การควบคุมน้ำตาลในเลือด

Regulation of Blood Glucose Levels

ถ้าไม่มีเหตุผลอื่นไดแล้ว การควบคุมระดับของกลูโคสในเลือดเกิดขึ้นเนื่องจากความต้องการของสมองสำหรับ oxidizable glucose ซึ่งในร่างการของเรามีการควบคุมการไหลเวียนของของกลูโคสอย่างเข้มงวด ซึ่งระดับของกลูโคสก็อยู่ในช่วง 5mM

Carbohydrates ที่ถูกกินไปเกือบทั้งหมดจะถูกเปลี่ยนไปเป็นกลูโคสในตับ อย่างไรก็ตาม Catabolism ของอาหารหรือ Proteins ก็สามารถที่จะถูกเปลี่ยนไปอยู่ในรูปของ carbon atoms ที่สามารถจะถูกใช้ในการสังเคราะห์กลูโคสได้ด้วยกระบวนการ gluconeogenesis. นอกจากนั้นในเนื้อเยื่ออื่นๆที่ไม่สามารถจะ oxidize กลูโคสได้อย่างสมบรูณ์ (ส่วนใหญ่แล้วเป็น skeletal muscle และ erythrocytes) ก็จะให้ lactate ซึ่งก็จะสามารถถูกเปลี่ยนไปเป็นกลูโคสได้ในกระบวนการ gluconeogenesis.

การรักษาระดับของ blood glucose homeostasis มีความจำเป็นอย่างมากต่อการมีชีวิตอยู่รอดของมนุษย์ โดยตับจะทำหน้าที่ในการควบคุมระดับของ blood glucose โดยถูกควบคุมผ่านฮอร์โมน ที่จริงแล้วหน้าที่ที่สำคัญที่สุดของตับคือผลิตกลูโคสให้กับกระแสเลือด การเพิ่มขึ้นหรือลดลงของ blood glucose จะกระตุ้นฮอร์โมนที่จะทำหน้าที่กระตุ้นเซลล์ตับให้มีการรักษาระดับของกลูโคสให้คงที่ ถ้ามี blood glucose ต่ำก็จะมีการกระตุ้นให้มีการหลั่ง glucagons จาก pancreatic a-cells. ในขณะที่ blood glucose อยู่ในระดับที่สู่งก็จะมีการกระตุ้นให้มีการหลั่งของ insulin ของ pancreatic b-cells นอกจากนั้นฮอร์โมน ACTH และ growth hormone ที่มาจากต่อม pituitary ก็จะทำหน้าที่ในการกระตุ้นให้มีการสร้างกลูโคสด้วยโดยการลดการนำกลูโคสเข้าสู่เซลล์ของextrahepatic tissues ฮอร์โมน Glucocorticoids ยังทำหน้าที่กระตุ้นการเพิ่มขึ้นของblood glucose โดยยับยั้งการ glucose uptake ของเซลล์ ซึ่ง Glucocorticoids ที่พบมากที่สุดคือ Cortisol จะหลั่งจากต่อมหมวกไตชั้น cortex ด้วยการกระตุ้นโดย ACTH. นอกจากนั้น epinephrine ซึ่งเป็นฮอร์โมนที่ผลิตโดย adrenal medullar ก็สามารถกระตุ้นการสร้างกลูโคสโดยกระตุ้น glycogenolysis ในการตอบสนองต่อ stressful stimuli

.

การจับของ Glucagon ต่อ receptors ของมันที่อยู่บนผิวของ liver cells จะมีการกระตุ้นการเพิ่มขึ้นของ cAMP ซึ่งก็จะกระตุ้นอัตรา glycogenolysis โดยการกระตุ้น glycogen phosphorylase โดยผ่าน PKA-mediated signaling ซึ่งการตอบสนองนี้ก็เกิดขึ้นในลักษณะเดียวกันกับการกระตุ้นด้วย epinephrine ใน hepatocytes ซึ่งผลจากการกระตุ้นก็คือการเพิ่มขึ้นของ G6P ใน hepatocytes และถูก hydrolyzed ด้วยเอนไซม์ glucose-6-phosphatase ไปเป็นกลูโคสอิสระแล้วแพร่ไปสู่กระแสเลือด กลูโคสที่อยู่ในกระแสเลือดจะเข้าสู่เซลล์ (extrahepatic cells) เป้าหมายแล้วก็จะถูก phosphorylated ด้วยเอนไซม์ hexokinase. เนื่องจากว่าทั้ง muscle และ brain cells ไม่มี glucose-6-phosphatase,ผลิตภัณฑ์ของ hexokinase ซึ่งเป็น glucose-6-phosphate จะถูกกักใว้ในเซลล์และจะถูก oxidized ต่อไป

การตอบสนองของอินซูลินจะตรงกันข้ามกับ glucagon (และ epinephrine ใน hepatocytes), insulin จะกระตุ้นการนำกลูโคสเข้าสู่เซลล์ของ extrahepatic cells จากกระแสเลือดและก็จะยับยั้งการเกิด glycogenolysis ใน extrahepatic cells แต่จะกระตุ้นเซลล์ให้มีการสร้าง glycogen แทน ขณะที่กลูโคสผ่านเข้าสู่ hepatocytes ก็จะมีการยับยั้ง glycogen phosphorylase activity. การจับของ free glucose จะกระตุ้น de-phosphorylation ของ phosphorylase ดังนั้นทำให้มีการยับยั้งการทำงานของเอนไซม์นี้. คำถามมีอยู่ว่าทำไม glucose ที่ผ่านเข้าไปในเซลล์ hepatocytes ไม่ถูก phosphorylated และถูก oxidized ? อย่างไรก็ตามเป็นที่ทราบว่า Liver cells จะมี isoform ของ hexokinase ที่เรียกว่า glucokinase. ซึ่ง Glucokinase จะมี affinity สำหรับ glucose ที่ต่ำกว่า hexokinase มาก. ดังนั้นมันจึงไม่ถูกกระตุ้น ณ ความเข้มข้นที่เป็น physiological ranges ของ blood glucose. นอกจากนั้น glucokinase ไม่ถูกยับยั้งโดยผลิตภัณฑ์ของมันเองนั่นคือ G6P แต่ในขณะที่ hexokinase สามารถที่จะถูกยับยั้งได้ด้วย G6P

.

การตอบสนองที่สำคัญของ non-hepatic tissues ต่อ insulin ก็คือมีการทำงานของ glucose transporter complexes ที่อยู่ที่ผิวเซลล์ . Glucose transporters ประกอบด้วยโปรตีน 5 ชนิดได้แก่ GLUT-1 ถึง GLUT-5. GLUT-1 จะพบได้ในเนื้อเยื่อทั่วๆไป ส่วน GLUT-2 จะพบส่วนใหญ่ใน intestine, kidney และ liver.ในขณะที่ GLUT-3 ก็พบได้ที่ intestine ส่วน GLUT-5 นั้นพบใน brain และ testis. เนื้อเยื่อที่ไวต่อ insulin (Insulin-sensitive tissues) เช่น skeletal muscle และ adipose tissue จะประกอบด้วย GLUT-4 เมื่อความเข้าข้นของ blood glucose เพิ่มขึ้นเนื่องจากการได้รับจากอาหารก็จะพบว่า GLUT-2 molecules จะทำหน้าที่ mediate การเพิ่มขึ้นของ glucose uptake ซึ่งจะเป็นผลให้มีการเพิ่มการหลั่งของ insulin

Hepatocytes จะมีลักษณะที่แตกต่างจากเซลล์อื่น นั่นคือจะ freely permeable ต่อ glucose และดังนั้นจะไม่มีผลกระทบไดๆเนื่องจากการทำงานของ insulin ที่ระดับของ เมื่อ blood glucose levels ต่ำมาก liver ก็จะไม่แข่งขันกับเนื้อเยื่ออื่นๆในการจับกับกลูโคสเนื่องจากว่า extrahepatic uptake ของ glucose จะถูกกระตุ้นในกรณีมีการตอบสนองต่อ insulin. ในทางตรงกันข้ามเมื่อ blood glucose levels สูงก็จะพบว่า extrahepatic cells ได้รับกลูโคสอย่างเพียงพอและ liver ก็จะนำกลูโคสเข้าสู่เซลล์และเปลี่ยนให้ไปอยู่ในรูปของ glycogen สำหรับใว้ใช้ในอนาคต ภายใต้สภาวะที่มีกลูโคสในกระแสเลือดอยู่มาก liver glucose levels ก็จะสูงด้วยซึ่งก็จะกระตุ้น glucokinase ให้มีการสังเคราะห์และทำงาน G6P ที่ถูกผลิตโดย glucokinase จะถูกเปลี่ยนไปเป็น G1P อย่างรวดเร็วด้วยเอนไซม์ phosphoglucomutase, ซึ่ง G1P ก็จะเป็น intermediate ที่จะถูกใช้ในการสังเคราะห์ไกลโคเจน

Ethanol Metabolism

ในเซลล์สัตว์จะมี่ alcohol dehydrogenase (ADH) ซึ่งก็จะ oxidizes ethanol ไปเป็น acetaldehyde. Acetaldehyde ก็จะถูก oxidized ไปเป็น acetate โดยเอนไซม์ acetaldehyde dehydrogenase (AcDH). พบว่าทั้ง Acetaldehyde และ acetate จะเป็นพิษและทำเป็นสาเหตุทำให้เกิดอาการที่เรียกว่า hangover ในกรณีที่ดื่ม alcohol มากเกินไป ทั้ง ADH และ AcDH ยังสามารถที่จะเร่งปฏิกิริยา reduction ของ NAD⁺ ไปเป็น NADH. พบว่า metabolic effects ของ ethanol intoxication ที่มาจากการทำงานของ ADH และ AcDH เป็นสาเหตุให้เกิด imbalance ใน NADH/NAD⁺. การเกิด reduction ของ NAD⁺ จะมีผลต่อการผ่านของกลูโคสในกระบวนการ glycolysis ในปฏิกิริยาของ glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase ดังนั้นทำให้มีการจำกัดต่อการผลิตพลังงาน นอกจากนั้นยังพบว่าอัตราการสร้างของ hepatic lactate ยังเพิ่มสูงขึ้นอีกด้วยซึ่งก็เป็นผลมาจากการเพิ่มขึ้นของ NADH ในทิศที่จะกระตุ้นการทำงานของ hepatic lactate dehydrogenase (LDH) การย้อนกลับของปฏิกิริยาของ LDH ใน hepatocytes จะเปลี่ยน pyruvate จาก gluconeogenesis ทำให้การลดความสามารถของตับที่จะนำกลูโคสไปให้กับกระแสเลือด

Lactate Metabolism

Lactate Metabolism

ซึ่งในช่วงเวลาที่อัตราการเกิด glycolysis เกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว ใน anaerobic glycolysis coditions,การเกิด oxidation ของ NADH จะเกิดขึ้นผ่าน reduction ของ organic substrate. ใน Erythrocytes และ skeletal muscle (ถ้าอยู่ในสภาวะที่กำลังทำงาน) ซึ่งพบว่า ATP มีความจำเป็นต่อ anaerobic glycolysis



อย่างไรก็ตาม NADH ที่ถูกสร้างขึ้นจำนวนมาก จะถูก oxidized โดย reducing pyruvate ไปเป็น lactate. ซึ่งปฏิกิริยานี้ได้เกิดขึ้นโดยการเร่งด้วย lactate dehydrogenase, (LDH). Lactate ที่ถูกผลิตขึ้นระหว่าง anaerobic glycolysis จะแพร่จากเนื้อเยื่อและจะถูกเคลื่อนย้ายไปสู่เซลล์ที่มีความเป็นaerobic tissues สูงกว่าเช่นในเซลล์กล้ามเนื้อหัวใจและตับ จากนั้น lactate จะถูก oxidized ไปเป็น pyruvate ภายในเซลล์ด้วยการกระตุ้นด้วยเอนไซม์ LDH และ pyruvate ก็จะถูก oxidized ต่อไปเป็น TCA cycle. ถ้าระดับของ pyruvate ในเซลล์เหล่านี้มีมากเกินไปมันก็จะถูกเปลี่ยนไปเป็นกลูโคสในกระบวนการ gluconeogenesis

ในเซลล์ของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมจะพบว่ามี distinct types ของ LDH subunits อยู่ 2 ชนิด,ซึ่งก็เรียกว่า M และ H. ซึ่งการรวมกันของ subunit ที่แตกต่างนี้ก็จะทำให้เกิด LDH isozymes ซึ่งก็จะทำให้เอนไซม์มีลักษณะเฉพาะ อย่างไรก็ตามพบว่า H type subunit มีมากอยู่ใน aerobic tissues เช่น heart muscle (เป็น H4 tetramer) ในขณะที่ M subunit จะพบมากใน anaerobic tissues เช่น skeletal muscle (เป็น M4 tetramer). H4 LDH จะมีค่า Km ต่ำกว่าสำหรับ pyruvate และจะถูกยับยั้งดัวย pyruvate ขณะที่ M4 LDH enzyme จะมีค่า Km สูงสำหรับ pyruvate และจะไม่ถูกยับยั้งด้วย pyruvate. ซึ่งนี่ก็แสดงให้เห็นว่า H-type LDH จะถูกใช้สำหรับการ oxidizing lactate ไปเป็น pyruvate และ M-type ก็ทำงานในลักษณะย้อนกลับ

Fates ของ Pyruvate

Metabolic Fates ของ Pyruvate

Pyruvate เป็นโมเลกุลที่แยกแขนงออกมาจาก glycolysis ซึ่งการใช้ pyruvate จะขึ้นอยู่กับ oxidation state ของเซลล์นั้นๆ ในปฏิกิริยาที่มีการเร่งโดย G3PDH โมเลกุลของ NAD⁺ จะถูก reduced ไปเป็น NADH ก็เพื่อจะรักษาระดับของ re-dox state เซลล์ NADH ต้องถูก re-oxidized ไปเป็น NAD⁺ ระหว่าง aerobic glycolysis ปฏิกิริยาเหล่านี้จะเกิดขึ้นใน mitochondrial electron transport chain และมีการสังเคราะห์ ATP ดังนั้นในระหว่าง aerobic glycolysis จะพบว่า ATP จะถูกสังเคราะห์จากการเกิด oxidation โดยตรงของ glucose ในปฏิกิริยาของ PGK และ PK และรวมไปถึงปฏิกิริยาโดยอ้อมโดยการเกิด re-oxidation ของ NADH ใน oxidative phosphorylation pathway นอกจากนั้นโมเลกุลของ NADH ยังถูกสังเคราะห์ระหว่างการเกิด aerobic oxidation ของ pyruvate อย่างสมบรูณ์ใน TCA cycle. Pyruvate จะเข้าสู่ TCA cycle ในรูปของ acetyl-CoA ซึ่ง acetyl-CoA เป็นผลิตภัณฑ์ของปฏิกิริยาของ pyruvate dehydrogenase , อย่างไรก็ตาม anaerobic glycolysis pyruvate จะถูกreduced ไปเป็น lactate.

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.

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

Anaerobic Glycolysis

ภายใต้สภาวะ aerobic จะพบว่า pyruvate จะถูก metabolized ต่อไปด้วย TCA cycle แต่ภายใต้สภาวะ anaerobic และใน erythrocytes ภายใต้ aerobic conditions, ก็จะพบว่า pyruvate จะถูกเปลี่ยนไปเป็นไปเป็น lactate ด้วยเอนไซม์ lactate dehydrogenase (LDH) และ lactate ก็จะถูกเคลื่อนย้ายออกนอกเซลล์สู่ระบบหมุนเวียน การเปลี่ยน pyruvate ไปเป็น lactate ภายใต้

anaerobic conditions ซึ่งก็เป็นกลไกสำหรับเซลล์สำหรับการ oxidation ของ NADH (ซึ่งถูกผลิตขึ้นระหว่าง G3PDH reaction) ไปเป็น NAD⁺; ซึ่งก็เกิดขึ้นระหว่างที่ LDH ถูกเร่ง. การเกิด reduction มีความจำเป็นเนื่องจากว่า NAD⁺ จะเป็นสับสเตรตที่จำเป็นสำหรับ G3PDH, without which glycolysis will cease โดยปรกติแล้วใน aerobic glycolysis จะพบว่า electrons ที่อยู่ในcytoplasmic NADH จะถูกย้ายไปสู่ mitochondria เพื่อเข้าสู่ oxidative phosphorylation pathway ซึ่งในขั้นตอนนี้จะมีการสร้าง cytoplasmic NAD⁺.ขึ้น

Aerobic glycolysis จะสร้าง ATP ต่อ mole ของ glucose oxidized มากกว่าที่พบใน anaerobic glycolysis การเกิด anaerobic glycolysis ใน muscle cell จะเกิดขึ้นเมื่อเซลล์ต้องการพลังงานอย่างรวดเร็ว ซึ่งอัตราการผลิต ATP ด้วย anaerobic glycolysis จะให้ ATP ที่เร็วกว่าประมาณ 100 เมื่อเทียบกับการเกิด oxidative phosphorylation ในสภาพที่มีออกซิเจน ในระหว่างที่เซลล์กล้ามเนื้อทำงานเซลล์จะไม่ต้องการพลังงานเพื่อใช้ใน anabolic reaction pathways เซลล์ต้องการสร้าง ATP ให้มากที่สุดเพื่อให้เกิด muscle cell contraction ในเวลาที่รวดเร็วที่สุด ซึ่งนี่ก็เป็นเหตุผลว่าทำไม ATP ที่ถูกสร้างขึ้นทั้งหมดใน anaerobic glycolysis จะถูกใช้ไป