Metabolismus

Většina lidí Výzkum metabolismus pro hubnutí:

Spalte 10 liber za 2 týdny s tímto indickým oceánem ostrovanské tajemství

Struktura koenzymu adenosintrifosfátu, centrálního meziproduktu energetického metabolismu.

Metabolismus je soubor chemických reakcí, které se vyskytují v živých organismech za účelem zachování života. Tyto procesy umožňují organismům růst a rozmnožovat se, udržovat své struktury a reagovat na jejich prostředí. Metabolismus je obvykle rozdělen do dvou kategorií. Katabolismus rozkládá organickou hmotu, například k získávání energie v buněčném dýchání. Anabolismus naopak využívá energii k konstrukci složek buněk, jako jsou proteiny a nukleové kyseliny.

Chemické reakce metabolismu jsou organizovány do metabolických drah, ve kterých je jedna chemická látka přeměněna sekvencí enzymů na jinou. Enzymy jsou pro metabolismus klíčové, protože umožňují organismům řídit žádoucí, ale termodynamicky nepříznivé reakce tím, že je spojují s příznivými. Enzymy také umožňují regulaci metabolických drah v reakci na změny v prostředí buňky nebo na signály z jiných buněk.

Metabolismus organismu určuje, které látky bude považovat za výživné a které za jedovaté. Například některé prokaryoty používají sirovodík jako živinu, přesto je tento plyn pro živočichy jedovatý. Rychlost metabolismu, rychlost metabolismu, také ovlivňuje, kolik potravy bude organismus potřebovat.

Nápadným rysem metabolismu je podobnost základních metabolických drah mezi i značně odlišnými druhy. Například soubor karboxylových kyselin, které jsou nejznámější jako meziprodukty v cyklu kyseliny citronové, jsou přítomny ve všech organismech, vyskytují se u druhů tak různorodých, jako jsou jednobuněčné bakterie Escherichia coli a obrovské mnohobuněčné organismy, jako jsou sloni. Tyto nápadné podobnosti v metabolismu jsou s největší pravděpodobností důsledkem vysoké účinnosti těchto drah a jejich raného výskytu v evoluční historii.

Struktura triacylglycerolového lipidu.

Bílkoviny jsou tvořeny aminokyselinami uspořádanými v lineárním řetězci a spojenými peptidovými vazbami. Mnoho bílkovin jsou enzymy, které katalyzují chemické reakce v metabolismu. Jiné bílkoviny mají strukturální nebo mechanické funkce, například bílkoviny, které tvoří cytoskelet, systém lešení, který udržuje tvar buňky. Bílkoviny jsou také důležité v buněčné signalizaci, imunitních reakcích, buněčné adhezi, aktivním transportu přes membrány a buněčném cyklu.

Glukóza může existovat jak ve formě s rovným řetězcem, tak ve formě kroužku.

Sacharidy jsou aldehydy s rovným řetězcem nebo ketony s mnoha hydroxylovými skupinami, které mohou existovat jako rovné řetězce nebo kruhy. Sacharidy jsou nejrozšířenější biologické molekuly a plní řadu rolí, jako je ukládání a transport energie (škrob, glykogen) a strukturní složky (celulóza v rostlinách, chitin v živočiších). Základní sacharidové jednotky se nazývají monosacharidy a zahrnují galaktózu, fruktózu a především glukózu. Monosacharidy mohou být spojeny za vzniku polysacharidů téměř neomezeným způsobem.

Polymery DNA a RNA jsou dlouhé řetězce nukleotidů. Tyto molekuly jsou kritické pro uchování a využití genetické informace prostřednictvím procesů transkripce a biosyntézy bílkovin. Tato informace je chráněna mechanismy opravy DNA a je šířena replikací DNA. Několik virů má genom RNA, například HIV, který využívá reverzní transkripci k vytvoření šablony DNA ze svého genomu virové RNA. RNA v ribozymech, jako jsou spliceozomy a ribozomy, je podobná enzymům, protože může katalyzovat chemické reakce. Jednotlivé nukleosidy vznikají navázáním nukleobasy na ribózový cukr. Tyto báze jsou heterocyklické kruhy obsahující dusík, klasifikované jako puriny nebo pyrimidiny. Nukleotidy také působí jako koenzymy v metabolických skupinových transferových reakcích.

Struktura koenzymu acetyl-CoA.Přenosná acetylová skupina je navázána na atom síry úplně vlevo.

Metabolismus zahrnuje obrovské množství chemických reakcí, ale většina z nich spadá pod několik základních typů reakcí, které zahrnují přenos funkčních skupin. Tato běžná chemie umožňuje buňkám používat malou sadu metabolických meziproduktů k přenosu chemických skupin mezi různými reakcemi. Tyto meziprodukty přenosu skupin se nazývají koenzymy. Každá třída skupinové přenosové reakce je prováděna konkrétním koenzymem, který je substrátem pro sadu enzymů, které jej produkují, a sadou enzymů, které jej konzumují. Tyto koenzymy jsou proto průběžně vyráběny, spotřebovávány a poté recyklovány.

Jedním z ústředních koenzymů je adenosintrifosfát (ATP), univerzální energetická měna buněk. Tento nukleotid se používá k přenosu chemické energie mezi různými chemickými reakcemi. V buňkách je jen malé množství ATP, ale protože je neustále regenerován, lidské tělo může využít přibližně svou vlastní hmotnost v ATP za den. ATP působí jako most mezi katabolismem a anabolismem, přičemž katabolické reakce generují ATP a anabolické reakce ji pohlcují. Slouží také jako nosič fosfátových skupin ve fosforylačních reakcích.

Vitamín je organická sloučenina potřebná v malých množstvích, kterou nelze v buňkách vyrobit. V lidské výživě funguje většina vitaminů po modifikaci jako koenzymy; například všechny ve vodě rozpustné vitaminy jsou fosforylovány nebo jsou při použití v buňkách vázány na nukleotidy. Nikotinamid adenindinukleotid (NADH), derivát vitaminu B3 (niacin), je důležitý koenzym, který působí jako akceptor vodíku. Stovky samostatných typů dehydrogenáz odstraňují elektrony ze svých substrátů a redukují NAD+ na NADH. Tato redukovaná forma koenzymu je pak substrátem pro všechny reduktázy v buňce, které potřebují redukovat své substráty. Nikotinamid adenindinukleotid existuje v buňce ve dvou příbuzných formách, NADH a NADPH. Forma NAD+/NADH je důležitější při katabolických reakcích, zatímco NADP+/NADPH se používá při anabolických reakcích.

Struktura hemoglobinu. Podjednotky bílkovin jsou v červené a modré a hemové skupiny obsahující železo v zelené. Z PDB 1GZX.

Anorganické prvky hrají v metabolismu rozhodující roli; některé jsou hojné (např. sodík a draslík), zatímco jiné fungují při nepatrných koncentracích. Asi 99% hmotnosti savců tvoří prvky uhlík, dusík, vápník, sodík, chlor, draslík, vodík, fosfor, kyslík a síra. Organické sloučeniny (bílkoviny, lipidy a sacharidy) obsahují většinu uhlíku a dusíku a většina kyslíku a vodíku je přítomna ve vodě.

Bohaté anorganické prvky působí jako iontové elektrolyty. Nejdůležitějšími ionty jsou sodík, draslík, vápník, hořčík, chlorid, fosfát a organický iont hydrogenuhličitan. Udržování přesných přechodů přes buněčné membrány udržuje osmotický tlak a pH. Ionty jsou také kritické pro nervy a svaly, protože akční potenciály v těchto tkáních jsou vytvářeny výměnou elektrolytů mezi extracelulární tekutinou a cytosolem. Elektrolyty vstupují a opouštějí buňky prostřednictvím bílkovin v buněčné membráně nazývaných iontové kanály. Například kontrakce svalů závisí na pohybu vápníku, sodíku a draslíku přes iontové kanály v buněčné membráně a T-tubulech.

Přechodné kovy jsou obvykle přítomny jako stopové prvky v organismech, přičemž nejvíce se vyskytují zinek a železo. Tyto kovy se používají v některých proteinech jako kofaktory a jsou nezbytné pro aktivitu enzymů, jako je kataláza a proteiny přenášející kyslík, jako je hemoglobin. Tyto kofaktory jsou pevně vázány na specifickou bílkovinu; ačkoli enzymové kofaktory mohou být během katalýzy modifikovány, kofaktory se vždy po katalýze vrátí do původního stavu. Kovové mikroživiny jsou přijímány do organismů specifickými transportéry a vázány na skladovací proteiny, jako je feritin nebo metalothionein, pokud nejsou používány.

Doporučujeme:  Teorie sociální směny

Nejběžnější soubor katabolických reakcí u zvířat lze rozdělit do tří hlavních fází. V první jsou velké organické molekuly, jako jsou bílkoviny, polysacharidy nebo lipidy, natráveny do svých menších složek mimo buňky. Následně jsou tyto menší molekuly pohlceny buňkami a přeměněny na ještě menší molekuly, obvykle acetylový koenzym A (CoA), který uvolňuje určitou energii. Nakonec je acetylová skupina na CoA oxidována na vodu a oxid uhličitý v cyklu kyseliny citronové a elektronovém transportním řetězci, čímž se uvolňuje energie, která je uložena redukcí koenzymu nikotinamidu adenindinukleotidu (NAD+) na NADH.

Makromolekuly, jako je škrob, celulóza nebo bílkoviny, nemohou být buňkami rychle přijímány a je třeba je rozložit na jejich menší jednotky, než mohou být použity v buněčném metabolismu. Tyto polymery tráví několik běžných tříd enzymů. Tyto trávicí enzymy zahrnují proteázy, které tráví bílkoviny na aminokyseliny, a také glykosidové hydrolázy, které tráví polysacharidy na monosacharidy.

Mikrobi jednoduše vylučují trávicí enzymy do svého okolí, zatímco zvířata vylučují tyto enzymy pouze ze specializovaných buněk ve svých střevech. Aminokyseliny nebo cukry uvolněné těmito extracelulárními enzymy jsou pak pumpovány do buněk specifickými aktivními transportními proteiny.

Zjednodušený nástin katabolismu bílkovin, sacharidů a tuků.

Energie z organických sloučenin

Sacharidový katabolismus je rozklad sacharidů na menší jednotky. Sacharidy se obvykle přijímají do buněk, jakmile jsou natráveny na monosacharidy. Po jejich vstřebání je hlavní cestou rozkladu glykolýza, kde se cukry jako glukóza a fruktóza přeměňují na pyruvát a vzniká část ATP. Pyruvát je meziproduktem v několika metabolických drahách, ale většina se přeměňuje na acetyl-CoA a přivádí se do cyklu kyseliny citronové. Přestože se část ATP tvoří v cyklu kyseliny citronové, nejdůležitějším produktem je NADH, který se vyrábí z NAD+, protože acetyl-CoA se oxiduje. Tato oxidace uvolňuje oxid uhličitý jako odpadní produkt. V anaerobních podmínkách glykolýza produkuje laktát, přes enzym laktát dehydrogenázu znovu oxidující NADH na NAD+ pro opakované použití v glykolýze. Alternativní cestou pro odbourávání glukózy je fosfátová cesta pentózy, která snižuje koenzym NADPH a produkuje cukry pentózy, jako je ribóza, cukerná složka nukleových kyselin.

Tuky jsou hydrolýzou katabolizovány na volné mastné kyseliny a glycerol. Do glykolýzy vstupuje glycerol a mastné kyseliny jsou beta oxidací rozkládány na acetyl-CoA, který je pak přiváděn do cyklu kyseliny citronové. Mastné kyseliny uvolňují při oxidaci více energie než sacharidy, protože sacharidy obsahují ve svých strukturách více kyslíku.

Struktura ATP syntázy, protonový kanál a rotující stopka jsou zobrazeny modře a podjednotky syntázy červeně.

Při oxidativní fosforylaci se elektrony odstraněné z molekul potravy cestami, jako je cyklus kyseliny citronové, přenášejí na kyslík a uvolňovaná energie se využívá k tvorbě ATP. To se děje u eukaryot řadou proteinů v membránách mitochondrií, které se nazývají elektronový transportní řetězec. U prokaryot se tyto proteiny nacházejí ve vnitřní membráně buňky. Tyto proteiny využívají energii uvolněnou z projíždějících elektronů ze snížených molekul, jako je NADH, na kyslík k pumpování protonů přes membránu.

Pumpování protonů z mitochondrií vytváří rozdíl koncentrace protonů v celé membráně a vytváří elektrochemický gradient. Tato síla žene protony zpět do mitochondrionu přes bázi enzymu zvaného ATP syntáza. Proud protonů způsobuje rotaci stonkové podjednotky, což způsobuje, že aktivní místo syntázové domény mění tvar a fosforyluje adenosin difosfát – mění ho na ATP.

Anabolismus je soubor konstruktivních metabolických procesů, kde se energie uvolněná katabolismem používá k syntéze komplexních molekul. Obecně platí, že komplexní molekuly, které tvoří buněčné struktury, jsou konstruovány krok za krokem z malých a jednoduchých prekurzorů. Anabolismus zahrnuje tři základní fáze. Za prvé, výroba prekurzorů, jako jsou aminokyseliny, monosacharidy, isoprenoidy a nukleotidy, za druhé, jejich aktivace do reaktivních forem pomocí energie z ATP, a za třetí, montáž těchto prekurzorů do komplexních molekul, jako jsou proteiny, polysacharidy, lipidy a nukleové kyseliny.

V sacharidovém anabolismu mohou být jednoduché organické kyseliny přeměněny na monosacharidy, jako je glukóza, a poté použity k sestavení polysacharidů, jako je škrob. Tvorba glukózy ze sloučenin jako je pyruvát, laktát, glycerol, glycerát 3-fosfát a aminokyseliny se nazývá glukoneogeneze. Glukonogeneze přeměňuje pyruvát na glukózu-6-fosfát prostřednictvím řady meziproduktů, z nichž mnohé jsou sdíleny s glykolýzou. Tato cesta však není jen glykolýza běžící obráceně, protože několik kroků je katalyzováno neglykolytickými enzymy. To je důležité, protože to umožňuje samostatnou regulaci tvorby a rozkladu glukózy a zabraňuje souběžnému běhu obou cest v marném cyklu.

Ačkoli je tuk běžným způsobem ukládání energie, u obratlovců, jako je člověk, nemohou být mastné kyseliny v těchto zásobách přeměněny na glukózu glukoneogenezí, protože tyto organismy nemohou přeměnit acetyl-CoA na pyruvát; rostliny ano, ale zvířata ne, mají potřebné enzymatické stroje. V důsledku toho musí obratlovci po dlouhodobém hladovění produkovat ketonová těla z mastných kyselin, aby nahradili glukózu ve tkáních, jako je mozek, který nemůže metabolizovat mastné kyseliny. U jiných organismů, jako jsou rostliny a bakterie, je tento metabolický problém vyřešen pomocí glyoxylátového cyklu, který obchází dekarboxylační krok v cyklu kyseliny citronové a umožňuje přeměnu acetyl-CoA na oxaloacetát, kde může být použit pro výrobu glukózy.

Polysacharidy a glykany se vyrábějí sekvenčním přidáním monosacharidů glykosyltransferázou z reaktivního dárce cukru-fosfátu, jako je uridin difosfát glukóza (UDP-glukóza), do akceptorové hydroxylové skupiny na rostoucím polysacharidu. Protože kterákoli z hydroxylových skupin na kruhu substrátu může být akceptorem, mohou mít vytvořené polysacharidy rovnou nebo rozvětvenou strukturu. Vyrobené polysacharidy mohou mít samy strukturální nebo metabolické funkce nebo mohou být enzymy zvanými oligosachyltransferázy přeneseny na lipidy a bílkoviny.

Mastné kyseliny, isoprenoidy a steroidy

Zjednodušená verze dráhy syntézy steroidů s uvedenými meziprodukty isopentenyl pyrofosfát (IPP), dimethylallyl pyrofosfát (DMAPP), geranyl pyrofosfát (GPP) a skvalen. Některé meziprodukty jsou pro přehlednost vynechány.

Mastné kyseliny jsou vytvářeny syntázami mastných kyselin, které polymerizují a poté redukují acetyl-CoA jednotky. Cyklus reakcí, které přidávají aktylovou skupinu, redukují ji na alkohol, dehydratují ji na alkenovou skupinu a poté opět redukují na alkanovou skupinu, rozšiřuje acylové řetězce v mastných kyselinách. Enzymy biosyntézy mastných kyselin jsou rozděleny do dvou skupin, u zvířat a hub jsou všechny tyto reakce syntázy mastných kyselin prováděny jediným multifunkčním proteinem typu I, zatímco v rostlinných plastidech a bakteriích provádějí každý krok cesty samostatné enzymy typu II.

Doporučujeme:  Data panelu

Terpeny a isoprenoidy jsou velkou třídou lipidů, které zahrnují karotenoidy a tvoří největší třídu rostlinných přírodních produktů. Tyto sloučeniny se vyrábějí sestavením a modifikací izoprenových jednotek darovaných z reaktivních prekurzorů isopentenyl pyrofosfátu a dimethylallyl pyrofosfátu. Tyto prekurzory mohou být vyrobeny různými způsoby. U zvířat a archeí produkuje mevalonátová dráha tyto sloučeniny z acetyl-CoA, zatímco u rostlin a bakterií používá nemetavalonátová dráha jako substráty pyruvát a glyceraldehyd 3-fosfát. Jednou z důležitých reakcí, která využívá tyto aktivované dárce izoprenu, je steroidní biosyntéza. Zde se izoprenové jednotky spojí a vytvoří se skvalen a pak se složí a vytvoří se soubor kruhů, ze kterých se vytvoří lanosterol. Lanosterol pak může být přeměněn na jiné steroidy, jako je cholesterol a ergosterol.

Organismy se liší ve své schopnosti syntetizovat 20 běžných aminokyselin. Většina bakterií a rostlin dokáže syntetizovat všech dvacet, ale savci dokáží syntetizovat pouze deset neesenciálních aminokyselin. Esenciální aminokyseliny tedy musí být získány z potravy. Všechny aminokyseliny jsou syntetizovány z meziproduktů v glykolýze, cyklu kyseliny citronové nebo pentózofosfátové dráze. Dusík je poskytován glutamátem a glutaminem. Syntéza aminokyselin závisí na tvorbě příslušné alfa-ketokyseliny, která je pak transaminována za vzniku aminokyseliny.

Syntéza a záchrana nukleotidů

Nukleotidy se vyrábějí z aminokyselin, oxidu uhličitého a kyseliny mravenčí cestami, které vyžadují velké množství metabolické energie. V důsledku toho má většina organismů účinné systémy pro záchranu preformovaných nukleotidů. Puriny se syntetizují jako nukleosidy (zásady navázané na ribózu). Adenin i guanin se vyrábějí z prekurzorového nukleosidu inosinmonofosfátu, který se syntetizuje pomocí atomů z aminokyselin glycinu, glutaminu a kyseliny asparagové a také z formatu přeneseného z koenzymu tetrahydrofolátu. Pyrimidiny se naopak syntetizují z báze orotátu, který se tvoří z glutaminu a aspartátu.

Xenobiotika a redoxní metabolismus

Všechny organismy jsou neustále vystaveny sloučeninám, které nemohou používat jako potraviny a které by byly škodlivé, pokud by se nahromadily v buňkách, protože nemají žádnou metabolickou funkci. Tyto potenciálně škodlivé sloučeniny se nazývají xenobiotika. Xenobiotika, jako jsou syntetické drogy, přírodní jedy a antibiotika, jsou detoxikována souborem enzymů metabolizujících xenobiotika. U lidí mezi ně patří cytochrom P450 oxidázy, UDP-glukuronosyltransferázy a glutathionové S-transferázy. Tento systém enzymů působí ve třech fázích tak, že nejprve oxiduje xenobiotikum (fáze I) a poté konjuguje ve vodě rozpustné skupiny na molekulu (fáze II). Upravené ve vodě rozpustné xenobiotikum pak může být odčerpáno z buněk a v mnohobuněčných organismech může být dále metabolizováno, než je vyloučeno (fáze III). V ekologii jsou tyto reakce zvláště důležité při mikrobiálním biologickém rozkladu znečišťujících látek a při biosanaci kontaminované půdy a úniků ropy. Mnoho z těchto mikrobiálních reakcí je sdíleno s mnohobuněčnými organismy, ale díky neuvěřitelné rozmanitosti typů mikrobů jsou tyto organismy schopny vypořádat se s mnohem širším spektrem xenobiotik než mnohobuněčné organismy a mohou degradovat i perzistentní organické znečišťující látky, jako jsou organochloridové sloučeniny.

Souvisejícím problémem aerobních organismů je oxidační stres. Zde procesy zahrnující oxidativní fosforylaci a tvorbu disulfidových vazeb při skládání proteinů produkují reaktivní druhy kyslíku, jako je peroxid vodíku. Tyto škodlivé oxidanty jsou odstraňovány antioxidačními metabolity, jako je glutathion a enzymy, jako jsou katalázy a peroxidázy.

Termodynamika živých organismů

Živé organismy musí dodržovat zákony termodynamiky, které popisují přenos tepla a práce. Druhý zákon termodynamiky říká, že v každém uzavřeném systému bude mít množství entropie (poruchy) tendenci se zvyšovat. Ačkoli se zdá, že úžasná složitost živých organismů tomuto zákonu odporuje, život je možný, protože všechny organismy jsou otevřené systémy, které si vyměňují hmotu a energii se svým okolím. Živé systémy tedy nejsou v rovnováze, ale místo toho jsou to systémy rozptylující, které si udržují svůj stav vysoké složitosti tím, že způsobují větší nárůst entropie ve svém prostředí. Metabolismus buňky toho dosahuje tím, že spojuje spontánní procesy katabolismu s nesvobodnými procesy anabolismu. Z termodynamického hlediska metabolismus udržuje pořádek tím, že vytváří poruchy.

Vzhledem k tomu, že prostředí většiny organismů se neustále mění, musí být reakce metabolismu jemně regulovány, aby byla zachována konstantní sada podmínek uvnitř buněk, což je stav zvaný homeostáza. Metabolická regulace také umožňuje organismům reagovat na signály a aktivně interagovat se svým prostředím. Pro pochopení toho, jak jsou metabolické cesty kontrolovány, jsou důležité dva úzce propojené koncepty. Zaprvé, regulace enzymu v cestě je způsob, jakým je jeho aktivita zvýšena a snížena v reakci na signály. Zadruhé, kontrola vykonávaná tímto enzymem je vliv, který tyto změny v jeho aktivitě mají na celkovou rychlost cesty (tok přes cestu). Například enzym může vykazovat velké změny v aktivitě (tj. je vysoce regulován), ale pokud tyto změny mají malý vliv na tok metabolické cesty, pak se tento enzym nepodílí na kontrole cesty.

Existuje více úrovní metabolické regulace. Při vnitřní regulaci metabolická cesta samoreguluje, aby reagovala na změny v hladinách substrátů nebo produktů; například snížení množství produktu může zvýšit tok cestou ke kompenzaci. Tento typ regulace často zahrnuje alosterickou regulaci činnosti více enzymů v cestě.[80] Extrinzní kontrola zahrnuje buňku v mnohobuněčném organismu, která mění svůj metabolismus v reakci na signály z jiných buněk. Tyto signály jsou obvykle ve formě rozpustných poslů, jako jsou hormony a růstové faktory, a jsou detekovány specifickými receptory na povrchu buňky.[81] Tyto signály jsou pak přenášeny uvnitř buňky systémy druhého posla, které se často podílejí na fosforylaci proteinů.[82]

Velmi dobře pochopeným příkladem vnější kontroly je regulace metabolismu glukózy hormonem inzulínem.[83] Inzulín vzniká v reakci na zvýšení hladiny glukózy v krvi. Vazba hormonu na inzulínové receptory na buňkách pak aktivuje kaskádu proteinkináz, které způsobují, že buňky přijímají glukózu a přeměňují ji na skladovací molekuly, jako jsou mastné kyseliny a glykogen.[84] Metabolismus glykogenu je řízen aktivitou fosforylázy, enzymu, který štěpí glykogen, a glykogensyntázy, enzymu, který ji tvoří. Tyto enzymy jsou regulovány recipročně, přičemž fosforylace inhibuje glykogensyntázu, ale aktivuje fosforylázu. Inzulín způsobuje syntézu glykogenu aktivací proteinových fosfatáz a vyvoláním poklesu fosforylace těchto enzymů.[85]

Evoluční strom znázorňující společné předky organismů ze všech tří oblastí života. Bakterie jsou zbarveny modře, eukaryota červeně a archea zeleně. Relativní pozice některých zahrnutých fyl jsou znázorněny kolem stromu.

Výše popsané centrální cesty metabolismu, jako je glykolýza a cyklus kyseliny citronové, jsou přítomny ve všech třech doménách živých tvorů a byly přítomny v posledním univerzálním předkovi.[86] Tato univerzální prapůvodní buňka byla prokaryotická a pravděpodobně methanogen, který měl rozsáhlý metabolismus aminokyselin, nukleotidů, sacharidů a lipidů.[87][88] Zachování těchto pradávných cest během pozdější evoluce může být důsledkem toho, že tyto reakce jsou optimálním řešením jejich specifických metabolických problémů, kdy cesty, jako je glykolýza a cyklus kyseliny citronové, produkují své konečné produkty vysoce efektivně a v minimálním počtu kroků.
První cesty metabolismu na bázi enzymů mohly být části metabolismu purinových nukleotidů, přičemž předchozí metabolické cesty byly součástí starověkého světa RNA.[89]

Doporučujeme:  Leucin

Bylo navrženo mnoho modelů popisujících mechanismy, kterými se vyvíjejí nové metabolické dráhy. Patří mezi ně postupné přidávání nových enzymů do krátké původní dráhy, zdvojování a poté divergence celých drah, stejně jako nábor již existujících enzymů a jejich sestavení do nové reakční dráhy.[90] Relativní význam těchto mechanismů je nejasný, ale genomické studie ukázaly, že enzymy v dráze mají pravděpodobně společné předky, což naznačuje, že mnohé dráhy se vyvíjely krok za krokem s vytvářením nových funkcí z již existujících kroků v dráze.[91] Alternativní model pochází ze studií, které sledují vývoj struktur proteinů v metabolických sítích, to naznačuje, že enzymy jsou všudypřítomně naverbovány, přičemž si půjčují enzymy, aby vykonávaly podobné funkce v různých metabolických drahách (patrné v databázi MANET)[92] Výsledkem těchto procesů naverbování je evoluční enzymatická mozaika.[93] Třetí možností je, že některé části metabolismu mohou existovat jako „moduly“, které mohou být znovu použity v různých drahách a vykonávat podobné funkce na různých molekulách.[94]

Kromě vývoje nových metabolických drah může evoluce způsobit také ztrátu metabolických funkcí. Například u některých parazitů dochází ke ztrátě metabolických procesů, které nejsou nezbytné pro přežití, a místo toho mohou být z hostitele vyňaty preformované aminokyseliny, nukleotidy a sacharidy.[95] Podobné snížené metabolické schopnosti jsou pozorovány u endosymbiotických organismů.[96]

Vyšetřování a manipulace

Metabolická síť cyklu kyseliny citronové Arabidopsis thaliana. Enzymy a metabolity jsou zobrazeny jako červené čtverce a interakce mezi nimi jako černé čáry.

Metabolismus je klasicky studován redukcionistickým přístupem, který se zaměřuje na jedinou metabolickou cestu. Zvláště cenné je použití radioaktivních stopovacích látek na úrovni celého organismu, tkáně a buněk, které definují cesty od prekurzorů ke konečným produktům identifikací radioaktivně značených meziproduktů a produktů.[97] Enzymy, které katalyzují tyto chemické reakce, mohou být poté vyčištěny a jejich kinetika a reakce na inhibitory zkoumány. Paralelním přístupem je identifikace malých molekul v buňce nebo tkáni; kompletní soubor těchto molekul se nazývá metabolom. Celkově tyto studie poskytují dobrý přehled o struktuře a funkci jednoduchých metabolických cest, ale jsou nedostatečné, pokud jsou aplikovány na složitější systémy, jako je metabolismus kompletní buňky.[98]

Představa o složitosti metabolických sítí v buňkách, které obsahují tisíce různých enzymů, je dána obrázkem znázorňujícím interakce mezi pouhými 43 proteiny a 40 metabolity napravo: sekvence genomů poskytují seznamy obsahující cokoliv až do 45 000 genů.[99] Nyní je však možné využít tato genomická data k rekonstrukci kompletních sítí biochemických reakcí a k vytvoření ucelenějších matematických modelů, které mohou vysvětlit a předpovědět jejich chování.[100] Tyto modely jsou obzvláště silné, když se používají k integraci údajů o dráze a metabolitech získaných klasickými metodami s údaji o genové expresi ze studií proteomických a DNA mikročipů.[101] Pomocí těchto technik byl nyní vytvořen model lidského metabolismu, který bude vodítkem pro budoucí objev léčiv a biochemický výzkum.[102] Tyto modely se nyní používají v analýze sítí, ke klasifikaci lidských nemocí do skupin, které sdílejí společné proteiny nebo metabolity.[103][104]

Významnou technologickou aplikací těchto informací je metabolické inženýrství. Zde jsou organismy jako kvasinky, rostliny nebo bakterie geneticky modifikovány, aby byly užitečnější v biotechnologiích a napomáhaly výrobě léčiv, jako jsou antibiotika nebo průmyslové chemikálie, jako je 1,3-propandiol a kyselina šikimová.[105] Cílem těchto genetických modifikací je obvykle snížit množství energie použité k výrobě produktu, zvýšit výnosy a snížit produkci odpadů.[106]

Santorio Santorio ve své ocelové váze, z Ars de statica medecina, poprvé publikoval 1614.

V těchto raných studiích nebyly mechanismy těchto metabolických procesů identifikovány a mělo se za to, že živou tkáň oživuje vitální síla.[110] V 19. století, když Louis Pasteur studoval fermentaci cukru na alkohol kvasinkami, došel k závěru, že fermentace je katalyzována látkami v buňkách kvasinek, které nazval „fermenty“. Napsal, že „alkoholová fermentace je akt korelující s životem a organizací buněk kvasinek, nikoli se smrtí nebo hnilobou buněk.“[111] Tento objev spolu s publikací Friedricha Wöhlera z roku 1828 o chemické syntéze močoviny[112] prokázal, že organické sloučeniny a chemické reakce nalezené v buňkách se v zásadě neliší od jakékoli jiné části chemie.

Právě objev enzymů na počátku 20. století Eduardem Buchnerem oddělil studium chemických reakcí metabolismu od biologického studia buněk a znamenal počátky biochemie.[113] Množství biochemických poznatků rychle rostlo během celého počátku 20. století. Jedním z nejplodnějších z těchto moderních biochemiků byl Hans Krebs, který významně přispěl ke studiu metabolismu.[114] Objevil cyklus močoviny a později, ve spolupráci s Hansem Kornbergem, cyklus kyseliny citronové a cyklus glyoxylátu.[115] Modernímu biochemickému výzkumu výrazně napomohl vývoj nových technik, jako je chromatografie, rentgenová difrakce, NMR spektroskopie, radioizotopové značení, elektronová mikroskopie a simulace molekulární dynamiky. Tyto techniky umožnily objev a podrobnou analýzu mnoha molekul a metabolických drah v buňkách.

Většina lidí Výzkum metabolismus pro hubnutí:

Spalte 10 liber za 2 týdny s tímto indickým oceánem ostrovanské tajemství

Glukokináza/hexokináza/glukóza 6-fosfatáza – izomeráza glukózy – fosfofruktóza 1/fruktóza 1,6-bisfosfatáza – aldoláza – triosefosfátová izomeráza – glyceriddehyd 3-fosfátdehydrogenáza – fosfoglycerátkináza – fosfoglycerátová mutaáza – enzoláza – pyruvát kináza

Pyruvát karboxyláza – fosfoenolpyruvát karboxykináza – z laktátu (Coriho cyklus): Laktát dehydrogenáza – z alaninu (Alaninův cyklus): Alanin transamináza

Fosfofructokináza 2/fruktóza 2,6-bisfosfatáza – bisfosfoglycerátová mutaza

Fenylalanin hydroxyláza – tyrosin aminotransferáza – 4-hydroxyfenylpyruvát dioxygenáza – homogentisat 1,2-dioxygenáza – fumarylacetoacetát hydroláza

Tyrosin hydroxyláza – aromatická L-aminokyselina dekarboxyláza – dopamin beta hydroxyláza – fenylethanolamin N-methyltransferáza

Komplex alfa-keto kyseliny dehydrogenázy s rozvětveným řetězcem – Isovalerylový koenzym A dehydrogenáza – Methylcrotonyl-CoA karboxyláza

Komplex alfa-keto kyseliny dehydrogenázy s rozvětveným řetězcem

Methionin adenosyltransferáza – Adenosylhomocysteináza – (nebo MTR) – Cystathionin beta syntáza – Cystathionin gama-lyáza

Propionyl-CoA karboxyláza – Methylmalonyl-CoA mutasa

Serin hydroxymethyltransferáza

na histamin: Histidin dekarboxyláza – na glutamát: Histidin amoniak-lyáza – hydratáza urokarátu – Formiminotransferáza cyklodeamináza

Tryptofan hydroxyláza – aromatická L-aminokyselina dekarboxyláza – 5-hydroxyindol-O-methyltransferáza

Asparagináza/asparaginová syntetáza – aspartáttransamináza

Glutamináza – glutamát dekarboxyláza

Sacharopindehydrogenáza