Бесполезный цикл
, Бесполезный цикл также известный как субстратный цикл , возникает, когда два метаболических пути протекают одновременно в противоположных направлениях и не имеют никакого общего эффекта, кроме рассеивания энергии в виде тепла . [1] Причина, по которой этот цикл назвали «бесполезным», заключалась в том, что оказалось, что этот цикл не приносит никакой пользы организму. Таким образом, это считалось особенностью метаболизма и поэтому было названо бесполезным циклом. После дальнейших исследований было видно, что бесполезные циклы очень важны для регулирования концентрации метаболитов. [2] Например, если бы гликолиз и глюконеогенез были активны одновременно, глюкоза превратилась бы в пируват посредством гликолиза, а затем снова превратилась бы в глюкозу посредством глюконеогенеза с общим потреблением АТФ . [3] Бесполезные циклы могут играть роль в метаболической регуляции, при этом бесполезный цикл представляет собой систему, колеблющуюся между двумя состояниями и очень чувствительную к небольшим изменениям в активности любого из задействованных ферментов . [4] Цикл действительно генерирует тепло и может использоваться для поддержания теплового гомеостаза , например, в бурой жировой ткани молодых млекопитающих , или для быстрого генерирования тепла, например, в летающих мышцах насекомых и у животных, находящихся в спячке, во время периодического пробуждения от оцепенения . Сообщалось, что субстратный цикл метаболизма глюкозы является не бесполезным циклом, а регуляторным процессом. Например, когда внезапно требуется энергия, АТФ заменяется АМФ, гораздо более реактивным аденином.
Пример
[ редактировать ]Одновременное осуществление гликолиза и глюконеогенеза является примером бесполезного цикла, представленного следующим уравнением:
Например, во время гликолиза фруктозо-6-фосфат превращается во фруктозо-1,6-бисфосфат в реакции, фосфофруктокиназой 1 катализируемой ферментом ( PFK-1).
Но во время глюконеогенеза (т.е. синтеза глюкозы из пирувата и других соединений) происходит обратная реакция, катализируемая фруктозо-1,6-бисфосфатазой (FBPase-1).
Общая реакция:
есть гидролиз АТФ То без выполнения какой-либо полезной метаболической работы. Очевидно, что если бы эти две реакции протекали одновременно с высокой скоростью в одной и той же ячейке, большое количество химической энергии было бы рассеяно в виде тепла. Поэтому этот неэкономичный процесс получил название бесполезного цикла. [5]
Роль бесполезного цикла в ожирении и гомеостазе
[ редактировать ]Существует не так много лекарств, которые могут эффективно лечить или обращать вспять ожирение. Ожирение может увеличить риск заболеваний, в первую очередь связанных с проблемами со здоровьем, таких как диабет, гипертония, сердечно-сосудистые заболевания и даже некоторые виды рака. Исследование, посвященное лечению и профилактике ожирения с использованием трансгенных мышей для экспериментов, сообщает о положительных отзывах, которые предполагают, что миР-378, несомненно, может быть многообещающим средством для предотвращения и лечения ожирения у людей. Результаты исследования показывают, что активация бесполезного цикла пируват-ПЭП в скелетных мышцах посредством миР-378 является основной причиной повышенного липолиза в жировых тканях трансгенных мышей с миР-378 и помогает организовать перекрестные помехи между мышцами и жиром для контроля энергии. гомеостаз у мышей. [6]
Наше общее понимание бесполезного цикла — это субстратный цикл, возникающий, когда два перекрывающихся метаболических пути идут в противоположных направлениях, и, если его оставить без регуляции, он будет продолжаться бесконтрольно без какого-либо фактического производства до тех пор, пока вся энергия клеток не будет истощена. Однако идея, лежащая в основе исследования, указывает на то, что бесполезный цикл пируват-фосфоенолпируват, активированный миР-378, имеет регуляторное преимущество. [6] Мало того, что миР-378 приводит к снижению жировой массы тела из-за усиленного липолиза, также предполагается, что бесполезные циклы регулируют метаболизм для поддержания энергетического гомеостаза. миР-378 обладает уникальной функцией регуляции метаболической связи между мышечной и жировой тканями для контроля энергетического гомеостаза на уровне всего тела. [6]
Примеры бесполезного цикла, действующего у разных видов
[ редактировать ]Чтобы понять, как наличие бесполезного цикла помогает поддерживать низкие уровни АТФ и выработки тепла у некоторых видов, мы рассмотрим метаболические пути, связанные с реципрокной регуляцией гликолиза и глюконеогенеза .
Плавательный пузырь многих рыб; например, у рыбок данио — это орган, внутренне заполненный газом, который способствует их плавучести . Обнаружено, что эти клетки газовых желез расположены там, где находятся капилляры и нервы. Анализ метаболических ферментов показал, что фермент глюконеогенеза фруктозо-1,6-бисфосфатаза (Fbp1) и гликолитический фермент глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа (Gapdh) высоко экспрессируются в клетках газовых желез. [7] Исследование показало, что характеристики плавательного пузыря рыбок данио не должны содержать экспрессирующего гена фруктозо-1,6-бисфосфатазы. Известно, что ткань плавательного пузыря обладает очень высокой гликогенной активностью и лишена глюконеогенеза, однако обнаружено, что в ней экспрессируется преобладающее количество Fbp. Это открытие предполагает, что в клетках газовых желез Fbp образует АТФ-зависимый метаболический бесполезный цикл. Выделение тепла критически важно для клеток газовых желез для синтеза молочной кислоты , поскольку этот процесс сильно ингибируется при накоплении АТФ.
Другой пример предполагает, что выделение тепла в плавательном пузыре фугу будет переноситься из места образования, однако оно все равно может постоянно возвращаться обратно через сетчатую сеть , чтобы поддерживать температуру газовой железы выше, чем в других областях тела.
Общая чистая реакция бесполезного цикла включает потребление АТФ и выделение тепла следующим образом:
Другой пример бесполезного цикла, способствующего выработке тепла, можно найти у шмелей . Бесполезный цикл с участием Fbp и Pfk используется шмелями для выработки тепла в летательных мышцах и значительного разогрева своего тела при низких температурах окружающей среды. [7]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Швендер Дж., Ольрогге Дж., Шачар-Хилл Ю. (2004). «Понимание потока в метаболических сетях растений». Карр Опин Растительная Биол . 7 (3): 309–17. дои : 10.1016/j.pbi.2004.03.016 . ПМИД 15134752 .
- ^ Х., Гаррет, Реджинальд (11 февраля 2016 г.). Биохимия . Гришэм, Чарльз М. (Шестое изд.). Бостон, Массачусетс. п. 767. ИСБН 9781305577206 . OCLC 914290655 .
{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ) CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Бойте А, Хесс Б (1981). «Дизайн гликолиза». Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci . 293 (1063): 5–22. Бибкод : 1981РСТБ.293....5Б . дои : 10.1098/rstb.1981.0056 . ПМИД 6115423 .
- ^ Самойлов М., Плясунов С., Аркин А. (2005). «Стохастическая амплификация и передача сигналов в бесполезных ферментативных циклах посредством индуцированной шумом бистабильности с колебаниями» . Proc Natl Acad Sci США . 102 (7): 2310–5. Бибкод : 2005PNAS..102.2310S . дои : 10.1073/pnas.0406841102 . ПМК 548975 . ПМИД 15701703 .
- ^ Нельсон, Д.Л., Ленинджер, А.Л., и Кокс, М.М. (2008). Ленингерские принципы биохимии (5-е изд., стр. 582-583). Нью-Йорк: WH Freeman.
- ^ Перейти обратно: а б с Чжан, Юн; Ли, Ху; Чжао, Ися; Ван, Ран; Чжу, Дахай (01.03.2016) . 378 Активирует бесполезный цикл пируват-ПЭП и усиливает липолиз для облегчения ожирения у мышей» . eBioMedicine . 5 : 93–104. doi : /j.ebiom.2016.01.035 . ISSN 2352-3964 . PMC 4816830. 10.1016 PMID 27 0771 16 .
- ^ Перейти обратно: а б Мунаката, Кейджиро; Ооката, Кайоко; Дои, Хироюки; Баба, Отто; Терашима, Тацуо; Хиросе, Сигехиса; Като, Акира (январь 2012 г.). «Гистологическая демонстрация переносчиков глюкозы, фруктозо-1,6-бисфосфатазы и гликогена в клетках газовых желез плавательного пузыря: работает ли метаболический бесполезный цикл?». Связь с биохимическими и биофизическими исследованиями . 417 (1): 564–569. дои : 10.1016/j.bbrc.2011.12.006 . ISSN 0006-291X . ПМИД 22177956 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Бесполезные + циклы в Национальной медицинской библиотеке США по медицинским предметным рубрикам (MeSH)