Поток , или метаболический поток скорость оборота молекул через метаболический путь. Поток регулируется ферментами, участвующими в пути. Внутри клетки регуляция потока жизненно важна для всех метаболических путей, чтобы регулировать их активность в различных условиях. [1] Поэтому поток представляет большой интерес для моделирования метаболических сетей, где он анализируется с помощью анализа баланса потоков .
Таким образом, поток - это движение вещества через метаболические сети , которые связаны между собой метаболитами и кофакторами , и, следовательно, способ описания активности метаболической сети в целом с использованием одной характеристики.
Метаболический поток [ править ]
Проще всего описать поток метаболитов путем индивидуального рассмотрения этапов реакции. Поток метаболитов через каждую реакцию (J) - это скорость прямой реакции (V f ), за вычетом скорости обратной реакции (V r ): [2]
В состоянии равновесия потока нет. Кроме того, наблюдается, что на протяжении всего пути устойчивого состояния поток обычно определяется стадией, определяющей скорость реакции.
Контроль метаболического потока [ править ]
Контроль потока через метаболический путь требует, чтобы
- Метаболический поток на этапе определения скорости варьируется в зависимости от метаболических потребностей организма.
- Изменение потока, которое происходит из-за вышеуказанного требования, сообщается остальной части метаболического пути для поддержания устойчивого состояния. [2]
Метаболические сети [ править ]
Клеточный метаболизм представлен большим количеством метаболических реакций, включающих превращение источника углерода (обычно глюкозы ) в строительные блоки, необходимые для биосинтеза макромолекул . Эти реакции образуют метаболические сети внутри клеток. Эти сети затем сами могут быть использованы для изучения метаболизма внутри клеток.
Чтобы эти сети могли взаимодействовать, необходима плотная связь между ними. Эта связь обеспечивается использованием общих кофакторов, таких как АТФ , АДФ , НАДН и НАДФН . В дополнение к этому, совместное использование некоторых метаболитов между разными сетями еще больше укрепляет связи между разными сетями.
Контроль метаболических сетей [ править ]
Существующие метаболические сети контролируют движение молекул через их ферментативные стадии, регулируя ферменты, которые катализируют необратимые реакции. Движение молекул через обратимые стадии обычно не регулируется ферментами, а регулируется концентрацией продуктов и реагентов. [3]Необратимые реакции на регулируемых этапах пути имеют отрицательное изменение свободной энергии, тем самым способствуя спонтанным реакциям только в одном направлении. В обратимых реакциях изменение свободной энергии отсутствует или очень небольшое. В результате движение молекул по метаболической сети регулируется простым химическим равновесием (на обратимых этапах) со специфическими ключевыми ферментами, которые подлежат регулированию (на необратимых этапах). Эта ферментативная регуляция может быть непрямой, если фермент регулируется каким-либо сигнальным механизмом клетки (например, фосфорилирование), или может быть прямой, как в случае аллостерической регуляции , когда метаболиты из другой части метаболической сети связываются непосредственно и влияют на каталитическую функцию других ферментов, чтобы поддерживатьгомеостаз .
Потоки и генотип [ править ]
Метаболические потоки являются функцией экспрессии генов, трансляции , посттрансляционных модификаций белков и взаимодействий белок- метаболит . [4]
Потоки и фенотип [ править ]
Функция центрального углеродного метаболизма (метаболизм глюкозы) была точно настроена для точного удовлетворения потребностей строительных блоков и свободной энергии Гиббса в сочетании с ростом клеток. Таким образом, происходит жесткое регулирование потоков через центральный углеродный метаболизм.
Поток в реакции можно определить на основе одного из трех факторов.
- Активность фермента, катализирующего реакцию
- Свойства фермента
- Концентрация метаболитов, влияющая на активность ферментов. [4]
Принимая во внимание вышесказанное, метаболические потоки можно описать как окончательное представление клеточного фенотипа, выраженного в определенных условиях.
Роль метаболического потока в клетках [ править ]
Регуляция роста клеток млекопитающих [ править ]
Исследования показали, что в быстрорастущих клетках наблюдаются изменения в метаболизме. [5] Эти изменения наблюдаются в отношении метаболизма глюкозы . Изменения в метаболизме происходят потому, что скорость метаболизма контролирует различные пути передачи сигналов, которые координируют активацию факторов транскрипции, а также определяют прогресс клеточного цикла.
Растущие клетки требуют синтеза новых нуклеотидов, мембран и белковых компонентов. [4] [5] Эти материалы могут быть получены в результате метаболизма углерода (например, метаболизма глюкозы) или периферического метаболизма. Усиленный поток, наблюдаемый в аномально растущих клетках, вызван высоким потреблением глюкозы.
Рак [ править ]
Метаболический поток и, в частности, влияние на метаболизм из-за изменений в различных путях, приобрели большое значение, поскольку было обнаружено, что опухолевые клетки демонстрируют усиленный метаболизм глюкозы по сравнению с нормальными клетками. [5] Изучая эти изменения, можно лучше понять механизмы роста клеток и, где это возможно, разработать методы лечения, чтобы противостоять эффектам усиленного метаболизма.
Измерение потоков [ править ]
Есть несколько способов измерения потоков, но все они косвенные. В связи с этим в этих методах делается одно ключевое предположение, заключающееся в том, что все потоки в данный пул внутриклеточных метаболитов уравновешивают все потоки из пула. [4]
Это предположение означает, что для данной метаболической сети баланс каждого метаболита накладывает ряд ограничений на систему.
Используемые в настоящее время методы в основном связаны с использованием ядерного магнитного резонанса ( ЯМР ) или газовой хроматографии-масс-спектрометрии (ГХ-МС).
Для того , чтобы избежать сложностей анализа данных, более простой способ оценки соотношения потоков недавно был разработан , который основан на cofeeding немеченных и равномерно 13 С меченой глюкозой. Затем образцы промежуточного метаболизма анализируют с помощью ЯМР-спектроскопии . Этот метод также можно использовать для определения топологии метаболической сети.
См. Также [ править ]
- Анализ баланса потока
- Метаболизм
- Клеточный цикл
- Анализ метаболического контроля
Ссылки [ править ]
- ^ Воет, Дональд ; Воет, Джудит Г. (1995). Биохимия (2-е изд.). J. Wiley & Sons. п. 439. ISBN. 978-0471586517.
- ^ а б Воет, Дональд; Воет, Джудит Г. (2011). Биохимия (4-е изд.). Джон Вили и сыновья. п. 620. ISBN 978-0-470-57095-1.
- ^ Нельсон, Дэвид Л .; Кокс, Майкл М. (2004). Принципы биохимии Ленингера (4-е изд.). WH Freeman. с. 571, 592. ISBN 978-0-71674339-2.
- ^ a b c d Nielsen, J (декабрь 2003 г.). «Все дело в метаболических потоках» . J Bacteriol . 185 (24): 7031–5. DOI : 10.1128 / jb.185.24.7031-7035.2003 . PMC 296266 . PMID 14645261 .
- ^ a b c Locasale, JW; Кэнтли, LC (5 октября 2011 г.). «Метаболический поток и регуляция роста клеток млекопитающих» . Cell Metab . 14 (4): 443–51. DOI : 10.1016 / j.cmet.2011.07.014 . PMC 3196640 . PMID 21982705 .
