Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

В биохимии , А метаболический путь является связанной серией химических реакций , протекающих в клетке . Эти реагенты , продукты и промежуточные продукты ферментативной реакции, известны как метаболиты , которые модифицированы с помощью последовательности химических реакций , катализируемых с помощью ферментов . [1] : 26 В большинстве случаев метаболического пути продукт одного фермента выступает в качестве субстрата для следующего. Однако побочные продукты считаются отходами и удаляются из ячейки. [2]Для функционирования этих ферментов часто требуются диетические минералы, витамины и другие кофакторы .

Функционируют различные метаболические пути в зависимости от положения в эукариотической клетке и значимости пути в данном отделе клетки. [3] Например, электронно-транспортная цепь и окислительное фосфорилирование происходят в митохондриальной мембране. [4] : 73, 74 и 109 Напротив, гликолиз , пентозофосфатный путь и биосинтез жирных кислот происходят в цитозоле клетки. [5] : 441–442

Существует два типа метаболических путей, которые характеризуются своей способностью либо синтезировать молекулы с использованием энергии ( анаболический путь ), либо расщеплять сложные молекулы за счет высвобождения энергии в процессе ( катаболический путь ). [6] Эти два пути дополняют друг друга в том, что энергия, выделяемая одним, расходуется другим. Процесс деградации катаболического пути обеспечивает энергию, необходимую для проведения биосинтеза анаболического пути. [6] В дополнение к двум различным метаболическим путям существует амфиболический путь, который может быть катаболическим или анаболическим в зависимости от потребности или наличия энергии. [7]

Пути необходимы для поддержания гомеостаза в организме, а поток метаболитов по пути регулируется в зависимости от потребностей клетки и доступности субстрата. Конечный продукт пути может быть использован немедленно, инициировать другой метаболический путь или сохранен для дальнейшего использования. Метаболизм клетки состоит из сложной сети взаимосвязанных путей , которые позволяют синтез и распад молекул (анаболизм и катаболизм).

Обзор [ править ]

Чистые реакции общих метаболических путей

Каждый метаболический путь состоит из серии биохимических реакций, которые связаны между собой их промежуточными продуктами: продукты одной реакции являются субстратами для последующих реакций и так далее. Считается, что метаболические пути идут в одном направлении. Хотя все химические реакции технически обратимы, условия в ячейке часто таковы, что термодинамически более благоприятно, чтобы поток протекал в одном направлении реакции. [8] Например, один путь может быть ответственным за синтез конкретной аминокислоты, но распад этой аминокислоты может происходить по отдельному и отличному пути. Одним из примеров исключения из этого «правила» является метаболизм глюкозы .Гликолиз приводит к распаду глюкозы, но некоторые реакции в пути гликолиза обратимы и участвуют в повторном синтезе глюкозы ( глюконеогенез ).

  • Гликолиз был первым обнаруженным метаболическим путем:
  1. Как глюкоза поступает в клетку, он немедленно фосфорилируется с помощью АТФ с глюкозо - 6-фосфата в необратимой первой стадии.
  2. Во времена избытка липидных или белковых источников энергии некоторые реакции в пути гликолиза могут протекать в обратном направлении с образованием глюкозо-6-фосфата , который затем используется для хранения в виде гликогена или крахмала .
  • Метаболические пути , часто регулируется путем ингибирования обратной связи .
  • Некоторые метаболические пути протекают в «цикле», в котором каждый компонент цикла является субстратом для последующей реакции в цикле, например, в цикле Кребса (см. Ниже).
  • Анаболические и катаболические пути у эукариот часто протекают независимо друг от друга, разделены либо физически за счет компартментализации внутри органелл, либо разделены биохимически из-за потребности в различных ферментах и ​​кофакторах.

Основные метаболические пути [ править ]

См. Также: раздел Внешние ссылки для дополнительной инфографики основных метаболических путей.

Катаболический путь (катаболизм) [ править ]

Катаболический путь представляет собой серию реакций , которые вызывают чистое высвобождение энергии в виде фосфатной связи с высокой энергией , образованным с энергоносителями аденозина (АДФ) и гуанозиндифосфатом (ВВП) для производства аденозинтрифосфат (АТФ) и гуанозин трифосфат (ГТФ) соответственно. [4] : 91–93 Таким образом, результирующая реакция термодинамически выгодна, поскольку приводит к более низкой свободной энергии конечных продуктов. [9] : 578–579Катаболический путь - это экзергоническая система, которая производит химическую энергию в форме АТФ, ГТФ, НАДН, НАДФН, FADH2 и т. Д. Из источников энергии, таких как углеводы, жиры и белки. Конечными продуктами часто являются диоксид углерода, вода и аммиак. В сочетании с эндергонической реакцией анаболизма клетка может синтезировать новые макромолекулы, используя исходные предшественники анаболического пути. [10] Примером сопряженной реакции является фосфорилирование фруктозо-6-фосфата с образованием промежуточного фруктозо-1,6-бисфосфата ферментом фосфофруктокиназой, сопровождающееся гидролизом АТФ на пути гликолиза.. Возникающая в результате химическая реакция метаболического пути является термодинамически благоприятной и, как следствие, необратимой в клетке. [5] : 74–478

Клеточное дыхание [ править ]

Основной набор производящих энергию катаболических путей в той или иной форме встречается во всех живых организмах. Эти пути передают энергию, выделяемую при расщеплении питательных веществ, на АТФ и другие небольшие молекулы, используемые для получения энергии (например, GTP , NADPH , FADH ). Все клетки могут выполнять анаэробное дыхание за счет гликолиза . Кроме того, большинство организмов могут выполнять более эффективное аэробное дыхание за счет цикла лимонной кислоты и окислительного фосфорилирования . Дополнительно растения , водоросли и цианобактериимогут использовать солнечный свет для анаболического синтеза соединений из неживой материи путем фотосинтеза .

Механизм глюконеогенеза

Анаболический путь (анаболизм) [ править ]

В отличие от катаболических путей, анаболические пути требуют ввода энергии для создания макромолекул, таких как полипептиды, нуклеиновые кислоты, белки, полисахариды и липиды. Изолированная реакция анаболизма неблагоприятна в клетке из-за положительной свободной энергии Гиббса (+ Δ G ). Таким образом, необходим ввод химической энергии посредством взаимодействия с экзергонической реакцией . [1] : 25–27 Сопряженная реакция катаболического пути влияет на термодинамику реакции, понижая общую энергию активации анаболического пути и позволяя реакции происходить. [1] : 25 В противном случае - эндергоническая реакция. не является спонтанным.

Анаболический путь - это путь биосинтеза, что означает, что он объединяет более мелкие молекулы, чтобы сформировать более крупные и более сложные. [9] : 570 Примером может служить обратный путь гликолиза, иначе известный как глюконеогенез , который происходит в печени, а иногда и в почках, чтобы поддерживать надлежащую концентрацию глюкозы в крови и снабжать мозг и мышечные ткани адекватным количеством глюкозы. Хотя глюконеогенез похож на обратный путь гликолиза, он содержит три различных фермента гликолиза, которые позволяют этому пути происходить спонтанно. [11] Пример пути глюконеогенеза проиллюстрирован на изображении под названием « Механизм глюконеогенеза ».

Амфиболический путь [ править ]

Амфиболические свойства цикла лимонной кислоты

Амфиболовый путь является тот , который может быть либо катаболическим или анаболическими на основе наличия или необходимости энергии. [9] : 570 Валютой энергии в биологической клетке является аденозинтрифосфат (АТФ) , который накапливает свою энергию в фосфоангидридных связях . Энергия используется для проведения биосинтеза, облегчения движения и регулирования активного транспорта внутри клетки. [9] : 571 Примерами амфиболических путей являются цикл лимонной кислоты и цикл глиоксилата. Эти наборы химических реакций содержат пути производства и использования энергии. [5] : 572 Справа - иллюстрация амфиболических свойств цикла TCA.

Путь глиоксилатного шунта является альтернативой циклу трикарбоновой кислоты (TCA) , поскольку он перенаправляет путь TCA для предотвращения полного окисления углеродных соединений и сохранения высокоэнергетических источников углерода в качестве будущих источников энергии. Этот путь происходит только у растений и бактерий и протекает в отсутствие молекул глюкозы. [12]

Регламент [ править ]

Поток всего пути регулируется шагами, определяющими скорость. [1] : 577–578 Это самые медленные шаги в сети реакций. Этап ограничения скорости происходит в начале пути и регулируется ингибированием обратной связи, которое в конечном итоге контролирует общую скорость пути. [13] Метаболический путь в клетке регулируется ковалентными или нековалентными модификациями. Ковалентная модификация включает добавление или удаление химической связи, тогда как нековалентная модификация (также известная как аллостерическая регуляция) - это связывание регулятора с ферментом посредством водородных связей , электростатических взаимодействий и сил Ван-дер-Ваальса . [14]

Скорость обмена в метаболическом пути, также известном как метаболический поток , регулируется на основе стехиометрической модели реакции, скорости использования метаболитов и скорости перемещения молекул через липидный бислой . [15] Способы регулирования основаны на экспериментах, включающих мечение 13C , которое затем анализируется с помощью масс-композиций, полученных с помощью ядерного магнитного резонанса (ЯМР) или газовой хроматографии-масс-спектрометрии (ГХ-МС) . Вышеупомянутые методы синтезируют статистическую интерпретацию массового распределения протеиногенных аминокислот для каталитической активности ферментов в клетке. [15] : 178

См. Также [ править ]

  • Метаболизм
  • Метаболическая сеть
  • Моделирование метаболической сети
  • Метаболическая инженерия

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c d Дэвид Л. Нельсон; Кокс, Майкл М. (2008). Принципы биохимии Ленингера (5-е изд.). Нью-Йорк: WH Freeman. ISBN 978-0-7167-7108-1.
  2. ^ Элисон, Снейп (2014). Биохимия и молекулярная биология . Папахристодулу, Деспо К., Эллиотт, Уильям Х., Эллиотт, Дафна К. (Пятое изд.). Оксфорд. ISBN 9780199609499. OCLC  862091499 .
  3. ^ Николсон, Дональд Э. (март 1971 г.). Введение в метаболические пути С. ДАГЛИ (Том 59, № 2 изд.). Сигма Си, Общество научных исследований. п. 266.
  4. ^ а б Харви, Ричард А (2011). Биохимия (5-е изд.). Балтимор, Мэриленд 21201: Уолтерс Клувер. ISBN 978-1-60831-412-6.CS1 maint: location ( ссылка )
  5. ^ a b c Воет, Дональд; Джудит Г. Воет; Шарлотта В. Пратт (2013). Основы биохимии: жизнь на молекулярном уровне (4-е изд.). Хобокен, Нью-Джерси: Уайли. ISBN 978-0470-54784-7.
  6. ^ a b Рис, Джейн Б. (2011). Биология Кэмпбелла / Джейн Б. Рис ... [и др.] (9-е изд.). Бостон: Бенджамин Каммингс. С.  143 . ISBN 978-0-321-55823-7.
  7. ^ Берг, Джереми М .; Тимочко, Джон Л .; Страйер, Люберт; Гатто, Грегори Дж. (2012). Биохимия (7-е изд.). Нью-Йорк: WH Freeman. п. 429. ISBN. 978-1429229364.
  8. ^ Корниш-Боуден, А ; Карденас, ML (2000). «10 необратимых реакций в симуляциях метаболизма: насколько обратимы необратимы?» (PDF) . Анимация сотовой карты : 65–71.
  9. ^ a b c d Кларк, Джереми М. Берг; Джон Л. Тимочко; Люберт Страйер. Веб-контент Нил Д. (2002). Биохимия (5. изд., 4. печатн. Изд.). Нью-Йорк, NY [ua]: WH Freeman. ISBN 0716730510.
  10. ^ Питер Х. Рэйвен; Рэй Ф. Эверт; Сьюзан Э. Эйххорн (2011). Биология растений (8-е изд.). Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Фриман. С. 100–106. ISBN 978-1-4292-1961-7.
  11. ^ Берг, Джереми М .; Тимочко, Джон Л .; Страйер, Люберт; Гатто, Грегори Дж. (2012). Биохимия (7-е изд.). Нью-Йорк: WH Freeman. С. 480–482. ISBN 9781429229364.
  12. ^ Choffnes, Eileen R .; Relman, David A .; Лесли Молись (2011). Резюме семинара "Наука и применение синтетической и системной биологии" . Вашингтон, округ Колумбия: Пресса национальных академий. п. 135. ISBN 978-0-309-21939-6.
  13. ^ Хилл, Стив A .; Рэтклифф, Р. Джордж (1999). Крюгер, Николас Дж. (Ред.). Регуляция первичных метаболических путей в растениях: [материалы международной конференции, состоявшейся 9-11 января 1997 г. в колледже Св. Хью, Оксфорд, под эгидой Европейского фитохимического общества] . Дордрехт [ua]: Клувер. п. 258. ISBN 079235494X.
  14. ^ Белый, Дэвид (1995). Физиология и биохимия прокариот . Нью-Йорк [ua]: Oxford Univ. Нажмите. п. 133. ISBN 0-19-508439-X.
  15. ^ a b Weckwerth, Wolfram, ed. (2006). Метаболомические методы и протоколы . Тотова, Нью-Джерси: Humana Press. п. 177. ISBN. 1597452440.

Внешние ссылки [ править ]

  • Полная карта метаболических путей
  • Обзорная карта от BRENDA
  • BioCyc: модели метаболических сетей для тысяч секвенированных организмов
  • KEGG: Киотская энциклопедия генов и геномов
  • Reactome, база данных реакций, путей и биологических процессов
  • MetaCyc: база данных экспериментально выясненных метаболических путей (более 2200 путей от более чем 2500 организмов).
  • MetaboMAPS: платформа для обмена и визуализации данных о метаболических путях
  • База данных Pathway Localization (PathLocdb)
  • ДЭВИД: Визуализируйте гены на картах путей
  • Wikipathways: пути для людей
  • ConsensusPathDB
  • metpath : интегрированная интерактивная метаболическая диаграмма