Бесполезный цикл (англ. futile cycle), также известный как цикл субстрата, или «холостой» цикл, представляет собой циклический биохимический процесс, возникающий, когда два метаболических пути одновременно проходят в противоположных направлениях и не имеют общего эффекта, кроме рассеивания энергии в виде тепла[1][2][3]. Причина, по которой этот цикл был назван «бесполезным» циклом, заключалась в том, что казалось, что этот цикл работает без чистой пользы для организма. Изначально этот процесс считался причудой метаболизма и, таким образом, был назван бесполезным циклом. После дальнейшего исследования было обнаружено, что бесполезные циклы очень важны для регулирования концентраций метаболитов[4]. Например, если бы гликолиз и глюконеогенез были активными одновременно, глюкоза была бы преобразована в пируват путем гликолиза, а затем обратно в глюкозу путем глюконеогенеза с общим потреблением АТФ[5]. Бесполезные циклы могут играть роль в регуляции метаболизма, где бесполезный цикл будет системой, колеблющейся между двумя состояниями и очень чувствительной к небольшим изменениям активности любого из вовлеченных ферментов[6]. Цикл действительно генерирует тепло и может использоваться для поддержания теплового гомеостаза, например, в бурой жировой ткани молодых млекопитающих, или для быстрого генерирования тепла, например, в летательных мышцах насекомых и у животных, находящихся в спячке, во время периодического возбуждения от оцепенения. Сообщалось, что цикл субстрата метаболизма глюкозы — это не бесполезный цикл, а регулирующий процесс. Например, когда внезапно требуется энергия, АТФ заменяется АМФ, гораздо более реактивным аденином.
Пример бесполезного цикла — одновременное проведение гликолиза и глюконеогенеза, что описывается следующим уравнением:
Например, во время гликолиза фруктозо-6-фосфат превращается во фруктозо-1,6-бисфосфат в реакции, катализируемой ферментом фосфофруктокиназой 1 (PFK-1).
Но во время глюконеогенеза (то есть синтеза глюкозы из пирувата и других соединений) происходит обратная реакция, катализируемая фруктозо-1,6-бисфосфатазой (FBPase-1).
То есть происходит гидролиз АТФ без какой-либо полезной метаболической работы. Ясно, что если позволить этим двум реакциям протекать одновременно с высокой скоростью в одной и той же клетке, большое количество химической энергии будет рассеиваться в виде тепла. Поэтому этот неэкономичный процесс был назван бесполезным циклом[7].