Informatie

6.7: Verbindingen met andere metabole routes - biologie


Wat je leert om te doen: Bespreek de verbanden tussen metabole routes

Je hebt geleerd over het katabolisme van glucose, dat energie levert aan levende cellen. Veel van de producten in een bepaalde route zijn reactanten in andere routes.

leerdoelen

  • Bespreek de manier waarop de metabole routes van koolhydraten, glycolyse en de citroenzuurcyclus samenhangen met de metabole routes van eiwitten en lipiden
  • Beschrijf de energiecyclus van alle levende organismen

Verbindingen met andere metabole routes

Verbindingen van andere suikers met glucosemetabolisme

Glycogeen, een polymeer van glucose, is een molecuul voor de opslag van energie op korte termijn bij dieren. Wanneer er voldoende ATP aanwezig is, wordt overtollige glucose omgezet in glycogeen voor opslag. Glycogeen wordt gemaakt en opgeslagen in de lever en spieren. Glycogeen wordt uit de opslag gehaald als de bloedsuikerspiegel daalt. Door de aanwezigheid van glycogeen in spiercellen als bron van glucose kan tijdens inspanning gedurende een langere tijd ATP worden aangemaakt.

Sucrose is een disaccharide gemaakt van glucose en fructose aan elkaar gebonden. Sucrose wordt afgebroken in de dunne darm en de glucose en fructose worden afzonderlijk geabsorbeerd. Fructose is een van de drie monosachariden in de voeding, samen met glucose en galactose (dat deel uitmaakt van melksuiker, de disacharide lactose), die tijdens de spijsvertering direct in de bloedbaan worden opgenomen. Het katabolisme van zowel fructose als galactose produceert hetzelfde aantal ATP-moleculen als glucose.

Verbindingen van eiwitten met glucosemetabolisme

Eiwitten worden afgebroken door verschillende enzymen in cellen. Meestal worden aminozuren gerecycled tot nieuwe eiwitten. Als er echter een teveel aan aminozuren is, of als het lichaam in een staat van hongersnood verkeert, zullen sommige aminozuren worden omgeleid naar routes van glucosekatabolisme. Van elk aminozuur moet zijn aminogroep worden verwijderd voordat het deze routes binnengaat. De aminogroep wordt omgezet in ammoniak. Bij zoogdieren synthetiseert de lever ureum uit twee ammoniakmoleculen en een koolstofdioxidemolecuul. Ureum is dus het belangrijkste afvalproduct bij zoogdieren van de stikstof die afkomstig is van aminozuren, en het verlaat het lichaam in de urine.

Verbindingen van lipiden met glucosemetabolisme

De lipiden die verbonden zijn met de glucoseroutes zijn cholesterol en triglyceriden. Cholesterol is een lipide dat bijdraagt ​​aan de flexibiliteit van het celmembraan en is een voorloper van steroïde hormonen. De synthese van cholesterol begint met acetyl CoA en verloopt maar in één richting. Het proces kan niet worden teruggedraaid en er wordt geen ATP geproduceerd.

Triglyceriden zijn een vorm van langdurige energieopslag bij dieren. Triglyceriden slaan ongeveer twee keer zoveel energie op als koolhydraten. Triglyceriden zijn gemaakt van glycerol en drie vetzuren. Dieren kunnen de meeste vetzuren die ze nodig hebben zelf aanmaken. Triglyceriden kunnen zowel worden gemaakt als afgebroken via delen van de glucosekatabolismeroutes. Glycerol kan worden gefosforyleerd en verloopt via glycolyse. Vetzuren worden opgesplitst in twee-koolstofeenheden die de citroenzuurcyclus binnenkomen.

Probeer het

Fotosynthese en cellulair metabolisme bestaan ​​uit verschillende zeer complexe routes. Algemeen wordt aangenomen dat de eerste cellen ontstonden in een waterige omgeving - een "soep" van voedingsstoffen. Als deze cellen zich succesvol zouden voortplanten en hun aantal gestaag zou toenemen, dan volgt daaruit dat de cellen de voedingsstoffen uit het medium waarin ze leefden zouden beginnen uit te putten, terwijl ze de voedingsstoffen naar hun eigen cellen verplaatsten. Deze hypothetische situatie zou hebben geleid tot natuurlijke selectie ten gunste van die organismen die zouden kunnen bestaan ​​door de voedingsstoffen die in hun omgeving achterbleven te gebruiken en door deze voedingsstoffen te manipuleren tot materialen die ze konden gebruiken om te overleven. Bovendien zou selectie die organismen bevoordelen die maximale waarde uit de beschikbare voedingsstoffen kunnen halen.

Er ontwikkelde zich een vroege vorm van fotosynthese die de energie van de zon benutte met behulp van andere verbindingen dan water als bron van waterstofatomen, maar deze route produceerde geen vrije zuurstof. Er wordt gedacht dat glycolyse zich vóór die tijd ontwikkelde en voordeel kon halen uit de productie van eenvoudige suikers, maar deze reacties waren niet in staat om de energie die in de koolhydraten was opgeslagen volledig te extraheren. Een latere vorm van fotosynthese gebruikte water als bron van waterstofionen en genereerde vrije zuurstof. Na verloop van tijd werd de atmosfeer zuurstofrijk. Levende wezens hebben zich aangepast om deze nieuwe atmosfeer te benutten en lieten de ademhaling zoals we die kennen zich ontwikkelen. Toen het volledige proces van fotosynthese zoals we dat kennen zich ontwikkelde en de atmosfeer zuurstofrijk werd, konden cellen eindelijk de zuurstof gebruiken die door fotosynthese werd verdreven om meer energie uit de suikermoleculen te halen met behulp van de citroenzuurcyclus.

leerdoelen

De afbraak en synthese van koolhydraten, eiwitten en lipiden zijn verbonden met de routes van glucosekatabolisme. De koolhydraten die ook kunnen bijdragen aan het glucosekatabolisme zijn galactose, fructose en glycogeen. Deze verbinden met glycolyse. De aminozuren van eiwitten verbinden zich met glucosekatabolisme via pyruvaat, acetyl CoA en componenten van de citroenzuurcyclus. Cholesterolsynthese begint met acetyl CoA, en de componenten van triglyceriden worden opgenomen door acetyl CoA en komen in de citroenzuurcyclus terecht.

Aanvullende zelfcontrolevraag

Zou u metabole routes omschrijven als inherent verspillend of inherent economisch, en waarom?

[oefengebied rijen=”4″][/oefengebied]
[reveal-answer q=”810103″]Antwoord weergeven[/reveal-answer]
[hidden-answer a=”810103″]Ze zijn erg zuinig. De substraten, tussenproducten en producten bewegen tussen paden en doen dit als reactie op fijn afgestemde feedback-remmingslussen die het metabolisme in het algemeen op een gelijkmatige manier houden. Tussenproducten in de ene route kunnen in een andere voorkomen en ze kunnen vloeiend van de ene route naar de andere gaan als reactie op de behoeften van de cel.[/hidden-answer]

De energiecyclus

Levende wezens krijgen toegang tot energie door koolhydraatmoleculen af ​​te breken. Als planten echter koolhydraatmoleculen maken, waarom zouden ze die dan moeten afbreken? Koolhydraten zijn opslagmoleculen voor energie in alle levende wezens. Hoewel energie kan worden opgeslagen in moleculen zoals ATP, zijn koolhydraten veel stabielere en efficiëntere reservoirs voor chemische energie. Fotosynthetische organismen voeren ook de reacties van de ademhaling uit om de energie te oogsten die ze in koolhydraten hebben opgeslagen. Planten hebben bijvoorbeeld naast chloroplasten mitochondriën.

Het is je misschien opgevallen dat de algemene reactie voor fotosynthese:

is het omgekeerde van de algemene reactie voor cellulaire ademhaling:

Fotosynthese produceert zuurstof als bijproduct en ademhaling produceert koolstofdioxide als bijproduct.

In de natuur bestaat er niet zoiets als afval. Elk atoom van materie wordt behouden en wordt voor onbepaalde tijd gerecycled. Stoffen veranderen van vorm of gaan van het ene type molecuul naar het andere, maar verdwijnen nooit (Figuur 2).

CO2 is net zomin een vorm van afval dat wordt geproduceerd door ademhaling als zuurstof een afvalproduct van fotosynthese is. Beide zijn bijproducten van reacties die doorgaan naar andere reacties. Fotosynthese absorbeert energie om koolhydraten in chloroplasten op te bouwen, en aerobe cellulaire ademhaling geeft energie vrij door zuurstof te gebruiken om koolhydraten in mitochondriën af te breken. Beide organellen gebruiken elektronentransportketens om de energie te genereren die nodig is om andere reacties aan te sturen. Fotosynthese en cellulaire ademhaling functioneren in een biologische cyclus, waardoor organismen toegang krijgen tot levensondersteunende energie die miljoenen kilometers verderop in een ster ontstaat.

Oefenvraag

Leg de wederzijdse aard uit van de netto chemische reacties voor fotosynthese en ademhaling.

[oefengebied rijen=”4″][/oefengebied]
[reveal-answer q=”130952″]Antwoord weergeven[/reveal-answer]
[hidden-answer a=”130952″]Fotosynthese neemt de energie van zonlicht en combineert water en koolstofdioxide om suiker en zuurstof als afvalproduct te produceren. De reacties van de ademhaling nemen suiker en verbruiken zuurstof om het af te breken in koolstofdioxide en water, waarbij energie vrijkomt. De reactanten van fotosynthese zijn dus de producten van de ademhaling en vice versa.[/hidden-answer]

Controleer uw begrip

Beantwoord de onderstaande vraag(en) om te zien hoe goed u de onderwerpen begrijpt die in de vorige sectie zijn behandeld. Deze korte quiz doet het niet tellen mee voor je cijfer in de klas, en je kunt het een onbeperkt aantal keren opnieuw doen.

Gebruik deze quiz om te controleren of u het hebt begrepen en om te beslissen of u (1) het vorige gedeelte verder wilt bestuderen of (2) door wilt gaan naar het volgende gedeelte.


4.5 Verbindingen met andere metabole routes

Je hebt geleerd over het katabolisme van glucose, dat energie levert aan levende cellen. Maar levende wezens verbruiken meer dan alleen glucose voor voedsel. Hoe levert een kalkoensandwich, die eiwitten bevat, energie aan je cellen? Dit gebeurt omdat alle katabole routes voor koolhydraten, eiwitten en lipiden uiteindelijk aansluiten op glycolyse en de citroenzuurcyclusroutes (Figuur 4.20). Metabole routes moeten als poreus worden beschouwd, dat wil zeggen dat stoffen via andere routes binnenkomen en andere stoffen naar andere routes gaan. Deze paden zijn geen gesloten systemen. Veel van de producten in een bepaalde route zijn reactanten in andere routes.

Verbindingen van andere suikers met glucosemetabolisme

Glycogeen, een polymeer van glucose, is een molecuul voor de opslag van energie op korte termijn bij dieren. Wanneer er voldoende ATP aanwezig is, wordt overtollige glucose omgezet in glycogeen voor opslag. Glycogeen wordt gemaakt en opgeslagen in de lever en spieren. Glycogeen wordt uit de opslag gehaald als de bloedsuikerspiegel daalt. Door de aanwezigheid van glycogeen in spiercellen als bron van glucose kan tijdens inspanning gedurende een langere tijd ATP worden aangemaakt.

Sucrose is een disaccharide gemaakt van glucose en fructose aan elkaar gebonden. Sucrose wordt afgebroken in de dunne darm en de glucose en fructose worden afzonderlijk geabsorbeerd. Fructose is een van de drie monosachariden in de voeding, samen met glucose en galactose (dat deel uitmaakt van melksuiker, de disacharide lactose), die tijdens de spijsvertering direct in de bloedbaan worden opgenomen. Het katabolisme van zowel fructose als galactose produceert hetzelfde aantal ATP-moleculen als glucose.

Verbindingen van eiwitten met glucosemetabolisme

Eiwitten worden afgebroken door een verscheidenheid aan enzymen in cellen. Meestal worden aminozuren gerecycled tot nieuwe eiwitten. Als er echter een teveel aan aminozuren is, of als het lichaam in een staat van hongersnood verkeert, zullen sommige aminozuren worden omgeleid naar routes van glucosekatabolisme. Van elk aminozuur moet zijn aminogroep worden verwijderd voordat het deze routes binnengaat. De aminogroep wordt omgezet in ammoniak. Bij zoogdieren synthetiseert de lever ureum uit twee ammoniakmoleculen en een koolstofdioxidemolecuul. Ureum is dus het belangrijkste afvalproduct bij zoogdieren van de stikstof die afkomstig is van aminozuren, en het verlaat het lichaam in de urine.

Verbindingen van lipiden met glucosemetabolisme

De lipiden die verbonden zijn met de glucoseroutes zijn cholesterol en triglyceriden. Cholesterol is een lipide dat bijdraagt ​​aan de flexibiliteit van het celmembraan en is een voorloper van steroïde hormonen. De synthese van cholesterol begint met acetyl CoA en verloopt maar in één richting. Het proces kan niet worden teruggedraaid en er wordt geen ATP geproduceerd.

Triglyceriden zijn een vorm van langdurige energieopslag bij dieren. Triglyceriden slaan ongeveer twee keer zoveel energie op als koolhydraten. Triglyceriden zijn gemaakt van glycerol en drie vetzuren. Dieren kunnen de meeste vetzuren die ze nodig hebben zelf aanmaken. Triglyceriden kunnen zowel worden gemaakt als afgebroken via delen van de glucosekatabolismeroutes. Glycerol kan worden gefosforyleerd en verloopt via glycolyse. Vetzuren worden opgesplitst in twee-koolstofeenheden die de citroenzuurcyclus binnenkomen.

Evolutie verbinding

Wegen van fotosynthese en cellulair metabolisme

Fotosynthese en cellulair metabolisme bestaan ​​uit verschillende zeer complexe routes. Algemeen wordt aangenomen dat de eerste cellen ontstonden in een waterige omgeving - een "soep" van voedingsstoffen. Als deze cellen zich succesvol zouden voortplanten en hun aantal gestaag zou stijgen, dan volgt daaruit dat de cellen de voedingsstoffen uit het medium waarin ze leefden zouden beginnen uit te putten, terwijl ze de voedingsstoffen naar hun eigen cellen verplaatsten. Deze hypothetische situatie zou hebben geleid tot natuurlijke selectie ten gunste van die organismen die zouden kunnen bestaan ​​door de voedingsstoffen die in hun omgeving achterbleven te gebruiken en door deze voedingsstoffen te manipuleren tot materialen die ze konden gebruiken om te overleven. Bovendien zou selectie die organismen bevoordelen die maximale waarde uit de beschikbare voedingsstoffen kunnen halen.

Er ontwikkelde zich een vroege vorm van fotosynthese die de energie van de zon benutte met behulp van andere verbindingen dan water als bron van waterstofatomen, maar deze route produceerde geen vrije zuurstof. Er wordt gedacht dat glycolyse zich vóór die tijd ontwikkelde en voordeel kon halen uit de productie van eenvoudige suikers, maar deze reacties waren niet in staat om de energie die in de koolhydraten was opgeslagen volledig te extraheren. Een latere vorm van fotosynthese gebruikte water als bron van waterstofionen en genereerde vrije zuurstof. Na verloop van tijd werd de atmosfeer zuurstofrijk. Levende wezens hebben zich aangepast om deze nieuwe atmosfeer te exploiteren en lieten de ademhaling zoals we die kennen zich ontwikkelen. Toen het volledige proces van fotosynthese zoals we dat kennen zich ontwikkelde en de atmosfeer zuurstofrijk werd, konden cellen eindelijk de zuurstof gebruiken die door fotosynthese werd verdreven om meer energie uit de suikermoleculen te halen met behulp van de citroenzuurcyclus.


Verbindingen van andere suikers met glucosemetabolisme

Glycogeen, een polymeer van glucose, is een molecuul voor de opslag van energie op korte termijn bij dieren. Wanneer er voldoende ATP aanwezig is, wordt overtollige glucose omgezet in glycogeen voor opslag. Glycogeen wordt gemaakt en opgeslagen in de lever en spieren. Glycogeen wordt uit de opslag gehaald als de bloedsuikerspiegel daalt. Door de aanwezigheid van glycogeen in spiercellen als bron van glucose kan tijdens inspanning gedurende een langere tijd ATP worden aangemaakt.

Sucrose is een disaccharide gemaakt van glucose en fructose aan elkaar gebonden. Sucrose wordt afgebroken in de dunne darm en de glucose en fructose worden afzonderlijk geabsorbeerd. Fructose is een van de drie monosachariden in de voeding, samen met glucose en galactose (dat deel uitmaakt van melksuiker, de disacharide lactose), die tijdens de spijsvertering direct in de bloedbaan worden opgenomen. Het katabolisme van zowel fructose als galactose produceert hetzelfde aantal ATP-moleculen als glucose.


Metabole routes voor intermediair metabolisme (3 routes)

De volgende punten belichten de drie belangrijkste metabole routes voor intermediair metabolisme. De metabole routes zijn: 1. Koolhydraatmetabolisme 2. Lipidemetabolisme 3. Aminozuurmetabolisme.

Metabole route # 1. Koolhydraat metabolisme:

A. Pyruvaat en lactaat worden gevormd in de zoogdiercellen als gevolg van de oxidatie van glucose door glycolyse.

B. Glycolyse vindt plaats in het cytoplasma van cellen in afwezigheid van zuurstof dat alleen lactaat produceert. s

C. Onder aerobe omstandigheden wordt pyruvaat omgezet in acetyl-CoA, dat in de citroenzuurcyclus terechtkomt voor volledige oxidatie tot CO2 en H2O.

NS. Glucose neemt ook als volgt deel aan andere stofwisselingsprocessen:

(i) Het wordt omgezet in glycogeen als opslagplaats, met name in lever en skeletspieren.

(ii) De HMP-shunt of de pentosefosfaatroutes die voortkomen uit tussenproducten van glycolyse, is een bron van hernieuwde synthese-equivalenten (2H) voor de biosynthese van vetzuren, cholesterol, enz. en het is een bron van ribose die belangrijk is voor de vorming van nucleïnezuur.

(iii) Triosefosfaat van glycolyse is een bron van glycerol van vet.

(iv) Pyruvaat en de tussenproducten van de citroenzuurcyclus vormen aminozuren en acetyl-CoA is de bouwsteen voor vetzuren met lange ketens en choles­terol, de voorloper van alle steroïde hormonen in het lichaam.

Metabole route # 2. Lipidemetabolisme:

A. De vetzuren met lange keten worden gesynthetiseerd uit acetyl-CoA, afgeleid van koolhydraten en hydraat of van voedingslipiden.

B. In de weefsels worden vetzuren geoxideerd tot acetyl-CoA of veresterd tot acylglycerol om vet te vormen dat de belangrijkste caloriereserve van het lichaam is.

C. Acetyl-CoA gevormd door β-oxidatie heeft de volgende belangrijke rollen in het lichaam:

(i) Het bevrijdt CP2 en H2O en levert ook veel energie op. Daarom wordt tijdens de oxidatie van vetzuren door β-oxidatie voor hun volledige oxidatie meer energie gevormd.

(ii) Het is een bron van cholesterolbiosynthese.

(iii) In de lever vormt het ketonlichamen die alternatieve in water oplosbare weefselbrandstoffen zijn. Deze brandstoffen worden onder bepaalde omstandigheden (bijv. hongersnood) immens belangrijke energiebronnen.

Metabole route # 3. Aminozuurmetabolisme:

A. Aminozuren zijn nodig voor eiwitsynthese.

B. De essentiële aminozuren moeten in de voeding worden opgenomen, aangezien deze niet door de weefsels worden gesynthetiseerd.

C. Dieet kan de niet-essentiële aminozuren leveren die ook worden gevormd uit de tussenproducten van de citroenzuurcyclus door transaminering.

NS. Overtollig aminostikstof als gevolg van deaminering van aminozuren wordt als ureum verwijderd en de koolstofskeletten die na transaminering overblijven geven de volgende producten:


Verbindingen van eiwitten met glucosemetabolisme

Eiwitten worden afgebroken door verschillende enzymen in cellen. Meestal worden aminozuren gerecycled tot nieuwe eiwitten. Als er echter een teveel aan aminozuren is, of als het lichaam in een staat van hongersnood verkeert, zullen sommige aminozuren worden omgeleid naar routes van glucosekatabolisme. Van elk aminozuur moet zijn aminogroep worden verwijderd voordat het deze routes binnengaat. De aminogroep wordt omgezet in ammoniak. Bij zoogdieren synthetiseert de lever ureum uit twee ammoniakmoleculen en een koolstofdioxidemolecuul. Ureum is dus het belangrijkste afvalproduct bij zoogdieren van de stikstof die afkomstig is van aminozuren, en het verlaat het lichaam in de urine.


Feedbackremming in metabole routes

Moleculen kunnen de enzymfunctie op vele manieren reguleren. De grote vraag blijft echter: wat zijn deze moleculen en waar komen ze vandaan? Sommige zijn cofactoren en co-enzymen, zoals je hebt geleerd. Welke andere moleculen in de cel zorgen voor enzymatische regulatie, zoals allosterische modulatie, en competitieve en niet-competitieve remming? Misschien wel de meest relevante bronnen van regulerende moleculen, met betrekking tot enzymatisch cellulair metabolisme, zijn de producten van de cellulaire metabolische reacties zelf. Op een zeer efficiënte en elegante manier zijn cellen geëvolueerd om de producten van hun eigen reacties te gebruiken voor feedback-remming van enzymactiviteit. Feedbackremming omvat het gebruik van een reactieproduct om zijn eigen verdere productie te regelen (Afbeelding 11). De cel reageert op een overvloed aan producten door de productie te vertragen tijdens anabole of katabole reacties. Dergelijke reactieproducten kunnen de enzymen remmen die hun productie hebben gekatalyseerd via de hierboven beschreven mechanismen.

Figuur 11 Metabole routes zijn een reeks reacties die worden gekatalyseerd door meerdere enzymen. Feedbackremming, waarbij het eindproduct van de route een stroomopwaarts proces remt, is een belangrijk regulerend mechanisme in cellen.

De productie van zowel aminozuren als nucleotiden wordt gecontroleerd door feedbackremming. Bovendien is ATP een allosterische regulator van enkele van de enzymen die betrokken zijn bij de katabole afbraak van suiker, het proces dat ATP creëert. Op deze manier kan de cel, wanneer ATP overvloedig aanwezig is, de productie van ATP voorkomen. Aan de andere kant dient ADP als een positieve allosterische regulator (een allosterische activator) voor enkele van dezelfde enzymen die worden geremd door ATP. Dus wanneer de relatieve niveaus van ADP hoog zijn in vergelijking met ATP, wordt de cel getriggerd om meer ATP te produceren door middel van suikerkatabolisme.


Twee fasen van glycolyse

  1. Fase l of Voorbereidende fase Het bestaat uit de eerste 5 stappen. Bij deze reacties wordt glucose enzymatisch gefosforyleerd door ATP (eerst op koolstof 6 en later op koolstof 1) om fructose 1,6-difosfaat op te leveren, dat vervolgens in tweeën wordt gesplitst om 2 mol van de 3 koolstofverbinding, glyceraldehyde 3-fosfaat, op te leveren. De eerste fase van glycolyse resulteert dus in splitsing van de hexoseketen. Deze fase vereist een investering van 2ATP-mol om de glucosemol te activeren (of te primen) en deze voor te bereiden op zijn splitsing in twee 3-koolstofstukken. Naast glucose kunnen ook andere hexosen zoals D-fructose, D-galactose en D-mannose worden omgezet in glyceraldehyde 3-fosfaat.
  2. Fase II of uitbetalingsfase De laatste 5 reacties van glycolyse vormen deze fase. Deze fase vertegenwoordigt de opbrengst van glycolyse, waarbij de energie die vrijkomt bij de omzetting van 3 mol glyceraldehyde 3-fosfaat in 2 mol pyruvaat wordt omgezet door de gekoppelde fosforylering van 4 mol ADP in ATP. Hoewel in fase II 4 mol ATP wordt gevormd, is de netto totale opbrengst slechts 2 mol ATP per mol geoxideerde glucose, aangezien 2 mol ATP in fase I wordt geïnvesteerd. De fase II is dus energiebesparend.
  1. De fosfaatgroepen zijn volledig geïoniseerd bij pH 7, zodat elk van de 9 tussenproducten van glycolyse een netto negatieve lading krijgt. Omdat celmembranen in het algemeen ondoordringbaar zijn voor geladen moleculen, kunnen de glycolytische tussenproducten niet uit de cel ontsnappen. Alleen glucose kan cellen binnendringen en pyruvaat of lactaat kan cellen verlaten omdat celmembranen specifieke transportsystemen hebben die deze moleculen doorlaten.
  2. De fosfaatgroepen zijn essentiële componenten bij het behoud van energie, omdat ze uiteindelijk worden overgebracht naar ADP om ATP te produceren.
  3. De fosfaatgroepen werken als herkennings- of bindingsgroepen die nodig zijn voor de juiste pasvorm van de glycolytische tussenproducten op de actieve plaats van hun overeenkomstige enzymen.

Metabole routes

Metabolic Pathways, Volume II richt zich op het metabolisme, de biosynthese en het katabolisme van aminozuren. De selectie biedt eerst informatie over het stikstof- en koolstofmetabolisme van aminozuren. De discussies richten zich op aminozuren die verband houden met de citroenzuurcyclus, zwavelaminozuren, proline en hydroxyproline, histidine, hydroxyaminozuren, ureumbiosynthese en verwante systemen, en deamidering. De tekst denkt vervolgens na over de biosynthese van aminozuren en verwante verbindingen en het metabolisme van zwavelhoudende verbindingen. Onderwerpen zijn onder meer het metabolisme van methionine, biotine, biologisch belang van zwavel bij dieren, onderlinge omzettingen van glutaminezuur, ornithine en prolines, en biosynthese van de vertakte aminozuren. De publicatie gaat in op de synthese van eiwitten, purines en pyrimidines, en nucleotiden en nucleosiden, inclusief de componenten van nucleotiden, purine-afbraak en incorporatie van voorgevormde purineverbindingen in nucleïnezuren. De selectie is een waardevolle referentie voor onderzoekers die geïnteresseerd zijn in het metabolisme, katabolisme en biosynthese van aminozuren.

Metabolic Pathways, Volume II richt zich op het metabolisme, de biosynthese en het katabolisme van aminozuren. De selectie biedt eerst informatie over het stikstof- en koolstofmetabolisme van aminozuren. De discussies richten zich op aminozuren die verband houden met de citroenzuurcyclus, zwavelaminozuren, proline en hydroxyproline, histidine, hydroxyaminozuren, ureumbiosynthese en verwante systemen, en deamidering. De tekst denkt vervolgens na over de biosynthese van aminozuren en verwante verbindingen en het metabolisme van zwavelhoudende verbindingen. Onderwerpen zijn onder meer het metabolisme van methionine, biotine, biologisch belang van zwavel bij dieren, onderlinge omzettingen van glutaminezuur, ornithine en prolines, en biosynthese van de vertakte aminozuren. De publicatie gaat in op de synthese van eiwitten, purines en pyrimidines, en nucleotiden en nucleosiden, inclusief de componenten van nucleotiden, purine-afbraak en incorporatie van voorgevormde purineverbindingen in nucleïnezuren. De selectie is een waardevolle referentie voor onderzoekers die geïnteresseerd zijn in het metabolisme, katabolisme en biosynthese van aminozuren.


Hoofdstuk samenvatting

Cellen vervullen de functies van het leven door middel van verschillende chemische reacties. Het metabolisme van een cel verwijst naar de combinatie van chemische reacties die erin plaatsvinden. Katabole reacties breken complexe chemicaliën af in eenvoudigere en worden geassocieerd met het vrijkomen van energie. Anabole processen bouwen complexe moleculen uit eenvoudigere en vereisen energie.

Bij het bestuderen van energie verwijst de term systeem naar de materie en de omgeving die betrokken zijn bij energieoverdrachten. Entropie is een maat voor de wanorde van een systeem. De natuurkundige wetten die de overdracht van energie beschrijven, zijn de wetten van de thermodynamica. De eerste wet stelt dat de totale hoeveelheid energie in het heelal constant is. De tweede wet van de thermodynamica stelt dat elke energieoverdracht enig verlies van energie met zich meebrengt in een onbruikbare vorm, zoals warmte-energie. Energie komt in verschillende vormen: kinetisch, potentieel en gratis. De verandering in vrije energie van een reactie kan negatief zijn (geeft energie vrij, exergoon) of positief (verbruikt energie, endergonisch). Alle reacties vereisen een eerste invoer van energie om door te gaan, de activeringsenergie genoemd.

Enzymen zijn chemische katalysatoren die chemische reacties versnellen door hun activeringsenergie te verlagen. Enzymen hebben een actieve plaats met een unieke chemische omgeving die past bij bepaalde chemische reactanten voor dat enzym, substraten genaamd. Enzymen en substraten worden verondersteld te binden volgens een model met geïnduceerde fit. Enzymwerking wordt gereguleerd om hulpbronnen te sparen en optimaal te reageren op de omgeving.

4.2 Glycolyse

ATP fungeert als de energievaluta voor cellen. Het stelt cellen in staat om energie kort op te slaan en in zichzelf te transporteren om endergonische chemische reacties te ondersteunen. De structuur van ATP is die van een RNA-nucleotide waaraan drie fosfaatgroepen zijn bevestigd. Omdat ATP wordt gebruikt voor energie, wordt een fosfaatgroep losgemaakt en wordt ADP geproduceerd. Energie afgeleid van glucosekatabolisme wordt gebruikt om ADP op te laden in ATP.

Glycolyse is de eerste route die wordt gebruikt bij de afbraak van glucose om energie te extraheren. Omdat het door bijna alle organismen op aarde wordt gebruikt, moet het vroeg in de geschiedenis van het leven zijn geëvolueerd. Glycolyse bestaat uit twee delen: Het eerste deel bereidt de zes-koolstofring van glucose voor op scheiding in twee drie-koolstofsuikers. Tijdens deze stap wordt energie uit ATP in het molecuul geïnvesteerd om de scheiding te activeren. De tweede helft van de glycolyse extraheert ATP en hoogenergetische elektronen uit waterstofatomen en hecht ze aan NAD+. Twee ATP-moleculen worden geïnvesteerd in de eerste helft en vier ATP-moleculen worden gevormd tijdens de tweede helft. Dit levert een netto winst op van twee ATP-moleculen per molecuul glucose voor de cel.

4.3 Citroenzuurcyclus en oxidatieve fosforylering

De citroenzuurcyclus is een reeks chemische reacties die hoogenergetische elektronen verwijderen en gebruiken in de elektronentransportketen om ATP te genereren. Per omwenteling van de cyclus wordt één molecuul ATP (of een equivalent) geproduceerd.

De elektronentransportketen is het deel van de aërobe ademhaling dat vrije zuurstof gebruikt als de uiteindelijke elektronenacceptor voor elektronen die zijn verwijderd uit de intermediaire verbindingen in glucosekatabolisme. De elektronen worden door een reeks chemische reacties geleid, waarbij op drie punten een kleine hoeveelheid vrije energie wordt gebruikt om waterstofionen door het membraan te transporteren. Dit draagt ​​bij aan de gradiënt die wordt gebruikt bij chemiosmosis. Als de elektronen worden doorgegeven van NADH of FADH2 langs de elektronentransportketen, verliezen ze energie. De producten van de elektronentransportketen zijn water en ATP. Een aantal tussenverbindingen kan worden omgeleid naar het anabolisme van andere biochemische moleculen, zoals nucleïnezuren, niet-essentiële aminozuren, suikers en lipiden. Deze zelfde moleculen, behalve nucleïnezuren, kunnen dienen als energiebronnen voor de glucoseroute.

4.4 Fermentatie

Als NADH niet kan worden gemetaboliseerd door aerobe ademhaling, wordt een andere elektronenacceptor gebruikt. De meeste organismen zullen een of andere vorm van fermentatie gebruiken om de regeneratie van NAD+ te bewerkstelligen, waardoor de voortzetting van de glycolyse wordt gegarandeerd. De regeneratie van NAD+ bij fermentatie gaat niet gepaard met ATP-productie, daarom wordt het potentieel voor NADH om ATP te produceren met behulp van een elektronentransportketen niet benut.

4.5 Verbindingen met andere metabole routes

De afbraak en synthese van koolhydraten, eiwitten en lipiden zijn verbonden met de routes van glucosekatabolisme. De koolhydraten die ook kunnen bijdragen aan het glucosekatabolisme zijn galactose, fructose en glycogeen. Deze verbinden met glycolyse. De aminozuren van eiwitten verbinden zich met glucosekatabolisme via pyruvaat, acetyl CoA en componenten van de citroenzuurcyclus. Cholesterolsynthese begint met acetyl CoA, en de componenten van triglyceriden worden opgenomen door acetyl CoA en komen in de citroenzuurcyclus terecht.


Slotopmerkingen en toekomstperspectieven

In deze Review hebben we besproken hoe metabolisme het epigenomische landschap kan vormen en mogelijk stabiele en zelfs transgenerationeel erfelijke functionele gevolgen kan genereren in verschillende contexten. Het is bijzonder opwindend voor zowel de epigenetica als het metabolisme om te zien dat metabolisch gereguleerde epigenetische modificaties een breed spectrum van enzymatische en niet-enzymatische modificaties op histon-, DNA- en RNA-moleculen omvatten die verder gaan dan de 'canonieke' methylatie- en acetylatiekenmerken. Er is veel werk nodig om het kinetische en thermodynamische gedrag van deze 'niet-canonieke' kenmerken en contextspecifieke dynamiek in reactie op het metabolisme te karakteriseren.

Alle metabolisch gereguleerde chromatine-modificerende enzymen die tot nu toe zijn genoemd, zijn epigenetische ‘writers’ en 𠆎rasers’ voor covalente chromatine-modificaties. Tot nu toe hebben we met name geen ATP-afhankelijke chromatine-remodelleringscomplexen 222� opgenomen, vanwege de hoge concentratie van intracellulair ATP, die de Km-waarden van ATPase-domeinen van chromatine-remodellers of welk enzym dan ook, ver overtreft. ATP-gebruikende enzymen zijn dus substraatverzadigd en hebben een minimale gevoeligheid voor veranderingen in ATP-concentraties. Desalniettemin is het vermogen van chromatine-remodellers om verschillende metabolisch aangedreven histon-modificaties, zoals histonmethylering en acetylering, te herkennen en eraan te binden, van cruciaal belang voor hun lokalisatie en functie, vandaar dat het metabolisme de functies van deze complexen door deze modificaties kan reguleren. Metabolieten zoals methionine, αKG, acetyl-CoA, ketonlichamen en redox-agentia reguleren allemaal mogelijk de functie van chromatine-remodellers op deze manier, maar dit blijft ongekarakteriseerd en vereist verder onderzoek.

Ondanks de opwindende vooruitgang bij het ontdekken van nieuwe metabolisch gereguleerde epigenetische kenmerken, is het begrip over functionele resultaten van deze epigenomische reacties nog steeds beperkt. Aankomende studies in de komende jaren zouden zich daarom moeten richten op het verduidelijken van de causale rol van het metabolisch gereguleerde epigenomische landschap bij het vormgeven van fenotypische uitkomsten in fysiologie en ziekte. Recente ontwikkelingen in geavanceerde technieken bieden ons veelbelovende toolkits om een ​​alomvattend en kwantitatief begrip te krijgen van de metabolisme-epigenetische as (Box 3).

Vak 3:

Technologieën voor het ontleden van het metabole en epigenomische landschap

Two major challenges in the characterization of the metabolically regulated epigenomic landscape are the lack of high-throughput techniques to collect multi-dimensional epigenomic and metabolomic data in a quantitative fashion with sufficient resolution, and the difficulty in demonstrating causality in the association between the two elements. Although chromatin immunoprecipitation followed by sequencing (ChIP-seq) is still the most widely applied technique for genome-scale profiling of histone modifications, alternatives have been developed to increase the coverage and resolution of epigenomic profiles in both bulk tissues and single cells. Global chromatin profiling based on targeted mass spectrometry techniques 259 enables bulk-level, simultaneous quantification of 42 combinations of covalent modifications on histone H3, and has been applied to around 1,000 cancer cell lines in the Cancer Cell Line Encyclopedia (CCLE) 260 . Combined with DNA methylation, transcriptomic and metabolomic profiles 261 in the same collection of cell lines, this multi-omic data set is a valuable resource for studying the quantitative relationship between metabolic activity and epigenomic landscape in cancer cells. A new chromatin-profiling technology termed Cleavage Under Targets and Release Using Nuclease (CUT&RUN) — in which DNA fragments bound to the modified histones are directly cleaved and released instead of undergoing crosslinking, sonication and immunoprecipitation as they do in standard ChIP-seq — has shown increased signal-to-noise ratio, efficiency and resolution and has enabled the profiling of chromatin modifications in very small number of cells 262,263 . Based on CUT&RUN, techniques for chromatin profiling at the single-cell level have also recently been developed 264,265 . Measurements of metabolomic profiles can achieve cellular or subcellular resolution through the application of mass spectrometry techniques 266,267 , potentially allowing the integration of metabolomic and epigenomic profiles at single-cell level.

Regarding the causality underlying any relationship between metabolism and epigenetics, it is of particular importance to understand whether changes in the abundance of a specific metabolite cause changes in the relevant epigenetic modifications, and whether these changes directly cause the observed functional and phenotypic outcomes. Isotope tracing, historically used for estimation of metabolic fluxes 268 , can be applied to quantify the flow of chemical groups from a metabolite to chromatin, thus offering a quantitative measurement of the direct contribution of metabolic pathway activity to chromatin modifications 72,75,221,269 . CRISPR�s9 based epigenome editing 270,271 and synthetic biology approaches 272 , on the other hand, have enabled the targeted, locus-specific deposition or removal of specific epigenetic modifications and the programmable manipulation of components participating in chromatin regulation. These toolkits are providing a valuable opportunity towards us reaching a complete and mechanistic understanding of the metabolically regulated epigenomic landscape in a variety of physiological contexts.

Also unclear is if and how metabolism can dynamically influence the high-level architecture of chromosomes, such as chromatin accessibility, chromosomal looping, and physical properties such as liquid–liquid phase separation. Several theoretical studies have demonstrated that these structural properties of chromatin can be predicted by specific signatures of epigenetic modifications 225� , implying that changes in metabolism could probably alter the overall organization of genome. Furthermore, how metabolic heterogeneity in single cells can influence tissue or organ function through epigenetic regulation is still unknown 229 . This is especially interesting in the context of development where cells from different developmental states coexist. Single-cell multi-omics techniques that enable simultaneous profiling of gene expression, DNA methylation and chromatin accessibility in single cells could help understand this complexity 230� .

Finally, investigating the roles of metabolism and epigenetics in mediating health outcomes due to nutrition and microbiotal commensalism, are underexplored and promising fields of research. Given the genomic and metabolic heterogeneity among individuals, the wide global spectrum of diets and microbiotal composition, and the general complexity of chromatin, many functional links are still yet to be discovered that offer several promising avenues for future research. Integration of large-scale human datasets and machine learning methods along with rigorous biochemistry could be helpful in reconciling these disparate factors to predict health outcomes 234,235 and shed light on future directions for incisive mechanistic studies.


Bekijk de video: Intermediair metabolisme uitvergroot 1. Metabole paden (December 2021).