Het biologische leven wordt over het algemeen bepaald door enzymatische reacties. Tijdens een reactie worden inputs of substraten omgezet in outputs of producten. In een biologisch systeem zoals een menselijke cel zouden deze reacties in theorie op een spontane manier kunnen plaatsvinden, maar ze zouden zo langzaam optreden dat de cel niet naar behoren zou werken. Speciale eiwitten, enzymen genaamd, zijn in staat om reacties te versnellen, maar als er geen manier was om hun activiteit te beheersen, zouden de resultaten net zo catastrofaal zijn voor de cel. Feedback-inhibitie is een van de methoden die een cel kan gebruiken om onnodige enzymatische activiteit te belemmeren.

Functie van Enzymen

In een laboratoriumomgeving kunnen veel reacties worden uitgevoerd zonder enzymen door een oplossing vol met substraten, die energie aan het systeem toevoegt en de kansen vergroot dat de substraten willekeurig tegen elkaar botsen op de exacte posities die nodig zijn om het gewenste product te produceren. Levende cellen hebben deze optie niet, dus produceren ze enzymen om substraten bij elkaar te brengen en de reactie tussen de verschillende verbindingen te vergemakkelijken. Enzymatische reacties vereisen nog steeds energie, maar lang niet zoveel als nodig zou zijn in afwezigheid van het katalytische enzym.

Controle van enzymen

Er zijn over het algemeen drie manieren waarop een cel de activiteit van zijn enzymen. Het zou kunnen bepalen hoeveel enzym wordt geproduceerd of vernietigd, maar deze methoden zijn niet zo bruikbaar voor een cel. De derde methode, feedback-inhibitie, kan worden gebruikt om onmiddellijk te reageren op cellulaire aandoeningen. Feedback-inhibitie treedt op wanneer een van de producten van een reeks reacties de activiteit van een enzym aan het begin of in het midden van de keten belemmert. Dit is een omkeerbaar proces. Wanneer de concentratie van de remmende verbinding daalt, zal deze dissociëren van het enzym, waardoor het de reacties opnieuw kan katalyseren.

Case Study - Glucose metabolisme

Een van de meest kritische reactieketens in eukaryotische cellen is glycolyse en de citroenzuurcyclus. Wanneer glucose een cel binnenkomt, werken een keten van 20 verschillende enzymen plus verschillende eiwitcomplexen in de mitochondriën samen om de glucose om te zetten in ATP, een energiedrager die nodig is om het cellulaire leven te stimuleren. Als dierlijke cellen deze enzymketen niet zouden kunnen controleren, zou glucose continu uit de bloedbaan worden getrokken, waardoor de bloedsuikerspiegel tot een gevaarlijk niveau zou dalen. Zonder remming zouden enzymketens constant verbindingen produceren die de cel momenteel niet nodig heeft. Dit zou een enorme verspilling van cellulaire bronnen zijn.

Feedbackremming in glucose metabolisme

ATP, het eindproduct van het glucosemetabolisme, is de belangrijkste feedbackremmer voor de enzymketen. Wanneer de cel een overvloed aan vrije ATP-moleculen heeft - wat betekent dat het veel energiereserves heeft en niet meer hoeft te produceren - bindt de verbinding met verschillende enzymen in de keten, met name fosfofructokinase en pyruvaatkinase. ATP-remming vindt plaats op kritieke, onomkeerbare punten in het proces. Glucosemetabolisme wordt daarom in de wacht gezet totdat de cel laag op ATP komt te staan, waarna de energiemoleculen loskomen van de enzymen, waardoor ze door kunnen gaan met het metaboliseren van suiker in energie.