกระตุ้นระดับของ PK ได้มากถึง 10 เท่าเมื่อเปรียบเทียบกับเมื่อได้รับอาหารที่มีระดับของ carbohydrate ที่ต่ำกว่า การทำงานของ Liver PK จะถูกควบคุมโดยการเกิด phosphorylation และถูกยับยั้งโดย PKA และดังนั้นกลไกนี้จึงอยู่ภายใต้การควบคุมของฮอร์โมน ซึ่งก็เหมือนกับการควบคุมการทำงานของ PFK-2 ดังที่ได้กล่าวมาแล้ว

Muscle PK (M-type) จะไม่ถูกควบคุมโดย samee mechanisms เหมือนเช่นในกรณีที่พบในตับ ซึ่ง Extracellular conditions ที่เป็นสาเหตุทำให้เกิดphosphorylation และ inhibition ของ liver PK เช่นการที่มีกลูโคสต่ำในเลือด และการที่มี circulating glucagons ในระดับที่สูง แต่อย่างไรก็ตามปัจจัยเหล่านี้ก็ไม่ได้ยับยั้งการทำงานของ muscle enzyme. ซึ่งผลของการที่มีการควบคุมที่แตกต่างกันก็คือว่าฮอร์โมนเช่น glucagons และ epinephrine จะกระตุ้นให้มี liver gluconeogenesis และยับยั้ง liver glycolysis ในขณะที่การเกิด muscle glycolysis สามารถเกิดขึ้นได้ตามความต้องการของเซลล์นั้นๆ.