Введение
Ощущение питательных веществ – это способность клетки распознавать и реагировать на топливные субстраты, такие как глюкоза. Каждый тип топлива, используемый клеткой, требует альтернативного пути утилизации и вспомогательных молекул, таких как ферменты и кофакторы. Для экономии ресурсов клетка производит только те молекулы, которые необходимы ей в данный момент. Уровень и тип доступного для клетки топлива определяют, какие ферменты ей нужно экспрессировать из своего генома для утилизации этого топлива. Рецепторы на поверхности клеточной мембраны, предназначенные для активации в присутствии специфических молекул топлива, передают сигнал в ядро клетки посредством каскада взаимодействий. Питательные рецепторы предназначены главным образом для выполнения функции ощущения питательных веществ, в то время как другие рецепторы (например, рецепторы инсулина, рецепторы лептина) обладают широким спектром многофункциональности и выполняют множество функций, помимо ощущения питательных веществ. Таким образом, клетка осведомлена о доступных питательных веществах и способна производить только молекулы, специфичные для данного типа питательных веществ.
Ощущение питательных веществ в клетках наномалий
Быстрый и эффективный ответ на изменения уровня питательных веществ критически важен для выживания организмов, от бактерий до человека. Поэтому клетки выработали множество молекулярных механизмов, способных воспринимать концентрацию питательных веществ и быстро регулировать экспрессию генов и модификацию белков в ответ на любые изменения. Рост клеток регулируется согласованной работой внеклеточных питательных веществ и внутриклеточных метаболитов. АМФ-активируемая протеинкиназа (AMPK) и комплекс 1 мишени рапамицина у млекопитающих (mTORC1) выступают в качестве ключевых молекул, определяющих соответственно уровень клеточной энергии и питательных веществ. Взаимодействие между питательными веществами, метаболитами, экспрессией генов и модификацией белков участвует в координации роста клеток с внешними и внутренними условиями. Живые клетки используют АТФ как наиболее важный непосредственный источник энергии. Гидролиз АТФ до АДФ и фосфата (или АМФ и пирофосфата) обеспечивает энергией большинство биологических процессов. Отношение АТФ к АДФ и АМФ является индикатором энергетического статуса клетки и поэтому строго контролируется ею. В эукариотических клетках AMPK служит ключевым сенсором клеточной энергии и главным регулятором метаболизма для поддержания энергетического гомеостаза.
Ощущение питательных веществ и эпигенетика
Ощущение и передача сигналов о питательных веществах является ключевым регулятором эпигенетического аппарата при раке. При недостатке глюкозы, энергетический сенсор AMPK активирует аргининметилтрансферазу CARM1 и вызывает гиперметилирование гистона H3 (H3R17me2), что приводит к усилению аутофагии. Кроме того, O-GlcNAc трансфераза (OGT) передает информацию о доступности глюкозы ферменту TET3 и ингибирует TET3, снижая его диоксигеназную активность и стимулируя ядерный экспорт. Также известно, что OGT непосредственно модифицирует гистоны с помощью O-GlcNAc. Все это убедительно свидетельствует о том, что сигнальные пути, связанные с питательными веществами, напрямую воздействуют на эпигенетические ферменты для контроля эпигенетических модификаций.
Регулирование роста тканей
Ощущение питательных веществ является ключевым регулятором роста тканей. Основным медиатором клеточного восприятия питательных веществ является протеинкиназа TOR (мишень рапамицина). TOR получает информацию об уровнях клеточных аминокислот и энергии и регулирует активность процессов, участвующих в росте клеток, таких как синтез белка и аутофагия. Инсулиноподобная сигнализация – основной механизм системного восприятия питательных веществ, который в значительной степени опосредует свои функции регуляции роста через протеинкиназный путь. Другие гормональные механизмы, регулируемые питанием, вносят вклад в контроль роста, модулируя активность инсулиноподобной сигнализации.
Ощущение питательных веществ в растениях
Высшим растениям требуется ряд необходимых питательных элементов для завершения жизненного цикла. Минеральные питательные вещества в основном поглощаются корнями из ризосферы и затем распределяются по надземной части растения. Чтобы справиться с дефицитом питательных веществ, растения выработали сложный комплекс реакций, включающий сенсорные механизмы и сигнальные процессы для восприятия и адаптации к внешней доступности питательных веществ. Небольшие количества других микроэлементов также важны для роста сельскохозяйственных культур. Все эти питательные вещества одинаково необходимы для роста растения, и недостаток хотя бы одного из них может привести к замедлению роста, повышенной восприимчивости к болезням или даже гибели растения. Эти питательные вещества, наряду с энергией солнца, способствуют развитию растения.
Наблюдение за содержанием азота
Как одно из важнейших питательных веществ для развития и роста всех растений, восприятие азота и сигнальный ответ необходимы для их выживания. Растения поглощают азот из почвы в форме нитратов или аммония. В почвах с низким содержанием кислорода аммоний является основным источником азота, однако его токсичность тщательно регулируется посредством транскрипции транспортеров аммония (AMTs). NRT1.1, также известный как CHL1, представляет собой нитратный транспорцептор (транспортер и рецептор), расположенный на плазматической мембране растений.
Регулирование потребления пищи мозгом и кишечником
Поддержание тонкого баланса между запасами энергии и потреблением калорий важно для обеспечения организма достаточным количеством энергии для поддержания жизнедеятельности, роста и активности. Нарушение этого баланса может привести к ожирению и связанным с ним заболеваниям.