Informace

6.7: Připojení k jiným metabolickým cestám - biologie


Co se naučíte dělat: Diskutujte o spojení mezi metabolickými cestami

Dozvěděli jste se o katabolismu glukózy, která dodává energii živým buňkám. Mnoho produktů v konkrétní cestě jsou reaktanty v jiných cestách.

Učební cíle

  • Diskutujte o způsobu, jakým metabolické dráhy sacharidů, glykolýza a cyklus kyseliny citronové souvisejí s metabolickými cestami proteinů a lipidů
  • Popište energetický cyklus všech živých organismů

Připojení k jiným metabolickým cestám

Připojení jiných cukrů k metabolismu glukózy

Glykogen, polymer glukózy, je krátkodobá molekula uchovávající energii u zvířat. Pokud je k dispozici adekvátní ATP, přebytečná glukóza se převede na glykogen pro skladování. Glykogen se vyrábí a ukládá v játrech a svalech. Pokud hladina cukru v krvi klesne, glykogen bude odebrán ze skladu. Přítomnost glykogenu ve svalových buňkách jako zdroje glukózy umožňuje produkci ATP delší dobu během cvičení.

Sacharóza je disacharid vyrobený z glukózy a fruktózy spojených dohromady. Sacharóza se štěpí v tenkém střevě a glukóza a fruktóza se absorbují odděleně. Fruktóza je jedním ze tří dietních monosacharidů spolu s glukózou a galaktózou (která je součástí mléčného cukru, disacharidu laktózy), které se během trávení vstřebávají přímo do krevního oběhu. Katabolismus fruktózy i galaktózy produkuje stejný počet molekul ATP jako glukóza.

Připojení proteinů k metabolismu glukózy

Proteiny jsou v buňkách štěpeny různými enzymy. Aminokyseliny jsou většinou recyklovány do nových proteinů. Pokud je však přebytečných aminokyselin nebo je tělo ve stavu hladomoru, některé aminokyseliny budou posunuty do cest katabolismu glukózy. Každá aminokyselina musí mít před vstupem do těchto cest odstraněnu svoji aminoskupinu. Aminoskupina se převede na amoniak. U savců játra syntetizují močovinu ze dvou molekul amoniaku a molekuly oxidu uhličitého. Močovina je tedy hlavním odpadním produktem savců z dusíku pocházejícího z aminokyselin a opouští tělo močí.

Připojení lipidů k ​​metabolismu glukózy

Lipidy, které jsou spojeny s cestami glukózy, jsou cholesterol a triglyceridy. Cholesterol je lipid, který přispívá k pružnosti buněčné membrány a je předchůdcem steroidních hormonů. Syntéza cholesterolu začíná acetyl CoA a probíhá pouze jedním směrem. Proces nelze vrátit zpět a ATP se nevyrábí.

Triglyceridy jsou formou dlouhodobého skladování energie u zvířat. Triglyceridy ukládají asi dvakrát tolik energie než sacharidy. Triglyceridy jsou vyrobeny z glycerolu a tří mastných kyselin. Zvířata si dokážou vyrobit většinu potřebných mastných kyselin. Triglyceridy mohou být vyráběny i štěpeny částmi cest katabolismu glukózy. Glycerol může být fosforylován a probíhá glykolýzou. Mastné kyseliny jsou rozděleny do dvou uhlíkových jednotek, které vstupují do cyklu kyseliny citronové.

Zkus to

Fotosyntéza a buněčný metabolismus se skládají z několika velmi složitých cest. Obecně se má za to, že první buňky vznikly ve vodném prostředí - „polévce“ živin. Pokud se tyto buňky úspěšně rozmnožují a jejich počet se neustále zvyšuje, vyplývá z toho, že buňky začnou vyčerpávat živiny z média, ve kterém žili, protože živiny přesunuly do svých vlastních buněk. Tato hypotetická situace by měla za následek přirozený výběr upřednostňující ty organismy, které by mohly existovat, pomocí živin, které zůstaly v jejich prostředí, a manipulací s těmito živinami do materiálů, které by mohly použít k přežití. Kromě toho by výběr upřednostňoval ty organismy, které by mohly z dostupných živin získat maximální hodnotu.

Vyvinula se raná forma fotosyntézy, která využívala sluneční energii pomocí sloučenin jiných než voda jako zdroj atomů vodíku, ale tato cesta neprodukovala volný kyslík. Předpokládá se, že před touto dobou se vyvinula glykolýza, která by mohla využít výhod produkce jednoduchých cukrů, ale tyto reakce nedokázaly plně extrahovat energii uloženou v sacharidech. Pozdější forma fotosyntézy používala vodu jako zdroj vodíkových iontů a generovala volný kyslík. Časem se atmosféra okysličila. Živé věci přizpůsobené k využití této nové atmosféry a umožnily dýchání, jak ho známe, aby se vyvíjelo. Když se rozvinul celý proces fotosyntézy, jak jej známe, a atmosféra se okysličila, buňky konečně mohly využít kyslík vyloučený fotosyntézou k extrahování více energie z molekul cukru pomocí cyklu kyseliny citrónové.

Učební cíle

Rozklad a syntéza sacharidů, bílkovin a lipidů se spojuje s cestami katabolismu glukózy. Sacharidy, které se mohou také živit v katabolismu glukózy, zahrnují galaktózu, fruktózu a glykogen. Ty se spojují s glykolýzou. Aminokyseliny z proteinů se spojují s katabolismem glukózy prostřednictvím pyruvátu, acetyl CoA a složek cyklu kyseliny citrónové. Syntéza cholesterolu začíná acetyl CoA a složky triglyceridů jsou zachyceny acetyl CoA a vstupují do cyklu kyseliny citrónové.

Dodatečná otázka pro vlastní kontrolu

Popsali byste metabolické cesty jako přirozeně nehospodárné nebo ze své podstaty ekonomické a proč?

[řádky cvičné oblasti = ”4 ″] [/cvičná oblast]
[odhal-odpověď q = ”810103 ″] Zobrazit odpověď [/odhalit-odpověď]
[skrytá odpověď a = ”810103 ″] Jsou velmi ekonomické. Substráty, meziprodukty a produkty se pohybují mezi cestami a reagují na jemně vyladěné smyčky inhibice zpětné vazby, které udržují metabolismus celkově na rovnoměrném kýlu. Meziprodukty v jedné dráze se mohou vyskytovat v jiné a mohou se plynule pohybovat z jedné dráhy do druhé v reakci na potřeby buňky. [/Skrytá odpověď]

Energetický cyklus

Živé věci přistupují k energii rozkladem molekul uhlohydrátů. Pokud však rostliny vytvářejí molekuly uhlohydrátů, proč by je musely rozkládat? Sacharidy jsou skladovací molekuly energie ve všech živých věcech. Přestože energii lze ukládat do molekul, jako je ATP, sacharidy jsou mnohem stabilnější a účinnější zásobníky chemické energie. Fotosyntetické organismy také provádějí reakce dýchání, aby sbíraly energii, kterou mají uloženou v sacharidech, například rostliny mají kromě chloroplastů také mitochondrie.

Možná jste si všimli, že celková reakce na fotosyntézu:

je opakem celkové reakce na buněčné dýchání:

Fotosyntéza produkuje kyslík jako vedlejší produkt a dýchání produkuje oxid uhličitý jako vedlejší produkt.

V přírodě nic takového jako odpad neexistuje. Každý jeden atom hmoty je konzervován a recyklován na neurčito. Látky mění formu nebo se pohybují z jednoho typu molekuly na jiný, ale nikdy nezmizí (obrázek 2).

CO2 není více formou odpadu produkovaného dýcháním, než kyslík je odpadním produktem fotosyntézy. Oba jsou vedlejšími produkty reakcí, které přecházejí na jiné reakce. Fotosyntéza absorbuje energii k tvorbě sacharidů v chloroplastech a aerobní buněčné dýchání uvolňuje energii pomocí kyslíku k rozkladu sacharidů v mitochondriích. Obě organely používají řetězce transportu elektronů ke generování energie potřebné k pohonu dalších reakcí. Fotosyntéza a buněčné dýchání fungují v biologickém cyklu, což umožňuje organismům přístup k energii udržující život, která pochází miliony mil daleko ve hvězdě.

Cvičná otázka

Vysvětlete vzájemnou povahu čistých chemických reakcí pro fotosyntézu a dýchání.

[řádky cvičné oblasti = ”4 ″] [/cvičná oblast]
[odhal-odpověď q = ”130952 ″] Zobrazit odpověď [/odhalit-odpověď]
[skrytá odpověď a = ”130952 ″] Fotosyntéza bere energii slunečního světla a kombinuje vodu a oxid uhličitý za vzniku cukru a kyslíku jako odpadního produktu. Reakce dýchání odebírají cukr a spotřebovávají kyslík, aby jej rozložily na oxid uhličitý a vodu a uvolňovaly energii. Reaktanty fotosyntézy jsou tedy produkty dýchání a naopak. [/Skrytá odpověď]

Zkontrolujte své porozumění

Odpovězte na níže uvedené otázky a zjistěte, jak dobře rozumíte tématům uvedeným v předchozí části. Tento krátký kvíz ano ne započítejte do své třídy ve třídě a můžete ji opakovat neomezeně mnohokrát.

Pomocí tohoto kvízu zkontrolujte své porozumění a rozhodněte se, zda (1) prostudujete předchozí část dále, nebo (2) přejdete do další části.


4.5 Připojení k jiným metabolickým cestám

Dozvěděli jste se o katabolismu glukózy, která dodává energii živým buňkám. Ale živé věci konzumují více než jen glukózu na jídlo. Jak krůtí sendvič, který obsahuje bílkoviny, dodává energii vašim buňkám? K tomu dochází, protože všechny katabolické cesty pro sacharidy, proteiny a lipidy se nakonec spojí do glykolýzy a drah cyklu kyseliny citrónové (obrázek 4.20). Metabolické cesty by měly být považovány za porézní - to znamená, že látky vstupují z jiných cest a jiné látky odcházejí na jiné cesty. Tyto cesty nejsou uzavřené systémy. Mnoho produktů v konkrétní cestě jsou reaktanty v jiných cestách.

Připojení jiných cukrů k metabolismu glukózy

Glykogen, polymer glukózy, je krátkodobá molekula uchovávající energii u zvířat. Pokud je k dispozici adekvátní ATP, přebytečná glukóza se převede na glykogen pro skladování. Glykogen se vyrábí a ukládá v játrech a svalech. Pokud hladina cukru v krvi klesne, glykogen bude odebrán ze skladu. Přítomnost glykogenu ve svalových buňkách jako zdroje glukózy umožňuje produkci ATP delší dobu během cvičení.

Sacharóza je disacharid vyrobený z glukózy a fruktózy spojených dohromady. Sacharóza se štěpí v tenkém střevě a glukóza a fruktóza se absorbují odděleně. Fruktóza je jedním ze tří dietních monosacharidů spolu s glukózou a galaktózou (která je součástí mléčného cukru, disacharidu laktózy), které se během trávení vstřebávají přímo do krevního oběhu. Katabolismus fruktózy i galaktózy produkuje stejný počet molekul ATP jako glukóza.

Připojení proteinů k metabolismu glukózy

Proteiny jsou v buňkách štěpeny různými enzymy. Aminokyseliny jsou většinou recyklovány do nových proteinů. Pokud je však přebytečných aminokyselin nebo je tělo ve stavu hladomoru, některé aminokyseliny budou posunuty do cest katabolismu glukózy. Každá aminokyselina musí mít před vstupem do těchto cest odstraněnu svoji aminoskupinu. Aminoskupina se převede na amoniak. U savců játra syntetizují močovinu ze dvou molekul amoniaku a molekuly oxidu uhličitého. Močovina je tedy hlavním odpadním produktem savců z dusíku pocházejícího z aminokyselin a opouští tělo močí.

Připojení lipidů k ​​metabolismu glukózy

Lipidy, které jsou spojeny s cestami glukózy, jsou cholesterol a triglyceridy. Cholesterol je lipid, který přispívá k pružnosti buněčné membrány a je předchůdcem steroidních hormonů. Syntéza cholesterolu začíná acetyl CoA a probíhá pouze jedním směrem. Proces nelze vrátit zpět a ATP se nevyrábí.

Triglyceridy jsou formou dlouhodobého skladování energie u zvířat. Triglyceridy ukládají asi dvakrát tolik energie než sacharidy. Triglyceridy jsou vyrobeny z glycerolu a tří mastných kyselin. Zvířata si dokážou vyrobit většinu potřebných mastných kyselin. Triglyceridy mohou být vyráběny i štěpeny částmi cest katabolismu glukózy. Glycerol může být fosforylován a probíhá glykolýzou. Mastné kyseliny jsou rozděleny do dvou uhlíkových jednotek, které vstupují do cyklu kyseliny citronové.

Evoluční připojení

Dráhy fotosyntézy a buněčného metabolismu

Fotosyntéza a buněčný metabolismus se skládají z několika velmi složitých cest. Obecně se má za to, že první buňky vznikly ve vodném prostředí - „polévce“ živin. Pokud se tyto buňky úspěšně rozmnožují a jejich počet se neustále zvyšuje, vyplývá z toho, že buňky začnou vyčerpávat živiny z média, ve kterém žili, protože živiny přesunuly do svých vlastních buněk. Tato hypotetická situace by měla za následek přirozený výběr upřednostňující ty organismy, které by mohly existovat, pomocí živin, které zůstaly v jejich prostředí, a manipulací s těmito živinami do materiálů, které by mohly použít k přežití. Kromě toho by výběr upřednostňoval ty organismy, které by mohly z dostupných živin získat maximální hodnotu.

Vyvinula se raná forma fotosyntézy, která využívala sluneční energii pomocí sloučenin jiných než voda jako zdroj atomů vodíku, ale tato cesta neprodukovala volný kyslík. Předpokládá se, že před touto dobou se vyvinula glykolýza, která by mohla využít výhod produkce jednoduchých cukrů, ale tyto reakce nedokázaly plně extrahovat energii uloženou v sacharidech. Pozdější forma fotosyntézy používala vodu jako zdroj vodíkových iontů a generovala volný kyslík. Časem se atmosféra okysličila. Živé věci přizpůsobené k využití této nové atmosféry a umožnily dýchání, jak ho známe, aby se vyvíjelo. Když se vyvinul celý proces fotosyntézy, jak jej známe, a atmosféra se okysličila, buňky konečně mohly využít kyslík vyloučený fotosyntézou k extrahování více energie z molekul cukru pomocí cyklu kyseliny citrónové.


Připojení jiných cukrů k metabolismu glukózy

Glykogen, polymer glukózy, je krátkodobá molekula uchovávající energii u zvířat. Pokud je k dispozici adekvátní ATP, přebytečná glukóza se převede na glykogen pro skladování. Glykogen se vyrábí a ukládá v játrech a svalech. Pokud hladina cukru v krvi klesne, glykogen bude odebrán ze skladu. Přítomnost glykogenu ve svalových buňkách jako zdroje glukózy umožňuje produkci ATP delší dobu během cvičení.

Sacharóza je disacharid vyrobený z glukózy a fruktózy spojených dohromady. Sacharóza se štěpí v tenkém střevě a glukóza a fruktóza se absorbují odděleně. Fruktóza je jedním ze tří dietních monosacharidů spolu s glukózou a galaktózou (která je součástí mléčného cukru, disacharidu laktózy), které se během trávení vstřebávají přímo do krevního oběhu. Katabolismus fruktózy i galaktózy produkuje stejný počet molekul ATP jako glukóza.


Metabolické cesty pro zprostředkující metabolismus (3 cesty)

Následující body zdůrazňují tři hlavní metabolické cesty pro přechodný metabolismus. Metabolické cesty jsou: 1. Metabolismus sacharidů 2. Metabolismus lipidů 3. Metabolismus aminokyselin.

Metabolická cesta # 1. Metabolismus sacharidů:

A. Pyruvát a laktát se tvoří v savčích buňkách v důsledku oxidace a štěpení glukózy glykolýzou.

b. Glykolýza se vyskytuje v cytoplazmě buněk bez přítomnosti laktátu produkujícího kyslík. s

C. Za aerobních podmínek se pyruvát me & shytabolized na acetyl-CoA, který vstupuje do cyklu kyseliny citrónové pro úplnou oxidaci na CO2 a H.2Ó.

d. Glukóza se také účastní dalšího metabolického procesu následujícím způsobem:

(i) Je přeměňován na glykogen jako zásobárna a štěnice, zejména v játrech a kosterních svalech.

(ii) HMP zkrat nebo pentózo -fosfát -shyfátové dráhy vznikající z interme & shydiates glykolýzy jsou zdrojem re & shyducing ekvivalentů (2H) pro biosyntézu a syntézu mastných kyselin, cholesterolu atd. a je zdrojem ribózy, která je důležitá pro tvorbu nukleových kyselin.

(iii) Triosefosfát glykolýzy je zdrojem glycerolu v tuku.

(iv) Pyruvát a meziprodukty cyklu kyseliny citronové tvoří aminokyseliny a acetyl-CoA je stavebním kamenem mastných kyselin s dlouhým řetězcem a choles & shyterol, předchůdce všech steroidních hormonů v těle.

Metabolická cesta # 2. Metabolismus lipidů:

A. Mastné kyseliny s dlouhým řetězcem jsou syntetizovány ve formě acetyl-CoA odvozeného z karbohydrátu a shydrátu nebo z dietního lipidu.

b. V tkáních se mastné kyseliny oxidují na acetyl-CoA nebo esterifikují na acyl-glycerol za vzniku tuku, který je hlavní kalorickou rezervou těla.

C. Acetyl -CoA vytvořený beta -oxidací má v těle následující významné role:

(i) Uvolňuje CP2 a H.2O a také poskytuje vysokou energii. Proto během oxidace mastných kyselin β-oxi & shydationem na jejich úplnou oxidaci vzniká více energie.

(ii) Je zdrojem biosyntézy a syntézy cholesterolu.

(iii) V játrech tvoří ketolátky, které jsou alternativními ve vodě rozpustnými tkáňovými palivy. Tato paliva se stávají důležitými zdroji energie za podmínek cer a shytain (např. Hladovění).

Metabolická cesta # 3. Metabolismus aminokyselin:

A. Aminokyseliny jsou nezbytné pro syntézu a syntézu bílkovin.

b. Esenciální aminokyseliny je nutné doplňovat ve stravě, protože nejsou syntetizovány a syntetizovány tkáněmi.

C. Dieta může dodávat neesenciální aminokyseliny, které se také tvoří z meziproduktů cyklu kyseliny citrónové transaminací.

d. Přebytečný aminodusík v důsledku deaminace aminokyselin se odstraní jako močovina a uhlíkové kostry, které zůstanou po transaminaci, poskytnou následující produkty:


Připojení proteinů k metabolismu glukózy

Proteiny jsou v buňkách štěpeny různými enzymy. Aminokyseliny se většinou recyklují do nových proteinů. Pokud je však přebytečných aminokyselin nebo je tělo ve stavu hladomoru, některé aminokyseliny budou posunuty do cest katabolismu glukózy. Každá aminokyselina musí mít před vstupem do těchto cest odstraněnu svoji aminoskupinu. Aminoskupina se převede na amoniak. U savců játra syntetizují močovinu ze dvou molekul amoniaku a molekuly oxidu uhličitého. Močovina je tedy hlavním odpadním produktem savců z dusíku pocházejícího z aminokyselin a opouští tělo močí.


Inhibice zpětné vazby v metabolických cestách

Molekuly mohou regulovat funkci enzymů mnoha způsoby. Hlavní otázkou však zůstává: Jaké jsou tyto molekuly a odkud pocházejí? Jak jste se dozvěděli, některé jsou kofaktory a koenzymy. Jaké další molekuly v buňce zajišťují enzymatickou regulaci, jako je alosterická modulace a kompetitivní a nekompetitivní inhibice? Snad nejrelevantnějšími zdroji regulačních molekul, pokud jde o enzymatický buněčný metabolismus, jsou produkty samotných buněčných metabolických reakcí. Nejúčinnějším a nejelegantnějším způsobem se buňky vyvinuly tak, aby využívaly produkty svých vlastních reakcí pro zpětnou vazbu inhibice aktivity enzymů. Inhibice zpětné vazby zahrnuje použití reakčního produktu k regulaci jeho vlastní další produkce (Obrázek 11). Buňka reaguje na nadbytek produktů zpomalením produkce během anabolických nebo katabolických reakcí. Takové reakční produkty mohou inhibovat enzymy, které katalyzovaly jejich produkci výše popsanými mechanismy.

Obrázek 11 Metabolické dráhy jsou sérií reakcí katalyzovaných více enzymy. Inhibice zpětné vazby, kde konečný produkt dráhy inhibuje upstream proces, je důležitým regulačním mechanismem v buňkách.

Produkce jak aminokyselin, tak nukleotidů je řízena inhibicí zpětné vazby. ATP je navíc alosterický regulátor některých enzymů zapojených do katabolického rozkladu cukru, což je proces, který vytváří ATP. Tímto způsobem, když je ATP v hojné nabídce, může buňka zabránit produkci ATP. Na druhé straně ADP slouží jako pozitivní alosterický regulátor (alosterický aktivátor) pro některé stejné enzymy, které jsou inhibovány ATP. Když jsou tedy relativní hladiny ADP vysoké ve srovnání s ATP, buňka je spuštěna k produkci více ATP prostřednictvím katabolismu cukru.


Dvě fáze glykolýzy

  1. Fáze I nebo Přípravná fáze Skládá se z prvních 5 kroků. Při těchto reakcích je glukóza enzymaticky fosforylována pomocí ATP (nejprve na uhlíku 6 a později na uhlíku 1), čímž se získá 1,6-difosfát fruktózy, který se poté rozdělí na polovinu za vzniku 2 molů 3-uhlíkové sloučeniny, glyceraldehyd-3-fosfátu. První fáze glykolýzy tedy vede ke štěpení hexózového řetězce. Tato fáze vyžaduje investici 2 molů ATP k aktivaci (nebo naplnění) molekuly glukózy a její přípravě na štěpení na dvě části se třemi uhlíky. Kromě glukózy se na glyceraldehyd 3-fosfát mohou převádět také jiné hexózy, jako je D-fruktóza, D-galaktóza a D-manóza.
  2. Fáze II nebo Fáze výplaty Tuto fázi tvoří posledních 5 reakcí glykolýzy. Tato fáze představuje výplatu glykolýzy, ve které se energie uvolněná při přeměně 3 molů glyceraldehyd-3-fosfátu na 2 moly pyruvátu převede spojenou fosforylací 4 molů ADP na ATP. Ačkoli se ve fázi II tvoří 4 moly ATP, čistý celkový výtěžek je pouze 2 moly ATP na mol oxidované glukózy, protože do fáze I jsou investovány 2 moly ATP. Fáze II tedy šetří energii.
  1. Fosfátové skupiny jsou zcela ionizovány při pH 7, takže každý z 9 meziproduktů glykolýzy získá čistý záporný náboj. Protože buněčné membrány jsou obecně nepropustné pro nabité molekuly, nemohou glykolytické meziprodukty z buňky uniknout. Pouze glukóza může vstoupit do buněk a pyruvát nebo laktát mohou opustit buňky, protože buněčné membrány mají specifické transportní systémy, které umožňují průchod těchto molekul.
  2. Fosfátové skupiny jsou základními součástmi zachování energie, protože jsou nakonec přeneseny do ADP za vzniku ATP.
  3. Fosfátové skupiny působí jako rozpoznávací nebo vazebné skupiny potřebné pro správné přizpůsobení glykolytických meziproduktů k aktivnímu místu jejich odpovídajících enzymů.

Metabolické cesty

Metabolic Pathways, svazek II, se zaměřuje na metabolismus, biosyntézu a katabolismus aminokyselin. Výběr nejprve nabízí informace o metabolismu aminokyselin dusíkem a uhlíkem. Diskuze se zaměřují na aminokyseliny spojené s cyklem kyseliny citrónové, sírovými aminokyselinami, prolinem a hydroxyprolinem, histidinem, hydroxyaminokyselinami, biosyntézou močoviny a souvisejícími systémy a deamidací. Text pak uvažuje o biosyntéze aminokyselin a příbuzných sloučenin a metabolismu sloučenin obsahujících síru. Témata zahrnují metabolismus methioninu, biotinu, biologický význam síry u zvířat, interkonverze kyseliny glutamové, ornithinu a prolinů a biosyntézu aminokyselin s rozvětveným řetězcem. Publikace se zaměřuje na syntézu proteinů, purinů a pyrimidinů a nukleotidů a nukleosidů, včetně složek nukleotidů, degradaci purinu a začlenění předem vytvořených purinových sloučenin do nukleových kyselin. Výběr je cennou referencí pro vědce, kteří se zajímají o metabolismus, katabolismus a biosyntézu aminokyselin.

Metabolic Pathways, svazek II, se zaměřuje na metabolismus, biosyntézu a katabolismus aminokyselin. Výběr nejprve nabízí informace o metabolismu aminokyselin dusíkem a uhlíkem. Diskuze se zaměřují na aminokyseliny spojené s cyklem kyseliny citrónové, sírovými aminokyselinami, prolinem a hydroxyprolinem, histidinem, hydroxyaminokyselinami, biosyntézou močoviny a souvisejícími systémy a deamidací. Text pak uvažuje o biosyntéze aminokyselin a příbuzných sloučenin a metabolismu sloučenin obsahujících síru. Témata zahrnují metabolismus methioninu, biotinu, biologický význam síry u zvířat, interkonverze kyseliny glutamové, ornithinu a prolinů a biosyntézu aminokyselin s rozvětveným řetězcem. Publikace se zaměřuje na syntézu proteinů, purinů a pyrimidinů a nukleotidů a nukleosidů, včetně složek nukleotidů, degradaci purinu a začlenění předem vytvořených purinových sloučenin do nukleových kyselin. Výběr je cennou referencí pro vědce, kteří se zajímají o metabolismus, katabolismus a biosyntézu aminokyselin.


Shrnutí kapitoly

Buňky plní funkce života prostřednictvím různých chemických reakcí. Buněčný metabolismus se týká kombinace chemických reakcí, které v něm probíhají. Katalytické reakce rozkládají složité chemikálie na jednodušší a jsou spojeny s uvolňováním energie. Anabolické procesy vytvářejí složité molekuly z jednodušších a vyžadují energii.

Při studiu energie se pojem systém vztahuje na hmotu a prostředí zapojené do přenosů energie. Entropie je měřítkem poruchy systému. Fyzikální zákony, které popisují přenos energie, jsou termodynamické zákony. První zákon říká, že celkové množství energie ve vesmíru je konstantní. Druhý termodynamický zákon uvádí, že každý přenos energie zahrnuje určitou ztrátu energie v nepoužitelné formě, jako je tepelná energie. Energie přichází v různých formách: kinetická, potenciální a volná. Změna volné energie reakce může být negativní (uvolňuje energii, exergonická) nebo pozitivní (spotřebovává energii, endergonická). Všechny reakce vyžadují pro pokračování počáteční vstup energie, který se nazývá aktivační energie.

Enzymy jsou chemické katalyzátory, které urychlují chemické reakce snížením jejich aktivační energie. Enzymy mají aktivní místo s jedinečným chemickým prostředím, které vyhovuje konkrétním chemickým reaktantům pro tento enzym, nazývané substráty. Enzymy a substráty se předpokládají, že se vážou podle modelu s indukovanou vhodností. Činnost enzymu je regulována tak, aby šetřila zdroje a optimálně reagovala na životní prostředí.

4.2 Glykolýza

ATP funguje jako energetická měna pro buňky. Umožňuje buňkám krátkodobě ukládat energii a transportovat ji do sebe, aby podpořilo endergonické chemické reakce. Struktura ATP je struktura nukleotidu RNA se třemi připojenými fosfátovými skupinami. Protože se ATP používá pro energii, oddělí se fosfátová skupina a vytvoří se ADP. Energie odvozená z katabolismu glukózy se používá k dobití ADP do ATP.

Glykolýza je první cestou, která se používá při štěpení glukózy k získávání energie. Protože je používán téměř všemi organismy na Zemi, musel se vyvinout na počátku historie života. Glykolýza se skládá ze dvou částí: První část připravuje šest uhlíkový kruh glukózy k oddělení na dva tříuhlíkové cukry. Během tohoto kroku je do molekuly investována energie z ATP, aby se separace energizovala. Druhá polovina glykolýzy extrahuje ATP a vysokoenergetické elektrony z atomů vodíku a připojuje je k NAD +. V první polovině jsou investovány dvě molekuly ATP a během druhé poloviny jsou vytvořeny čtyři molekuly ATP. To vytváří čistý zisk dvou ATP molekul na molekulu glukózy pro buňku.

4.3 Cyklus kyseliny citrónové a oxidační fosforylace

Cyklus kyseliny citronové je řada chemických reakcí, které odstraňují vysokoenergetické elektrony a používají je v řetězci transportu elektronů ke generování ATP. Na každé otočení cyklu se vyrobí jedna molekula ATP (nebo ekvivalent).

Elektronový transportní řetězec je část aerobního dýchání, která využívá volný kyslík jako konečný akceptor elektronů pro elektrony odstraněné z meziproduktů při katabolismu glukózy. Elektrony procházejí řadou chemických reakcí, přičemž ve třech bodech se malé množství volné energie používá k přepravě vodíkových iontů přes membránu. To přispívá k gradientu používanému v chemiosmóze. Jak elektrony procházejí z NADH nebo FADH2 v řetězci transportu elektronů ztrácejí energii. Produkty řetězce přenosu elektronů jsou voda a ATP. Řada meziproduktů může být odkloněna do anabolismu jiných biochemických molekul, jako jsou nukleové kyseliny, neesenciální aminokyseliny, cukry a lipidy. Tyto stejné molekuly, kromě nukleových kyselin, mohou sloužit jako zdroje energie pro cestu glukózy.

4.4 Kvašení

Pokud NADH nelze metabolizovat aerobním dýcháním, použije se jiný akceptor elektronů. Většina organismů použije nějakou formu fermentace k dosažení regenerace NAD +, což zajistí pokračování glykolýzy. Regenerace NAD + ve fermentaci není doprovázena produkcí ATP, proto potenciál NADH produkovat ATP pomocí elektronového transportního řetězce není využíván.

4.5 Připojení k jiným metabolickým cestám

Rozklad a syntéza sacharidů, bílkovin a lipidů se spojuje s cestami glukózového katabolismu. Sacharidy, které se mohou také živit katabolismem glukózy, zahrnují galaktózu, fruktózu a glykogen. Ty se spojují s glykolýzou. Aminokyseliny z proteinů se spojují s katabolismem glukózy prostřednictvím pyruvátu, acetyl CoA a složek cyklu kyseliny citrónové. Syntéza cholesterolu začíná acetyl CoA a složky triglyceridů jsou zachyceny acetyl CoA a vstupují do cyklu kyseliny citrónové.


Závěrečné poznámky a výhledy do budoucna

V tomto přehledu jsme diskutovali o tom, jak může metabolismus formovat epigenomickou krajinu a potenciálně generovat stabilní a dokonce transgeneračně dědičné funkční důsledky v různých kontextech. Je obzvláště vzrušující pro pole epigenetiky i metabolismu vidět, že metabolicky regulované epigenetické modifikace zahrnují široké spektrum enzymatických a neenzymatických modifikací na molekulách histonu, DNA a RNA za metylačními a acetylačními značkami ‘ canonical ’. K charakterizaci kinetického a termodynamického chování těchto ‘ nekanonických ’ značek a kontextově specifické dynamiky v reakci na metabolismus je zapotřebí rozsáhlé práce.

Všechny dosud zmíněné metabolicky regulované chromatin modifikující enzymy jsou epigenetické ‘ spisovatelé ’ a 𠆎rasery ’ pro kovalentní modifikace chromatinu. Zejména dosud jsme nezahrnuli ATP-dependentní komplexy remodelace chromatinu 222 �, a to díky vysoké koncentraci intracelulárního ATP, která daleko přesahuje hodnoty Km domén ATPázy domén remodelátorů chromatinu nebo jakéhokoli jiného enzymu. Enzymy využívající ATP jsou tedy nasycené substrátem a mají minimální citlivost na změny koncentrací ATP. Nicméně schopnost remodelátorů chromatinu rozpoznat a vázat se s různými metabolicky řízenými histonovými modifikacemi, jako je methylace histonu a acetylace, je rozhodující pro jejich lokalizaci a funkci, a proto metabolismus může regulovat funkce těchto komplexů prostřednictvím těchto modifikací. Metabolity, jako je methionin, αKG, acetyl-CoA, ketolátky a redoxní činidla, potenciálně tímto způsobem regulují funkci remodelovačů chromatinu, ale toto zůstává necharakterizované a vyžaduje další zkoumání.

Navzdory vzrušujícímu pokroku v objevování nových metabolicky regulovaných epigenetických značek je porozumění funkčním výsledkům těchto epigenomických reakcí stále omezené. Nadcházející studie v příštích několika letech by se proto měly zaměřit na vyjasnění kauzální role metabolicky regulované epigenomické krajiny při utváření fenotypových výsledků ve fyziologii a chorobách. Nedávné pokroky v nejmodernějších technikách nabízejí slibné sady nástrojů, abychom dosáhli komplexního a kvantitativního porozumění osy metabolismu a epigenetiky (rámeček 3).

Rámeček 3:

Technologie pro pitvání metabolické a epigenomické krajiny

Two major challenges in the characterization of the metabolically regulated epigenomic landscape are the lack of high-throughput techniques to collect multi-dimensional epigenomic and metabolomic data in a quantitative fashion with sufficient resolution, and the difficulty in demonstrating causality in the association between the two elements. Although chromatin immunoprecipitation followed by sequencing (ChIP-seq) is still the most widely applied technique for genome-scale profiling of histone modifications, alternatives have been developed to increase the coverage and resolution of epigenomic profiles in both bulk tissues and single cells. Global chromatin profiling based on targeted mass spectrometry techniques 259 enables bulk-level, simultaneous quantification of 42 combinations of covalent modifications on histone H3, and has been applied to around 1,000 cancer cell lines in the Cancer Cell Line Encyclopedia (CCLE) 260 . Combined with DNA methylation, transcriptomic and metabolomic profiles 261 in the same collection of cell lines, this multi-omic data set is a valuable resource for studying the quantitative relationship between metabolic activity and epigenomic landscape in cancer cells. A new chromatin-profiling technology termed Cleavage Under Targets and Release Using Nuclease (CUT&RUN) — in which DNA fragments bound to the modified histones are directly cleaved and released instead of undergoing crosslinking, sonication and immunoprecipitation as they do in standard ChIP-seq — has shown increased signal-to-noise ratio, efficiency and resolution and has enabled the profiling of chromatin modifications in very small number of cells 262,263 . Based on CUT&RUN, techniques for chromatin profiling at the single-cell level have also recently been developed 264,265 . Measurements of metabolomic profiles can achieve cellular or subcellular resolution through the application of mass spectrometry techniques 266,267 , potentially allowing the integration of metabolomic and epigenomic profiles at single-cell level.

Regarding the causality underlying any relationship between metabolism and epigenetics, it is of particular importance to understand whether changes in the abundance of a specific metabolite cause changes in the relevant epigenetic modifications, and whether these changes directly cause the observed functional and phenotypic outcomes. Isotope tracing, historically used for estimation of metabolic fluxes 268 , can be applied to quantify the flow of chemical groups from a metabolite to chromatin, thus offering a quantitative measurement of the direct contribution of metabolic pathway activity to chromatin modifications 72,75,221,269 . CRISPR�s9 based epigenome editing 270,271 and synthetic biology approaches 272 , on the other hand, have enabled the targeted, locus-specific deposition or removal of specific epigenetic modifications and the programmable manipulation of components participating in chromatin regulation. These toolkits are providing a valuable opportunity towards us reaching a complete and mechanistic understanding of the metabolically regulated epigenomic landscape in a variety of physiological contexts.

Also unclear is if and how metabolism can dynamically influence the high-level architecture of chromosomes, such as chromatin accessibility, chromosomal looping, and physical properties such as liquid–liquid phase separation. Several theoretical studies have demonstrated that these structural properties of chromatin can be predicted by specific signatures of epigenetic modifications 225� , implying that changes in metabolism could probably alter the overall organization of genome. Furthermore, how metabolic heterogeneity in single cells can influence tissue or organ function through epigenetic regulation is still unknown 229 . This is especially interesting in the context of development where cells from different developmental states coexist. Single-cell multi-omics techniques that enable simultaneous profiling of gene expression, DNA methylation and chromatin accessibility in single cells could help understand this complexity 230� .

Finally, investigating the roles of metabolism and epigenetics in mediating health outcomes due to nutrition and microbiotal commensalism, are underexplored and promising fields of research. Given the genomic and metabolic heterogeneity among individuals, the wide global spectrum of diets and microbiotal composition, and the general complexity of chromatin, many functional links are still yet to be discovered that offer several promising avenues for future research. Integration of large-scale human datasets and machine learning methods along with rigorous biochemistry could be helpful in reconciling these disparate factors to predict health outcomes 234,235 and shed light on future directions for incisive mechanistic studies.