Введение

Связанная серия химических реакций, происходящих внутри клетки. В биохимии метаболический путь представляет собой последовательную серию химических реакций, происходящих внутри клетки. Вещества, вступающие в реакцию, продукты и промежуточные соединения ферментативной реакции известны как метаболиты, которые модифицируются последовательностью химических реакций, катализируемых ферментами. В большинстве случаев метаболического пути продукт одного фермента служит субстратом для следующего. Однако побочные продукты считаются отходами и удаляются из клетки. Различные метаболические пути функционируют в зависимости от их локализации внутри эукариотической клетки и значимости пути в данном компартменте клетки. Например, цепь переноса электронов и окислительное фосфорилирование происходят в митохондриальной мембране. В отличие от этого, гликолиз, пентозофосфатный путь и биосинтез жирных кислот происходят в цитозоле клетки. Существует два типа метаболических путей, характеризующихся их способностью либо синтезировать молекулы с использованием энергии (анаболический путь), либо расщеплять сложные молекулы с высвобождением энергии (катаболический путь). Эти два пути взаимодополняют друг друга: энергия, высвобождаемая одним, используется другим. Деградативный процесс катаболического пути обеспечивает энергию, необходимую для осуществления биосинтеза в анаболическом пути. Пути необходимы для поддержания гомеостаза в организме, а поток метаболитов через путь регулируется в зависимости от потребностей клетки и доступности субстрата. Конечный продукт пути может быть использован немедленно, инициировать другой метаболический путь или запасаться для последующего использования. Метаболизм клетки состоит из сложной сети взаимосвязанных путей, обеспечивающих синтез и расщепление молекул (анаболизм и катаболизм).

Клеточное дыхание

Основной набор энергопроизводящих катаболических путей в той или иной форме присутствует во всех живых организмах. Эти пути переносят энергию, высвобождающуюся при расщеплении питательных веществ, в АТФ и другие небольшие молекулы, используемые для накопления энергии (например, ГТФ, НАДФН, ФАДН2). Все клетки способны осуществлять анаэробное дыхание посредством гликолиза. Кроме того, большинство организмов может осуществлять более эффективное аэробное дыхание через цикл Кребса и окислительное фосфорилирование. В дополнение к этому, растения, водоросли и цианобактерии способны использовать солнечный свет для анаболического синтеза соединений из неживой материи посредством фотосинтеза.

Анаболический путь (анаболизм)

В отличие от катаболических путей, анаболические пути требуют затрат энергии для синтеза макромолекул, таких как полипептиды, нуклеиновые кислоты, белки, полисахариды и липиды. Изолированная реакция анаболизма термодинамически невыгодна в клетке из-за положительного изменения свободной энергии Гиббса (+ΔG). Следовательно, необходим приток химической энергии посредством сочетания с экзергонической реакцией.

Амфиболический путь (амфиболизм)

Амфиболический путь — это метаболический путь, который может быть как катаболическим, так и анаболическим в зависимости от наличия или потребности в энергии.

Регулирование

Поток всего метаболического пути регулируется лимитирующими стадиями. Метаболический путь в клетке регулируется ковалентными или нековалентными модификациями. Ковалентная модификация включает в себя добавление или удаление химической связи, в то время как нековалентная модификация (также известная как аллостерическое регулирование) – это связывание регулятора с ферментом посредством водородных связей, электростатических взаимодействий и сил Ван-дер-Ваальса. Скорость оборота в метаболическом пути, также известная как метаболический поток, регулируется на основе стехиометрической модели реакции, скорости потребления метаболитов и скорости транслокации молекул через липидный бислой. Методы регуляции основаны на экспериментах с использованием 13C-маркировки, которая затем анализируется с помощью ядерного магнитного резонанса (ЯМР) или газовой хроматографии-масс-спектрометрии (ГХ-МС), позволяющей определить массовый состав. Упомянутые методы позволяют получить статистическую интерпретацию распределения массы в протеиногенных аминокислотах в связи с каталитической активностью ферментов в клетке. Одним из таких путей является окислительное фосфорилирование (OXPHOS) в составе цепи переноса электронов (ETC). Различные ингибиторы могут подавлять электрохимические реакции, происходящие в комплексах I, II, III и IV, тем самым предотвращая образование электрохимического градиента и снижая перенос электронов через ETC. Фосфорилирование на уровне субстрата, происходящее в АТФ-синтазе, также может быть непосредственно ингибировано, предотвращая образование АТФ, необходимого для обеспечения энергией пролиферации раковых клеток. Некоторые из этих ингибиторов, такие как лонидамин и атоваквон, могут ингибировать гема различными молекулами и механизмами. Например, было показано, что сукцинилацетон снижает концентрацию гема, ингибируя δ-аминолевулиновую кислоту в клетках мышиной эритролейкемии. Первичная структура гемосеквестрирующих пептидов, таких как HSP1 и HSP2, может быть модифицирована для снижения концентрации гема и уменьшения пролиферации клеток немелкоклеточного рака легких.

Целевая концентрация в цикле трикарбоновой кислоты и глутаминолизе

Цикл трикарбоновых кислот (TCA) и глутаминолиз также могут служить мишенями для лечения рака, поскольку они необходимы для выживания и пролиферации раковых клеток. Ивосидениб и энасидениб, два препарата для лечения рака, одобренные FDA, способны блокировать цикл TCA раковых клеток, ингибируя изоцитратдегидрогеназу 1 (IDH1) и изоцитратдегидрогеназу 2 (IDH2) соответственно. В клиническом исследовании, включавшем 199 взрослых пациентов с острым миелоидным лейкозом (ОМЛ) и мутацией IDH2, у 23% пациентов наблюдался полный ответ (CR) или полный ответ с частичным восстановлением гемопоэза (CRh), который длился в среднем 8,2 месяца на фоне лечения энасиденибом. Из 157 пациентов, которым требовалось переливание крови в начале исследования, 34% больше не нуждались в переливании в течение 56 дней лечения энасиденибом. Из 42% пациентов, которым не требовалось переливание крови в начале исследования, 76% по-прежнему не нуждались в переливании к концу исследования. Побочные эффекты энасидениба включали тошноту, диарею, повышение уровня билирубина и, наиболее заметно, синдром дифференцировки. Также возможна таргетированная терапия, направленная на глутаминазу (GLS) – фермент, ответственный за превращение глутамина в глутамат посредством гидролитического деамидирования в ходе первой реакции глутаминолиза. В последние годы было показано, что многие малые молекулы, такие как азазерин, ацивицин и CB 839, ингибируют глутаминазу, тем самым снижая жизнеспособность раковых клеток и индуцируя апоптоз. Благодаря выраженной противоопухолевой активности при различных типах рака, таких как рак яичников, молочной железы и легких, CB 839 является единственным ингибитором GLS, в настоящее время проходящим клинические испытания для одобрения FDA.

Генетическая инженерия метаболических путей

Многие метаболические пути представляют коммерческий интерес. Например, производство многих антибиотиков или других лекарственных препаратов требует сложных каскадов реакций. Эти пути синтеза соединений могут быть перенесены в микроорганизмы или другие, более подходящие организмы для целей производства. Например, мировое производство противоракового препарата винбластина осуществляется относительно неэффективным путем экстракции и очистки прекурсоров виндолина и катарантина из растения Catharanthus roseus, которые затем химически превращаются в винбластин. Биосинтетический путь производства винбластина, включающий 30 ферментативных стадий, был перенесен в клетки дрожжей – удобную систему для культивирования в больших объемах. Благодаря этим генетическим модификациям дрожжи могут использовать собственные метаболиты, геранилпирофосфат и триптофан, для синтеза предшественников катарантина и виндолина. Этот процесс потребовал 56 генетических изменений, включая экспрессию 34 гетерологичных генов растений в клетках дрожжей.