Informace

6: Metabolické dráhy - Biologie

6: Metabolické dráhy - Biologie


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

6: Metabolické cesty

Osnova kapitoly

Obrázek 5.1 Kolibřík potřebuje energii, aby si udržel delší dobu letu. Pták získává energii přijímáním potravy a přeměnou živin na energii prostřednictvím řady biochemických reakcí. Letové svaly u ptáků jsou extrémně účinné při výrobě energie. (kredit: úprava práce Cory Zanker)

Úvod

Prakticky každý úkol prováděný živými organismy vyžaduje energii. Energie je potřebná k provádění těžké práce a cvičení, ale lidé také spotřebují velké množství energie při přemýšlení a dokonce i během spánku. Živé buňky každého organismu ve skutečnosti neustále využívají energii. Živiny a další molekuly jsou importovány, metabolizovány (štěpeny) a případně syntetizovány do nových molekul, v případě potřeby upraveny, transportovány kolem buňky a mohou být distribuovány do celého organismu. Například velké proteiny, které tvoří svaly, jsou aktivně stavěny z menších molekul. Složité sacharidy se štěpí na jednoduché cukry, které buňka využívá k energii. Stejně jako je energie zapotřebí ke stavbě i demolici budovy, je zapotřebí energie jak pro syntézu, tak pro rozpad molekul. Kromě toho jsou mezi buňkami transportovány signální molekuly, jako jsou hormony a neurotransmitery. Patogenní bakterie a viry jsou pohlceny a rozkládány buňkami. Buňky musí také vyvážet odpad a toxiny, aby zůstaly zdravé, a mnoho buněk musí plavat nebo se pohybovat s okolními materiály prostřednictvím bicích pohybů buněčných přídavků, jako jsou řasinky a bičíky.

Výše uvedené buněčné procesy vyžadují stálý přísun energie. Odkud a v jaké formě tato energie pochází? Jak živé buňky získávají energii a jak ji využívají? Tato kapitola bude diskutovat o různých formách energie a fyzikálních zákonech, kterými se řídí přenos energie. Tato kapitola také popíše, jak buňky využívají energii a doplňují ji a jak jsou chemické reakce v buňce prováděny s velkou účinností.

Budete schopni popsat tyto základní funkce metabolismu:

  • definovat metabolismus
  • popsat roli enzymů v metabolismu
  • uznat, že enzymy jsou bílkoviny
  • popsat roli ATP v buněčných procesech
  • pochopit produkci energie v buňce ze zdrojů, jako je glukóza
  • pochopit produkci ATP ze světla při fotosyntéze

Metabolické dráhy

Procesy výroby a štěpení molekul cukru ilustrují dva typy metabolických cest. Metabolická dráha je řada vzájemně propojených biochemických reakcí, které přeměňují molekulu substrátu nebo molekuly, krok za krokem, přes řadu metabolických meziproduktů, případně poskytující konečný produkt nebo produkty. V případě metabolismu cukru syntetizovala první metabolická cesta cukr z menších molekul a druhá cesta štěpila cukr na menší molekuly. Tyto dva opačné procesy - první vyžadující energii a druhý produkující energii - se označují jako anabolické (stavební) a katabolické (rozpadající se) cesty. V důsledku toho se metabolismus skládá z budování (anabolismus) a degradace (katabolismus).

Obrázek 3: Tento strom ukazuje vývoj různých větví života. Vertikální dimenze je čas. Rané formy života, modré, využívaly anaerobní metabolismus k získávání energie ze svého okolí.

Evoluce metabolických cest

Složitost metabolismu je více než porozumění samotným metabolickým drahám. Metabolická složitost se liší organismus od organismu. Fotosyntéza je primární cestou, ve které fotosyntetické organismy, jako jsou rostliny (většinu globální syntézy provádějí planktonické řasy), sbírají sluneční energii a přeměňují ji na uhlohydráty. Vedlejším produktem fotosyntézy je kyslík, který některé buňky vyžadují k buněčnému dýchání. Během buněčného dýchání kyslík pomáhá při katabolickém rozkladu sloučenin uhlíku, jako jsou uhlohydráty. Mezi produkty tohoto katabolismu patří CO2 a ATP. Některá eukaryota navíc provádějí katabolické procesy bez kyslíku (fermentaci), to znamená, že provádějí nebo využívají anaerobní metabolismus.

Organismy si pravděpodobně vyvinuly anaerobní metabolismus, aby přežily (živé organismy vznikly asi před 3,8 miliardami let, kdy atmosféra postrádala kyslík). Navzdory rozdílům mezi organismy a složitosti metabolismu vědci zjistili, že všechny větve života sdílejí některé stejné metabolické cesty, což naznačuje, že všechny organismy se vyvinuly ze stejného starověkého společného předka ([obrázek 3]). Důkazy naznačují, že v průběhu času se cesty rozcházely a přidaly se k nim specializované enzymy, které umožnily organismům lépe se přizpůsobit jejich prostředí, čímž se zvýšila jejich šance na přežití. Základním principem však zůstává, že všechny organismy musí získávat energii ze svého prostředí a přeměnit ji na ATP, aby mohly provádět buněčné funkce.


Metabolické profily klíčových tkání

Mozek

Neurony obvykle používají jako zdroj energie pouze glukózu. Protože mozek ukládá jen velmi malé množství glykogenu, potřebuje stálý přísun glukózy. Během dlouhých půstů je schopen oxidovat ketolátky.

Játra

Udržování poměrně stabilní koncentrace glukózy v krvi je jednou z hlavních funkcí jater. Toho je dosaženo prostřednictvím glukoneogeneze a syntézy a degradace glykogenu. Když je dostatek acetyl-CoA, syntetizuje ketolátky. Je také místem syntézy močoviny.

Tuková tkáň

Syntetizuje mastné kyseliny a ukládá je jako triacylglyceroly. Glukagon aktivuje lipázu citlivou na hormony, která hydrolyzuje triacylglyceroly za vzniku glycerolu a mastných kyselin. Ty se pak uvolňují do krevního oběhu v lipoproteinech.

Sval

Svaly využívají jako zdroj energie glukózu, mastné kyseliny, ketolátky a aminokyseliny. Obsahuje také rezervu kreatinfosfátu, což je sloučenina s vysokým potenciálem přenosu fosfátů, která je schopna fosforilovat ADP na ATP, čímž produkuje energii bez použití glukózy. Množství kreatinu ve svalu vystačí na udržení cca 3-4 s námahy. Po tomto období sval využívá glykolýzu, nejprve anaerobně (protože je mnohem rychlejší než cyklus kyseliny citronové) a později (když zvýšená kyselost zpomaluje fosfofrutokinázu natolik, že se cyklus kyseliny citronové stane neomezujícím) v aerobních podmínkách .

Ledviny

Může provádět glukoneogenezi a uvolňovat glukózu do krevního řečiště. Je také zodpovědný za vylučování močoviny, elektrolytů atd. Metabolická acidóza může být zvýšeno působením cyklu močoviny, protože syntéza močoviny (která probíhá v játrech) využívá HCO3 - , čímž dále snižuje pH krve. Za těchto okolností může být dusík eliminován společným působením ledvin a jater: přebytečný dusík je nejprve začleněn do glutaminu glutamin syntetázou. Ledvinová glutamináza pak štěpí glutamin v glutamátu a NH3, které ledvina okamžitě vylučuje. Tento proces umožňuje vylučování dusíku bez ovlivnění hladin bikarbonátu v krvi.


Glykolýza probíhá mimo mitochondrie v cytoplazmě. Glykolýza rozkládá molekulu glukózy, která má šest uhlíků, na dvě molekuly.

Jaké procesy se účastní buněčného dýchání? Jak hrají enzymy důležitou roli v mitochondriích? Jak mitochondrie využívají chemiosmu.

Laboratorní zpráva o amyláze Úvod: Enzymy jsou katalytický protein v kvartérní struktuře, který pomáhá při akceleraci molekul nazývaných subs.

Substráty jsou reaktanty nebo výchozí materiály chemických reakcí. Vazba substrátu na aktivní místa orientuje molekuly způsobem, který podporuje bi.

Enzym je katalyzátor, který urychluje chemickou reakci molekul v našem těle snížením aktivační energie. (Campbell a kol., Str. 151 - 152). Activi.

• Sacharózu lze rozložit na glukózu a fruktózu, aby se vyrobila energie. • Glukóza se štěpí na dráhu zvanou „glykolýza“, která produkuje pyruvát.

ÚVOD Trypsin je proteolytický enzym, důležitý pro trávení bílkovin. Enzymy jsou biologické katalyzátory metabolických procesů v buňkách. Kočka.

Během první fáze nazývané fixace uhlíku je oxid uhličitý (Co2) fixován z anorganické molekuly na organickou molekulu (3-PGA) enzymem nazývaným R.

Globulární proteiny mají specifičtější role a spoléhají na „kapsy“ ve svých površích nazývaných vazebná místa (nebo aktivní místa v případě enzymů). Tvar.

Podle Campbellovy biologie buněčné dýchání zní: „[katabolické cesty aerobního a anaerobního dýchání, které rozkládají organické molekuly a.


Příklady katabolismu

Katabolismus sacharidů a lipidů

Cukr používají téměř všechny organismy glukóza jako zdroj energie a uhlíkových řetězců. Glukóza je organizmy uložena ve větších molekulách nazývaných polysacharidy. Těmito polysacharidy mohou být škroby, glykogen nebo jiné jednoduché cukry, jako je sacharóza. Když zvířecí buňky potřebují energii, vysílají signály do částí těla, které ukládají glukózu, nebo konzumují potravu. Glukóza je uvolňována ze sacharidů speciálními enzymy, v první části katabolismu. Glukóza je poté distribuována do těla a ostatní buňky ji mohou využít jako energii. Katabolická cesta glykolýza pak ještě více štěpí glukózu a uvolňuje energii, která je uložena v ATP. Z glukózy se vyrábějí molekuly pyruvátu. Vytvářejí se další katabolické cesty acetát, což je klíčová metabolická intermediární molekula. Acetát se může stát širokou škálou molekul, od fosfolipidů, přes pigmentové molekuly až po hormony a vitamíny.

Tuky, které jsou velkými molekulami lipidů, jsou také degradovány metabolismem, aby vyráběly energii a vytvářely další molekuly. Podobně jako u sacharidů jsou lipidy uloženy ve velkých molekulách, ale lze je rozložit na jednotlivé mastné kyseliny. Tyto mastné kyseliny jsou poté převedeny beta-oxidace do acetátu. Acetát může být opět použit v anabolismu k produkci větších molekul nebo jako součást cyklus kyseliny citronové který řídí dýchání a produkci ATP. Zvířata používají tuky k ukládání velkého množství energie pro budoucí použití. Na rozdíl od škrobů a sacharidů jsou lipidy hydrofobní a neobsahují vodu. Tímto způsobem lze uložit spoustu energie, aniž by velká hmotnost vody zpomalila organismus.

Většina katabolických cest je konvergentní tím, že končí ve stejné molekule. To umožňuje organizmům spotřebovávat a ukládat energii v různých formách, přičemž je stále schopno produkovat všechny molekuly, které potřebuje, v anabolických cestách. Jiné katabolické dráhy, jako je proteinový katabolismus diskutovaný níže, vytvářejí různé intermediární molekuly, které jsou prekurzory, tzv. aminokyselinyk budování nových proteinů.

Proteinový katabolismus

Pokud není přítomen žádný zdroj glukózy nebo je příliš mnoho aminokyselin, molekuly vstoupí do dalších katabolických cest, aby se rozdělily na uhlíkové kostry. Tyto malé molekuly lze kombinovat glukoneogeneze k vytvoření nové glukózy, kterou mohou buňky využít jako energii nebo ji uložit do velkých molekul. Během hladovění mohou buněčné proteiny procházet katabolismem, aby organismus přežil ve vlastních tkáních, dokud nenajde více potravy. Organismy tak mohou žít jen s malým množstvím vody po extrémně dlouhou dobu. Díky tomu jsou mnohem odolnější vůči měnícím se podmínkám prostředí.


Metabolismus pyridoxalfosfátu (vitamín B6).

Pyridoxal 5'-fosfát (PLP) je aktivní formou vitaminu B6, zatímco pyridoxamin, pyridoxal a pyridoxin a jejich fosfátové estery tvoří komplex vitaminu B6. PLP je kofaktor zásadní pro fungování mnoha enzymů zapojených do metabolismu aminokyselin. Existují dvě různé trasy de novo Syntéza PLP přítomná v různých organismech. V první cestě závislé na DOXP se prekurzor PLP pyridoxin 5'-fosfát (PNP) vyrábí ze 4-fosfohydroxyl-L-threoninu (4PHT) a 1-deoxy-D-xylulosa-5-fosfátu (DOXP) působením enzymů PdxA a PdxJ. Tyto prekurzory jsou syntetizovány dvěma nezávislými cestami z metabolitů metabolismu sacharidů. PNP pak může být přeměněn na PLP enzymem pyridoxal 5'-fosfát syntáza (pyridoxamin/pyridoxin 5'-fosfát oxidáza). V druhé cestě nezávislé na DOXP je syntéza PLP katalyzována působením Pdx1 a Pdx2 s glutaminem, ribulóza 5-fosfátem (nebo ribóza 5-fosfátem) a glyceraldehyd 3-fosfátem (nebo glyceronfosfátem) jako substráty [1]. Pyridoxin, pyridoxamin a pyridoxal mohou být fosforylovány působením enzymu pyridoxalkinázy (PdxK) a první dva mohou být převedeny na pozdější působením pyridoxal 5'-fosfátsyntázy uvedené výše.

Ze dvou výše uvedených cest je cesta nezávislá na DOXP de novo Biosyntéza PLP u apicomplexanů Plasmodium falciparum a Toxoplasma gondii. Biosyntéza PLP byla detekována v P. falciparum s experimenty značení Cassera a kol [2] a poté je potvrzeno, že je to dráha nezávislá na DOXP od Wrengera a kol [3]. The de novo biosyntéza PLP působením enzymů Pdx1 a Pdx2 byla také experimentálně prokázána T. gondii [4]. P. falciparum genom má také enzym PdxK, který katalyzuje fosforylaci zachráněného pyridoxalu a dalších vitamerů a jeho aktivita byla také experimentálně ověřena [3]. Ortolog tohoto enzymu je také přítomen v T. gondii genom.


Počátky metabolické nemoci

V roce 1908 britský lékař Sir Archibald Garrod předpokládal, že čtyři dědičné stavy celoživotního trvání – alkaptonurie, pentosurie, albinismus a cystinurie – byly způsobeny defekty ve specifických biochemických drahách v důsledku snížené aktivity nebo úplného nedostatku daného enzymu. Tyto poruchy nazval „vrozenými chybami metabolismu“. Ačkoli se Garrod ve své kategorizaci cystinurie mýlil, jeho poznatky poskytly oboru biochemické genetiky pevný základ a seznam dědičných vrozených chyb metabolismu rychle narostl. Tento článek se primárně zabývá těmito dědičnými metabolickými chorobami, ačkoli buněčný metabolismus ovlivňují i ​​další poruchy, včetně endokrinních chorob (např. Diabetes mellitus a hypotyreóza) a podvýživa (např. Marasmus a kwashiorkor).

Jídlo se v sérii kroků rozkládá buněčnými enzymy (proteiny, které katalyzují přeměnu sloučenin nazývaných substráty) na produkty s odlišnou biochemickou strukturou. Tyto produkty se pak stanou substrátem pro další enzym v metabolické dráze. Pokud enzym chybí nebo má sníženou aktivitu, dráha se zablokuje a tvorba konečného produktu je nedostatečná, což vede k onemocnění. Nízká aktivita enzymu může mít za následek následnou akumulaci substrátu enzymu, který může být ve vysokých hladinách toxický. Kromě toho mohou být při akumulaci substrátu aktivovány menší metabolické cesty, které obvykle zůstávají spící, což může tvořit atypické, potenciálně toxické produkty. Každá buňka v těle obsahuje tisíce metabolických cest, z nichž všechny jsou do určité míry propojeny, takže jediné zablokování může ovlivnit četné biochemické procesy.


Shrnutí autora

Buňky proliferující rakovinu přizpůsobují svůj metabolismus tak, aby podporovaly přeměnu dostupných živin na biomasu, což často zahrnuje zvýšenou rychlost specifických metabolických cest, jako je glykolýza. Překvapivě však pozorujeme, že agregace individuální genové exprese pomocí kanonických lidských metabolických drah často nedokáže zlepšit klasifikaci nerakovinných vs. rakovinotvorných tkání a v úkolu predikovat přežití pacientů s rakovinou. To podporuje představu, že metabolické změny v rakovině přepojují buněčný metabolismus nekonvenčními cestami. Zde představujeme nový algoritmus (MCF), jehož cílem je identifikovat tyto „kompozitní“ metabolické dráhy zprostředkované rakovinou identifikací těch, které nejlépe rozlišují mezi genovou expresí rakovinných a nerakovinných tkání. Je pozoruhodné, že MCF úspěšně vytváří robustní klasifikátory integrující různé datové sady stejného typu rakoviny. Dále ukazujeme, že cesty založené na datech identifikované MCF, na rozdíl od cest založených na kanonické literatuře, úspěšně generují klinicky relevantní rysy, které předpovídají přežití pacientů s rakovinou prsu v nezávislém souboru dat. Naše zjištění tedy naznačují, že metabolismus rakoviny může být přepojen nestandardními kompozitními cestami.

Citace: Auslander N, Wagner A, Oberhardt M, Ruppin E (2016) Data-Driven Metabolic Pathway Compositions Enhance Cancer Survival Prediction. PLoS Compput Biol 12(9): e1005125. https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1005125

Editor: Teresa M. Przytycka, Národní centrum pro biotechnologické informace (NCBI), SPOJENÉ STÁTY AMERICKÉ

Přijato: 22. dubna 2016 Přijato: 30. srpna 2016 Publikováno: 27. září 2016

Autorská práva: © 2016 Auslander a kol. Toto je článek s otevřeným přístupem distribuovaný za podmínek licence Creative Commons Attribution License, která umožňuje neomezené použití, distribuci a reprodukci na jakémkoli médiu za předpokladu, že je uveden původní autor a zdroj.

Financování: Tato práce byla podpořena University of Maryland Institute for Advanced Computer Studies a grantem od Israeli Science Foundation (ISF). Financovatelé neměli žádnou roli v návrhu studie, sběru dat a analýze, rozhodování o zveřejnění nebo přípravě tohoto rukopisu.

Konkurenční zájmy: Autoři prohlásili, že neexistují žádné protichůdné zájmy.


Metabolické inženýrství bakterií

Výnos a produktivita jsou rozhodující pro ekonomiku a životaschopnost bioprocesu. V metabolickém inženýrství je hlavním cílem zvýšení produkce cílového metabolitu prostřednictvím genetického inženýrství. Metabolické inženýrství je praxe optimalizace genetických a regulačních procesů v buňkách za účelem zvýšení produkce určité látky. V posledních letech vývoj technologie rekombinantní DNA a dalších souvisejících technologií poskytl nové nástroje pro přístup ke zlepšení výnosů pomocí genetické manipulace s biosyntetickou cestou. Průmyslové mikroorganismy jako Escherichia coli, Aktinomycetyatd. byly vyvinuty jako biokatalyzátory k zajištění nových nebo k optimalizaci stávajících postupů pro biotechnologickou výrobu chemikálií z obnovitelné rostlinné biomasy. Faktory, jako je okysličení, teplota a pH, byly v průmyslové fermentaci tradičně kontrolovány a optimalizovány, aby se zvýšila produkce metabolitů. Metabolické inženýrství bakterií ukazuje velký rozsah v průmyslové aplikaci, stejně jako tato technika může mít také dobrý potenciál k řešení určitých metabolických onemocnění a problémů životního prostředí v blízké budoucnosti.

Toto je náhled obsahu předplatného, ​​přístup prostřednictvím vaší instituce.


Podívejte se na video: Inner Life Of A Cell - Full Version (Červenec 2022).


Komentáře:

  1. Doughal

    Pravděpodobně jste udělali chybu?

  2. Bagdemagus

    Absolutně s vámi souhlasím. Myslím, že je to skvělý nápad.

  3. Brendyn

    Random found this forum today, and specially register to join the discussion.



Napište zprávu