Введение
Набор химических реакций в организмах. Метаболизм (/m//ə/'/t//æ//b//ə//l//ɪ//z//ə//m/, от μεταβολή metabolē, "изменение") – это совокупность химических реакций, обеспечивающих жизнь в организмах. Три основные функции метаболизма: преобразование энергии, содержащейся в пище, в энергию, доступную для клеточных процессов; преобразование пищи в строительные блоки белков, липидов, нуклеиновых кислот и некоторых углеводов; и выведение метаболических отходов. Эти ферментативно-катализируемые реакции позволяют организмам расти и размножаться, поддерживать свои структуры и реагировать на окружающую среду. Слово "метаболизм" также может относиться к сумме всех химических реакций, происходящих в живых организмах, включая пищеварение и транспорт веществ в различные клетки и между ними. В этом случае вышеописанный набор реакций внутри клеток называется промежуточным (или интермедиарным) метаболизмом. Метаболические реакции можно классифицировать как катаболические – расщепление соединений (например, глюкозы до пирувата при клеточном дыхании); или анаболические – синтез соединений (таких как белки, углеводы, липиды и нуклеиновые кислоты). Обычно катаболизм высвобождает энергию, а анаболизм потребляет её. Химические реакции метаболизма организованы в метаболические пути, в которых одно химическое вещество преобразуется посредством ряда этапов в другое, каждый из которых облегчается специфическим ферментом. Ферменты имеют решающее значение для метаболизма, поскольку они позволяют организмам ускорять желательные реакции, требующие энергии и не происходящие самопроизвольно, путем их сочетания со спонтанными реакциями, высвобождающими энергию. Ферменты действуют как катализаторы – они ускоряют реакцию – и также позволяют регулировать скорость метаболической реакции, например, в ответ на изменения в среде клетки или сигналы от других клеток. Метаболическая система конкретного организма определяет, какие вещества он будет считать питательными, а какие – ядовитыми. Например, некоторые прокариоты используют сероводород в качестве источника питания, в то время как этот газ ядовит для животных. Базальная скорость метаболизма организма – это показатель количества энергии, потребляемой всеми этими химическими реакциями. Удивительной особенностью метаболизма является сходство основных метаболических путей у очень разных видов. Например, набор карбоновых кислот, наиболее известных как промежуточные продукты цикла лимонной кислоты, присутствует во всех известных организмах, от одноклеточной бактерии Escherichia coli до огромных многоклеточных организмов, таких как слоны. Эти сходства в метаболических путях, вероятно, обусловлены их ранним появлением в эволюционной истории, а их сохранение – их эффективностью. При различных заболеваниях, таких как диабет II типа, метаболический синдром и рак, нормальный метаболизм нарушается. Метаболизм раковых клеток также отличается от метаболизма нормальных клеток, и эти различия можно использовать для выявления мишеней для терапевтического вмешательства при раке.
Metabolism (/m//ə/'/t//æ//b//ə//l//ɪ//z//ə//m/, from μεταβολή metabolē, "change") is the set of life sustaining chemical reactions in organisms. The three main functions of metabolism are: the conversion of the energy in food to energy available to run cellular processes; the conversion of food to building blocks of proteins, lipids, nucleic acids, and some carbohydrates; and the elimination of metabolic wastes. These enzyme catalyzed reactions allow organisms to grow and reproduce, maintain their structures, and respond to their environments. The word metabolism can also refer to the sum of all chemical reactions that occur in living organisms, including digestion and the transportation of substances into and between different cells, in which case the above described set of reactions within the cells is called intermediary (or intermediate) metabolism. Metabolic reactions may be categorized as catabolic—the breaking down of compounds (for example, of glucose to pyruvate by cellular respiration); or anabolic—the building up (synthesis) of compounds (such as proteins, carbohydrates, lipids, and nucleic acids). Usually, catabolism releases energy, and anabolism consumes energy. The chemical reactions of metabolism are organized into metabolic pathways, in which one chemical is transformed through a series of steps into another chemical, each step being facilitated by a specific enzyme. Enzymes are crucial to metabolism because they allow organisms to drive desirable reactions that require energy and will not occur by themselves, by coupling them to spontaneous reactions that release energy. Enzymes act as catalysts—they allow a reaction to proceed more rapidly—and they also allow the regulation of the rate of a metabolic reaction, for example in response to changes in the cell's environment or to signals from other cells. The metabolic system of a particular organism determines which substances it will find nutritious and which poisonous. For example, some prokaryotes use hydrogen sulfide as a nutrient, yet this gas is poisonous to animals. The basal metabolic rate of an organism is the measure of the amount of energy consumed by all of these chemical reactions. A striking feature of metabolism is the similarity of the basic metabolic pathways among vastly different species. For example, the set of carboxylic acids that are best known as the intermediates in the citric acid cycle are present in all known organisms, being found in species as diverse as the unicellular bacterium Escherichia coli and huge multicellular organisms like elephants. These similarities in metabolic pathways are likely due to their early appearance in evolutionary history, and their retention is likely due to their efficacy. In various diseases, such as type II diabetes, metabolic syndrome, and cancer, normal metabolism is disrupted. The metabolism of cancer cells is also different from the metabolism of normal cells, and these differences can be used to find targets for therapeutic intervention in cancer.
Аминокислоты и белки
Белки состоят из аминокислот, расположенных в линейной цепи, соединенных пептидными связями. Многие белки являются ферментами, которые катализируют химические реакции в метаболизме. Другие белки выполняют структурные или механические функции, например, те, что формируют цитоскелет – систему каркаса, поддерживающую форму клетки. Белки также играют важную роль в клеточной сигнализации, иммунных ответах, клеточной адгезии, активном транспорте через мембраны и клеточном цикле. Аминокислоты также вносят вклад в клеточный энергетический метаболизм, предоставляя источник углерода для включения в цикл лимонной кислоты (трикарбоновую кислоту), особенно когда основной источник энергии, такой как глюкоза, ограничен, или когда клетки испытывают метаболический стресс.
Липиды
Липиды – самая разнообразная группа биохимических веществ. Их основное структурное назначение – в качестве компонента внутренних и внешних биологических мембран, таких как клеточная мембрана. Жиры – это большая группа соединений, содержащих жирные кислоты и глицерин; молекула глицерина, связанная с тремя жирными кислотами посредством сложноэфирных связей, называется триацилглицеридом. Существует несколько вариантов основной структуры, включая основы, такие как сфингозин в сфингомиелине, и гидрофильные группы, такие как фосфат в фосфолипидах. Стероиды, например стеролы, – еще один важный класс липидов.
Углеводы
Углеводы – это альдегиды или кетоны, имеющие множество присоединенных гидроксильных групп и способные существовать в виде прямых цепей или циклов. Углеводы – самые распространенные биологические молекулы, выполняющие множество функций, включая запасание и транспорт энергии (крахмал, гликоген), а также являющиеся структурными компонентами (целлюлоза у растений, хитин у животных).
Нуклеотиды
Две нуклеиновые кислоты, ДНК и РНК, являются полимерами нуклеотидов. Каждый нуклеотид состоит из фосфатной группы, присоединенной к рибозе или дезоксирибозе, которая, в свою очередь, присоединена к азотистому основанию. Нуклеиновые кислоты необходимы для хранения и использования генетической информации, а также для ее интерпретации посредством процессов транскрипции и биосинтеза белка. РНК в рибозимах, таких как сплайсосомы и рибосомы, подобна ферментам, поскольку способна катализировать химические реакции. Отдельные нуклеозиды образуются путем присоединения нуклеобазы к рибозному сахару. Эти основания представляют собой гетероциклические кольца, содержащие азот, и классифицируются как пурины или пиримидины. Нуклеотиды также выступают в роли коферментов в метаболических реакциях переноса групп.
Коэнзимы
Метаболизм включает в себя огромное количество химических реакций, но большинство из них относятся к нескольким основным типам, включающим перенос функциональных групп атомов и их связей внутри молекул. Эта общая химическая основа позволяет клеткам использовать небольшой набор метаболических промежуточных соединений для переноса химических групп между различными реакциями. Одним из центральных коферментов является аденозинтрифосфат (АТФ) – энергетическая валюта клеток. Этот нуклеотид используется для передачи химической энергии между различными химическими реакциями. В клетках содержится небольшое количество АТФ, но благодаря его непрерывной регенерации, человеческий организм может использовать количество, приблизительно равное его собственному весу, в АТФ в день. Витамин – это органическое соединение, необходимое в небольших количествах, которое клетки не могут синтезировать самостоятельно. В питании человека большинство витаминов функционируют как коферменты после модификации; например, все водорастворимые витамины фосфорилируются или связываются с нуклеотидами при использовании в клетках. Никотинамид аденин динуклеотид (NAD+), производное витамина B3 (ниацин), является важным коферментом, действующим как акцептор водорода. Сотни различных типов дегидрогеназ удаляют электроны из своих субстратов и восстанавливают NAD+ до NADH. Эта восстановленная форма кофермента затем служит субстратом для любой из редуктаз в клетке, которой необходимо переносить атомы водорода на свои субстраты. Никотинамид аденин динуклеотид существует в клетке в двух взаимосвязанных формах: NADH и NADPH. Форма NAD+/NADH играет более важную роль в катаболических реакциях, в то время как NADP+/NADPH используется в анаболических реакциях.
Минералы и кофакторы
Неорганические элементы играют критически важную роль в метаболизме; некоторые из них представлены в больших количествах (например, натрий и калий), а другие функционируют в незначительных концентрациях. Около 99% массы тела человека составляют элементы углерод, азот, кальций, натрий, хлор, калий, водород, фосфор, кислород и сера. Органические соединения (белки, липиды и углеводы) содержат большую часть углерода и азота; большая часть кислорода и водорода присутствует в виде воды. Обильные неорганические элементы действуют как электролиты. Наиболее важными ионами являются натрий, калий, кальций, магний, хлорид, фосфат и органический ион бикарбонат. Поддержание точных ионных градиентов через клеточные мембраны обеспечивает поддержание осмотического давления и pH. Ионы также критически важны для функции нервов и мышц, поскольку потенциалы действия в этих тканях образуются в результате обмена электролитами между внеклеточной жидкостью и внутриклеточной жидкостью, цитозолем. Электролиты поступают в клетки и покидают их через белки в клеточной мембране, называемые ионными каналами. Например, сокращение мышц зависит от перемещения кальция, натрия и калия через ионные каналы в клеточной мембране и Т-трубочках. Переходные металлы обычно присутствуют в организмах в виде микроэлементов, при этом цинк и железо являются наиболее распространенными из них. Металлические кофакторы прочно связаны с определенными участками в белках; хотя ферментные кофакторы могут изменяться во время катализа, они всегда возвращаются в свое исходное состояние к концу катализируемой реакции. Металлические микроэлементы поглощаются организмами с помощью специальных транспортеров и связываются с белками-хранителями, такими как ферритин или металлотионеин, когда они не используются.
Энергия из органических соединений
Углеводный катаболизм – это распад углеводов на более мелкие единицы. Углеводы обычно поступают в клетки после переваривания до моносахаридов, таких как глюкоза и фруктоза. Внутри клеток основным путем распада является гликолиз, в ходе которого глюкоза превращается в пируват. Этот процесс генерирует энергопередающую молекулу NADH из NAD+ и ATP из ADP для обеспечения энергией множества процессов внутри клетки. Пируват является промежуточным продуктом в нескольких метаболических путях, но большая его часть превращается в ацетил-КоА и поступает в цикл лимонной кислоты (цикл Кребса), что позволяет производить больше АТФ посредством окислительного фосфорилирования. Это окисление потребляет молекулярный кислород и высвобождает воду и углекислый газ. При недостатке кислорода или при временном более быстром образовании пирувата, чем его потребление циклом лимонной кислоты (например, при интенсивных мышечных нагрузках), пируват превращается в лактат ферментом лактатдегидрогеназой. Этот процесс также окисляет NADH обратно в NAD+ для повторного использования в гликолизе, позволяя продолжать выработку энергии. Лактат впоследствии преобразуется обратно в пируват для производства АТФ там, где это необходимо, или обратно в глюкозу в цикле Кори. Альтернативным путем распада глюкозы является пентозофосфатный путь, который производит меньше энергии, но поддерживает анаболизм (синтез биомолекул). Этот путь восстанавливает коэнзим NADP+ до NADPH и образует пентозные соединения, такие как рибоза-5-фосфат, необходимые для синтеза многих биомолекул, включая нуклеотиды и ароматические аминокислоты. Жиры катаболизируются путем гидролиза до свободных жирных кислот и глицерина. Глицерин поступает в гликолиз, а жирные кислоты расщепляются посредством β-окисления с высвобождением ацетил-КоА, который затем поступает в цикл лимонной кислоты. Окисление жирных кислот высвобождает больше энергии, чем окисление углеводов. Стериды также расщепляются некоторыми бактериями в процессе, аналогичном β-окислению, в результате чего высвобождаются значительные количества ацетил-КоА, пропионил-КоА и пирувата, которые могут быть использованы клеткой для получения энергии. *M. tuberculosis* также может расти на холестерине как единственном источнике углерода, и гены, участвующие в путях утилизации холестерина, были подтверждены как важные на различных стадиях жизненного цикла инфекции *M. tuberculosis*. Аминокислоты используются для синтеза белков и других биомолекул или окисляются до мочевины и углекислого газа для получения энергии. Путь окисления начинается с удаления аминогруппы трансаминазой. Аминогруппа поступает в цикл мочевины, оставляя обезаминированный углеродный скелет в форме кетокислоты. Некоторые из этих кетокислот являются промежуточными продуктами цикла лимонной кислоты, например, α-кетоглутарат, образующийся при деаминировании глутамата. Глюкогенные аминокислоты также могут быть преобразованы в глюкозу посредством глюконеогенеза.
Окислительная фосфорилизация
При окислительном фосфорилировании электроны, извлеченные из органических молекул в таких процессах, как цикл лимонной кислоты, передаются кислороду, а высвобождающаяся энергия используется для синтеза АТФ. У эукариот это осуществляется серией белков в мембранах митохондрий, называемой цепью переноса электронов. У прокариот эти белки расположены во внутренней мембране клетки. Эти белки используют энергию восстановленных молекул, таких как NADH, для перекачки протонов через мембрану. Перекачка протонов из митохондрий создает разность концентраций протонов через мембрану и формирует электрохимический градиент. Эта сила заставляет протоны возвращаться в митохондрию через основную часть фермента, называемого АТФ-синтазой. Поток протонов приводит к вращению подединицы стебля, что вызывает изменение формы активного центра синтезирующего домена и фосфорилирование аденозиндифосфата, превращая его в АТФ. Некоторые микроорганизмы используют восстановленные соединения серы (такие как сульфид, сероводород и тиосульфат) или аммиак в качестве источников электронов и получают энергию от окисления этих соединений. Эти микробные процессы играют важную роль в глобальных биогеохимических циклах, таких как ацетогенез, нитрификация и денитрификация, и имеют решающее значение для плодородия почвы.
Энергия от света
Энергия солнечного света улавливается растениями, цианобактериями, пурпурными бактериями, зелеными серными бактериями и некоторыми протистами. Этот процесс часто сопряжен с превращением углекислого газа в органические соединения в рамках фотосинтеза, который рассматривается ниже. Однако системы захвата энергии и фиксации углерода могут функционировать раздельно у прокариот, поскольку пурпурные бактерии и зеленые серные бактерии могут использовать солнечный свет как источник энергии, переключаясь между фиксацией углерода и ферментацией органических соединений. У многих организмов захват солнечной энергии по принципу схож с окислительным фосфорилированием, поскольку включает в себя накопление энергии в виде градиента концентрации протонов. Эта протон-движущая сила затем стимулирует синтез АТФ. Электроны, необходимые для работы этой цепи переноса электронов, поступают от светособирающих белков, называемых фотосинтетическими реакционными центрами. Реакционные центры классифицируются на два типа в зависимости от природы присутствующего фотосинтетического пигмента, при этом большинство фотосинтезирующих бактерий имеют только один тип, а растения и цианобактерии – два. У растений, водорослей и цианобактерий фотосистема II использует световую энергию для извлечения электронов из воды, высвобождая кислород как побочный продукт. Затем электроны поступают в комплекс цитохрома b6f, который использует их энергию для перекачки протонов через тилакоидную мембрану в хлоропласте.
Анаболизм
Анаболизм — это совокупность конструктивных метаболических процессов, в которых энергия, высвобождаемая при катаболизме, используется для синтеза сложных молекул. В общем случае, сложные молекулы, составляющие клеточные структуры, строятся поэтапно из более мелких и простых предшественников. Анаболизм включает три основных этапа. Во-первых, образование прекурсоров, таких как аминокислоты, моносахариды, изопреноиды и нуклеотиды, во-вторых, их активация в реакционноспособные формы с использованием энергии АТФ и, в-третьих, сборка этих прекурсоров в сложные молекулы, такие как белки, полисахариды, липиды и нуклеиновые кислоты. Анаболизм у организмов может различаться в зависимости от источника строительных молекул в их клетках. Автотрофы, такие как растения, способны синтезировать сложные органические молекулы в своих клетках, например полисахариды и белки, из простых молекул, таких как углекислый газ и вода. Гетеротрофы, напротив, нуждаются в источнике более сложных веществ, таких как моносахариды и аминокислоты, для производства этих сложных молекул. Организмы могут быть дополнительно классифицированы по конечному источнику энергии: фотоавтотрофы и фотогетеротрофы получают энергию от света, а химиоавтотрофы и химиогетеротрофы — от окислительных реакций. У растений существует три типа фотосинтеза: фиксация углерода C3, фиксация углерода C4 и фотосинтез CAM. Они различаются путем, по которому углекислый газ поступает в цикл Кальвина: растения C3 фиксируют CO2 напрямую, в то время как при фотосинтезе C4 и CAM CO2 сначала включается в другие соединения, что является адаптацией к интенсивной освещенности и засушливым условиям. У фотосинтезирующих прокариот механизмы фиксации углерода более разнообразны. Здесь углекислый газ может фиксироваться циклом Кальвина-Бенсона, обратным циклом лимонной кислоты или карбоксилированием ацетил-КоА. Прокариотические химиоавтотрофы также фиксируют CO2 посредством цикла Кальвина-Бенсона, но используют энергию из неорганических соединений для осуществления этой реакции.
Углеводы и гликаны
При анаболизме углеводов простые органические кислоты могут быть преобразованы в моносахариды, такие как глюкоза, а затем использованы для синтеза полисахаридов, таких как крахмал. Образование глюкозы из соединений, таких как пируват, лактат, глицерин, глицерат-3-фосфат и аминокислоты, называется глюконеогенезом. Глюконеогенез превращает пируват в глюкозо-6-фосфат через ряд промежуточных веществ, многие из которых общие для гликолиза. Хотя жир является распространенным способом хранения энергии, у позвоночных, таких как люди, жирные кислоты в этих запасах не могут быть преобразованы в глюкозу посредством глюконеогенеза, поскольку эти организмы не способны превратить ацетил-КоА в пируват; растения обладают такой способностью, но животные не имеют необходимого ферментативного аппарата. В результате, после длительного голодания позвоночные должны производить кетоновые тела из жирных кислот, чтобы заменить глюкозу в тканях, таких как мозг, которые не могут метаболизировать жирные кислоты. В других организмах, таких как растения и бактерии, эта метаболическая проблема решается с помощью глиоксилатного цикла, который обходит стадию декарбоксилирования в цикле лимонной кислоты и позволяет превращать ацетил-КоА в оксалоацетат, который затем может быть использован для производства глюкозы. Помимо жира, глюкоза запасается в большинстве тканей как источник энергии, доступный в самой ткани посредством гликогенеза, который обычно используется для поддержания уровня глюкозы в крови. Полисахариды и гликаны образуются путем последовательного добавления моносахаридов гликозилтрансферазой от реактивного донора сахара-фосфата, такого как уродифосфатглюкоза (UDP-глюкоза), к акцепторной гидроксильной группе растущего полисахарида. Поскольку любая из гидроксильных групп в кольце субстрата может быть акцептором, образующиеся полисахариды могут иметь линейную или разветвленную структуру. Образовавшиеся полисахариды могут выполнять структурные или метаболические функции сами по себе или переноситься на липиды и белки ферментами олигосахарилтрансферазами.
Жирные кислоты, изопреноиды и стерол
Жирные кислоты синтезируются ферментными комплексами жирных кислот, которые полимеризуют и восстанавливают ацетил-КоА. Ацильные цепи жирных кислот удлиняются посредством цикла реакций, включающего присоединение ацильной группы, её восстановление до спирта, дегидратацию до алкена и последующее восстановление до алкана. Ферменты биосинтеза жирных кислот делятся на две группы: у животных и грибов все реакции синтеза жирных кислот катализируются одним мультифункциональным белком I типа, тогда как в пластидах растений и бактериях каждый этап пути осуществляется отдельными ферментами II типа. Терпены и изопреноиды – это обширный класс липидов, включающий каротиноиды и являющийся самым многочисленным классом природных соединений растений. Эти соединения образуются в результате сборки и модификации изопреновых звеньев, предоставляемых реактивными предшественниками – изопентенилпирофосфатом и диметилаллилпирофосфатом. Эти предшественники могут синтезироваться различными путями. У животных и архей эти соединения образуются из ацетил-КоА посредством мевалонатного пути, в то время как у растений и бактерий немевалонатный путь использует пируват и глицеральдегид-3-фосфат в качестве субстратов. Важной реакцией, использующей эти активированные доноры изопрена, является биосинтез стеролов. В ходе этого процесса изопреновые звенья соединяются с образованием сквалена, который затем сворачивается и формирует систему колец, образуя ланостерол. Ланостерол, в свою очередь, может быть преобразован в другие стеролы, такие как холестерин и эргостерол.
Белки
Организмы различаются по способности синтезировать 20 распространенных аминокислот. Большинство бактерий и растений могут синтезировать все двадцать, но млекопитающие способны синтезировать только одиннадцать незаменимых аминокислот, поэтому девять необходимых аминокислот должны поступать с пищей. Все аминокислоты синтезируются из промежуточных продуктов гликолиза, цикла лимонной кислоты или пентозофосфатного пути. Азот поставляется глутаматом и глутамином. Синтез незаменимых аминокислот зависит от образования соответствующей альфа-кетокислоты, которая затем подвергается трансаминированию с образованием аминокислоты. Аминокислоты формируют белки, соединяясь в цепочку пептидных связей. Каждый белок имеет уникальную последовательность аминокислотных остатков – это его первичная структура. Подобно тому, как буквы алфавита можно комбинировать для образования практически бесконечного числа слов, аминокислоты могут соединяться в различные последовательности, образуя огромное разнообразие белков. Белки образуются из аминокислот, которые активируются путем присоединения к молекуле транспортной РНК через сложноэфирную связь. Этот предшественник аминоацил-тРНК образуется в реакции, зависимой от АТФ, катализируемой аминоацил-тРНК-синтетазой. Эта аминоацил-тРНК затем служит субстратом для рибосомы, которая присоединяет аминокислоту к растущей полипептидной цепи, используя информацию о последовательности в мРНК.
Синтез нуклеотидов и их избавление
Нуклеотиды образуются из аминокислот, углекислого газа и муравьиной кислоты посредством путей, требующих значительного количества метаболической энергии. Вследствие этого, большинство организмов обладают эффективными системами для восстановления уже готовых нуклеотидов. Пурины синтезируются в виде нуклеозидов (оснований, присоединенных к рибозе). И аденин, и гуанин образуются из предшественника – нуклеозида инозинмонофосфата, который синтезируется с использованием атомов аминокислот глицина, глутамина и аспарагиновой кислоты, а также формиата, переносимого из кофермента тетрагидрофолата. Пиримидины, напротив, синтезируются из основания оротата, которое формируется из глутамина и аспарагината.
Ксенобиотики и окислительно-восстановительный метаболизм
Все организмы постоянно подвергаются воздействию соединений, которые они не могут использовать в качестве пищи и которые были бы вредны при накоплении в клетках, поскольку не выполняют метаболической функции. Эти потенциально опасные соединения называются ксенобиотиками. Ксенобиотики, такие как синтетические лекарственные препараты, природные яды и антибиотики, детоксифицируются комплексом ферментов, метаболизирующих ксенобиотики. У человека к ним относятся цитохром P450 оксидазы, UDP-глюкуронозилтрансферазы и глутатион-S-трансферазы. Эта система ферментов действует в три стадии: сначала окисляет ксенобиотик (фаза I), а затем присоединяет водорастворимые группы к молекуле (фаза II). Модифицированный водорастворимый ксенобиотик затем может выводиться из клеток, а в многоклеточных организмах может подвергаться дальнейшему метаболизму перед выведением (фаза III). В экологии эти реакции особенно важны для микробного биоразложения загрязнителей и биоремедиации загрязненных территорий и разливов нефти. Многие из этих микробных реакций общи для многоклеточных организмов, но благодаря невероятному разнообразию микробов эти организмы способны справляться с гораздо более широким спектром ксенобиотиков, чем многоклеточные, и разлагать даже стойкие органические загрязнители, такие как органохлоридные соединения. Смежной проблемой для аэробных организмов является окислительный стресс. В этом случае процессы, включая окислительное фосфорилирование и образование дисульфидных связей при сворачивании белка, производят реактивные формы кислорода, такие как перекись водорода. Эти повреждающие окислители нейтрализуются антиоксидантными метаболитами, такими как глутатион, и ферментами, такими как каталазы и пероксидазы.
Термодинамика живых организмов
Живые организмы должны подчиняться законам термодинамики, которые описывают передачу тепла и работы. Второй закон термодинамики утверждает, что в любой изолированной системе количество энтропии (беспорядка) не может уменьшаться. Хотя удивительная сложность живых организмов кажется противоречащей этому закону, жизнь возможна, поскольку все организмы являются открытыми системами, обменивающимися веществом и энергией с окружающей средой. Живые системы не находятся в состоянии равновесия, а являются диссипативными системами, поддерживающими свое состояние высокой сложности за счет большего увеличения энтропии в окружающей среде. Метаболизм клетки достигает этого, связывая спонтанные процессы катаболизма с энергозатратными процессами анаболизма. С термодинамической точки зрения, метаболизм поддерживает порядок, создавая беспорядок.
Регулирование и контроль
Поскольку среда обитания большинства организмов постоянно меняется, реакции метаболизма должны быть тонко регулированы для поддержания постоянного набора условий внутри клеток, состояние, называемое гомеостазом. Регулирование метаболизма также позволяет организмам реагировать на сигналы и активно взаимодействовать со своей средой. Для понимания того, как контролируются метаболические пути, важно учитывать два тесно связанных понятия. Во-первых, регулирование фермента в пути – это то, как его активность увеличивается и уменьшается в ответ на сигналы. Во-вторых, контроль, осуществляемый этим ферментом, – это влияние этих изменений в его активности на общую скорость пути (поток через путь). Например, фермент может демонстрировать значительные изменения в активности (то есть он сильно регулируется), но если эти изменения мало влияют на поток метаболического пути, то этот фермент не участвует в контроле этого пути. Существует несколько уровней метаболической регуляции. При внутренней (интринсивной) регуляции метаболический путь саморегулируется в ответ на изменения уровней субстратов или продуктов; например, уменьшение количества продукта может увеличить поток через путь в качестве компенсации. Внешняя (экстринсивная) регуляция включает изменение метаболизма клеток в многоклеточном организме в ответ на сигналы от других клеток. Эти сигналы обычно представлены водорастворимыми посредниками, такими как гормоны и факторы роста, и обнаруживаются специфическими рецепторами на поверхности клетки. Затем эти сигналы передаются внутрь клетки посредством систем вторичных посредников, которые часто включают фосфорилирование белков. Хорошо изученным примером экстринсивной регуляции является регуляция метаболизма глюкозы гормоном инсулином. Инсулин вырабатывается в ответ на повышение уровня глюкозы в крови. Связывание гормона с инсулиновыми рецепторами на клетках активирует каскад протеинкиназ, которые заставляют клетки поглощать глюкозу и преобразовывать ее в запасные молекулы, такие как жирные кислоты и гликоген. Метаболизм гликогена контролируется активностью фосфорилазы, фермента, расщепляющего гликоген, и гликогенсинтазы, фермента, синтезирующего его. Эти ферменты регулируются реципрокно: фосфорилирование ингибирует гликогенсинтазу, но активирует фосфорилазу. Инсулин стимулирует синтез гликогена, активируя белковые фосфатазы и снижая фосфорилирование этих ферментов.
Эволюция
Центральные пути метаболизма, описанные выше, такие как гликолиз и цикл лимонной кислоты, присутствуют во всех трех доменах живых организмов и существовали у последнего универсального общего предка. Эта универсальная клетка-предок была прокариотической и, вероятно, метаногеном, обладавшим широким спектром метаболизма аминокислот, нуклеотидов, углеводов и липидов. Сохранение этих древних путей в ходе дальнейшей эволюции может быть обусловлено тем, что эти реакции представляли собой оптимальное решение их специфических метаболических задач, при этом такие пути, как гликолиз и цикл лимонной кислоты, высокоэффективно и в минимальное число стадий производят свои конечные продукты. Для описания механизмов эволюции новых метаболических путей было предложено множество моделей. К ним относятся последовательное добавление новых ферментов к короткому предковому пути, дупликация и последующая дивергенция целых путей, а также рекрутирование уже существующих ферментов и их сборка в новый реакционный путь. Относительная значимость этих механизмов неясна, однако геномные исследования показали, что ферменты в пределах одного пути, вероятно, имеют общее происхождение, что позволяет предположить, что многие пути эволюционировали постепенно, приобретая новые функции на основе уже существующих стадий. Альтернативная модель основана на исследованиях, прослеживающих эволюцию структуры белков в метаболических сетях, что позволило предположить, что ферменты широко рекрутируются, заимствуя ферменты для выполнения сходных функций в различных метаболических путях (что подтверждается базой данных MANET). Эти процессы рекрутирования приводят к эволюционной ферментативной мозаике. Третья возможность заключается в том, что некоторые части метаболизма могут существовать в виде "модулей", которые могут быть повторно использованы в разных путях и выполнять аналогичные функции в отношении различных молекул. Помимо эволюции новых метаболических путей, эволюция также может приводить к потере метаболических функций. Например, у некоторых паразитов метаболические процессы, не являющиеся жизненно важными, утрачиваются, и вместо этого готовые аминокислоты, нуклеотиды и углеводы извлекаются из организма-хозяина. Схожие сниженные метаболические возможности наблюдаются у эндосимбиотических организмов.
Расследование и манипуляции
Классически метаболизм изучается с помощью редукционистского подхода, фокусирующегося на отдельном метаболическом пути. Особенно ценно использование радиоактивных трассеров на уровне целого организма, тканей и клеток, которые позволяют определить пути от прекурсоров к конечным продуктам путем идентификации радиоактивно меченых промежуточных и конечных продуктов. Затем ферменты, катализирующие эти химические реакции, могут быть очищены, а их кинетика и реакция на ингибиторы – исследованы. Параллельный подход заключается в идентификации малых молекул в клетке или ткани; совокупность этих молекул называется метаболомом. В целом, эти исследования дают хорошее представление о структуре и функциях простых метаболических путей, но оказываются недостаточными применительно к более сложным системам, таким как метаболизм целой клетки. О сложности метаболических сетей в клетках, содержащих тысячи различных ферментов, свидетельствует схема, демонстрирующая взаимодействие всего 43 белков и 40 метаболитов справа: последовательности геномов предоставляют списки, содержащие до 26 500 генов. Однако сейчас возможно использовать эти геномные данные для реконструкции полных сетей биохимических реакций и создания более целостных математических моделей, способных объяснять и предсказывать их поведение. Эти модели особенно эффективны при интеграции данных о путях и метаболитах, полученных классическими методами, с данными об экспрессии генов, полученными в протеомных исследованиях и исследованиях с использованием ДНК-микромассивов. С помощью этих методов была создана модель метаболизма человека, которая будет направлять будущие разработки лекарств и биохимические исследования. Эти модели используются в сетевом анализе для классификации заболеваний человека на группы, имеющие общие белки или метаболиты. Бактериальные метаболические сети являются ярким примером организации типа «галстук-бабочка» – архитектуры, способной принимать широкий спектр питательных веществ и производить большое разнообразие продуктов и сложных макромолекул, используя относительно небольшое количество общих промежуточных соединений. Важным технологическим применением этой информации является метаболическая инженерия. В рамках этого подхода организмы, такие как дрожжи, растения или бактерии, генетически модифицируются для повышения их полезности в биотехнологии и содействия производству лекарств, таких как антибиотики, или промышленных химических веществ, таких как 1,3-пропандиол и шикиминовая кислота. Эти генетические модификации обычно направлены на снижение энергозатрат на производство продукта, повышение выхода и сокращение образования отходов.
Греческая философия
В книге Аристотеля «Части животных» содержится достаточно деталей о его взглядах на метаболизм, чтобы построить модель открытого потока. Он полагал, что на каждом этапе процесса вещества, поступающие с пищей, преобразуются, при этом тепло выделяется как классический элемент огня, а остаточные вещества выводятся с мочой, желчью или калом. Ибн аль-Нафис описал метаболизм в своей работе 1260 года н.э., озаглавленной «Аль-Рисалах аль-Камилия филь Сиера аль-Набавия» (Трактат Камиля о жизнеописании Пророка), которая содержала следующую фразу: «И тело, и его части находятся в состоянии непрерывного распада и питания, поэтому они неизбежно подвергаются постоянным изменениям».
Применение научного метода и современных метаболических теорий
История научного изучения метаболизма охватывает несколько столетий и прошла путь от изучения целых животных в ранних исследованиях до изучения отдельных метаболических реакций в современной биохимии. Первые контролируемые эксперименты в области метаболизма человека были опубликованы Санторио Санторио в 1614 году в его книге Ars de statica medicina. Он описал, как он взвешивал себя до и после еды, сна, работы, полового акта, голодания, питья и выделения. Он обнаружил, что большая часть потребляемой им пищи терялась посредством того, что он назвал «нечувствительным испарением». В этих ранних исследованиях механизмы этих метаболических процессов не были установлены, и считалось, что живые ткани оживляет некая жизненная сила. В XIX веке, изучая брожение сахара в спирт дрожжами, Луи Пастер пришел к выводу, что брожение катализируется веществами внутри клеток дрожжей, которые он назвал «ферментами». Он писал, что «алкогольное брожение – это процесс, связанный с жизнью и организацией клеток дрожжей, а не со смертью или гниением клеток». Это открытие, вместе с публикацией Фридриха Вёлера в 1828 году статьи о химическом синтезе мочевины, является важным, поскольку мочевина стала первым органическим соединением, полученным исключительно из неорганических предшественников. Это доказало, что органические соединения и химические реакции, происходящие в клетках, по сути не отличаются от других областей химии. Отделение изучения химических реакций метаболизма от биологического изучения клеток и ознаменование начала биохимии произошло с открытием ферментов в начале XX века Эдуардом Бухнером. Объем биохимических знаний быстро рос на протяжении первой половины XX века. Одним из наиболее выдающихся биохимиков того времени был Ханс Кребс, внесший огромный вклад в изучение метаболизма. Он открыл цикл мочевины, а позже, работая с Гансом Корнбергом, цикл лимонной кислоты и цикл глиоксилата.