Переполнение метаболизма
Метаболизм переполнения относится к, казалось бы, расточительной стратегии, при которой клетки не полностью окисляют свой субстрат роста (например, глюкозу ) вместо того, чтобы использовать дыхательный путь, даже в присутствии кислорода. [1] В результате использования этой метаболической стратегии клетки выделяют (или «переполняют») метаболиты, такие как лактат , ацетат и этанол . Неполное окисление субстратов роста дает меньше энергии (например, АТФ ), чем полное окисление посредством дыхания , но при этом происходит избыточный метаболизм, известный как эффект Варбурга в контексте рака. [2] и эффект Крэбтри в контексте дрожжей — встречается повсеместно среди быстрорастущих клеток, включая бактерии, грибы и клетки млекопитающих.
Основываясь на экспериментальных исследованиях переполнения ацетата у Escherichia coli , недавние исследования предложили общее объяснение связи метаболизма переполнения с быстрым ростом. Согласно этой теории, ферменты, необходимые для дыхания, стоят дороже, чем ферменты, необходимые для частичного окисления глюкозы. [3] [4] То есть, если бы клетка производила достаточное количество этих ферментов для поддержания быстрого роста при респираторном метаболизме , она потребляла бы гораздо больше энергии, углерода и азота (в единицу времени), чем поддерживая быстрый рост при неполном окислительном метаболизме (например, при ферментации). Учитывая, что клетки имеют ограниченные энергетические ресурсы и фиксированный физический объем белков, считается, что существует компромисс между эффективным захватом энергии посредством центрального метаболизма (т. е. дыхания) и быстрым ростом, достигаемым за счет высоких потоков центрального метаболизма (например, посредством ферментации, как в дрожжи ).
В качестве альтернативного объяснения было предложено, что клетки могут быть ограничены скоростью, с которой они могут рассеивать энергию Гиббса в окружающую среду. [5] Используя комбинированные термодинамические и стехиометрические метаболические модели в анализе баланса потоков с (i) максимизацией роста в качестве целевой функции и (ii) установленным пределом скорости диссипации клеточной энергии Гиббса , были достигнуты правильные прогнозы физиологических параметров, внутриклеточных метаболических потоков и концентраций метаболитов. [5]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Васкес, Алексей (27 октября 2017 г.). Переполненный метаболизм: от дрожжей до марафонцев . Академическая пресса. ISBN 9780128122082 .
- ^ Фернандес-де-Коссио-Диас, Хорхе; Васкес, Алексей (18 октября 2017 г.). «Пределы аэробного метаболизма в раковых клетках» . Научные отчеты . 7 (1): 13488. doi : 10.1038/s41598-017-14071-y . ISSN 2045-2322 . ПМЦ 5647437 . ПМИД 29044214 .
- ^ Моленаар, Доуве; Берло, Рожер ван; Риддер, Дик де; Тьюсинк, Бас (1 января 2009 г.). «Сдвиги в стратегиях роста отражают компромиссы в сотовой экономике» . Молекулярная системная биология . 5 (1): 323. doi : 10.1038/msb.2009.82 . ISSN 1744-4292 . ПМЦ 2795476 . ПМИД 19888218 .
- ^ Басан, Маркус; Хуэй, Шэн; Окано, Хироюки; Чжан, Чжунгэ; Шен, Ян; Уильямсон, Джеймс Р.; Хва, Теренс (3 декабря 2015 г.). «Избыточный метаболизм у Escherichia coli является результатом эффективного распределения протеома» . Природа . 528 (7580): 99–104. дои : 10.1038/nature15765 . ISSN 0028-0836 . ПМЦ 4843128 . ПМИД 26632588 .
- ^ Jump up to: а б Хайнеманн, Матиас; Леупольд, Симеон; Нибель, Бастиан (январь 2019 г.). «Верхний предел рассеивания энергии Гиббса определяет клеточный метаболизм» (PDF) . Природный метаболизм . 1 (1): 125–132. дои : 10.1038/s42255-018-0006-7 . ISSN 2522-5812 . ПМИД 32694810 . S2CID 104433703 .