Väčšina ľudí skúma metabolizmus pre chudnutie:
Spáľte 10 kíl za 2 týždne s týmto tajomstvom ostrovanov z Indického oceánu
Štruktúra koenzýmu adenozíntrifosfátu, ústredného medziproduktu v energetickom metabolizme.
Metabolizmus je súbor chemických reakcií, ktoré prebiehajú v živých organizmoch s cieľom udržať život. Tieto procesy umožňujú organizmom rásť a rozmnožovať sa, udržiavať svoje štruktúry a reagovať na prostredie. Metabolizmus sa zvyčajne delí do dvoch kategórií. Katabolizmus rozkladá organické látky, napríklad na získanie energie pri bunkovom dýchaní. Anabolizmus, naopak, využíva energiu na výstavbu zložiek buniek, ako sú proteíny a nukleové kyseliny.
Chemické reakcie metabolizmu sú usporiadané do metabolických dráh, v ktorých sa jedna chemická látka premieňa na inú pomocou postupnosti enzýmov. Enzýmy sú pre metabolizmus kľúčové, pretože umožňujú organizmom riadiť žiaduce, ale termodynamicky nevýhodné reakcie tým, že ich spájajú s priaznivými reakciami. Enzýmy tiež umožňujú reguláciu metabolických dráh v reakcii na zmeny v prostredí bunky alebo signály z iných buniek.
Metabolizmus organizmu určuje, ktoré látky budú preň výživné a ktoré jedovaté. Napríklad niektoré prokaryoty používajú sírovodík ako živinu, ale tento plyn je pre živočíchy jedovatý. Rýchlosť metabolizmu, rýchlosť látkovej výmeny, tiež ovplyvňuje, koľko potravy bude organizmus potrebovať.
Pozoruhodnou črtou metabolizmu je podobnosť základných metabolických dráh aj medzi veľmi odlišnými druhmi. Napríklad súbor karboxylových kyselín, ktoré sú najznámejšie ako medziprodukty v cykle kyseliny citrónovej, je prítomný vo všetkých organizmoch a vyskytuje sa u tak rozdielnych druhov, ako sú jednobunkové baktérie Escherichia coli a obrovské mnohobunkové organizmy, napríklad slony. Tieto nápadné podobnosti v metabolizme sú pravdepodobne výsledkom vysokej účinnosti týchto dráh a ich skorého výskytu v evolučnej histórii.
Štruktúra triacylglycerolového lipidu.
Proteíny sa skladajú z aminokyselín usporiadaných do lineárneho reťazca a spojených peptidovými väzbami. Mnohé bielkoviny sú enzýmy, ktoré katalyzujú chemické reakcie v metabolizme. Iné proteíny majú štrukturálne alebo mechanické funkcie, napríklad proteíny, ktoré tvoria cytoskelet, systém lešenia, ktorý udržiava tvar bunky. Proteíny sú dôležité aj pri bunkovej signalizácii, imunitných reakciách, bunkovej adhézii, aktívnom transporte cez membrány a bunkovom cykle.
Glukóza sa môže vyskytovať vo forme priameho reťazca aj kruhu.
Sacharidy sú aldehydy alebo ketóny s priamym reťazcom a mnohými hydroxylovými skupinami, ktoré môžu existovať ako priame reťazce alebo kruhy. Sacharidy sú najrozšírenejšími biologickými molekulami a plnia mnohé úlohy, ako napríklad skladovanie a prenos energie (škrob, glykogén) a štrukturálne zložky (celulóza u rastlín, chitín u živočíchov). Základné sacharidové jednotky sa nazývajú monosacharidy a patria medzi ne galaktóza, fruktóza a predovšetkým glukóza. Monosacharidy sa môžu spájať do polysacharidov takmer neobmedzenými spôsobmi.
Polyméry DNA a RNA sú dlhé reťazce nukleotidov. Tieto molekuly sú rozhodujúce pre uchovávanie a používanie genetickej informácie prostredníctvom procesov transkripcie a biosyntézy bielkovín. Tieto informácie sú chránené mechanizmami opravy DNA a rozmnožujú sa prostredníctvom replikácie DNA. Niekoľko vírusov má genóm RNA, napríklad HIV, ktorý používa reverznú transkripciu na vytvorenie šablóny DNA zo svojho vírusového genómu RNA. RNA v ribozómoch, ako sú spliceozómy a ribozómy, je podobná enzýmom, pretože môže katalyzovať chemické reakcie. Jednotlivé nukleozidy sa vytvárajú pripojením nukleobázy k ribózovému cukru. Tieto bázy sú heterocyklické kruhy obsahujúce dusík, klasifikované ako puríny alebo pyrimidíny. Nukleotidy pôsobia aj ako koenzýmy v metabolických reakciách prenosu skupín.
Štruktúra koenzýmu acetyl-CoA.Prenosná acetylová skupina je viazaná na atóm síry úplne vľavo.
Metabolizmus zahŕňa širokú škálu chemických reakcií, ale väčšina z nich spadá do niekoľkých základných typov reakcií, ktoré zahŕňajú prenos funkčných skupín. Táto spoločná chémia umožňuje bunkám používať malý súbor metabolických medziproduktov na prenos chemických skupín medzi rôznymi reakciami. Tieto medziprodukty prenášajúce skupiny sa nazývajú koenzýmy. Každú triedu reakcií prenosu skupín vykonáva konkrétny koenzým, ktorý je substrátom pre súbor enzýmov, ktoré ho produkujú, a súbor enzýmov, ktoré ho spotrebúvajú. Tieto koenzýmy sa teda neustále vytvárajú, spotrebúvajú a recyklujú.
Jedným z hlavných koenzýmov je adenozíntrifosfát (ATP), univerzálna energetická mena buniek. Tento nukleotid sa používa na prenos chemickej energie medzi rôznymi chemickými reakciami. V bunkách sa nachádza len malé množstvo ATP, ale keďže sa neustále obnovuje, ľudské telo dokáže denne spotrebovať približne svoju vlastnú hmotnosť v ATP. ATP funguje ako most medzi katabolizmom a anabolizmom, pričom katabolické reakcie vytvárajú ATP a anabolické reakcie ho spotrebúvajú. Slúži aj ako nosič fosfátových skupín pri fosforylačných reakciách.
Vitamín je organická zlúčenina potrebná v malých množstvách, ktorá sa v bunkách nedá vytvoriť. V ľudskej výžive väčšina vitamínov po úprave funguje ako koenzýmy; napríklad všetky vitamíny rozpustné vo vode sa pri použití v bunkách fosforylujú alebo sa spájajú s nukleotidmi. Nikotínamidadeníndinukleotid (NADH), derivát vitamínu B3 (niacín), je dôležitý koenzým, ktorý pôsobí ako akceptor vodíka. Stovky samostatných typov dehydrogenáz odstraňujú elektróny zo svojich substrátov a redukujú NAD+ na NADH. Táto redukovaná forma koenzýmu je potom substrátom pre všetky reduktázy v bunke, ktoré potrebujú redukovať svoje substráty. Nikotínamidadeníndinukleotid existuje v bunke v dvoch príbuzných formách, NADH a NADPH. Forma NAD+/NADH je dôležitejšia pri katabolických reakciách, zatiaľ čo forma NADP+/NADPH sa používa pri anabolických reakciách.
Štruktúra hemoglobínu. Proteínové podjednotky sú červené a modré a hemové skupiny obsahujúce železo zelené. Z PDB 1GZX.
Anorganické prvky zohrávajú rozhodujúcu úlohu v metabolizme; niektoré sú hojne zastúpené (napr. sodík a draslík), iné fungujú v nepatrných koncentráciách. Približne 99 % hmotnosti cicavcov tvoria prvky uhlík, dusík, vápnik, sodík, chlór, draslík, vodík, fosfor, kyslík a síra. Organické zlúčeniny (bielkoviny, lipidy a sacharidy) obsahujú väčšinu uhlíka a dusíka a väčšina kyslíka a vodíka je prítomná vo forme vody.
Hojne zastúpené anorganické prvky pôsobia ako iónové elektrolyty. Najdôležitejšie ióny sú sodík, draslík, vápnik, horčík, chlorid, fosforečnan a organický ión hydrogénuhličitan. Udržiavanie presných gradientov cez bunkové membrány udržiava osmotický tlak a pH. Ióny sú rozhodujúce aj pre nervy a svaly, pretože akčné potenciály v týchto tkanivách vznikajú výmenou elektrolytov medzi extracelulárnou tekutinou a cytosolom. Elektrolyty vstupujú do buniek a vystupujú z nich prostredníctvom proteínov v bunkovej membráne, ktoré sa nazývajú iónové kanály. Napríklad svalová kontrakcia závisí od pohybu vápnika, sodíka a draslíka cez iónové kanály v bunkovej membráne a T-tubuloch.
Prechodné kovy sú v organizmoch zvyčajne prítomné ako stopové prvky, pričom najrozšírenejšie sú zinok a železo. Tieto kovy sa používajú v niektorých proteínoch ako kofaktory a sú nevyhnutné pre aktivitu enzýmov, ako je kataláza, a proteínov prenášajúcich kyslík, ako je hemoglobín. Tieto kofaktory sú pevne viazané na špecifický proteín; hoci sa enzýmové kofaktory môžu počas katalýzy modifikovať, po skončení katalýzy sa kofaktory vždy vrátia do pôvodného stavu. Kovové mikroživiny sú do organizmov prijímané špecifickými transportérmi a v čase, keď sa nepoužívajú, sú viazané na zásobné proteíny, ako je feritín alebo metalothioneín.
Najbežnejší súbor katabolických reakcií u zvierat možno rozdeliť do troch hlavných fáz. V prvej sa veľké organické molekuly, ako sú proteíny, polysacharidy alebo lipidy, rozkladajú na menšie zložky mimo buniek. Potom sú tieto menšie molekuly prijaté bunkami a premenené na ešte menšie molekuly, zvyčajne acetylkoenzým A (CoA), čím sa uvoľní určitá energia. Nakoniec sa acetylová skupina na CoA oxiduje na vodu a oxid uhličitý v cykle kyseliny citrónovej a v elektrónovom transportnom reťazci, čím sa uvoľňuje energia, ktorá sa ukladá redukciou koenzýmu nikotínamidadeníndinukleotidu (NAD+) na NADH.
Makromolekuly, ako je škrob, celulóza alebo bielkoviny, nemôžu byť rýchlo prijaté bunkami a musia sa rozložiť na menšie jednotky, aby sa mohli použiť v bunkovom metabolizme. Tieto polyméry štiepi niekoľko bežných tried enzýmov. Medzi tieto tráviace enzýmy patria proteázy, ktoré štiepia bielkoviny na aminokyseliny, ako aj glykozidové hydrolázy, ktoré štiepia polysacharidy na monosacharidy.
Mikróby jednoducho vylučujú tráviace enzýmy do svojho okolia, zatiaľ čo živočíchy tieto enzýmy vylučujú len zo špecializovaných buniek v črevách. Aminokyseliny alebo cukry uvoľnené týmito extracelulárnymi enzýmami sa potom pomocou špecifických aktívnych transportných proteínov prečerpávajú do buniek.
Zjednodušený prehľad katabolizmu bielkovín, sacharidov a tukov.
Energia z organických zlúčenín
Katabolizmus sacharidov je rozklad sacharidov na menšie jednotky. Sacharidy sa zvyčajne prijímajú do buniek po tom, ako sa rozložia na monosacharidy. Keď sa dostanú dovnútra, hlavnou cestou rozkladu je glykolýza, pri ktorej sa cukry, ako je glukóza a fruktóza, premieňajú na pyruvát a vytvára sa určité množstvo ATP. Pyruvát je medziproduktom v niekoľkých metabolických dráhach, ale väčšina sa mení na acetyl-CoA a dostáva sa do cyklu kyseliny citrónovej. Hoci v cykle kyseliny citrónovej vzniká ešte trochu ATP, najdôležitejším produktom je NADH, ktorý sa vytvára z NAD+ pri oxidácii acetyl-CoA. Pri tejto oxidácii sa uvoľňuje oxid uhličitý ako odpadový produkt. V anaeróbnych podmienkach glykolýza produkuje laktát, a to prostredníctvom enzýmu laktátdehydrogenázy, ktorý reoxiduje NADH na NAD+ na opätovné použitie v glykolýze. Alternatívnou cestou rozkladu glukózy je pentózovo-fosfátová cesta, ktorá redukuje koenzým NADPH a produkuje pentózové cukry, ako je ribóza, cukorná zložka nukleových kyselín.
Tuky sa hydrolýzou katabolizujú na voľné mastné kyseliny a glycerol. Glycerol vstupuje do glykolýzy a mastné kyseliny sa rozkladajú beta-oxidáciou, čím sa uvoľňuje acetyl-CoA, ktorý sa potom dostáva do cyklu kyseliny citrónovej. Mastné kyseliny uvoľňujú pri oxidácii viac energie ako sacharidy, pretože sacharidy obsahujú vo svojej štruktúre viac kyslíka.
Štruktúra ATP syntázy, protónový kanál a rotujúca stopka sú znázornené modrou farbou a syntetázové podjednotky červenou.
Pri oxidačnej fosforylácii sa elektróny odobraté z molekúl potravy v dráhach, ako je cyklus kyseliny citrónovej, prenášajú na kyslík a uvoľnená energia sa využíva na tvorbu ATP. V eukaryotoch sa to uskutočňuje pomocou série proteínov v membránach mitochondrií nazývaných elektrónový transportný reťazec. U prokaryotov sa tieto proteíny nachádzajú vo vnútornej membráne bunky. Tieto bielkoviny využívajú energiu uvoľnenú pri prechode elektrónov z redukovaných molekúl, ako je NADH, na kyslík na prečerpávanie protónov cez membránu.
Čerpanie protónov z mitochondrie vytvára rozdiel koncentrácie protónov cez membránu a vytvára elektrochemický gradient. Táto sila ženie protóny späť do mitochondrie cez bázu enzýmu nazývaného ATP syntáza. Prúd protónov spôsobuje, že podjednotka stopky sa otáča, čo spôsobuje, že aktívne miesto domény syntázy mení tvar a fosforyluje adenozíndifosfát – mení ho na ATP.
Anabolizmus je súbor konštruktívnych metabolických procesov, pri ktorých sa energia uvoľnená katabolizmom využíva na syntézu zložitých molekúl. Vo všeobecnosti sa zložité molekuly, ktoré tvoria bunkové štruktúry, budujú postupne z malých a jednoduchých prekurzorov. Anabolizmus zahŕňa tri základné fázy. Po prvé, produkcia prekurzorov, ako sú aminokyseliny, monosacharidy, izoprenoidy a nukleotidy, po druhé, ich aktivácia na reaktívne formy s využitím energie z ATP a po tretie, zostavenie týchto prekurzorov do komplexných molekúl, ako sú proteíny, polysacharidy, lipidy a nukleové kyseliny.
Pri anabolizme sacharidov sa jednoduché organické kyseliny môžu premeniť na monosacharidy, ako je glukóza, a potom sa z nich zostavujú polysacharidy, ako je škrob. Tvorba glukózy zo zlúčenín, ako je pyruvát, laktát, glycerol, glycerát-3-fosfát a aminokyseliny, sa nazýva glukoneogenéza. Glukoneogenéza premieňa pyruvát na glukóza-6-fosfát prostredníctvom série medziproduktov, z ktorých mnohé sú spoločné s glykolýzou. Táto dráha však nie je len opačne prebiehajúcou glykolýzou, pretože niekoľko krokov katalyzujú neglykolytické enzýmy. Je to dôležité, pretože to umožňuje oddelenú reguláciu tvorby a odbúravania glukózy a zabraňuje tomu, aby obe dráhy prebiehali súčasne v bezvýslednom cykle.
Hoci je tuk bežným spôsobom ukladania energie, u stavovcov, ako je človek, sa mastné kyseliny v týchto zásobách nemôžu premeniť na glukózu prostredníctvom glukoneogenézy, pretože tieto organizmy nedokážu premeniť acetyl-CoA na pyruvát; rastliny to dokážu, ale zvieratá nemajú potrebné enzymatické mechanizmy. V dôsledku toho musia stavovce po dlhodobom hladovaní produkovať ketolátky z mastných kyselín, aby nahradili glukózu v tkanivách, ako je mozog, ktoré nedokážu metabolizovať mastné kyseliny. V iných organizmoch, ako sú rastliny a baktérie, sa tento metabolický problém rieši pomocou glyoxylátového cyklu, ktorý obchádza dekarboxylačný krok v cykle kyseliny citrónovej a umožňuje premenu acetyl-CoA na oxalacetát, ktorý sa môže použiť na výrobu glukózy.
Polysacharidy a glykány sa vytvárajú postupným pridávaním monosacharidov glykozyltransferázou z reaktívneho donora cukrov a fosfátov, ako je glukóza s uridíndifosfátom (UDP-glukóza), na akceptorovú hydroxylovú skupinu na rastúcom polysacharide. Keďže akákoľvek hydroxylová skupina na kruhu substrátu môže byť akceptorom, vyrobené polysacharidy môžu mať priamu alebo rozvetvenú štruktúru. Vzniknuté polysacharidy môžu mať samy o sebe štrukturálne alebo metabolické funkcie alebo sa môžu prenášať na lipidy a proteíny pomocou enzýmov nazývaných oligosacharyltransferázy.
Mastné kyseliny, izoprenoidy a steroidy
Zjednodušená verzia dráhy syntézy steroidov so znázornenými medziproduktmi izopentenylpyrofosfát (IPP), dimetylpyrofosfát (DMAPP), geranylpyrofosfát (GPP) a skvalén. Niektoré medziprodukty sú kvôli prehľadnosti vynechané.
Mastné kyseliny sa vytvárajú pomocou syntáz mastných kyselín, ktoré polymerizujú a potom redukujú jednotky acetyl-CoA. Acylové reťazce v mastných kyselinách sa predlžujú cyklom reakcií, ktoré pridávajú actylovú skupinu, redukujú ju na alkohol, dehydratujú ju na alkénovú skupinu a potom ju opäť redukujú na alkénovú skupinu. Enzýmy biosyntézy mastných kyselín sú rozdelené do dvoch skupín, u živočíchov a húb všetky tieto reakcie syntézy mastných kyselín vykonáva jeden multifunkčný proteín typu I, zatiaľ čo u rastlinných plastidov a baktérií vykonávajú každý krok tejto cesty samostatné enzýmy typu II.
Terpény a izoprenoidy sú veľkou triedou lipidov, ktoré zahŕňajú karotenoidy a tvoria najväčšiu triedu rastlinných prírodných produktov. Tieto zlúčeniny sa vyrábajú zostavovaním a modifikáciou izoprénových jednotiek, ktoré sa získavajú z reaktívnych prekurzorov izopentenylpyrofosfátu a dimetylpyrofosfátu. Tieto prekurzory sa dajú vyrobiť rôznymi spôsobmi. U živočíchov a archeí sa tieto zlúčeniny vyrábajú mevalonátovou cestou z acetyl-CoA, zatiaľ čo u rastlín a baktérií sa ako substráty používajú pyruvát a glyceraldehyd-3-fosfát. Jednou z dôležitých reakcií, ktorá využíva tieto aktivované donory izoprénu, je biosyntéza steroidov. V tomto prípade sa izoprénové jednotky spájajú, aby vznikol skvalén, a potom sa skladajú a formujú do sústavy kruhov, aby vznikol lanosterol. Lanosterol sa potom môže premeniť na iné steroidy, ako je cholesterol a ergosterol.
Organizmy sa líšia v schopnosti syntetizovať 20 bežných aminokyselín. Väčšina baktérií a rastlín dokáže syntetizovať všetkých dvadsať, ale cicavce dokážu syntetizovať len desať neesenciálnych aminokyselín. Preto sa esenciálne aminokyseliny musia získavať z potravy. Všetky aminokyseliny sa syntetizujú z medziproduktov glykolýzy, cyklu kyseliny citrónovej alebo pentózovo-fosfátovej cesty. Dusík je dodávaný glutamátom a glutamínom. Syntéza aminokyselín závisí od tvorby príslušnej alfa-ketokyseliny, ktorá sa následne transaminuje za vzniku aminokyseliny.
Syntéza a záchrana nukleotidov
Nukleotidy sa vyrábajú z aminokyselín, oxidu uhličitého a kyseliny mravčej cestami, ktoré si vyžadujú veľké množstvo metabolickej energie. Preto má väčšina organizmov účinné systémy na záchranu vopred vytvorených nukleotidov. Puríny sa syntetizujú ako nukleozidy (bázy pripojené na ribózu). Adenín aj guanín sa vyrábajú z prekurzora nukleozidu inozínmonofosfátu, ktorý sa syntetizuje pomocou atómov z aminokyselín glycínu, glutamínu a kyseliny asparágovej, ako aj mravčanu preneseného z koenzýmu tetrahydrofolátu. Na druhej strane pyrimidíny sa syntetizujú z bázy orotátu, ktorá sa tvorí z glutamínu a aspartátu.
Xenobiotiká a redoxný metabolizmus
Všetky organizmy sú neustále vystavené pôsobeniu zlúčenín, ktoré nemôžu využiť ako potravu a ktoré by boli škodlivé, keby sa hromadili v bunkách, pretože nemajú žiadnu metabolickú funkciu. Tieto potenciálne škodlivé zlúčeniny sa nazývajú xenobiotiká. Xenobiotiká, ako sú syntetické lieky, prírodné jedy a antibiotiká, sa detoxikujú pomocou súboru enzýmov metabolizujúcich xenobiotiká. U ľudí medzi ne patria cytochróm P450 oxidázy, UDP-glukuronozyltransferázy a glutatión S-transferázy. Tento systém enzýmov pôsobí v troch fázach, v ktorých najprv oxiduje xenobiotikum (fáza I) a potom na molekulu konjuguje vo vode rozpustné skupiny (fáza II). Modifikované xenobiotikum rozpustné vo vode sa potom môže vypudiť z buniek a v mnohobunkových organizmoch sa môže ďalej metabolizovať pred vylúčením (fáza III). V ekológii sú tieto reakcie obzvlášť dôležité pri mikrobiálnej biodegradácii znečisťujúcich látok a bioremediácii kontaminovanej pôdy a ropných škvŕn. Mnohé z týchto mikrobiálnych reakcií sú spoločné s mnohobunkovými organizmami, ale vďaka neuveriteľnej rozmanitosti typov mikróbov sú tieto organizmy schopné vysporiadať sa s oveľa širšou škálou xenobiotík ako mnohobunkové organizmy a dokážu rozkladať aj perzistentné organické polutanty, ako sú organochloridové zlúčeniny.
Súvisiacim problémom aeróbnych organizmov je oxidačný stres. V tomto prípade procesy vrátane oxidačnej fosforylácie a tvorby disulfidových väzieb počas skladania proteínov produkujú reaktívne formy kyslíka, ako je peroxid vodíka. Tieto škodlivé oxidanty sú odstraňované antioxidačnými metabolitmi, ako je glutatión, a enzýmami, ako sú katalázy a peroxidázy.
Termodynamika živých organizmov
Živé organizmy sa musia riadiť zákonmi termodynamiky, ktoré opisujú prenos tepla a práce. Druhý zákon termodynamiky hovorí, že v každom uzavretom systéme má množstvo entropie (neporiadku) tendenciu narastať. Hoci sa zdá, že úžasná zložitosť živých organizmov tomuto zákonu odporuje, život je možný, pretože všetky organizmy sú otvorené systémy, ktoré si vymieňajú hmotu a energiu s okolím. Živé systémy teda nie sú v rovnováhe, ale sú to disipatívne systémy, ktoré udržiavajú svoj stav vysokej zložitosti tým, že spôsobujú väčší nárast entropie svojho okolia. Metabolizmus bunky to dosahuje spojením spontánnych procesov katabolizmu s nespotrebnými procesmi anabolizmu. Z termodynamického hľadiska metabolizmus udržiava poriadok vytváraním neporiadku.
Keďže prostredie väčšiny organizmov sa neustále mení, reakcie metabolizmu musia byť presne regulované, aby sa v bunkách udržal stály súbor podmienok, čo sa nazýva homeostáza. Regulácia metabolizmu tiež umožňuje organizmom reagovať na signály a aktívne pôsobiť na svoje prostredie. Na pochopenie toho, ako sú metabolické dráhy riadené, sú dôležité dva úzko prepojené pojmy. Po prvé, regulácia enzýmu v dráhe je spôsob, akým sa jeho aktivita zvyšuje a znižuje v reakcii na signály. Po druhé, kontrola, ktorú tento enzým vykonáva, je vplyv, ktorý majú tieto zmeny jeho aktivity na celkovú rýchlosť dráhy (tok dráhou). Napríklad enzým môže vykazovať veľké zmeny aktivity (t. j. je vysoko regulovaný), ale ak tieto zmeny majú malý vplyv na tok metabolickej dráhy, potom sa tento enzým nepodieľa na riadení dráhy.
Vplyv inzulínu na príjem a metabolizmus glukózy. Inzulín sa viaže na svoj receptor (1), ktorý následne spúšťa mnohé proteínové aktivačné kaskády (2). Patrí medzi ne: translokácia transportéra Glut-4 do plazmatickej membrány a influx glukózy (3), syntéza glykogénu (4), glykolýza (5) a syntéza mastných kyselín (6).
Existuje viacero úrovní regulácie metabolizmu. Pri vnútornej regulácii sa metabolická dráha sama reguluje, aby reagovala na zmeny v hladinách substrátov alebo produktov; napríklad zníženie množstva produktu môže zvýšiť tok cez dráhu, aby sa kompenzoval. Tento typ regulácie často zahŕňa alosterickú reguláciu aktivít viacerých enzýmov v dráhe. 80] Vonkajšia regulácia zahŕňa bunku v mnohobunkovom organizme, ktorá mení svoj metabolizmus v reakcii na signály z iných buniek. Tieto signály sú zvyčajne vo forme rozpustných poslov, ako sú hormóny a rastové faktory, a sú detekované špecifickými receptormi na povrchu bunky[81]. Tieto signály sú potom prenášané dovnútra bunky systémami druhých poslov, ktoré často zahŕňajú fosforyláciu proteínov[82].
Veľmi dobre známym príkladom vonkajšej kontroly je regulácia metabolizmu glukózy hormónom inzulínom.Inzulín sa produkuje ako odpoveď na zvýšenie hladiny glukózy v krvi. Väzba hormónu na inzulínové receptory na bunkách potom aktivuje kaskádu proteínkináz, ktoré spôsobujú, že bunky prijímajú glukózu a premieňajú ju na zásobné molekuly, ako sú mastné kyseliny a glykogén. 84] Metabolizmus glykogénu je riadený aktivitou fosforylázy, enzýmu, ktorý rozkladá glykogén, a glykogénsyntázy, enzýmu, ktorý ho vytvára. Tieto enzýmy sú regulované recipročne, pričom fosforylácia inhibuje glykogénsyntázu, ale aktivuje fosforylázu. Inzulín spôsobuje syntézu glykogénu tým, že aktivuje proteínfosfatázu a spôsobuje pokles fosforylácie týchto enzýmov [85].
Evolučný strom zobrazujúci spoločný pôvod organizmov zo všetkých troch oblastí života. Baktérie sú označené modrou farbou, eukaryoty červenou a archeá zelenou. Okolo stromu sú znázornené relatívne pozície niektorých zahrnutých fylov.
Ústredné cesty metabolizmu opísané vyššie, ako je glykolýza a cyklus kyseliny citrónovej, sú prítomné vo všetkých troch oblastiach živých organizmov a boli prítomné aj v poslednom univerzálnom predkovi [86].Táto univerzálna predkovská bunka bola prokaryotická a pravdepodobne metanogénna, ktorá mala rozsiahly metabolizmus aminokyselín, nukleotidov, sacharidov a lipidov.[87][88] Zachovanie týchto starodávnych dráh počas neskoršej evolúcie môže byť výsledkom toho, že tieto reakcie boli optimálnym riešením ich konkrétnych metabolických problémov, pričom dráhy ako glykolýza a cyklus kyseliny citrónovej produkovali svoje konečné produkty veľmi efektívne a v minimálnom počte krokov.
Prvé dráhy metabolizmu založeného na enzýmoch mohli byť súčasťou metabolizmu purínových nukleotidov, pričom predchádzajúce metabolické dráhy boli súčasťou starovekého sveta RNA[89].
Na opis mechanizmov, ktorými sa vyvíjajú nové metabolické dráhy, bolo navrhnutých mnoho modelov. Patrí medzi ne postupné pridávanie nových enzýmov do krátkej ancestrálnej dráhy, duplikácia a následná divergencia celých dráh, ako aj nábor už existujúcich enzýmov a ich zostavenie do novej reakčnej dráhy.[90] Relatívny význam týchto mechanizmov nie je jasný, ale genomické štúdie ukázali, že enzýmy v dráhe majú pravdepodobne spoločného predka, čo naznačuje, že mnohé dráhy sa vyvíjali postupne, pričom nové funkcie sa vytvárali z už existujúcich krokov v dráhe.[91] Alternatívny model pochádza zo štúdií, ktoré sledujú evolúciu štruktúr proteínov v metabolických sieťach, to naznačilo, že enzýmy sa všadeprítomne regrutujú, pričom si enzýmy požičiavajú na vykonávanie podobných funkcií v rôznych metabolických dráhach (zrejmé v databáze MANET)[92] Tieto regrutačné procesy vedú k evolučnej enzymatickej mozaike[93]. Treťou možnosťou je, že niektoré časti metabolizmu môžu existovať ako „moduly“, ktoré sa môžu opätovne používať v rôznych dráhach a vykonávať podobné funkcie na rôznych molekulách[94].
Okrem vývoja nových metabolických dráh môže evolúcia spôsobiť aj stratu metabolických funkcií. Napríklad u niektorých parazitov sa strácajú metabolické procesy, ktoré nie sú nevyhnutné pre prežitie, a namiesto toho sa môžu z hostiteľa odčerpávať vopred pripravené aminokyseliny, nukleotidy a sacharidy[95]. Podobné zníženie metabolických schopností sa pozoruje aj u endosymbiotických organizmov[96].
Vyšetrovanie a manipulácia
Metabolická sieť cyklu kyseliny citrónovej Arabidopsis thaliana. Enzýmy a metabolity sú znázornené ako červené štvorce a interakcie medzi nimi ako čierne čiary.
Klasicky sa metabolizmus študuje redukcionistickým prístupom, ktorý sa zameriava na jednu metabolickú dráhu. Obzvlášť cenné je použitie rádioaktívnych stopovacích látok na úrovni celého organizmu, tkanív a buniek, ktoré definujú cesty od prekurzorov ku konečným produktom identifikáciou rádioaktívne označených medziproduktov a produktov [97]. enzýmy, ktoré katalyzujú tieto chemické reakcie, sa potom môžu purifikovať a skúmať ich kinetika a reakcie na inhibítory. Paralelným prístupom je identifikácia malých molekúl v bunke alebo tkanive; kompletný súbor týchto molekúl sa nazýva metabolóm. Celkovo tieto štúdie poskytujú dobrý prehľad o štruktúre a funkcii jednoduchých metabolických dráh, ale sú nedostatočné, keď sa aplikujú na zložitejšie systémy, ako je metabolizmus celej bunky [98].
Predstavu o zložitosti metabolických sietí v bunkách, ktoré obsahujú tisíce rôznych enzýmov, poskytuje obrázok znázorňujúci interakcie medzi len 43 proteínmi a 40 metabolitmi vpravo: sekvencie genómov poskytujú zoznamy obsahujúce až 45 000 génov [99]. V súčasnosti je však možné použiť tieto genomické údaje na rekonštrukciu kompletných sietí biochemických reakcií a vytvoriť komplexnejšie matematické modely, ktoré môžu vysvetliť a predpovedať ich správanie.[100] Tieto modely sú obzvlášť výkonné, keď sa použijú na integráciu údajov o dráhach a metabolitoch získaných klasickými metódami s údajmi o expresii génov z proteomických štúdií a štúdií na mikročipoch DNA.[101] Pomocou týchto techník sa teraz vytvoril model ľudského metabolizmu, ktorý bude v budúcnosti usmerňovať objavovanie liekov a biochemický výskum.[102] Tieto modely sa teraz používajú pri sieťovej analýze, na klasifikáciu ľudských chorôb do skupín, ktoré majú spoločné proteíny alebo metabolity.[103][104]
Hlavným technologickým využitím týchto informácií je metabolické inžinierstvo. V tomto prípade sa organizmy, ako sú kvasinky, rastliny alebo baktérie, geneticky modifikujú, aby boli užitočnejšie v biotechnológii a pomáhali pri výrobe liekov, ako sú antibiotiká, alebo priemyselných chemikálií, ako sú 1,3-propándiol a kyselina šikimová[105]. Cieľom týchto genetických modifikácií je zvyčajne znížiť množstvo energie spotrebovanej na výrobu produktu, zvýšiť výnosy a znížiť produkciu odpadu[106].
Santorio Santorio na oceľových váhach, z knihy Ars de statica medecina, prvýkrát publikovanej v roku 1614.
V týchto prvých štúdiách neboli identifikované mechanizmy týchto metabolických procesov a predpokladalo sa, že živé tkanivo oživuje životná sila.V 19. storočí Louis Pasteur pri skúmaní fermentácie cukru na alkohol kvasinkami dospel k záveru, že fermentáciu katalyzujú látky v bunkách kvasiniek, ktoré nazval „fermenty“. Napísal, že „alkoholové kvasenie je akt, ktorý súvisí so životom a organizáciou kvasinkových buniek, nie so smrťou alebo hnilobou buniek.“[111] Tento objav spolu s publikáciou Friedricha Wöhlera z roku 1828 o chemickej syntéze močoviny[112] dokázal, že organické zlúčeniny a chemické reakcie, ktoré sa nachádzajú v bunkách, sa v princípe nelíšia od akejkoľvek inej časti chémie.
Práve objav enzýmov na začiatku 20. storočia Eduardom Buchnerom oddelil štúdium chemických reakcií metabolizmu od biologického štúdia buniek a znamenal začiatok biochémie [113]. Jedným z najplodnejších z týchto moderných biochemikov bol Hans Krebs, ktorý veľmi prispel k štúdiu metabolizmu[114]. objavil cyklus močoviny a neskôr v spolupráci s Hansom Kornbergom cyklus kyseliny citrónovej a glyoxylátový cyklus[115]. modernému biochemickému výskumu výrazne pomohol rozvoj nových techník, ako sú chromatografia, röntgenová difrakcia, NMR spektroskopia, rádioizotopové značenie, elektrónová mikroskopia a simulácie molekulovej dynamiky. Tieto techniky umožnili objaviť a podrobne analyzovať mnohé molekuly a metabolické dráhy v bunkách.
Väčšina ľudí skúma metabolizmus pre chudnutie:
Spáľte 10 kíl za 2 týždne s týmto tajomstvom ostrovanov z Indického oceánu
Glukokináza/Hexokináza/Glukóza-6-fosfatáza – Glukóza-izomeráza – Fosfofruktokináza 1/Fruktóza-1,6-bisfosfatáza – Aldoláza – Triózofosfát izomeráza – Glyceraldehyd-3-fosfát dehydrogenáza – Fosfoglycerátkináza – Fosfoglycerátmutáza – Enoláza – Pyruvátkináza
Pyruvátkarboxyláza – fosfoenolpyruvátkarboxykináza – z laktátu (Coriho cyklus): Laktátdehydrogenáza – z alanínu (alanínový cyklus): Alanín transamináza
Fosfofruktokináza 2/Fruktóza 2,6-bisfosfatáza – Bisfosfoglycerát mutáza
Fenylalanín hydroxyláza – Tyrozín aminotransferáza – 4-hydroxyfenylpyruvát dioxygenáza – Homogentizát 1,2-dioxygenáza – Fumarylacetoacetát hydroláza
Tyrozín hydroxyláza – Dekarboxyláza aromatických L-aminokyselín – Dopamín beta hydroxyláza – Fenyletanolamín N-metyltransferáza
Komplex dehydrogenázy alfa-ketokyselín s rozvetveným reťazcom – Dehydrogenáza izovalerylkoenzýmu A – Metylkrotonyl-CoA karboxyláza
Komplex dehydrogenázy alfa-ketokyselín s rozvetveným reťazcom
Metionín adenozyltransferáza – Adenozylhomocysteináza – (alebo MTR) – Cystationín beta syntáza – Cystationín gama-lyáza
Propionyl-CoA karboxyláza – metylmalonyl-CoA mutáza
Serínhydroxymetyltransferáza
na histamín: na glutamát: Urokanát hydratáza – Formiminotransferáza cyklodeamináza
Tryptofán hydroxyláza – Dekarboxyláza aromatických L-aminokyselín – 5-hydroxyindol-O-metyltransferáza
Asparagináza/Asparagínsyntáza – Aspartáttransamináza
Glutamináza – Glutamát dekarboxyláza
Sacharopíndehydrogenáza