Метаболизъм: Разлика между версии

 

=== Аминокиселини и белтъци ===

{{основна|Аминокиселина|Белтък}}

 

 

=== Липиди ===

{{основна|Липид}}

 

 

== Трансформации на енергията ==

 

=== Енергия от органични съединения ===

 

==== Окислително фосфорилиране ====

При окислително фосфорилиране, електроните освободени при окислението на субстратите в процесите на гликолиза и цикъл на Кребс се трансферират към [[кислород]], а освободената енергия се използва за синтеза на АТФ. При [[еукариот]]ите този процес протича под действието на каскада от белтъци (редокс системи), разположени по вътрешната [[митохондрия|митохондриална]] мембрана, наречени [[електрон-транспортна верига]]. При [[прокариоти]]ите тези протеини са разположени по клетъчната мембрана.<ref>{{cite journal |author=Hosler J, Ferguson-Miller S, Mills D |title=Energy transduction: proton transfer through the respiratory complexes |journal=Annu Rev Biochem |volume=75 |pages=165 – 87 |year=2006 |pmid=16756489 |doi=10.1146/annurev.biochem.75.062003.101730 |pmc=2659341}}</ref> Тези [[окислително-редукционни процеси|редокс]] системи използват енергията, освободена от преминаващите електрони от редуцираните молекули като НАДН, НАДФН, ФАДН и др. върху кислорода, за да изпомпват протони през мембраната.<ref>{{cite journal |author=Schultz B, Chan S |title=Structures and proton-pumping strategies of mitochondrial respiratory enzymes |journal=Annu Rev Biophys Biomol Struct |volume=30 |pages=23 – 65 |year=2001 |pmid=11340051 |doi=10.1146/annurev.biophys.30.1.23}}</ref>

 

 

=== Енергия от слънчевата светлина ===

Енергия от слънчевата светлина използват за своя метаболизъм [[растения]], [[цианобактерии]], [[пурпурни бактерии]], [[зелени серни бактерии]] и някои [[първаци]]. Процесът често е спрегнат с фиксирането на въглероден диоксид в органични съединения при процеса [[фотосинтеза]]. Тези процеси могат и да се осъществяват независимо при прокариоти като пурпурни бактерии и зелени серни бактерии.<ref>{{cite journal |author=van der Meer M, Schouten S, Bateson M, Nübel U, Wieland A, Kühl M, de Leeuw J, Sinninghe Damsté J, Ward D |title=Diel variations in carbon metabolism by green nonsulfur-like bacteria in alkaline siliceous hot spring microbial mats from Yellowstone National Park |journal=Appl Environ Microbiol |volume=71 |issue=7 |pages=3978 – 86 |year=2005 |month=July |pmid=16000812 |pmc=1168979 |doi=10.1128/AEM.71.7.3978-3986.2005 |url=http://aem.asm.org/cgi/pmidlookup?view=long&pmid=16000812 }}</ref><ref>{{cite journal |author=Tichi M, Tabita F |title=Interactive control of Rhodobacter capsulatus redox-balancing systems during phototrophic metabolism |journal=J Bacteriol |volume=183 |issue=21 |pages=6344 – 54 |year=2001 |pmid=11591679 |pmc=100130 |doi=10.1128/JB.183.21.6344-6354.2001 |url=http://jb.asm.org/cgi/pmidlookup?view=long&pmid=11591679}}</ref>

 

В повечето организми използването на слънчевата енергия наподобява принципите на окислителното фосфорилиране, като при преминаването на електрони през електрон-транспортните вериги се генерира протонен градиент.<ref name=Dimroth/> Необходимите електрони идват от светоулавящи протеини, известни като [[фотосистема#реакционен център|реакционен център]] (при зелените растения и някои водорасли) или бактериални [[родопсин]]и при повечето бактерии.

 

 

== Анаболизъм ==

=== Фиксация на въглерод ===

{{основна|Фотосинтеза}}

 

Фотосинтезата е основният процес, при който се синтезират въглехидрати от въглероден диоксид (CO₂) и вода с енергията от слънчевата светлина. При растения, цианобактерии и алги фотосинтезата е оксигенна, тоест при нея се отделя кислород като страничен продукт. При този процес се използва енергията на АТФ и редукционни еквиваленти (електрони) от НАДФН, получени от светлинната фаза на фотосинтезата, за да се фиксира CO₂ в [[3-фосфо-глицерат]], който впоследствие се свързва в глюкоза. Този процес на въглеродна фиксация се извършва от ензима [[RuBisCO]] през тъмнинната фаза ([[цикъл на Калвин]]) на фотосинтезата.<ref>{{cite journal |author=Miziorko H, Lorimer G |title=Ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase-oxygenase |journal=Annu Rev Biochem |volume=52 |pages=507 – 35 |year=1983 |pmid=6351728 |doi=10.1146/annurev.bi.52.070183.002451}}</ref> При растенията се срещат три типа фотосинтеза [[C3 фиксация]], [[C4 фиксация]] и [[CAM фотосинтеза]]. <ref>{{cite journal |author=Dodd A, Borland A, Haslam R, Griffiths H, Maxwell K |title=Crassulacean acid metabolism: plastic, fantastic |url=http://jxb.oxfordjournals.org/cgi/content/full/53/369/569 |journal=J Exp Bot |volume=53 |issue=369 |pages=569 – 80 |year=2002 |pmid=11886877 |doi=10.1093/jexbot/53.369.569}}</ref>

=== Въглехидратен анаболизъм ===

{{основна|Глюконеогенеза|Гликогенеза}}

При въглехидратния анаболизъм прости органични молекули могат да се трансформират в [[монозахарид]]и като [[глюкоза]], а те от своя страна в [[полизахарид]]и (например [[скорбяла]] и [[гликоген]]). Синтезът на глюкоза от [[пируват]], [[млечна киселина|лактат]], [[глицерол]], [[3-фосфо-глицерат]], [[аминокиселини]] се нарича [[глюконеогенеза]]. При глюконеогенезата пируватът се конвертира до [[глюкозо-6-фосфат]] по метаболитен път, отчасти обратен на [[гликолиза]]та и споделя общи с него ензими.<ref name=Bouche>{{cite journal |author=Bouché C, Serdy S, Kahn C, Goldfine A |title=The cellular fate of glucose and its relevance in type 2 diabetes |url=http://edrv.endojournals.org/cgi/content/full/25/5/807 |journal=Endocr Rev |volume=25 |issue=5 |pages=807 – 30 |year=2004 |pmid=15466941 |doi=10.1210/er.2003-0026}}</ref> Глюконеогенезата обаче не е просто обърната гликолиза, защото при нея има три необратими метаболитни стъпала, които се заобикалят чрез допълнително внасяне на енергия посредством хидролиза на [[АТФ]]. Така се постига отделна регулация на двата противоположни процеса на образуване и разграждане на глюкоза, като се предотвратява протичането им паралелно, при така наречения [[празен цикъл]].<ref>{{cite journal |author=Boiteux A, Hess B |title=Design of glycolysis |journal=Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci |volume=293 |issue=1063 |pages=5 – 22 |year=1981 |pmid=6115423 |doi=10.1098/rstb.1981.0056|bibcode = 1981RSPTB.293....5B }}</ref><ref>{{cite journal |author=Pilkis S, el-Maghrabi M, Claus T |title=Fructose-2,6-bisphosphate in control of hepatic gluconeogenesis. From metabolites to molecular genetics |journal=Diabetes Care |volume=13 |issue=6 |pages=582 – 99 |year=1990 |pmid=2162755 |doi=10.2337/diacare.13.6.582}}</ref>

 

 

=== Анаболизъм на мастни киселини, стероиди и изопреноиди ===

Мастните киселини се образуват по път, силно наподобяващ обратно [[β-окисление]], известен като [[синтез на мастни киселини]]. Мастните киселини се синтезират най-общо от ацетил-КоА, който се добавя към растящата верига, като неговата [[кетон|кето]] група се редуцира последователно първо да алкохолна, а след това до водород. Ензимите, осъществяващи процеса, са два типа. При животни и фунги целият цикъл се извършва от един огромен мултиензимен комплекс, известен като [[ацилсинтетаза]]. <ref>{{cite journal |author=Chirala S, Wakil S |title=Structure and function of animal fatty acid synthase |journal=Lipids |volume=39 |issue=11 |pages=1045 – 53 |year=2004 |pmid=15726818 |doi=10.1007/s11745-004-1329-9}}</ref> В растителните [[пластид]]и и бактериите всяка реакция се извършва от отделен ензим.<ref>{{cite journal |author=White S, Zheng J, Zhang Y |title=The structural biology of type II fatty acid biosynthesis |journal=Annu Rev Biochem |volume=74 |pages=791 – 831 |year=2005 |pmid=15952903 |doi=10.1146/annurev.biochem.74.082803.133524}}</ref><ref>{{cite journal |author=Ohlrogge J, Jaworski J |title=Regulation of fatty acid synthesis |journal=Annu Rev Plant Physiol Plant Mol Biol |volume=48 |pages=109 – 136 |year=1997 |pmid=15012259 |doi=10.1146/annurev.arplant.48.1.109}}</ref>

 

=== Анаболизъм на белтъци ===

{{основна|Транслация (биология)}}

 

Аминокиселините се свързват във верига посредством пептидна връзка. Всеки различен протеин има различна уникална аминокиселинна последователност, означавана като първична структура. Преди да могат да се свържат, аминокиселините трябва да бъдат активирани чрез свързването им с транспортна РНК посредством [[естер]]на връзка. Аминоацил-тРНК прекурсорът се формира от АТФ зависима реакция, осъществявана от ензими с общото име [[аминоацил-тРНК синтетаза]].<ref>{{cite journal | author = Ibba M, Söll D | title = The renaissance of aminoacyl-tRNA synthesis | url=http://www.molcells.org/home/journal/include/downloadPdf.asp?articleuid={A158E3B4-2423-4806-9A30-4B93CDA76DA0} | journal = EMBO Rep | volume = 2 | issue = 5 | pages = 382 – 7 | year = 2001 | pmid = 11375928 | doi=10.1093/embo-reports/kve095 | pmc=1083889}}</ref> Тази аминоацил-тРНК се включва в акцепторното място на [[рибозома]]та, в съответствие с информацията на мРНК, като се свързва с растящата полипептидна верига.<ref>{{cite journal |author=Lengyel P, Söll D |title=Mechanism of protein biosynthesis |pmc=378322 |journal=Bacteriol Rev |volume=33 |issue=2 |pages=264 – 301 |year=1969 |pmid=4896351}}</ref>

Поради непрекъснатата промяна на околната среда към организмите, реакциите на метаболизма трябва да са подложени на фин контрол, за да могат да осигурят поддържането на постоянни параметри във вътреклетъчната среда на организма – състояние, известно като [[хомеостаза]].<ref>{{cite journal |author=Albert R |title=Scale-free networks in cell biology |url=http://jcs.biologists.org/cgi/content/full/118/21/4947 |journal=J Cell Sci |volume=118 |issue=Pt 21 |pages=4947 – 57 |year=2005 |pmid=16254242 |doi=10.1242/jcs.02714}}</ref><ref>{{cite journal |author=Brand M |title=Regulation analysis of energy metabolism |url=http://jeb.biologists.org/cgi/reprint/200/2/193 |journal=J Exp Biol |volume=200 |issue=Pt 2 |pages=193 – 202 |year=1997 |pmid=9050227}}</ref> Регулацията на матаболизма позволява на организмите да реагират адекватно на сигналите и да взаимодействат според потребностите си със заобикалящата ги среда.<ref>{{cite journal |author=Soyer O, Salathé M, Bonhoeffer S |title=Signal transduction networks: topology, response and biochemical processes |journal=J Theor Biol |volume=238 |issue=2 |pages=416 – 25 |year=2006 |pmid=16045939 |doi=10.1016/j.jtbi.2005.05.030}}</ref> За осъществяването на нужната регулация са нужни две важни условия. Първо ''регулацията'' на ензимната активност, тоест как активността на ензима се повлиява в отговор на сигнали. Второ ''контрол'' на ензима, което включва влияние върху скоростта (потока) на целия метаболитен път, при манипулирането на активността на дадения ензим..<ref name=Salter>{{cite journal |author=Salter M, Knowles R, Pogson C |title=Metabolic control |journal=Essays Biochem |volume=28 |pages=1 – 12 |year=1994 |pmid=7925313}}</ref> Така например може ензим да бъде високо регулиран, тоест да търпи голяма промяна в ензимната активност, но като цяло това да се проявява като малко изменение в интензитета на метаболитния поток. Така този ензим е неподходящ за регулация на метаболитния път.<ref>{{cite journal |author=Westerhoff H, Groen A, Wanders R |title=Modern theories of metabolic control and their applications (review) |journal=Biosci Rep |volume=4 |issue=1 |pages=1 – 22 |year=1984 |pmid=6365197 |doi=10.1007/BF01120819}}</ref>

 

 

 

== Еволюция ==

Централните магистрали на метаболизма гликолиза и цикъл на Кребс са представени в трите организмови домена (прокариоти, археи и еукариоти) както и са били застъпени в последния общ предшественик.<ref name=SmithE/><ref>{{cite journal |author=Romano A, Conway T |title=Evolution of carbohydrate metabolic pathways |journal=Res Microbiol |volume=147 |issue=6 – 7 |pages=448 – 55 |year=1996 |pmid=9084754 |doi=10.1016/0923 – 2508(96)83998 – 2}}</ref> Този универсален предшественик е прокариот и вероятно [[метаноген]], който е имал богат аминокиселинен, нуклеотиден, въглехидратен и липиден метаболизъм.<ref>{{cite journal |author=Koch A |title=How did bacteria come to be? |journal=Adv Microb Physiol |volume=40 |pages=353 – 99 |year=1998 |pmid=9889982 |doi=10.1016/S0065-2911(08)60135-6}}</ref><ref>{{cite journal |author=Ouzounis C, Kyrpides N |title=The emergence of major cellular processes in evolution |journal=FEBS Lett |volume=390 |issue=2 |pages=119 – 23 |year=1996 |pmid=8706840 |doi=10.1016/0014 – 5793(96)00631-X}}</ref> Затвърждаването на тези метаболитни пътища в последващата еволюция вероятно е резултат от трансформацията на субстрата в продукт с висока ефективност и малко на брой метаболитни стъпала.<ref name=Ebenhoh/><ref name=Cascante/> Мутационните изменения, засягащи некодиращите [[ДНК секвенция|ДНК последователности]], може просто да променят метаболитната ефективност на организма, претърпял мутацията.<ref>C.Michael Hogan. 2010. [http://www.eoearth.org/article/Mutation?topic=49496 ''Mutation''. ed. E.Monosson and C.J.Cleveland. Encyclopedia of Earth. National Council for Science and the Environment. Washington DC]</ref>

 

 

== Изследване и приложение ==

 

Класическия начин за изследване на метаболизма е чрез [[редукционализъм|редукционния]] подход, който се фокусира върху определен метаболитен път като го изолира от цялостния метаболизъм. При този начин на работа много ценни се оказват радиоактивните следи из целия организъм, тъкани и клетки, посочващи пътя от началния радиоактивно белязан прекурсор до крайния продукт през проследяване на радиоактивните междинни метаболити.<ref>{{cite journal |author=Rennie M |title=An introduction to the use of tracers in nutrition and metabolism |journal=Proc Nutr Soc |volume=58 |issue=4 |pages=935 – 44 |year=1999 |pmid=10817161 |doi=10.1017/S002966519900124X}}</ref> Това позволява ензимите, които катализират тези биохимични реакции, да бъдат изолирани, пречистени и изследвани за ензимна кинетика и действие на ефектори (активатори и инхибитори). Друг подход при изследването на метаболизма е установяването на всички малки молекули, [[метаболом]]и, в дадена микробиосистема (клетка или тъкан). Като цяло тези, проучвания дават добра представа за структурата и функцията на прост метаболитен път, но са ненадеждни при прилагането им върху по-сложни системи, каквато е метаболизма на цялата клетка.<ref>{{cite journal |author=Phair R |title=Development of kinetic models in the nonlinear world of molecular cell biology |journal=Metabolism |volume=46 |issue=12 |pages=1489 – 95 |year=1997 |pmid=9439549 |doi=10.1016/S0026-0495(97)90154-2}}</ref>

 

Представа за сложността на [[метаболитна мрежа|метаболитни мрежи]] в клетките съдържащи хиляди различни ензими е демонстрирана в схематичното представяне на цитратния цикъл при ''Arabidopsis thaliana]'', с взаимодействието на 43 ензима и 40 метаболита. Геномната секвенция предполага набор от до 45 000 гена.<ref>{{cite journal |author=Sterck L, Rombauts S, Vandepoele K, Rouzé P, Van de Peer Y |title=How many genes are there in plants (... and why are they there)? |journal=Curr Opin Plant Biol |volume=10 |issue=2 |pages=199 – 203 |year=2007 |pmid=17289424 |doi=10.1016/j.pbi.2007.01.004}}</ref> Тези геномни данни могат да си използват за конструирането на цялостна мрежа на биохимичните реакции и предлага по-всеобхватни математически модели, които могат да обяснят и предвидят поведението им.<ref>{{cite journal |author=Borodina I, Nielsen J |title=From genomes to in silico cells via metabolic networks |journal=Curr Opin Biotechnol |volume=16 |issue=3 |pages=350 – 5 |year=2005 |pmid=15961036 |doi=10.1016/j.copbio.2005.04.008}}</ref> Тези модели са изключително мощни при при обединяването на информацията получена при редукционния и метаболоновия метод с данните за [[генна експресия|генната експресия]] от [[протеомика|протеомни]] и [[ДНК-микрочип]]ове изследвания.<ref>{{cite journal |author=Gianchandani E, Brautigan D, Papin J |title=Systems analyses characterize integrated functions of biochemical networks |journal=Trends Biochem Sci |volume=31 |issue=5 |pages=284 – 91 |year=2006 |pmid=16616498 |doi=10.1016/j.tibs.2006.03.007}}</ref> Благодарение на тези техники е конструиран модел на човешкия метаболизъм, който ще е изключително ползотвоен в бъдещите изследвания на метаболизма и фармацевтичните продукти. <ref>{{cite journal |author=Duarte NC, Becker SA, Jamshidi N, ''et al.'' |title=Global reconstruction of the human metabolic network based on genomic and bibliomic data |journal=Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. |volume=104 |issue=6 |pages=1777 – 82 |year=2007 |month=February |pmid=17267599 |doi=10.1073/pnas.0610772104 |url=http://www.pnas.org/cgi/pmidlookup?view=long&pmid=17267599 |pmc=1794290|bibcode = 2007PNAS..104.1777D }}</ref> Тези модели се използват при анализа на метаболитната мрежа, за класифициране на човешките заболявания според общите протеини и метаболити.<ref>{{cite journal |author=Goh KI, Cusick ME, Valle D, Childs B, Vidal M, Barabási AL |title=The human disease network |journal=Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. |volume=104 |issue=21 |pages=8685 – 90 |year=2007 |month=May |pmid=17502601 |pmc=1885563 |doi=10.1073/pnas.0701361104 |bibcode = 2007PNAS..104.8685G }}</ref><ref>{{cite journal |author=Lee DS, Park J, Kay KA, Christakis NA, Oltvai ZN, Barabási AL |title=The implications of human metabolic network topology for disease comorbidity |journal=Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. |volume=105 |issue=29 |pages=9880 – 9885 |year=2008 |month=July |pmid=18599447 |doi=10.1073/pnas.0802208105 |url=http://www.pnas.org/lookup/pmid?view=long&pmid=18599447 |pmc=2481357|bibcode = 2008PNAS..105.9880L }}</ref>