Пользовательский поиск

Метаболизм клетки в организме

Метаболизм (греч. mεταβολή – изменение или μεταβολισμός - обмен веществ) – это набор химических превращений жизнеобеспечения внутри клеток живущего организма. Эти катализируемые ферментами реакции позволяют организмам расти и размножаться, поддерживать их структуру и реагировать на их условия. Словом, метаболизм также могут называть все химические реакции, возникающие в живых организмах, включающие пищеварение и транспортировку веществ между разными клетками. В данном случае этот набор реакций внутри клеток называется промежуточным метаболизмом.

Продолжение ниже

Что делать при медленном метаболизме?

Вес вашего тела немного может зависеть от генетики, но её влияние не является сильным. Я убеждён, что наследование медленного метаболизма с тенденцией увеличения веса - не изъян или дефект, а генетический дар, который можно использовать. Вес вашего тела немного может ...

Читать дальше...

всё на эту тему


Метаболизм обычно делиться на две категории. Катаболизм разрушает органические вещества, например, для получения энергии при внутреннем дыхании. Анаболизм использует энергию для построения компонентов клеток, таких как белки и нуклеиновые кислоты.

Химические реакции метаболизма объединены в метаболические пути, в которых одно химическое вещество преобразовывается посредством последовательности шагов в другое с помощью последовательности ферментов. Ферменты важны для метаболизма, потому что они позволяют организмам проводить желаемые химические реакции, которые требуют энергию и не возникают сами по себе за счет соединения в спонтанные реакции, которые выделяют энергию. Так как ферменты выступают в качестве катализаторов, они позволяют происходить этим реакциям быстро и эффективно. Ферменты также предоставляют регуляцию метаболических путей в ответ на изменения в окружающей среде клетки или сигналов от других клеток.

Метаболизм организма определяет, какие вещества он считает питательными, а какие ядовитыми. Например, некоторые прокариоты используют сероводород в качестве биогена, но этот газ является ядовитым для животных. Скорость метаболизма (уровень метаболизма), влияет на то, сколько еды требует организм, а также на то, как он может получить ее.

Примечательной особенностью метаболизма является близость основных метаболических путей и компонентов между даже разными видами. Например, набор карбоновых кислот, которые наиболее известны как полупродукты в цикле трикарбоновых кислот, присутствующих во всех живых организмах, находят у различных видов, как в одноклеточных бактериях кишечной палочки, так и в огромных многоклеточных организмах, например слонах. Эти поразительные сходства в метаболических путях присутствуют, скорее всего, из-за их раннего появления в эволюционной истории и сохранились из-за своей эффективности.

Содержание статьи:

  1. Основные биохимические соединения
    1. Аминокислоты и белки
    2. Липиды
    3. Углеводы
    4. Нуклеотиды
    5. Коферменты
    6. Минералы и кофакторы
  2. Катаболизм в метаболизме
    1. Усвоение
    2. Энергия с органических компонентов
  3. Преобразования энергии
    1. Окислительное фосфорилирование
    2. Энергия из неорганических соединений
    3. Энергия из света
  4. Анаболизм в метаболизме
    1. Связывание углерода
    2. Углеводы и гликаны
    3. Жирные кислоты, изопреноиды и стероиды
    4. Белки
    5. Синтез и реутилизация нуклеотидов
  5. Ксенобиотики и окислительно-восстановительный метаболизм
  6. Регуляция и контроль
  7. Эволюция метаболизма
  8. Изучение метаболизма
  9. История метаболизма

Основные биохимические соединения

Большинство соединений, которые составляют животных, растений и микробов сделаны из трех основных классов молекул: аминокислоты, углеводы и липиды (часто называемые жиры). Так как эти молекулы важны для жизни, метаболические реакции либо сосредотачивают внимание на создании этих молекул во время построения клеток и тканей, либо расщепляют и используют их в качестве источника энергии, в пищеварении и использовании как продуктов питания. Многие важные биохимические соединения могут быть соединены вместе для создания полимеров, таких как дезоксирибонуклеиновая кислота и белки. Эти макромолекулы необходимы.

Аминокислоты и белки

Белки состоят из аминокислот расположенных в линейной цепочке и соединенных вместе пептидными связями. Многие белки являются ферментами, которые катализируют химические реакции при метаболизме. Другие белки обладают строительными или механическими функциями, например белки которые формируются из цитоскелета - системы формирования, которая поддерживает форму клетки. Белки также важны в сигнальной системе клеток, иммунных ответах, адгезии клеток, активной транспортировке через мембраны и клеточном цикле.

Липиды

Липиды – наиболее распространённая многообразная группа биохимических соединений. Их основными строительными видами использования являются, использование в качестве части биологических мембран, таких как мембраны клеток или в качестве источника энергии. Липиды обычно определяются как гидрофобные и амфипатические биологические молекулы, которые растворяются в органических растворителях, таких как бензол и хлороформ. Жиры являются огромной группой соединений, которые содержат жирные кислоты и глицерин; молекулы глицерина присоединены к трем жирно-кислотным сложным эфирам являясь триацилглицерином. Существует несколько разновидностей этого основного состава, включающих альтернативные каркасы, такие как сфингозин в сфинголипидах и гидрофильные группы, такие как фосфат в фосфолипидах. Стероиды, такие как холестерин, являются другим основным классом жиров, которые образуются в клетках.

Углеводы

Углеводы являются альдегидами или кетонами со многими гидроксильными группами, которые могут существовать как прямые цепочки или как кольца. Углеводы являются наиболее обильными биологическими молекулами и исполняют многочисленные роли, например, такие как хранение и транспортировка энергии (крахмал, гликоген) и структурных компонентов (целлюлоза в растениях, хитин у животных). Основные углеводные элементы называются моносахаридами и включают галактозу, фруктозу и самое главное – глюкозу. Моносахариды могут связываться вместе, чтобы формировать полисахариды почти безграничными способами.

Нуклеотиды

Две нуклеиновых кислоты ДНК и РНК являются полимерами нуклеотидов; каждый нуклеотид включает фосфатную группу, рибозную сахарную группу и азотистое основание. Нуклеиновые кислоты важны для хранения и использования генетической информации, через процесс транскрипции и биосинтеза белка. Эта информация защищается механизмами репарации ДНК и распространяется через репликацию ДНК. Многие вирусы имеют РНК-геном, например ВИЧ, которые используют обратную транскрипцию для создания шаблона ДНК из их РНК-генома. РНК в рибозимах, таких как сплайсингосомы и рибосомы похожи на ферменты, так как они могут ускорить химические реакции. Отдельные нуклеозиды образуются путем присоединения нуклеинового основания к сахару рибозы. Эти основы, являющиеся гетероциклическими кольцами и содержащими азот, классифицируются как пурины и пиримидины. Нуклеотиды также действуют как коферменты в метаболической группе реакций переноса.

Коферменты

Метаболизм включает большой массив химических реакций, но большинство попадают под несколько основных типов реакций, которые включают передачу функциональных групп. Такой общий химический состав позволяет клеткам использовать небольшой набор промежуточных веществ метаболизма, проводить химические группы между различными реакциями. Эта группа полупродуктов, образующая эталон сравнения называется коферментами. Каждый класс групповых реакций, образующих эталон сравнения, осуществляется в частности коэнзимом, который является субстратом для множества ферментов, которые вырабатывают и поглощают его. Эти коферменты постоянно вырабатываются, поглощаются, а потом повторно используются.

Одним из основных ферментов является аденозинтрифосфат (АТФ), универсальная энергетическая единица клеток. Этот нуклеотид используется для передачи химической энергии между разными химическими реакциями. В клетках присутствует маленькое количество АТФ, но так как он постоянно вырабатывается, человеческое тело в день может использовать его примерно столько, сколько равен вес тела. АТФ действует как мост между катаболизмом и анаболизмом при катаболических реакциях с выделением АТФ и анаболических реакциях с его поглощением. Он также служит как перевозчик фосфатных групп при реакциях фосфорилирования.

Витамины являются органическими соединениями необходимыми в небольших количествах, и которые не могут вырабатываться в клетках. В питании человека большинство витаминов функционируют как коферменты после модификации; например, все растворимые в воде витамины фосфорилированны или связаны с нуклеотидами, когда они используются в клетках. Восстановленный никотинамидадениндинуклеотид (НАДФ), дериват витамина В3 (ниацин), являются важными коферментами, которые действует как акцептором водорода. Сотни отдельных типов дегидрогеназы удаляют электроны из их субстратов и редуцируют НАД+ в восстановленный никотинамидадениндинуклеотид. Эта восстановленная форма кофермента затем является субстратом для любой из клеточных редуктаз, которая необходима для редуцирования их субстратов. Динуклеотид никотинамид аденина существует в двух связанных формах в клетке: НАДФ и НАДФH. НАД+/НАДФ формы являются наиболее важными в катаболических реакциях, в то время как НАДП+/НАДФH используются в анаболических реакциях.

Минералы и кофакторы

Неорганические элементы играют важнейшие роли в метаболизме; некоторые из них обильны (например, натрий и калий), а другие функционируют в малых концентрациях. Примерно 99% массы млекопитающих состоит из таких элементов как углерод, азот, кальций, натрий, хлор, калий, водород, фосфор, кислород и сера. Органические компоненты (белки, липиды и углеводы) содержат большую часть углерода и азота; большая часть кислорода и водорода присутствует в воде.

Обильные органические элементы действуют как ионные электролиты. Наиболее важными ионами являются натрий, калий, кальций, магний, хлор, фосфор и органический ион бикарбоната. Сохранение точных электрохимических градиентов через мембраны клеток поддерживает осмотическое давление и pH. Ионы также важны для функционирования нервов и мышц, так как потенциалы действия в этих тканях вырабатываются путем обмена электронов между внеклеточной жидкостью и цитозолью. Электролиты проникают и покидают клетки через белки в клеточной мембране, называемые ионными каналами. Например, сокращение мышц зависит от движения кальция, натрия и калия через ионные каналы в мембране клетки и поперечных трубочках миоцита.

Переходные металлы обычно представлены в организмах (наиболее распространённые цинк и железо) в качестве микроэлементов. Эти металлы используются в некоторых белках в качестве кофакторов и являются необходимыми для работы ферментов, таких как каталаза, и белков, переносящих кислород, например гемоглобин. Металлические кофакторы крепко связаны с определенными областями в белках; несмотря на то, что ферментные кофакторы могут быть модифицированы во время катализа, они всегда возвращаются в свое начальное состояние к концу реакции. Микроэлементы металлов проникают в организмы с помощью специальных транспортеров и задерживаются для хранения белков, таких как ферритин или металлотионеин, если не используются.

Катаболизм в метаболизме

Катаболизм – это множество метаболических процессов, которые расщепляют большие молекулы. Он включает расщепление, и окисление молекул пищи. Целью катаболических реакций является предоставление энергии и компонентов, необходимых для анаболических реакций. Точный характер этих катаболических реакций отличается между организмами, а организмы могут быть классифицированы на основе их источника энергии и углерода (их простейшие пищевые группы), как показано в таблице ниже. Органические молекулы используются в качестве источника энергии органотрофами, в то время как литотрофы используют неорганические субстраты, а фототрофы улавливают солнечный свет в качестве источника энергии. Тем не менее, все эти различные формы метаболизма зависят от окислительно-восстановительных реакций, которые включают передачу электронов от молекул восстановленного донора, таких как органические молекулы, вода, аммиак, сероводород или ионы железа, акцепторные молекулы, такие как кислород, нитрат и сульфат. У животных эти реакции включают сложные органические молекулы, расщепляющиеся на более простые молекулы, такие как двуокись углерода и вода. У фотосинтезирующих организмов, таких как растения и цианобактерии эти окислительно - восстановительные реакции не выделяют энергию, но используются как способ сохранения энергии получаемой от солнечного света.

Наиболее распространенный набор катаболических реакций у животных может быть разделен на три основных этапа. На первом – большие органические молекулы, такие как белки, полисахариды или липиды расщепляются на более малые компоненты вне клеток. Далее, более маленькие молекулы, берутся клетками и превращаются в еще более маленькие молекулы, обычно ацетил коэнзим А (ацетил CoA), которые выделяют часть энергии. В конце ацетильная группа СоА окисляется до воды и двуокиси углерода в цикле трикарбоновых кислот и транспортной цепи электронов, выделяя энергию, которая хранится за счет восстановления кофермента динуклеотид никотинамид аденина (НАД+) до НАДФ.

Усвоение

Макромолекулы, такие как крахмал, целлюлоза или белки, не могут быстро поглощаться клетками и должны быть расщеплены на более мелкие единицы, прежде чем они могут использоваться в метаболизме клетки. Несколько общих классов ферментов переваривают эти полимеры. Эти пищеварительные ферменты, включающие протеазы, расщепляющие белки до аминокислот, также как гликозид гидролазы, который расщепляет полисахариды до моносахаридов.

Микробы просто выделяют расщепляющие ферменты в их окружения, в то время как животные выделяют эти ферменты из специальных клеток в их кишечнике. Аминокислоты или сахара, выделенные этими межклеточными ферментами, потом впитываются клетками с помощью специальных белков переноса вещества против градиента химического потенциала.

Энергия с органических компонентов

Катаболизмом углеводов является расщепление углеводов на более мелкие единицы. Углеводы обычно доставляются в клетки после того как они были расщеплены до моносахаридов. Оказавшись внутри, основным путем расщепления является гликолиз, где сахара, такие как глюкоза и фруктоза превращаются в пируват и вырабатываются некоторые аденозинтрифосфаты. Пируват является полупродуктом в некоторых метаболических путях, но в большинстве преобразуется в ацетил СоА и способствует циклу трикарбоновых кислот. Несмотря на то, что вырабатывается несколько аденозинтрифосфатов при цикле трикарбоновых кислот, наиболее важным продуктом является НАДФ, который восстанавливается с НАД+ по мере того как окисляется ацетил СоА. Это окисление выделяет двуокись углерода в качестве отхода. В анаэробных условиях гликолиз выделяет лактат, посредством фермента лактатдегидрогеназа повторно окисляя НАДФ в НАД+ для повторного использования в гликолизе. Альтернативным направлением для расщепления глюкозы является пентозофосфатный шунт, который уменьшает кофермент НАДФH и выделяет пентозные сахара, такие как рибоза, сахарный компонент нуклеиновых кислот.

Жиры катаболизируются гидролизом до свободных жирных кислот и глицерина. Глицерин вступает в гликолиз, и жирные кислоты расщепляются бета окислением для выделения ацетил СоА, который потом способствует циклу трикарбоновых кислот. Жирные кислоты выделяют больше энергии при окислении, чем углеводы, потому что углеводы содержат больше кислорода в их строении.

Аминокислоты либо используются для синтезирования протеинов и других биомолекул, либо окисляются до карбамида или двуокиси углерода в качестве источника энергии. Путь окисления начинается с удаления аминогруппы с помощью трансаминазы. Аминогруппа способствует орнитиновому циклу, оставляя дезамидированный углеродный скелет в форме оксокарбоновой кислоты. Некоторые из этих кетокислот являются полупродуктами в цикле трикарбоновых кислот, например дезаминирование глютаматовых форм α –кетоглутарата. Глюкогеные аминокислоты также могут быть преобразованы в глюкозу посредством глюконеогенеза.

Преобразования энергии

Окислительное фосфорилирование

При окислительном фосфорилировании электроны удаляются из органических молекул в таких местах, как протагоный кислотный цикл передаваемый кислороду, а освободившаяся энергия используется для выработки аденозинтрифосфата (АТФ). У эукариотов это осуществляется с помощью серии белков, в мембранах митохондрии, называемых цепью переноса электронов. У прокариотов эти белки находиться во внутренней мембране клеток. Эти белки используют энергию, выделенную от перехода электронов из редуцированных молекул, например НАДФ в кислород, чтобы протоны прошли через мембрану.

Проходящие в митохондрию протоны создают протонную разность концентраций в мембране и генерируют электрохимический градиент. Эта сила оттесняет протоны назад в митохондрии через основание фермента, называясь АТФ синтезом. Поток протонов заставляет вращаться субъединицу, вызывая изменение положения активного участка области синтеза и фосфорилирование аденозиндифосфата превращая его в АТФ.

Энергия из неорганических соединений

Хемолитотрофия – это тип метаболизма, встречающийся у прокариотов, при котором энергия получается путем окисления неорганических компонентов. Эти организмы могут использовать водород, восстановленные соединения серы (такие как сульфид, сероводород и тиосульфат), двухвалентное железо или аммиак в качестве источников редуцирующей способности и они получают энергию от окисления этих соединений с акцепторами электронов, таких как кислород или нитрит. Эти микробиологические процессы важны в глобальных биогеохимических циклах, таких как ацетогенез, нитрификация и денитрификация и для плодородности почв.

Энергия из света

Энергия солнечных лучей поглощается растениями, цианобактериями, пурпурными бактериями, зелеными серными бактериями и некоторыми простейшими. Этот процесс зачастую связан с преобразованием двуокиси углерода в органические соединения, как часть фотосинтеза. Системы поглощения энергии и усвоения углерода могут, однако работать отдельно у прокариотов, как пурпурные бактерии и зеленые серные бактерии могут использовать солнечный свет как источник энергии, переключаясь между усвоением углерода и ферментацией органических соединений.

У многих организмов поглощение солнечной энергии, в принципе, похоже на окислительное фосфорилирование, так как предполагает хранение энергии как протонный градиент концентрации, а эта протондвижущая сила потом управляет синтезом АТФ. Электроны необходимые для управления этой цепью транспорта электронов происходят от светособирающих белков называемые фотосинтетическими реакционными центрами или родопсины. Реакционные центры разделяются на два вида в зависимости от типа существующего фотосинтетического пигмента, при этом у бактерий присутствует только один тип, в то время как у растений и цианобактерий – два.

У растений, водорослей и цианобактерий фотосистема II использует световую энергию для удаления электронов из воды, выделяя кислород в качестве отхода. Потом электроны движутся в цитохромный b6f комплекс, который использует их энергию, чтобы протолкнуть протоны через тилакоидную мембрану в хлоропласт. Эти протоны возвращаются назад через мембрану, так как они управляют синтезом АТФ. Затем электроны движутся через фотосистему I и потом могут, либо использоваться, чтобы восстановить фермент НАДП+ для использования в цикле Кальвина, либо повторно использоваться для дальнейшего выделения АТФ.

Анаболизм в метаболизме

Связывание углерода

Фотосинтез является синтезом углеводорода из солнечного света и двуокиси углерода (CO2). У растений, цианобактерий и водорослей кислородный фотосинтез расщепляет воду, с выделением кислорода в качестве продукта жизнедеятельности. Этот процесс использует АТФ и НАДФH, вырабатываемые фотосинтетическими реакционными центрами для преобразования CO2 в глицеральдегид-3-фосфат, который потом может преобразован в глюкозу. Эта реакция усвоения углерода осуществляется ферментом рибулозо как часть цикла Кальвина. У растений встречаются три типа фотосинтеза: С3 фотосинтез, С4 фотосинтез и САМ фотосинтез (кислотный метаболизм толстянковых). Они отличаются путем, по которому двуокись углерода вступит в цикл Кальвина, при этом С3 растения усваивают CO2 напрямую, а фотосинтезы С4 и САМ сначала соединяют CO2 с другими соединениями, как адаптация для борьбы с интенсивным солнечным светом и сухими условиями.

У фотосинтетических прокариотов механизмы усвоения углерода более разнообразны. Здесь двуокись углерода может быть усвоена циклом Кальвина, циклом Кребса или карбоксилированием ацетил СоА. Прокариотические хемоавтотрофы тоже усваивают CO2 посредством цикла Кальвина, но используют энергию из органических соединений для управления реакцией.

Углеводы и гликаны

При углеводном метаболизме простые органические кислоты могут быть преобразованы в моносахариды, такие как глюкоза и потом использоваться для создания полисахаридов, таких как крахмал. Выработка глюкозы из таких соединений как пируват, лактат, глицерин, глицеральдегид-3-фосфат и аминокислоты - называется глюконеогенезом. Глюконеогенез преобразует пируват в глюкозо-6-фосфат посредством ряда полупродуктов, многие из которых совместимы с гликолизом. Тем не менее, этот путь не просто обратный гликолиз, так как несколько шагов катализируются не гликолитическими ферментами. Это важно, так как позволяет управлять отдельно формированием и расщеплением глюкозы и предотвращает оба пути работать одновременно в футильном цикле.

Хотя жир является распространенным способом сохранения энергии у позвоночных, например людей, жирные кислоты в этих запасах не могут быть преобразованы в глюкозу посредством глюконеогенеза, потому что эти организмы не могут преобразовать ацетил СоА в пируват; растения делают это, но у животных нет необходимых ферментных машин. В результате, после длительного голодания, позвоночным необходимо вырабатывать кетоновые тела из жирных кислот, чтобы заменить глюкозу в тканях, таких как мозг, которые не могут преобразовывать жирные кислоты. У других организмов, таких как растения и бактерии, эти проблемы решены использованием глиоксилатного цикла, который обходит шаг декарбоксилирования в цикле трикарбоновых кислот и разрешает преобразование ацетила СоА в оксалоацетат, где он может использоваться для выработки глюкозы.

Полисахариды и гликаны образуются последовательным дополнением моносахаридов посредством гликозилтрансферазы из химически активного сахаро-фосфатного донора, например уридиндифосфатглюкоза к акцептору гидроксильной группы в растущем полисахариде. Как и любая из гидроксильных групп на кольце субстрата могут быть акцепторы. Произведенные полисахариды могут обладать прямой или разветвлённой структурой. Произведенные полисахариды сами по себе могут иметь строительные или метаболические функции или могут быть преобразованы в липиды или белки с помощью ферментов называемых олигосахарилтрансферазами.

Жирные кислоты, изопреноиды и стероиды

Жирные кислоты образуются с помощью синтазы жирных кислот (СЖК), которые полимеризуют и потом восстанавливают части ацетил коэнзима А. Ацильные цепи, в жирных кислотах, увеличиваются с помощью цикла реакций и добавляют ацильную группу, восстанавливая ее до этанола - дегидратируя в алкеновую группу и потом снова восстанавливая до алкановой группы. Ферменты биосинтеза жирных кислот делятся на две группы. У животных и грибов, все эти реакции синтеза жирных кислот, выполняются с помощью единственного многоразового белка I типа, в то время, как отдельный тип II ферментов пластид растений и бактерий, выполняет каждый шаг в пути.

Терпены и изопреноиды являются большим классом липидов, включая каротиноиды и формируя крупнейший класс растительных натуральных продуктов. Эти соединения вырабатываются с помощью сборки и модифицирования изопреновых элементов переданных от химически активных предшественников изопентенилпирофосфата и диметилаллилпирофосфата. Данные предшественники могут быть выработаны различными способами. У животных и архебактерий мевалонатный путь производит эти соединения из ацетил коэнзима А. А у растений и бактерий не-мевалонатный путь использует пируват и глицеральдегид-3-фосфат в качестве субстратов. Одной из важных реакций, которая использует этих активированных изопреновых доноров, является биосинтез стероидов. Здесь изопреновые элементы объединяются, чтобы выработать сквален, а затем сворачиваются и формируются в множества колец для производства ланостерола. Ланостерол затем может быть преобразован в другие стероиды, такие как холестерин и эргостерол.

Белки

Организмы различаются способностью синтезирования двадцати общих аминокислот. Большинство бактерий и растений могут синтезировать все двадцать, но млекопитающие могут синтезировать только одиннадцать неосновных аминокислот, поэтому девять незаменимых аминокислот должны быть получены из пищи. Некоторые простые паразиты, например бактерия Микоплазма пневмонии, не обладают синтезом всех аминокислот, и получает их напрямую от организма-хозяина. Все аминокислоты синтезируются из полупродуктов при гликолизе, цикле трикарбоновых кислот или пентозофосфатном цикле. Азот предоставляется глутаматом и глутамином. Синтез аминокислот зависит от образования соответствующей альфа кетокислоты, которая затем трансаминируется для формирования аминокислоты.

Аминокислоты превращаются в белки, объединяясь друг с другом в цепочку с помощью пептидных связей. Каждый другой белок обладает уникальной последовательностью аминокислотных осадков: это его первичная структура. Также как и буквы алфавита могут сочетаться для составления почти бесконечного разнообразия слов, аминокислоты могут объединяться в разные последовательности для формирования огромного разнообразия белков. Белки образуются из аминокислот, которые активированы присоединением к молекуле транспортной РНК по эфирной связи. Данный аминоацил тРНК предшественник вырабатывается при АТФ зависимой реакции выполняемой аминоацилом тРНК синтетазы. Этот аминоацил тРНК затем является субстратом для рибосом, которые объединяют аминокислоты в длинные белковые цепочки, используя информацию о последовательности в информационной РНК.

Синтез и реутилизация нуклеотидов

Нуклеотиды образуются из аминокислот, двуокиси углерода и метановой кислоты в путях, которые требуют большое количество метаболической энергии. Следовательно, большинство организмов имеют эффективные системы для реутилизации сформированных нуклеотидов. Пурины синтезируются как нуклеозиды. Аденин и гуанин образуются из предшественника нуклеозида инозин-монофосфата, который синтезируется, используя атомы из глицина и глутамина и аспарагиновой кислоты, а также формиата, передаваемого от кофермента тетрагидрофолата. С другой стороны, пиримидины синтезируются из основания оротата, формирующийся из глютамина и аспартата.

Ксенобиотики и окислительновосстановительный метаболизм

Все организмы постоянно подвергаются воздействию соединений, которые не могут использоваться в качестве продуктов питания и могут быть вредны при накоплении в клетках, так как они не обладают метаболическими функциями. Такие потенциально опасные соединения называются ксенобиотиками. Ксенобиотики, например, такие как синтетические препараты - яды природного происхождения и антибиотики, обезвреживаемые набором ксенобиотиков метаболизирующими ферментами. У людей они включают оксидазы цитохром P450, УДФ-глюкуронозилтрансферазы и глутатион-S-трансферазы. Эта система ферментов действует в три этапа. В первую очередь, окисляются ксенобиотики (1-й этап), затем водорастворимые группы соединяются в молекулы (2-й этап). Модифицированные водорастворимые ксенобиотики могут быть удалены из клеток, а в многоклеточных организмах могут дальше метаболизироваться прежде чем будут выведены из организма (3-й этап). Эти реакции экологически особенно важны для микробного разложения вредных веществ и биоремедиации загрязненных территорий и нефтяных разливов. Многие из этих микробных реакций совместимы с многоклеточными организмами. Но из-за невероятного разнообразия микробов, они способны справляться с гораздо более широким диапазоном ксенобиотиков, в отличие от многоклеточных организмов, и могут разрушить даже стойкие органические загрязнители, такие как хлорорганические соединения.

Связанной проблемой анаэробных организмов является окислительный стресс. При этих процессах, включающих окислительное фосфорилирование и формирование дисульфидных связей во время сворачивания белка, вырабатываются активные формы кислорода, такие как перекись водорода. Эти вредящие окислители устраняются антиоксидантами, такими как глутатион, и ферментами, например каталазы и пероксидазы.

Регуляция и контроль

Так как окружающие среды живых организмов постоянно меняются, реакции метаболизма должны точно регулироваться, чтобы поддерживать постоянный набор условий внутри клеток. Данную способность называют гомеостазом. Регулирование обмена веществ также позволяет организмам отвечать на сигналы и активно взаимодействовать с окружающими их средами. Для понимания того как контролируются метаболические пути существуют два связанных понятия. Первое, регуляция фермента в метаболическом пути, означает, как повышается и понижается его активность в ответ на сигналы. Второе, контроль, осуществляемый этим ферментом, является эффектом того, что данные изменения в его активности влияют на скорость суммарной реакции метаболического пути (поток по пути). Например, фермент может проявлять большие изменения в активности (т.е. является высоко регулируемым) но если эти изменения не сильно влияют на поток метаболического пути, тогда этот фермент не участвует в управление метаболическим путем.

Существует несколько уровней регуляции метаболизма. При внутренней регуляции метаболический путь самостоятельно регулирует в ответ на изменения уровня субстратов или продуктов; например, уменьшение количества продукта может увеличить поток по метаболическому пути для компенсации. Этот вид регуляции часто включает аллостерическую регуляцию активности нескольких ферментов в пути. Внешний контроль включает клетку в многоклеточном организме, изменяющую его метаболизм в ответ на сигналы от других клеток. Эти сигналы обычно присутствуют в форме растворимых посредников, таких как гормоны и факторы роста, и выявляются специальными рецепторами на поверхности клетки. Затем данные сигналы передаются внутрь клетки системой вторичных посредников, которые зачастую учувствуют в фосфорилировании белков.

Очень хорошим понятным примером внешнего контроля является регуляция метаболизма глюкозы с помощью гормона инсулина. Инсулин вырабатывается в ответ на увеличение уровня глюкозы в крови. Связывание гормона с инсулиновыми рецепторами клеток затем активирует каскад протеинкиназ, что вызывает поглощение глюкозы клетками и преобразование ее в молекулы, такие как жирные кислоты или гликоген. Метаболизм гликогена контролируется активностью фосфорилазы (фермента, расщепляющего гликоген) и гликогенсинтазы (фермента, образующий его). Эти ферменты регулируются взаимным способом с фосфорилированием, ингибирующем гликогенсинтазу, но активирующем фосфорилазу. Инсулин вызывает синтез гликогена, активизируя белок фосфатаз и создавая понижение в фосфорилировании этих ферментов.

Эволюция метаболизма

Главные пути метаболизма, описанные выше, например гликолиз и цикл трикарбоновых кислот, присутствуют во всех трех доменах живых организмов и присутствовали у последнего универсального общего предка. Этот универсальный всеобщий предок был прокариотом и возможно, метаногеном, который имел активный метаболизм аминокислот, нуклеотидов, углеводов и липидов. Сохранение этих древних путей, во время дальнейшей эволюции, может быть результатом того, что эти реакции являлись оптимальным решением конкретных метаболических проблем с путями, такими как гликолиз и цикл трикарбоновых кислот, очень эффективно вырабатывающими их конечные продукты за минимальное количество шагов. Мутационные изменения, затрагивающие сегменты некодирующей ДНК, могут влиять на метаболическую эффективность индивида, у которого происходит мутация. Первые пути метаболизма, основанного на ферментах, могли быть частью пуриннуклеотидного метаболизма, с предшествующими метаболическими путями и были частью древнего РНК мира.

Многие модели были предложены для описания механизмов, благодаря которым развились новые метаболические пути. К ним относится последовательное добавление ферментов к короткому пути предков, увеличение, а затем дивергенция всех путей, а также набор ранее существовавших ферментов и их упорядоченных структур в новый реакционный путь. Относительная важность этих механизмов непонятна, но геномные исследования показали, что ферменты в метаболическом пути, скорее всего, имеют общее происхождение. Многие пути развились постепенно, при этом, новые функции создавались из уже существующих шагов в метаболическом пути. Альтернативная модель, возникшая на основе исследований, отследившие эволюцию структур белка в метаболических сетях, предполагает набор ферментов повсюду, предоставляя их для выполнения аналогичных функций в различных метаболических путях. Эти процессы набора привели к эволюции ферментативной мозаики. Третьим вариантом является то, что некоторые части метаболизма могут существовать как «модули», которые могут быть повторно использованы в различных метаболических путях и выполнять похожие функции у разных молекул.

Развитие новых метаболических путей может вызвать потерю метаболических функций. Например, у некоторых паразитов метаболические процессы, которые не важны для выживания, пропадают, а готовые аминокислоты, нуклеотиды и углеводы могут быть получены от организма-хозяина. Подобные снижения метаболических способностей наблюдаются у эндосимбиотических организмов.

Изучение метаболизма

Классически, метаболизм изучается редукционистским подходом, который фокусируется на отдельном метаболическом пути. Особенно ценным является использование радиоактивных изотопов на организменном, тканевом и клеточном уровнях. Они определяют пути от исходных веществ до конечных продуктов, путем идентификации радиоактивномеченых полупродуктов и продуктов реакции. Ферменты, катализирующие эти химические реакции, затем могут быть очищены, а их кинетики и ответы на ингибиторы, могут быть исследованы. Параллельный подход заключается в выявлении маленьких молекул в клетке или ткани; полный набор этих молекул называется метаболомом. В целом, эти исследования дают хорошее представление о структуре и функции отдельного метаболического пути, но они не полноценны, когда применяются к более сложным системам, например метаболизм целой клетки.

Метаболические сети в клетках являются очень сложными, так как содержат тысячи различных ферментов. Тем не менее, сейчас возможно использовать сложные геномные данные для воссоздания полной сети биохимических реакций и создавать более целостные математические модели, которые могут объяснять и предугадывать их поведение. Эти модели особенно сильны, когда используются для интеграции путей и метаболических данных полученных классическими методами с данными экспрессии генов от протеомных исследований и ДНК-микрочипов. Используя данные технологии, в настоящее время создается модель человеческого метаболизма, которая будет определять будущее лекарств и биохимических исследований. Данные модели сейчас используются в анализе сетей для классификации заболеваний человека в группы, которые имеют общие белки или метаболиты.

Бактериальные метаболические сети являются ярким примером организации «галстук-бабочка». Это структура способна вводить большой спектр биогенных элементов и создавать большое разнообразие продуктов и сложных макромолекул, используя сравнительно немного общих промежуточных веществ.

Основным технологическим применением данной информации является метаболическая инженерия. Здесь организмы, такие как дрожжи, растения или бактерии генетически модифицируются, чтобы сделать их более полезными в биотехнологии и помочь созданию препаратов, например антибиотиков или промышленных химикатов, таких как 1,3-пропандиол и шикимовая кислота. Эти генетические модификации обычно помогают снизить количество энергии используемой для создания продукта, увеличения рождаемости и снижения производственных отходов.

История метаболизма

Термин метаболизм происходит от греческого слова Μεταβολισμός - обмен веществ. История научного исследования метаболизма охватывает несколько столетий и изменилась от изучения интактных животных на начальных исследованиях, до изучения отдельных метаболических реакций в современной биохимии. Первые контролируемые эксперименты в метаболизме человека были опубликованы Санторио в 1614 году в его книге Искусство статической медицины. Он описал собственное взвешивание до и после приема пищи, сна, работы, секса, голодания, питья и выделений. Санторио установил, что большая часть принятой им пищи была потеряна, вследствие как он называл «неощутимого потоотделения».

При таких ранних исследованиях механизмы этих обменных процессов не были распознаны и, считалось, что жизненная сила дает тканям жизнь. В 19-м веке, когда изучалось брожение сахара и превращение его в спирт с помощью дрожжей, Луи Пастер сделал вывод, что брожение катализировалось веществами в клетках дрожжей, которые он назвал «ферментами». Он писал, что «спиртовое брожение - это действие, связанное с жизнью и организацией клеток дрожжей, не со смертью или гниением клеток». Данное открытие, вместе с публикацией Фридриха Вёлера в 1828 году о химическом синтезе мочевины, известной как первое органическое соединение, полученное из неорганических исходных веществ, доказало, что органические соединения химические реакции, встречающиеся в клетках, принципиально не отличались от других разделов химии.

В начале 20-го века Эдуардом Бухнером произошло открытие ферментов, которое отделило изучение химических реакций метаболизма от биологического изучения клеток и охарактеризовало азы биохимии. Масса биохимических знаний быстро увеличилась в начале 20-го века. Одним из самых знаменитых биохимиков был Ханс Кребс, который сделал огромный вклад в изучение метаболизма. Он открыл орнитиновый цикл, а позже, работая с Хансом Корнбергом, цикл трикарбоновых кислот и глиоксилатный цикл. Современным биохимическим исследованиям сильно помогло развитие новых технологий моделирования, например, таких как хроматография, дифракция рентгеновских лучей, ЯМР спектроскопия, радиоизотопная маркировка, электронная микроскопия и молекулярная динамика. Данные технологии позволяют выявлять и подробно анализировать многие молекулы и метаболические пути в клетках.




© Авторы и рецензенты: редакционный коллектив оздоровительного портала "На здоровье!". Все права защищены.


 
Текст сообщения*
Защита от автоматических сообщений
Загрузить изображение
 

nazdor.ru
На здоровье!
Беременность | Лечение | Энциклопедия | Статьи | Врачи и клиники | Сообщество


О проектеКарта сайта β На здоровье! © 2008—2015
nazdor.ru, nazdor.com
Контакты Наш устав

Рекомендации и мнения, опубликованные на сайте, являются справочными или популярными и предоставляются широкому кругу читателей для обсуждения. Указанная информация не заменяет квалифицированную медицинскую помощь, основанную на истории болезни и результатах диагностики. Обязательно проконсультируйтесь с врачом.

Размещенные на сайте информационные материалы, включая статьи, могут содержать информацию, предназначенную для пользователей старше 18 лет согласно Федеральному закону №436-ФЗ от 29.12.2010 года "О защите детей от информации, причиняющей вред их здоровью и развитию".