Kontrollmechanismen der Glycolyse

Abstract

Control mechanisms of enzymic reactions are generally based on interactions between activators, inhibitors, substrates and products with enzyme proteins or on induction and repression of enzyme synthesis. All main types of control can be recognized in glycolysis. They are the basis of the network which controls the over-all glycolytic function and operates according to the feed-back principle. — Enzyme profiles may not be used for a functional definition of the metabolic state. Enzyme activities are governed by a variety of control mechanisms, which can best be recognized by steady-state and transient state analysis of metabolites and by an analysis of the system's response in titration experiments with pure enzymes under conditions whereby the system displays oscillatory behaviour of its over-all flux. The important parameter for the definition of the metabolic state is the net-flux through the system, since this parameter, along with the steady-state levels of the meabolites, gives the steady-state flux pattern, reveals the kinetic state of enzymic reactions and points to control points of metabolism. Continuous glycolytic oscillations in a cell-free extract ofSaccharomyces carlsbergensis have been observed over a period of 22 hours with a constant frequency of 0.17 min⁻¹ and a rate of 7.2 nMol ethanol per mg protein per min. Titration of such an extract by pure yeast enzymes reveals the gain (FDP, ADP) and damping components (ATP), which are fed back to the enzymes PFK and PK, respectively, PFK, PGK and PK operating as the control units. On the basis of the titration data as well as metabolite and enzyme activity phase relationship, the mechanism of this oscillation can be understood as a crossed feed-back interaction. Furthermore, it is discussed as the biochemical model of a physiological clock mechanism.

Zusammenfassung

• 1. Die Mechanismen der Kontrolle enzymatischer Reaktionssequenzen lassen sich allgemein auf Wechselwirkungen von Aktivatoren, Inhibitoren, Substraten und Produkten mit Enzymproteinen sowie auf Induktion oder Repression der Enzymsynthesen zurückführen. Alle Kontrolltypen werden im Verlaufe der Glycolyse beobachtet. Sie sind die Grundlage des Kontrollnetzes, das den Ablauf der Glycolyse bestimmt und nach dem Rückkopplungsprinzip operiert.

• 2. Das stationäre Verhalten der Fließgleichgewichte der Glycolyse kann durch Bestimmung von Netto-Fluß und stationären Intermediatkonzentrationen adequat in Form der Metabolit- und Flußprofile für den Hin- und Rückfluß jeder enzymatischen Reaktion beschrieben werden. Derartige Profile kennzeichnen den Kontrolltyp jeder enzymatischen Reaktion. Metabolit- und Flußprofile können als Grundlage mathematischer Modelle der Glycolyse benutzt werden. Das Verhalten dieser Modelle unter stationären und transienten Bedingungen steht in Übereinstimmung mit den experimentellen Beobachtungen.

• 3. Die Untersuchung von Übergangszuständen ergänzt die Analyse stationärer Zustände. Sie führt unabhängig zur Aufdeckung von Kontrollpunkten der glycolytischen Sequenz und erfaßt allgemein den Bereich sowie die Güte biochemischer Kontrollmechanismen.

• 4. Der Mechanismus der stationär oder transient oszillierenden Glycolyse konnte im zellfreien Extrakt durch Metabolitanalysen, durch Titrationen mit Intermediaten und Enzymen weitgehend aufgeklärt werden. Er beruht auf der spezifischen Kontrolle der Phosphotransferasen durch gekreuzte Rückkopplung und stellt das biochemische Modell zellulärer Uhrenmechanismen dar.