Метаболизм -Metabolism

Упрощенный взгляд на клеточный метаболизм
Структура аденозинтрифосфата (АТФ), центрального промежуточного звена энергетического обмена.

Метаболизм ( / m ə ˈ t æ b ə l ɪ z ə m / , от греческого : μεταβολή metabolē , «изменение») представляет собой набор поддерживающих жизнь химических реакций в организмах . Три основные цели метаболизма: преобразование энергии пищи в энергию , доступную для запуска клеточных процессов; превращение пищи в строительные блоки для белков , липидов , нуклеиновых кислот и некоторых углеводов; и устранение метаболических отходов . Эти реакции, катализируемые ферментами , позволяют организмам расти и размножаться, поддерживать свои структуры и реагировать на окружающую среду. Словом метаболизм может обозначаться также сумма всех химических реакций, протекающих в живых организмах, включая пищеварение и транспортировку веществ в разные клетки и между ними, и в этом случае вышеописанная совокупность реакций внутри клеток называется промежуточной (или промежуточной). ) метаболизм.

Метаболические реакции можно классифицировать как катаболическиерасщепление соединений (например, глюкозы до пирувата при клеточном дыхании ); или анаболический - создание ( синтез ) соединений (таких как белки, углеводы, липиды и нуклеиновые кислоты). Обычно катаболизм высвобождает энергию, а анаболизм потребляет энергию.

Химические реакции метаболизма организованы в метаболические пути , в которых одно химическое вещество через ряд стадий трансформируется в другое химическое вещество, причем каждый этап облегчается определенным ферментом . Ферменты имеют решающее значение для метаболизма, потому что они позволяют организмам запускать желаемые реакции, которые требуют энергии и не происходят сами по себе, связывая их со спонтанными реакциями , высвобождающими энергию. Ферменты действуют как катализаторы — они позволяют реакции протекать быстрее — и они также позволяют регулировать скорость метаболической реакции, например, в ответ на изменения в окружающей среде клетки или на сигналы от других клеток.

Метаболическая система конкретного организма определяет, какие вещества он считает питательными , а какие ядовитыми . Например, некоторые прокариоты используют в качестве питательного вещества сероводород , однако этот газ ядовит для животных. Основной уровень метаболизма организма является мерой количества энергии, потребляемой всеми этими химическими реакциями.

Поразительной особенностью метаболизма является сходство основных метаболических путей у совершенно разных видов. Например, набор карбоновых кислот , наиболее известных как промежуточные продукты в цикле лимонной кислоты , присутствует во всех известных организмах и встречается у таких разнообразных видов, как одноклеточная бактерия Escherichia coli и огромные многоклеточные организмы , такие как слоны . Это сходство в метаболических путях, вероятно, связано с их ранним появлением в истории эволюции , а их сохранение, вероятно, связано с их эффективностью . При различных заболеваниях, таких как сахарный диабет II типа , метаболический синдром , рак , нарушается нормальный обмен веществ. Метаболизм раковых клеток также отличается от метаболизма нормальных клеток, и эти различия можно использовать для поиска мишеней для терапевтического вмешательства при раке.

Ключевые биохимические вещества

Структура триацилглицеринового липида
Это диаграмма, изображающая большой набор метаболических путей человека.

Большинство структур, из которых состоят животные, растения и микробы, состоят из четырех основных классов молекул : аминокислот , углеводов , нуклеиновых кислот и липидов (часто называемых жирами ). Поскольку эти молекулы жизненно важны для жизни, метаболические реакции направлены либо на создание этих молекул при построении клеток и тканей, либо на их расщепление и использование для получения энергии путем их переваривания. Эти биохимические вещества можно соединить, чтобы получить полимеры , такие как ДНК и белки , важные макромолекулы жизни.

Тип молекулы Название мономерных форм Название полимерных форм Примеры полимерных форм
Аминокислоты Аминокислоты Белки (состоящие из полипептидов) Волокнистые белки и глобулярные белки
Углеводы Моносахариды Полисахариды Крахмал , гликоген и целлюлоза
Нуклеиновые кислоты нуклеотиды Полинуклеотиды ДНК и РНК

Аминокислоты и белки

Белки состоят из аминокислот, расположенных в виде линейной цепи, соединенной пептидными связями . Многие белки являются ферментами , катализирующими химические реакции в обмене веществ. Другие белки имеют структурные или механические функции, такие как те, которые формируют цитоскелет , систему строительных лесов , которая поддерживает форму клетки. Белки также играют важную роль в клеточной передаче сигналов , иммунных реакциях , клеточной адгезии , активном транспорте через мембраны и клеточном цикле . Аминокислоты также способствуют клеточному энергетическому метаболизму, обеспечивая источник углерода для входа в цикл лимонной кислоты (цикл трикарбоновых кислот ), особенно когда первичный источник энергии, такой как глюкоза , дефицитен, или когда клетки подвергаются метаболическому стрессу.

Липиды

Липиды представляют собой самую разнообразную группу биохимических веществ. Их основное структурное использование - часть биологических мембран , как внутренних, так и внешних, таких как клеточная мембрана . Их химическая энергия также может быть использована. Липиды представляют собой полимеры жирных кислот, содержащие длинную неполярную углеводородную цепь с небольшим полярным участком, содержащим кислород. Липиды обычно определяются как гидрофобные или амфипатические биологические молекулы, но они растворяются в органических растворителях , таких как этанол , бензол или хлороформ . Жиры представляют собой большую группу соединений, содержащих жирные кислоты и глицерин ; молекула глицерина, присоединенная к трем жирным кислотам сложноэфирными связями, называется триацилглицеридом . Существует несколько вариаций этой базовой структуры, включая остовы, такие как сфингозин в сфингомиелине , и гидрофильные группы, такие как фосфаты в фосфолипидах . Стероиды , такие как стерол , представляют собой еще один основной класс липидов.

Углеводы

Форма с прямой цепью состоит из четырех групп CHOH, соединенных в ряд, закрытых на концах альдегидной группой COH и метанольной группой CH 2 O H. Чтобы сформировать кольцо, альдегидная группа объединяется с группой OH следующей за -последний углерод на другом конце, непосредственно перед метанольной группой.
Глюкоза может существовать как в форме прямой цепи, так и в форме кольца.

Углеводы представляют собой альдегиды или кетоны со многими присоединенными гидроксильными группами, которые могут существовать в виде прямых цепей или колец. Углеводы являются наиболее распространенными биологическими молекулами и выполняют множество функций, таких как хранение и транспортировка энергии ( крахмал , гликоген ) и структурных компонентов ( целлюлоза в растениях, хитин в животных). Основные углеводные единицы называются моносахаридами и включают галактозу , фруктозу и, что наиболее важно, глюкозу . Моносахариды могут быть связаны друг с другом с образованием полисахаридов практически безграничными способами.

нуклеотиды

Две нуклеиновые кислоты, ДНК и РНК , представляют собой полимеры нуклеотидов . Каждый нуклеотид состоит из фосфата, присоединенного к сахарной группе рибозы или дезоксирибозы , которая присоединена к азотистому основанию . Нуклеиновые кислоты имеют решающее значение для хранения и использования генетической информации, а также для ее интерпретации посредством процессов транскрипции и биосинтеза белков . Эта информация защищена механизмами репарации ДНК и распространяется посредством репликации ДНК . Многие вирусы имеют РНК-геном , например ВИЧ , который использует обратную транскрипцию для создания ДНК-матрицы из своего вирусного РНК-генома. РНК в рибозимах , таких как сплайсосомы и рибосомы , похожа на ферменты, поскольку она может катализировать химические реакции. Отдельные нуклеозиды получают путем присоединения нуклеинового основания к рибозному сахару. Эти основания представляют собой гетероциклические кольца, содержащие азот, классифицируемые как пурины или пиримидины . Нуклеотиды также действуют как коферменты в реакциях метаболического переноса группы.

Коэнзимы

Структура кофермента ацетил-КоА . Переносимая ацетильная группа связана с атомом серы в крайнем левом положении.

Метаболизм включает в себя широкий спектр химических реакций, но большинство из них подпадает под несколько основных типов реакций, которые включают перенос функциональных групп атомов и их связей внутри молекул. Эта общая химия позволяет клеткам использовать небольшой набор метаболических промежуточных продуктов для переноса химических групп между различными реакциями. Эти промежуточные продукты группового переноса называются коферментами . Каждый класс реакций группового переноса осуществляется определенным коферментом, который является субстратом для набора ферментов, его производящих, и набора ферментов, его потребляющих. Таким образом, эти коферменты непрерывно производятся, потребляются и затем перерабатываются.

Одним из центральных коферментов является аденозинтрифосфат (АТФ), универсальная энергетическая валюта клеток. Этот нуклеотид используется для передачи химической энергии между различными химическими реакциями. В клетках содержится лишь небольшое количество АТФ, но, поскольку он постоянно регенерируется, человеческое тело может использовать АТФ примерно на свой вес в день. АТФ действует как мост между катаболизмом и анаболизмом . Катаболизм расщепляет молекулы, а анаболизм соединяет их. Катаболические реакции генерируют АТФ, а анаболические реакции потребляют его. Он также служит переносчиком фосфатных групп в реакциях фосфорилирования .

Витамин - это органическое соединение, необходимое в небольших количествах, которое не может быть произведено в клетках. В питании человека большинство витаминов после модификации функционируют как коферменты; например, все водорастворимые витамины фосфорилируются или связываются с нуклеотидами, когда они используются в клетках. Никотинамидадениндинуклеотид (НАД + ), производное витамина В3 ( ниацин ) , является важным коферментом, действующим как акцептор водорода. Сотни отдельных типов дегидрогеназ удаляют электроны со своих субстратов и восстанавливают НАД + в НАДН. Эта восстановленная форма кофермента затем является субстратом для любой из редуктаз в клетке, которым необходимо переносить атомы водорода на свои субстраты. Никотинамидадениндинуклеотид существует в клетке в двух родственных формах: НАДН и НАДФН. Форма НАД + /НАДН более важна в катаболических реакциях, тогда как НАДФ + /НАДФН используется в анаболических реакциях.

Строение железосодержащего гемоглобина . Белковые субъединицы отмечены красным и синим цветом, а железосодержащие гемовые группы - зеленым. Из PDB : 1GZX ​.

Минерал и кофакторы

Неорганические элементы играют решающую роль в обмене веществ; некоторые из них в изобилии (например, натрий и калий ), в то время как другие функционируют в незначительных концентрациях. Около 99% массы тела человека состоит из элементов углерода , азота , кальция , натрия , хлора , калия , водорода , фосфора , кислорода и серы . Органические соединения (белки, липиды и углеводы) содержат большую часть углерода и азота; большая часть кислорода и водорода присутствует в виде воды.

Обильные неорганические элементы действуют как электролиты . Наиболее важными ионами являются натрий , калий , кальций , магний , хлорид , фосфат и органический ион бикарбоната . Поддержание точных градиентов ионов через клеточные мембраны поддерживает осмотическое давление и рН . Ионы также имеют решающее значение для функции нервов и мышц , поскольку потенциалы действия в этих тканях продуцируются обменом электролитов между внеклеточной жидкостью и жидкостью клетки, цитозолем . Электролиты входят и выходят из клеток через белки в клеточной мембране, называемые ионными каналами . Например, сокращение мышц зависит от движения кальция, натрия и калия через ионные каналы в клеточной мембране и Т-трубочках .

Переходные металлы обычно присутствуют в организмах в виде микроэлементов , из которых наиболее распространены цинк и железо . Кофакторы металлов прочно связаны со специфическими участками белков; хотя кофакторы ферментов могут быть модифицированы во время катализа, они всегда возвращаются в исходное состояние к концу катализируемой реакции. Металлические микроэлементы попадают в организм с помощью специфических переносчиков и связываются с запасными белками, такими как ферритин или металлотионеин , когда они не используются.

Катаболизм

Катаболизм — это совокупность метаболических процессов, которые расщепляют большие молекулы. К ним относятся расщепление и окисление молекул пищи. Целью катаболических реакций является обеспечение энергией и компонентами, необходимыми для анаболических реакций, которые строят молекулы. Точная природа этих катаболических реакций различается от организма к организму, и организмы можно классифицировать на основе их источников энергии, водорода и углерода (их основных пищевых групп ), как показано в таблице ниже. Органотрофы используют органические молекулы в качестве источника атомов водорода или электронов , тогда как литотрофы используют неорганические субстраты. В то время как фототрофы преобразуют солнечный свет в химическую энергию , хемотрофы зависят от окислительно -восстановительных реакций, которые включают перенос электронов от восстановленных молекул-доноров, таких как органические молекулы , водород , сероводород или ионы двухвалентного железа, к кислороду , нитратам или сульфатам . У животных в этих реакциях участвуют сложные органические молекулы , которые распадаются на более простые молекулы, такие как углекислый газ и вода. Фотосинтезирующие организмы, такие как растения и цианобактерии , используют аналогичные реакции переноса электронов для накопления энергии, поглощаемой солнечным светом.

Классификация организмов на основе их метаболизма
Энергетический ресурс Солнечный лучик Фото-   -троф
молекулы химио-
Донор водорода или электронов органическое соединение   органо-  
неорганическое соединение лито-
Источник углерода органическое соединение   гетеро-
неорганическое соединение авто-

Наиболее распространенный комплекс катаболических реакций у животных можно разделить на три основных этапа. На первом этапе большие органические молекулы, такие как белки , полисахариды или липиды , расщепляются на более мелкие компоненты вне клеток. Затем эти более мелкие молекулы поглощаются клетками и превращаются в более мелкие молекулы, обычно ацетилкофермент А (ацетил-КоА), который высвобождает некоторое количество энергии. Наконец, ацетильная группа в КоА окисляется до воды и углекислого газа в цикле лимонной кислоты и цепи переноса электронов , высвобождая больше энергии при восстановлении кофермента никотинамидадениндинуклеотида (НАД + ) в НАДН.

пищеварение

Макромолекулы не могут быть непосредственно обработаны клетками. Макромолекулы должны быть разбиты на более мелкие единицы, прежде чем их можно будет использовать в клеточном метаболизме. Для расщепления этих полимеров использовались различные классы ферментов. Эти пищеварительные ферменты включают протеазы , которые переваривают белки в аминокислоты, а также гликозидгидролазы , которые переваривают полисахариды в простые сахара, известные как моносахариды .

Микробы просто выделяют пищеварительные ферменты в окружающую среду, в то время как животные выделяют эти ферменты только из специализированных клеток в кишечнике , включая желудок и поджелудочную железу , а также в слюнных железах . Аминокислоты или сахара, высвобождаемые этими внеклеточными ферментами, затем перекачиваются в клетки активными транспортными белками.

Упрощенная схема катаболизма белков , углеводов и жиров

Энергия из органических соединений

Катаболизм углеводов — это расщепление углеводов на более мелкие единицы. Углеводы обычно попадают в клетки после их расщепления на моносахариды . Оказавшись внутри, основным путем распада является гликолиз , при котором сахара, такие как глюкоза и фруктоза , превращаются в пируват и образуется некоторое количество АТФ. Пируват является промежуточным звеном в нескольких метаболических путях, но большая его часть превращается в ацетил-КоА посредством аэробного (с кислородом) гликолиза и поступает в цикл лимонной кислоты . Хотя в цикле лимонной кислоты образуется еще некоторое количество АТФ, наиболее важным продуктом является НАДН, который образуется из НАД + при окислении ацетил-КоА. Это окисление выделяет углекислый газ в качестве побочного продукта. В анаэробных условиях гликолиз производит лактат через фермент лактатдегидрогеназу , повторно окисляющий НАДН до НАД + для повторного использования в гликолизе. Альтернативным путем расщепления глюкозы является пентозофосфатный путь , который восстанавливает кофермент НАДФН и производит пентозные сахара, такие как рибоза , сахарный компонент нуклеиновых кислот .

Жиры катаболизируются путем гидролиза до свободных жирных кислот и глицерина. Глицерин вступает в гликолиз, а жирные кислоты расщепляются путем бета-окисления с высвобождением ацетил-КоА, который затем направляется в цикл лимонной кислоты. Жирные кислоты выделяют больше энергии при окислении, чем углеводы. Стероиды также расщепляются некоторыми бактериями в процессе, подобном бета-окислению, и этот процесс распада включает высвобождение значительных количеств ацетил-КоА, пропионил-КоА и пирувата, которые все могут использоваться клеткой для получения энергии. M. tuberculosis также может расти на липидном холестерине как на единственном источнике углерода, и было подтверждено, что гены, участвующие в пути (путях) использования холестерина, важны на различных стадиях жизненного цикла инфекции M. tuberculosis .

Аминокислоты либо используются для синтеза белков и других биомолекул, либо окисляются до мочевины и углекислого газа для производства энергии. Путь окисления начинается с удаления аминогруппы трансаминазой . Аминогруппа подается в цикл мочевины , оставляя дезаминированный углеродный скелет в виде кетокислоты . Некоторые из этих кетокислот являются промежуточными продуктами цикла лимонной кислоты, например α - кетоглутарат , образующийся при дезаминировании глутамата . Глюкогенные аминокислоты также могут быть преобразованы в глюкозу посредством глюконеогенеза (обсуждается ниже).

Энергетические преобразования

Окислительного фосфорилирования

При окислительном фосфорилировании электроны, удаленные из органических молекул в таких областях, как цикл лимонной кислоты, переносятся на кислород, а высвобождаемая энергия используется для образования АТФ. У эукариот за это отвечает ряд белков в мембранах митохондрий, называемых цепью переноса электронов . У прокариот эти белки находятся во внутренней мембране клетки . Эти белки используют энергию восстановленных молекул, таких как НАДН, для прокачки протонов через мембрану.

Механизм АТФ-синтазы . АТФ показан красным, АДФ и фосфат - розовым, а вращающаяся субъединица стебля - черным.

Выкачивание протонов из митохондрий создает разницу в концентрации протонов поперек мембраны и создает электрохимический градиент . Эта сила отправляет протоны обратно в митохондрию через основание фермента, называемого АТФ-синтазой . Поток протонов заставляет стебельчатую субъединицу вращаться, в результате чего активный участок синтазного домена меняет форму и фосфорилирует аденозиндифосфат  , превращая его в АТФ.

Энергия из неорганических соединений

Хемолитотрофия — это тип метаболизма, обнаруженный у прокариот , при котором энергия получается в результате окисления неорганических соединений . Эти организмы могут использовать водород , восстановленные соединения серы (такие как сульфид , сероводород и тиосульфат ), двухвалентное железо (Fe(II)) или аммиак в качестве источников восстановительной энергии, и они получают энергию от окисления этих соединений. Эти микробные процессы играют важную роль в глобальных биогеохимических циклах , таких как ацетогенез , нитрификация и денитрификация , и имеют решающее значение для плодородия почвы .

Энергия из света

Энергия солнечного света захватывается растениями , цианобактериями , пурпурными бактериями , зелеными серобактериями и некоторыми простейшими . Этот процесс часто связан с превращением углекислого газа в органические соединения в рамках фотосинтеза, который обсуждается ниже. Однако системы захвата энергии и фиксации углерода могут работать отдельно у прокариот, поскольку пурпурные бактерии и зеленые серные бактерии могут использовать солнечный свет в качестве источника энергии, переключаясь между фиксацией углерода и ферментацией органических соединений.

Во многих организмах захват солнечной энергии в принципе аналогичен окислительному фосфорилированию, поскольку он включает накопление энергии в виде градиента концентрации протонов. Эта протонная движущая сила затем управляет синтезом АТФ. Электроны, необходимые для управления этой цепью переноса электронов, поступают от светособирающих белков, называемых фотосинтетическими реакционными центрами . Реакционные центры подразделяются на два типа в зависимости от природы присутствующего фотосинтетического пигмента , при этом большинство фотосинтезирующих бактерий имеют только один тип, а растения и цианобактерии - два.

У растений, водорослей и цианобактерий фотосистема II использует световую энергию для удаления электронов из воды, высвобождая кислород в качестве побочного продукта. Затем электроны направляются к комплексу цитохрома b6f , который использует их энергию для прокачки протонов через тилакоидную мембрану в хлоропласте . Эти протоны возвращаются через мембрану, управляя АТФ-синтазой, как и раньше. Затем электроны проходят через фотосистему I и затем могут быть использованы для восстановления кофермента НАДФ + .Этот кофермент может войти в цикл Кальвина , который обсуждается ниже, или быть переработанным для дальнейшего образования АТФ.

Анаболизм

Анаболизм — это совокупность конструктивных метаболических процессов, при которых энергия, высвобождаемая при катаболизме, используется для синтеза сложных молекул. Как правило, сложные молекулы, из которых состоят клеточные структуры, строятся шаг за шагом из более мелких и простых предшественников. Анаболизм включает в себя три основных этапа. Во-первых, производство предшественников, таких как аминокислоты , моносахариды , изопреноиды и нуклеотиды , во-вторых, их активация в реактивные формы с использованием энергии АТФ, и, в-третьих, сборка этих предшественников в сложные молекулы, такие как белки , полисахариды , липиды и нуклеиновые кислоты . .

Анаболизм в организмах может быть разным в зависимости от источника построенных молекул в их клетках. Автотрофы , такие как растения, могут создавать в своих клетках сложные органические молекулы, такие как полисахариды и белки, из простых молекул, таких как углекислый газ и вода. Гетеротрофы , с другой стороны, нуждаются в источнике более сложных веществ, таких как моносахариды и аминокислоты, для производства этих сложных молекул. Организмы можно дополнительно классифицировать по конечному источнику их энергии: фотоавтотрофы и фотогетеротрофы получают энергию от света, тогда как хемоавтотрофы и хемогетеротрофы получают энергию от реакций окисления.

Углеродная фиксация

Клетки растений (ограниченные пурпурными стенками), заполненные хлоропластами (зеленые), которые являются местом фотосинтеза.

Фотосинтез – это синтез углеводов из солнечного света и углекислого газа (CO 2 ). У растений, цианобактерий и водорослей оксигенный фотосинтез расщепляет воду, при этом в качестве побочного продукта образуется кислород. В этом процессе используются АТФ и НАДФН, вырабатываемые фотосинтетическими реакционными центрами , как описано выше, для превращения CO 2 в глицерат-3-фосфат , который затем может быть преобразован в глюкозу. Эта реакция фиксации углерода осуществляется ферментом RuBisCO как часть цикла Кальвина-Бенсона . У растений происходят три типа фотосинтеза: фиксация углерода С3, фиксация углерода С4 и САМ-фотосинтез . Они различаются по пути, по которому углекислый газ переходит в цикл Кальвина, при этом растения C3 фиксируют CO 2 напрямую, в то время как фотосинтез C4 и CAM сначала включает CO 2 в другие соединения в качестве приспособления к интенсивному солнечному свету и засушливым условиям.

У фотосинтезирующих прокариот механизмы фиксации углерода более разнообразны. Здесь углекислый газ может фиксироваться циклом Кальвина-Бенсона, обратным циклом лимонной кислоты или карбоксилированием ацетил-КоА. Прокариотические хемоавтотрофы также фиксируют CO 2 в цикле Кальвина-Бенсона, но используют энергию неорганических соединений для запуска реакции.

Углеводы и гликаны

При анаболизме углеводов простые органические кислоты могут быть преобразованы в моносахариды , такие как глюкоза , а затем использованы для сборки полисахаридов , таких как крахмал . Образование глюкозы из таких соединений, как пируват , лактат , глицерин , глицерат-3-фосфат и аминокислоты, называется глюконеогенезом . Глюконеогенез превращает пируват в глюкозо-6-фосфат через ряд промежуточных продуктов, многие из которых являются общими с гликолизом . Однако этот путь не просто гликолиз в обратном направлении, поскольку несколько стадий катализируются негликолитическими ферментами. Это важно, поскольку позволяет отдельно регулировать образование и расщепление глюкозы и предотвращает одновременную работу обоих путей в бесполезном цикле .

Хотя жир является обычным способом хранения энергии, у позвоночных , таких как люди, жирные кислоты в этих хранилищах не могут быть преобразованы в глюкозу посредством глюконеогенеза , поскольку эти организмы не могут превращать ацетил-КоА в пируват ; у растений есть, а у животных нет необходимого ферментативного механизма. В результате после длительного голодания позвоночным необходимо производить кетоновые тела из жирных кислот, чтобы заменить глюкозу в тканях, таких как мозг, которые не могут метаболизировать жирные кислоты. В других организмах, таких как растения и бактерии, эта метаболическая проблема решается с помощью глиоксилатного цикла , который обходит стадию декарбоксилирования в цикле лимонной кислоты и позволяет трансформировать ацетил-КоА в оксалоацетат , где его можно использовать для производства глюкозы. . Помимо жира, глюкоза хранится в большинстве тканей в качестве источника энергии, доступного в тканях посредством гликогенеза, который обычно использовался для поддержания уровня глюкозы в крови.

Полисахариды и гликаны образуются путем последовательного добавления моносахаридов с помощью гликозилтрансферазы от реакционноспособного донора сахарофосфата, такого как уридиндифосфатглюкоза (UDP-Glc), к акцепторной гидроксильной группе растущего полисахарида. Поскольку любая из гидроксильных групп в кольце субстрата может быть акцептором, образующиеся полисахариды могут иметь прямую или разветвленную структуру. Образовавшиеся полисахариды могут сами выполнять структурные или метаболические функции или переноситься в липиды и белки с помощью ферментов, называемых олигосахарилтрансферазами .

Жирные кислоты, изопреноиды и стерол

Показана упрощенная версия пути синтеза стероидов с промежуточными продуктами изопентенилпирофосфатом (IPP), диметилаллилпирофосфатом (DMAPP), геранилпирофосфатом (GPP) и скваленом . Некоторые промежуточные продукты опущены для ясности.

Жирные кислоты производятся синтазами жирных кислот, которые полимеризуются, а затем восстанавливают единицы ацетил-КоА. Ацильные цепи в жирных кислотах удлиняются за счет цикла реакций, которые добавляют ацильную группу, восстанавливают ее до спирта, дегидратируют до алкеновой группы и затем снова восстанавливают до алкановой группы. Ферменты биосинтеза жирных кислот делятся на две группы: у животных и грибов все эти реакции синтазы жирных кислот осуществляются одним многофункциональным белком I типа, тогда как в пластидах растений и бактерий каждый этап пути осуществляют отдельные ферменты II типа. .

Терпены и изопреноиды представляют собой большой класс липидов, который включает каротиноиды и образует самый большой класс растительных натуральных продуктов . Эти соединения производятся путем сборки и модификации изопреновых звеньев, полученных из реакционноспособных предшественников изопентенилпирофосфата и диметилаллилпирофосфата . Эти прекурсоры могут быть получены различными способами. У животных и архей мевалонатный путь продуцирует эти соединения из ацетил-КоА, в то время как у растений и бактерий немевалонатный путь использует в качестве субстратов пируват и глицеральдегид-3-фосфат . Одной из важных реакций, в которых используются эти активированные доноры изопрена, является биосинтез стеролов . Здесь изопреновые звенья соединяются, образуя сквален , а затем складываются и формируются в набор колец, чтобы получился ланостерол . Затем ланостерол может быть преобразован в другие стеролы, такие как холестерин и эргостерол .

Белки

Организмы различаются по своей способности синтезировать 20 распространенных аминокислот. Большинство бактерий и растений могут синтезировать все двадцать, но млекопитающие могут синтезировать только одиннадцать заменимых аминокислот, поэтому девять незаменимых аминокислот должны быть получены из пищи. Некоторые простые паразиты , такие как бактерии Mycoplasma pneumoniae , лишены синтеза всех аминокислот и получают их непосредственно от своих хозяев. Все аминокислоты синтезируются из промежуточных продуктов гликолиза, цикла лимонной кислоты или пентозофосфатного пути. Азот обеспечивается глутаматом и глутамином . Синтез несущественных аминокислот зависит от образования соответствующей альфа-кетокислоты, которая затем трансаминируется с образованием аминокислоты.

Аминокислоты превращаются в белки, соединяясь в цепочку пептидных связей . Каждый отдельный белок имеет уникальную последовательность аминокислотных остатков: это его первичная структура . Подобно тому, как буквы алфавита можно комбинировать, образуя почти бесконечное множество слов, аминокислоты могут соединяться в различных последовательностях, образуя огромное разнообразие белков. Белки состоят из аминокислот, которые были активированы путем присоединения к транспортной молекуле РНК через сложноэфирную связь. Этот предшественник аминоацил-тРНК продуцируется в АТФ - зависимой реакции, осуществляемой аминоацил-тРНК-синтетазой . Эта аминоацил-тРНК затем является субстратом для рибосомы , которая присоединяет аминокислоту к удлиняющейся белковой цепи, используя информацию о последовательности матричной РНК .

Синтез и спасение нуклеотидов

Нуклеотиды образуются из аминокислот, углекислого газа и муравьиной кислоты в путях, требующих большого количества метаболической энергии. Следовательно, у большинства организмов есть эффективные системы спасения предварительно сформированных нуклеотидов. Пурины синтезируются в виде нуклеозидов (оснований, присоединенных к рибозе ). И аденин , и гуанин производятся из предшественника нуклеозида инозинмонофосфата , который синтезируется с использованием атомов аминокислот глицина , глутамина и аспарагиновой кислоты , а также формиата , перенесенного из кофермента тетрагидрофолата . Пиримидины , с другой стороны, синтезируются из основного оротата , который образуется из глутамина и аспартата.

Ксенобиотики и окислительно-восстановительный метаболизм

Все организмы постоянно подвергаются воздействию соединений, которые они не могут использовать в пищу и которые были бы вредны, если бы они накапливались в клетках, так как они не имеют метаболической функции. Эти потенциально опасные соединения называются ксенобиотиками . Ксенобиотики, такие как синтетические наркотики , природные яды и антибиотики , детоксицируются набором ферментов, метаболизирующих ксенобиотики. У человека к ним относятся оксидазы цитохрома Р450 , УДФ-глюкуронозилтрансферазы и глутатион - S -трансферазы . Эта система ферментов действует в три этапа, сначала окисляя ксенобиотик (фаза I), а затем присоединяя к молекуле водорастворимые группы (фаза II). Затем модифицированный водорастворимый ксенобиотик может быть откачан из клеток и в многоклеточных организмах может подвергаться дальнейшему метаболизму перед выделением (фаза III). В экологии эти реакции особенно важны при микробной биодеградации загрязняющих веществ и биоремедиации загрязненных земель и разливов нефти. Многие из этих микробных реакций характерны для многоклеточных организмов, но благодаря невероятному разнообразию типов микробов эти организмы способны справляться с гораздо более широким спектром ксенобиотиков, чем многоклеточные организмы, и могут разлагать даже стойкие органические загрязнители , такие как хлорорганические соединения.

Связанной с этим проблемой для аэробных организмов является окислительный стресс . Здесь процессы, включающие окислительное фосфорилирование и образование дисульфидных связей во время сворачивания белка, производят активные формы кислорода , такие как перекись водорода . Эти повреждающие окислители удаляются метаболитами антиоксидантов , такими как глутатион , и ферментами, такими как каталазы и пероксидазы .

Термодинамика живых организмов

Живые организмы должны подчиняться законам термодинамики , описывающим перенос тепла и работы . Второй закон термодинамики гласит, что в любой изолированной системе количество энтропии (беспорядка) не может уменьшаться. Хотя кажется, что удивительная сложность живых организмов противоречит этому закону, жизнь возможна, поскольку все организмы представляют собой открытые системы , которые обмениваются материей и энергией с окружающей средой. Живые системы не находятся в равновесии , а вместо этого являются диссипативными системами , которые поддерживают свое состояние высокой сложности, вызывая большее увеличение энтропии своей среды. Метаболизм клетки достигает этого путем соединения спонтанных процессов катаболизма с неспонтанными процессами анаболизма. В терминах термодинамики метаболизм поддерживает порядок, создавая беспорядок.

Регулирование и контроль

Поскольку окружающая среда большинства организмов постоянно меняется, реакции метаболизма должны точно регулироваться , чтобы поддерживать постоянный набор условий внутри клеток, состояние, называемое гомеостазом . Метаболическая регуляция также позволяет организмам реагировать на сигналы и активно взаимодействовать с окружающей средой. Две тесно связанные концепции важны для понимания того, как контролируются метаболические пути. Во-первых, регуляция фермента в пути заключается в том, как его активность увеличивается и уменьшается в ответ на сигналы. Во-вторых, контроль , осуществляемый этим ферментом, представляет собой эффект, который эти изменения в его активности оказывают на общую скорость пути ( поток по пути). Например, фермент может демонстрировать большие изменения в активности ( т . е . он сильно регулируется), но если эти изменения мало влияют на течение метаболического пути, то этот фермент не участвует в контроле этого пути.

Влияние инсулина на усвоение и метаболизм глюкозы. Инсулин связывается со своим рецептором (1), что, в свою очередь, запускает многие каскады активации белка (2). К ним относятся: транслокация переносчика Glut-4 на плазматическую мембрану и приток глюкозы (3), синтез гликогена (4), гликолиз (5) и синтез жирных кислот (6).

Существует несколько уровней регуляции метаболизма. При внутренней регуляции метаболический путь саморегулируется, реагируя на изменения уровней субстратов или продуктов; например, уменьшение количества продукта может увеличить поток через путь для компенсации. Этот тип регуляции часто включает аллостерическую регуляцию активности множества ферментов пути. Внешний контроль включает клетку в многоклеточном организме, изменяющую свой метаболизм в ответ на сигналы от других клеток. Эти сигналы обычно находятся в форме водорастворимых мессенджеров, таких как гормоны и факторы роста, и обнаруживаются специфическими рецепторами на клеточной поверхности. Затем эти сигналы передаются внутрь клетки с помощью систем вторичных мессенджеров, которые часто включают фосфорилирование белков.

Очень хорошо изученным примером внешнего контроля является регуляция метаболизма глюкозы гормоном инсулином . Инсулин вырабатывается в ответ на повышение уровня глюкозы в крови . Связывание гормона с рецепторами инсулина на клетках затем активирует каскад протеинкиназ , которые заставляют клетки поглощать глюкозу и превращать ее в запасные молекулы, такие как жирные кислоты и гликоген . Метаболизм гликогена контролируется активностью фосфорилазы , фермента, расщепляющего гликоген, и гликогенсинтазы , фермента, который его образует. Эти ферменты регулируются реципрокным образом, при этом фосфорилирование ингибирует гликогенсинтазу, но активирует фосфорилазу. Инсулин вызывает синтез гликогена, активируя протеинфосфатазы и снижая фосфорилирование этих ферментов.

Эволюция

Эволюционное дерево , показывающее общее происхождение организмов из всех трех областей жизни. Бактерии окрашены в синий цвет, эукариоты — в красный, а археи — в зеленый. Относительное положение некоторых включенных типов показано вокруг дерева.

Описанные выше центральные пути метаболизма, такие как гликолиз и цикл лимонной кислоты, присутствуют во всех трех доменах живых существ и присутствовали у последнего универсального общего предка . Эта универсальная предковая клетка была прокариотической и, вероятно, метаногенной , с обширным метаболизмом аминокислот, нуклеотидов, углеводов и липидов. Сохранение этих древних путей во время более поздней эволюции может быть результатом того, что эти реакции были оптимальным решением их конкретных метаболических проблем, при этом такие пути, как гликолиз и цикл лимонной кислоты, производят свои конечные продукты с высокой эффективностью и за минимальное количество шагов. . Первые пути ферментативного метаболизма могли быть частью метаболизма пуриновых нуклеотидов, в то время как предыдущие метаболические пути были частью древнего мира РНК .

Было предложено множество моделей для описания механизмов, посредством которых развиваются новые метаболические пути. К ним относятся последовательное добавление новых ферментов к короткому наследственному пути, дублирование, а затем дивергенция целых путей, а также рекрутирование ранее существовавших ферментов и их сборка в новый путь реакции. Относительная важность этих механизмов неясна, но геномные исследования показали, что ферменты в пути, вероятно, имеют общего предка, предполагая, что многие пути развивались поэтапно с новыми функциями, созданными из ранее существовавших шагов. в пути. Альтернативная модель исходит из исследований, которые отслеживают эволюцию структур белков в метаболических сетях. Это предполагает, что ферменты повсеместно рекрутируются, заимствуя ферменты для выполнения сходных функций в разных метаболических путях (очевидно в базе данных MANET ). Эти процессы рекрутирования приводят к эволюционная ферментативная мозаика. Третья возможность заключается в том, что некоторые части метаболизма могут существовать в виде «модулей», которые можно повторно использовать в разных путях и выполнять сходные функции на разных молекулах.

Помимо появления новых метаболических путей, эволюция также может привести к потере метаболических функций. Например, у некоторых паразитов метаболические процессы, которые не являются необходимыми для выживания, теряются, и вместо этого у хозяина могут удаляться предварительно сформированные аминокислоты, нуклеотиды и углеводы . Подобные сниженные метаболические возможности наблюдаются у эндосимбиотических организмов.

Расследование и манипуляция

Метаболическая сеть цикла лимонной кислоты Arabidopsis thaliana . Ферменты и метаболиты показаны красными квадратами, а взаимодействия между ними — черными линиями.

Классически метаболизм изучается с помощью редукционистского подхода, который фокусируется на одном метаболическом пути. Особенно ценным является использование радиоактивных индикаторов на уровне всего организма, тканей и клеток, которые определяют пути от предшественников к конечным продуктам путем идентификации радиоактивно меченых промежуточных продуктов и продуктов. Затем можно очистить ферменты, катализирующие эти химические реакции, и исследовать их кинетику и реакции на ингибиторы . Параллельный подход заключается в идентификации малых молекул в клетке или ткани; полный набор этих молекул называется метаболомом . В целом, эти исследования дают хорошее представление о структуре и функциях простых метаболических путей, но неадекватны применительно к более сложным системам, таким как метаболизм целой клетки.

Представление о сложности метаболических сетей в клетках, содержащих тысячи различных ферментов, дает рисунок, показывающий взаимодействия всего лишь между 43 белками и 40 метаболитами справа: последовательности геномов представляют собой списки, содержащие до 26 500 генов. Однако теперь можно использовать эти геномные данные для реконструкции полных сетей биохимических реакций и создания более целостных математических моделей, которые могут объяснить и предсказать их поведение. Эти модели особенно эффективны при использовании для интеграции данных о путях и метаболитах, полученных с помощью классических методов, с данными об экспрессии генов из исследований протеомных и ДНК-микрочипов . Используя эти методы, в настоящее время создана модель метаболизма человека, которая будет служить ориентиром для будущих открытий лекарств и биохимических исследований. Эти модели теперь используются в сетевом анализе для классификации болезней человека на группы, которые имеют общие белки или метаболиты.

Бактериальные метаболические сети являются ярким примером организации « бабочки », архитектуры, способной вводить широкий спектр питательных веществ и производить большое разнообразие продуктов и сложных макромолекул с использованием относительно небольшого количества промежуточных общих валют.

Основным технологическим применением этой информации является метаболическая инженерия . Здесь организмы, такие как дрожжи , растения или бактерии , генетически модифицируются, чтобы сделать их более полезными в биотехнологии и помочь в производстве лекарств , таких как антибиотики , или промышленных химикатов, таких как 1,3-пропандиол и шикимовая кислота . Эти генетические модификации обычно направлены на снижение количества энергии, используемой для производства продукта, повышение урожайности и сокращение образования отходов.

История

Термин « метаболизм » происходит от французского «métabolisme» или древнегреческого μεταβολή — «Metabole» для «изменения», которое происходит от μεταβάλλ — «Metaballein» означает «изменяться».

Метаболизм Аристотеля как модель открытого потока

Греческая философия

В книге Аристотеля « Части животных » достаточно подробно изложено его взгляды на метаболизм , чтобы можно было создать модель открытого потока. Он считал, что на каждой стадии процесса материалы из пищи трансформируются с выделением тепла как классического элемента огня, а остаточные материалы выделяются в виде мочи, желчи или фекалий.

Ибн ан-Нафис описал обмен веществ в своей работе 1260 г. н.э. под названием « Аль-Рисала аль-Камилия фил Сиера ан-Набавийя» («Трактат Камиля о биографии Пророка»), которая включала следующую фразу: «И тело, и его части находятся в непрерывном состоянии. растворения и питания, поэтому они неизбежно претерпевают постоянное изменение».

Применение научного метода и современных метаболических теорий

История научного изучения метаболизма насчитывает несколько столетий и перешла от исследования целых животных в ранних исследованиях к изучению отдельных метаболических реакций в современной биохимии. Первые контролируемые эксперименты с метаболизмом человека были опубликованы Санторио Санторио в 1614 году в его книге Ars de statica medicina . Он описал, как он взвешивался до и после еды, сна , работы, секса, голодания, питья и выделения. Он обнаружил, что большая часть пищи, которую он принимал, терялась из-за того, что он называл « неощутимым потом ».

Санторио Санторио на весах безмена из Ars de statica medicina , впервые опубликовано в 1614 г.

В этих ранних исследованиях механизмы этих метаболических процессов не были идентифицированы, и считалось, что жизненная сила оживляет живую ткань. В 19 веке, изучая ферментацию сахара в спирт дрожжами , Луи Пастер пришел к выводу, что ферментация катализируется веществами внутри дрожжевых клеток, которые он назвал «ферментами». Он писал, что «спиртовое брожение есть акт, связанный с жизнью и организацией дрожжевых клеток, а не с гибелью или гниением клеток». Это открытие, наряду с публикацией Фридрихом Вёлером в 1828 году статьи о химическом синтезе мочевины , примечательно тем, что оно является первым органическим соединением, полученным из полностью неорганических предшественников. Это доказывало, что органические соединения и химические реакции, происходящие в клетках, в принципе ничем не отличались от любой другой области химии.

Именно открытие ферментов в начале 20 века Эдуардом Бюхнером отделило изучение химических реакций метаболизма от биологического изучения клеток и положило начало биохимии . Масса биохимических знаний быстро росла на протяжении всего начала 20 века. Одним из самых плодовитых современных биохимиков был Ганс Кребс , внесший огромный вклад в изучение метаболизма. Он открыл цикл мочевины, а позже, работая с Гансом Корнбергом , цикл лимонной кислоты и цикл глиоксилата. Современным биохимическим исследованиям в значительной степени способствовало развитие новых методов, таких как хроматография , дифракция рентгеновских лучей , ЯМР-спектроскопия , мечение радиоизотопами , электронная микроскопия и моделирование молекулярной динамики . Эти методы позволили открыть и провести детальный анализ многих молекул и метаболических путей в клетках.

Смотрите также

использованная литература

дальнейшее чтение

Вводный

  • Роуз С., Милусник Р. (1999). Химия жизни . Пингвин Пресс Наука. ISBN 0-14-027273-9.
  • Шнайдер EC, Саган Д. (2005). В прохладу: поток энергии, термодинамика и жизнь . Издательство Чикагского университета. ISBN 0-226-73936-8.
  • Лейн Н (2004). Кислород: молекула, сотворившая мир . США: Издательство Оксфордского университета. ISBN 0-19-860783-0.

Передовой

  • Прайс Н., Стивенс Л. (1999). Основы энзимологии: клеточная и молекулярная биология каталитических белков . Издательство Оксфордского университета. ISBN 0-19-850229-Х.
  • Берг Дж., Тимочко Дж., Страйер Л. (2002). Биохимия . У.Х. Фриман и компания. ISBN 0-7167-4955-6.
  • Кокс М., Нельсон Д.Л. (2004). Ленингер Принципы биохимии . Пэлгрейв Макмиллан. ISBN 0-7167-4339-6.
  • Брок Т.Д. , Мэдиган М.Р., Мартинко Дж., Паркер Дж. (2002). Брока «Биология микроорганизмов» . Бенджамин Каммингс. ISBN 0-13-066271-2.
  • Да Силва Дж. Дж., Уильямс Р. Дж. (1991). Биологическая химия элементов: неорганическая химия жизни . Кларендон Пресс. ISBN 0-19-855598-9.
  • Николлс Д.Г., Фергюсон С.Дж. (2002). Биоэнергетика . ISBN Academic Press Inc. 0-12-518121-3.
  • Вуд Х. Г. (февраль 1991 г.). «Жизнь с CO или CO2 и H2 в качестве источника углерода и энергии». Журнал ФАСЭБ . 5 (2): 156–63. doi : 10.1096/fasebj.5.2.1900793 . PMID  1900793 . S2CID  45967404 .

внешние ссылки

Главная Информация

Метаболизм человека

Базы данных

Метаболические пути