Метаболизъм: Разлика между версии
Изтрито е съдържание Добавено е съдържание
м формат дати |
м замяна на месец на бг. |
||
Ред 135:
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>
Изпомпването на протони извън митохондриите (в пространството между двете митохондриални мембрани) води до концентрационни разлики от двете страни на мембраната, а това впоследствие до образуването на протонен градиент.<ref>{{cite journal |author=Capaldi R, Aggeler R |title=Mechanism of the F(1)F(0)-type ATP synthase, a biological rotary motor |journal=Trends Biochem Sci |volume=27 |issue=3 |pages=154 – 60 |year=2002 |pmid=11893513 |doi=10.1016/S0968-0004(01)02051-5}}</ref> Подобно на воденица протоните, преминаващи през мембраната и движени от своя градиент, „задвижват“ ензима наречен [[АТФ синтаза]], който генерира АТФ.<ref name=Dimroth>{{cite journal |author=Dimroth P, von Ballmoos C, Meier T |title=Catalytic and mechanical cycles in F-ATP synthases. Fourth in the Cycles Review Series |pmc=1456893 |journal=EMBO Rep |volume=7 |issue=3 |pages=276 – 82 |year=2006 |month=
=== Енергия от неорганични съединения ===
Ред 142:
=== Енергия от слънчевата светлина ===
[[Файл:Thylakoid membrane bg.png|мини|400px|Фотофосфорилиране посредством фотон-зависими реакции в тилакоидната мембрана. [[Електрон-транспортна верига]], [[АТФ-синтаза|АТФ-синтазен комлекс]], Фотосистема I (PSI, P700) и Фотосистема II (PSII, P680)]]
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=
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.
Ред 160:
Фотосинтезата е основният процес, при който се синтезират въглехидрати от въглероден диоксид (CO<sub>2</sub>) 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 CO<sub>2</sub> 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>
При фотосинтезиращите [[прокариот]]и механизмите на въглеродна фиксация са малко по-различни. При тях въглеродния диоксид може да се фиксира чрез цикъла на Калвин, [[обърнат цикъл на Кребс]],<ref>{{cite journal |author=Hügler M, Wirsen C, Fuchs G, Taylor C, Sievert S |title=Evidence for autotrophic CO<sub>2</sub> fixation via the reductive tricarboxylic acid cycle by members of the epsilon subdivision of proteobacteria |journal=J Bacteriol |volume=187 |issue=9 |pages=3020 – 7 |year=2005 |month=
При прокариотните хемоавтотрофи фиксацията на CO<sub>2</sub> също протича по пътя на цикъла на Калвин, но енергията, необходима за процеса (АТФ и НАДН или НАДФН), се получава от окислението на химични вещества.<ref>{{cite journal |author=Shively J, van Keulen G, Meijer W |title=Something from almost nothing: carbon dioxide fixation in chemoautotrophs |journal=Annu Rev Microbiol |volume=52 |pages=191 – 230 |year=1998 |pmid=9891798 |doi=10.1146/annurev.micro.52.1.191}}</ref>
Ред 181:
[[Терпен]]ите и [[изопрен]]оидите са голям клас липиди, като представляват и най-големият клас растителни продукти.<ref>{{cite journal |author=Dubey V, Bhalla R, Luthra R |title=An overview of the non-mevalonate pathway for terpenoid biosynthesis in plants |url=http://www.ias.ac.in/jbiosci/sep2003/637.pdf |format=PDF|journal=J Biosci |volume=28 |issue=5 |pages=637 – 46 |year=2003 |pmid=14517367 |doi=10.1007/BF02703339}}</ref> Те се получават при свързването на модифицирани [[изопрен]]ови единици, получени от прекурсорите [[изопентенил пирофосфат]] и [[диметилалил пирофосфат]].<ref name=Kuzuyama>{{cite journal |author=Kuzuyama T, Seto H |title=Diversity of the biosynthesis of the isoprene units |journal=Nat Prod Rep |volume=20 |issue=2 |pages=171 – 83 |year=2003 |pmid=12735695 |doi=10.1039/b109860h}}</ref>
Тези прекурсори могат да се синтезират по [[мевалонатен път|мевалонатния път]] (HMG-CoA път) от ацетил-КоА, при животни и фунги<ref>{{cite journal |author=Grochowski L, Xu H, White R |title=Methanocaldococcus jannaschii uses a modified mevalonate pathway for biosynthesis of isopentenyl diphosphate |journal=J Bacteriol |volume=188 |issue=9 |pages=3192 – 8 |year=2006 |month=
При стероидния синтез изопреновите единици се свързват в [[сквален]], след което се извиват и циклизират до [[ланостерол]].<ref name=Schroepfer>{{cite journal |author=Schroepfer G |title=Sterol biosynthesis |journal=Annu Rev Biochem |volume=50 |pages=585 – 621 |year=1981 |pmid=7023367 |doi=10.1146/annurev.bi.50.070181.003101}}</ref> Ланостеролът от своя страна след това може да послужи за синтеза на други стероиди като [[ергостерол]] и [[холестерол]], а от него [[прогестерон]], [[тестостерон]] и [[естроген]]и.<ref name=Schroepfer/><ref>{{cite journal |author=Lees N, Skaggs B, Kirsch D, Bard M |title=Cloning of the late genes in the ergosterol biosynthetic pathway of Saccharomyces cerevisiae—a review |journal=Lipids |volume=30 |issue=3 |pages=221 – 6 |year=1995 |pmid=7791529 |doi=10.1007/BF02537824}}</ref>
Ред 221:
Редица модели предлагат възможности за описание на нововъзникващите метаболитни пътища. Това включва добавянето на нов ензим към съществуващ предходен метаболитен път или дупликация и последваща дивергенция на един цял метаболитен път, както и включването на съществуващи ензими в създаването на нововъзникнал път.<ref>{{cite journal |author=Schmidt S, Sunyaev S, Bork P, Dandekar T |title=Metabolites: a helping hand for pathway evolution? |journal=Trends Biochem Sci |volume=28 |issue=6 |pages=336 – 41 |year=2003 |pmid=12826406 |doi=10.1016/S0968-0004(03)00114-2}}</ref> Друг модел е свързан с проучвания, в които се проследява еволюцията на структурата на протеините в метаболитната мрежа. Той предполага, че широко използваните ензими се включват в подобни реакции в различни метаболитни пътища.<ref>{{cite journal |author=Kim HS, Mittenthal JE, Caetano-Anolles G|title=MANET: tracing evolution of protein architecture in metabolic networks |journal=BMC Bioinformatics|volume=19 |issue=7 |pages=351 |year=2006 |pmid=16854231|doi=10.1186/1471-2105-7-351 |pmc=1559654}}</ref>
Трети модел предполага, че някои части на метаболизма може да съществуват като „модули“, които могат да бъдат използвани в различни пътища и извършват подобни реакции върху различни молекули.<ref>{{cite journal |author=Spirin V, Gelfand M, Mironov A, Mirny L |title=A metabolic network in the evolutionary context: multiscale structure and modularity |journal=Proc Natl Acad Sci USA |volume=103 |issue=23 |pages=8774 – 9 |year=2006 |month=
Както могат да възникват нови пътища, така по пътя на еволюцията може и да се губят метаболитни функции. Например при някои [[паразит]]и това са пътища, които не са жизнено необходими за оцеляването, като синтез на аминокиселини, нуклеотиди и т.н., тъй като могат да бъдат набавени от гостоприемника.<ref>{{cite journal |author=Lawrence J |title=Common themes in the genome strategies of pathogens |journal=Curr Opin Genet Dev |volume=15 |issue=6 |pages=584 – 8 |year=2005 |pmid=16188434 |doi=10.1016/j.gde.2005.09.007}}</ref><ref>{{cite journal |author=Wernegreen J |title=For better or worse: genomic consequences of intracellular mutualism and parasitism |journal=Curr Opin Genet Dev |volume=15 |issue=6 |pages=572 – 83 |year=2005 |pmid=16230003 |doi=10.1016/j.gde.2005.09.013}}</ref> Подобна редукция на метаболизма се наблюдава и при [[Ендосимбионтна теория|ендосимбионтните]] организми.<ref>{{cite journal |author=Pál C, Papp B, Lercher M, Csermely P, Oliver S, Hurst L |title=Chance and necessity in the evolution of minimal metabolic networks |journal=Nature |volume=440 |issue=7084 |pages=667 – 70 |year=2006 |pmid=16572170 |doi=10.1038/nature04568|bibcode = 2006Natur.440..667P }}</ref>
Ред 231:
[[Файл:General bowtie architecture BG.jpg|мини|ляво|400px|Бактериален метаболизъм тип „папионка“]]
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=
Бактериалните метаболитни мрежи имат организация тип „папионка“, <ref name="pmid15331224">{{cite journal | author = Csete M, Doyle J | title = Bow ties, metabolism and disease | journal = Trends Biotechnol. | volume = 22 | issue = 9 | pages = 446 – 50 | year = 2004 | pmid = 15331224 | doi = 10.1016/j.tibtech.2004.07.007 }}</ref><ref name="PMID12874056">{{cite journal | author = Ma HW, Zeng AP | title = The connectivity structure, giant strong component and centrality of metabolic networks | journal = Bioinformatics | volume = 19 | issue = 11 | pages = 1423 – 30 | year = 2003 | pmid = 12874056 | doi = 10.1093/bioinformatics/btg177 }}</ref><ref name="PMID16916470">{{cite journal | author = Zhao J, Yu H, Luo JH, Cao ZW, Li YX | title = Hierarchical modularity of nested bow-ties in metabolic networks | journal = BMC Bioinformatics | volume = 7 | pages = 386 | year = 2006 | pmid = 16916470 | pmc = 1560398 | doi = 10.1186/1471-2105-7-386 }}</ref> имат способността на приемат широка гама от хранителни вещества и синтезират най-разнообразни продукти и сложни макромолекули, използвайки относително малко на брой общи интермедиенти.
Ред 244:
При тези ранни проучвания, механизмите на метаболитните процеси не са идентифицирани, а се приема, че живите тъкани се съживяват по действието на така наречената „жизнена сила“.<ref>Williams, H. S. (1904) [http://etext.lib.virginia.edu/toc/modeng/public/Wil4Sci.html A History of Science: in Five Volumes. Volume IV: Modern Development of the Chemical and Biological Sciences] Harper and Brothers (New York) Посетен на 26 март 2007</ref> През 19 век, докато изследва ферментацията на захари до алкохол под действието на [[дрожди]], [[Луи Пастьор]] заключава, че ферментацията се катализира от някакви субстанции в самите дрожди, които той нарича ферменти. Той пише „алкохолната ферментация е действие, свързано с живота и организацията на дрождите, а не с тяхната смърт или разлагане“.<ref>{{cite journal |author=Dubos J.|year=1951 |title= Louis Pasteur: Free Lance of Science, Gollancz. Quoted in Manchester K. L. (1995) Louis Pasteur (1822 – 1895)—chance and the prepared mind|journal= Trends Biotechnol| volume=13 |issue=12 |pages=511 – 515 |pmid= 8595136 |doi=10.1016/S0167-7799(00)89014-9}}</ref> Това откритие наред с публикуваната от Фридрих Вьолер през 1828 химична синтеза на [[урея]]<ref>{{cite journal |author=Kinne-Saffran E, Kinne R |title=Vitalism and synthesis of urea. From Friedrich Wöhler to Hans A. Krebs |journal=Am J Nephrol |volume=19 |issue=2 |pages=290 – 4 |year=1999 |pmid=10213830 |doi=10.1159/000013463}}</ref>, първото органично съединение, синтезирано от изцяло неорганични предшественици, доказват, че компонентите и реакциите на живите клетки не се отличават в принципно отношение от останалите химични явления.
Откриването на ензимите през началото на 20 век от [[Едуард Бюхнер]] е събитието, което окончателно отделя химичния подход към изучаване на метаболизма от биологичното му изучаване, като бележи началото на модерната [[биохимия]].<ref>Eduard Buchner's 1907 [http://nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1907/buchner-lecture.html Nobel lecture] at http://nobelprize.org Посетен на 20 март 2007</ref> Биохимичното познание бързо нараства в началото на 20 век. Един от най-епохалните биохимици е [[Ханс Адолф Кребс|Ханс Кребс]], който има огромни заслуги към изследването на метаболизма.<ref>{{cite journal |author=Kornberg H |title=Krebs and his trinity of cycles |journal=Nat Rev Mol Cell Biol |volume=1 |issue=3 |pages=225 – 8 |year=2000 |pmid=11252898 |doi=10.1038/35043073}}</ref> Той открива урнитиновия цикъл, а по-късно в сътрудничество с [[Ханс Корнберг]] – цикъла на трикарбоновите киселини (наречен по-късно в негова чест „цикъл на Кребс“) и глиокслатния цикъл.<ref>{{cite journal |author=Krebs HA, Henseleit K |title=Untersuchungen über die Harnstoffbildung im tierkorper |journal=Z. Physiol. Chem. |volume=210 |pages=33 – 66 |year=1932}}</ref><ref>{{cite journal |author=Krebs H, Johnson W |title=Metabolism of ketonic acids in animal tissues |journal=Biochem J |volume=31 |issue=4 |pages=645 – 60 |year=1937 |month=
== Източници и бележки ==
| |||