Biohemijske osnove ishrane. Organizacija materijala na metaboličkoj karti

Dok ste studirali biologiju u školi, vjerovatno ste neko vrijeme pamtili dijelove sheme aerobnog disanja - Krebsov ciklus. Ako niste odmah zaspali, trebalo je da imate utisak da je jelo linearan proces.

Krebsov ciklus

Na ulazu imamo ugljikohidrate, masti i bjelančevine, a stanice tijela iz njih izvlače energiju predvidljivo, proizvode korisne metabolite i oslobađaju ugljični dioksid i vodu. Čini se da su strelice neosporne, kao da su se koraci procesa uvijek odvijali na isti način. Iako je ovaj model koristan za razumijevanje osnova, on ne odgovara dobro stvarnosti. Ishrana je mnogo složeniji kompleks nego što se može činiti kada se proučava statički dijagram.

Jednom kada uđu u trilione ćelija u našem telu, hranljive materije obično ne prate jedan predvidljiv put. U većini slučajeva, njihovi se putevi granaju, direktno ili indirektno, na višestruke puteve proizvoda (metabolita), od kojih se svaki može dalje granati. Štoviše, mogu dovesti do različitih radnji i funkcija, kao što su mobilizacija energije i popravak oštećenih stanica. Dominantni put u velikoj mjeri određuje jesmo li zdravi ili ne. Međutim, razumijevanje metabolizma nije samo praćenje velikog broja nezavisnih puteva kojima se supstanca kreće. Kada se granaju, njihove kombinacije izgledaju beskrajno.

Mape ovih metaboličkih lavirinta krase zidove mnogih istraživačkih laboratorija. Krebsov školski ciklus uvelike je pojednostavljen dio jednog od njih. Radim to već duže vrijeme i uspio sam promatrati pojavu jedne od najsloženijih mapa, koja je započela prije mnogo godina kao mreža reakcija metabolizma glukoze koje dovode do proizvodnje energije. Najranija verzija ove mape mi je bila vrlo korisna kada sam predavao biohemiju na Virginia Techu 1960-ih i 1970-ih. Za opis niza reakcija koje vode od glukoze do Krebsovog ciklusa na dnu dijagrama (izvlačenje energije iz glukoze) bilo bi potrebno najmanje desetak predavanja o osnovnoj biohemiji.

Dijagrami puteva metabolizma glukoze

Teško, zar ne? Ali karta koju sam koristio na času je mali dio našeg trenutnog znanja o stazama. metabolizam glukoze. Vremenom su mu se dodavale nove grupe reakcija, uključujući metabolizam proteina, masti i nukleinskih kiselina. Ubrzo je bilo toliko reakcija, a tip je bio toliko mali, da je postalo jasno da ako dodate još nešto, dijagram neće biti čitljiv golim okom. Kartografi su počeli stvarati čitave atlase metabolizma glukoze kako bi uzeli u obzir nova otkrića. Ono što su nekada bile jednostavne reakcije sada zauzimaju nekoliko stranica dijagrama.

Ove su karte postajale sve detaljnije sve dok nisu postale simbol kako je redukcionizam, u potrazi za detaljnim i specifičnim informacijama, izgubio iz vida cjelinu. Naučnici godinama i decenijama rade na jednoj ili dve reakcije. Kartice su se pojavljivale na mapi, kartice su se pojavljivale na karticama, a kako smo dublje zalazili u ćelijski metabolizam, sve je manje ostajalo snage da se vidi mudrost i moć sistema kao celine (slika 7.1).

Rice. 7.1. "Jednostavan" dijagram puteva metabolizma glukoze

Reč "redukcionizam" ima isti koren kao latinska fraza reductio ad absurdum, "dovođenje do tačke apsurda". Sjećate li se jednostavnog, ali složenog obrasca metabolizma glukoze? Evo je ažurirana verzija(Sl. 7.2).

Rice. 7.2. Jedna od najnovijih mapa metaboličkih puteva glukoze

Naučnici su, međutim, otišli dalje. Procijenite složenost vrlo malog dijela karte, uvećanog radi čitljivosti (slika 7.3). Kompletnija metabolička mapa na Sl. 7.2 - mali dio svih reakcija u svakoj od stotina triliona ćelija u našem tijelu.

Naglašavam složenost metabolizma kako biste mogli vidjeti da je nemoguće u potpunosti razumjeti kako naše tijelo reaguje na hranu koju jedemo i nutrijente koje one sadrže. Objašnjavanje funkcije nutrijenata sa samo jednom ili čak nekoliko ovih reakcija nije dovoljno. Kada se potroše, oni stupaju u interakciju jedni s drugima i s drugim supstancama u labirintu metaboličkih reakcija koje se odvijaju u tih sto biliona stanica. Nijedna pojedinačna reakcija ili mehanizam nije odgovoran za djelovanje određene hranjive tvari. Svi oni i mnoge druge tvari povezane s njima uključene su u ćelijski metabolizam i pretvaraju se u brojne proizvode na visoko integrirane načine - ništa manje složene nego na sl. 7.1–7.3.

Rice. 7.3. Uvećani fragment karte

Svaka supstanca prolazi kroz labirint reakcija, tako da može biti faktor koji utiče na dobrobit. Odnos "jedna supstanca, jedna bolest" koji redukcionizam implicira popularan je, ali obmanjujući.

Smisao sistematizacije na osnovu simetrije je da ovo drugo učini očiglednim. Simetrija skrivena u prirodi postaje dostupna za direktnu percepciju ako se može izraziti kroz simetriju. geometrijski oblici. Stoga je zadatak sistematizacije biohemijskih informacija u ovom slučaju prikazati mrežu metaboličkih reakcija u obliku simetričnih grafičkih shema, čiji bi isti elementi odražavali sličnost dijelova njene strukture. U ovom poglavlju će se razmatrati metabolička mapa konstruirana prema ovom principu. Podjela metaboličke mreže na sheme u njoj odgovara tradicionalnoj podjeli metabolizma u skladu s glavnim klasama spojeva žive prirode: metabolizam ugljikohidrata, metabolizam aminokiselina i proteina, metabolizam lipida, metabolizam nukleinske kiseline itd. Šeme su zasnovane na reakcionim mrežama dobijenim kombinovanjem jednostavnih simetričnih oblika prema uobičajenim spojevima i reakcijama. Šeme su konstruirane na način da naglase periodičnu prirodu strukture metaboličke mreže i sličnost funkcionalno sličnih spojeva. U tu svrhu uvode se pojmovi perioda i serije. Kao periode razmatraju se slični kompleksi jedinjenja povezanih reakcijama, dobijeni kombinovanjem intervala periodičnih sekvenci reakcija, ili vertikalnih stubova rešetkastih oblika. Povezani periodi su kombinovani u niz. Redovi sadrže funkcionalno slične metabolite. Lokacija pojedinačnih šema na karti određena je vezama između njih. Opšti plan karte je prikazan na sl.16.

U gornjem dijelu karte nalazi se dijagram metabolizma monosaharida. Njegovi periodi su označeni arapskim brojevima. Nazivi redova su na lijevoj strani.

Srednje područje karte ima složenu strukturu. Vertikalno je podijeljen na gornji i donji dio. Gornji dio je od donjeg odvojen numeričkim i abecednim oznakama tačaka. Reakcije aminokiselina i njihovih derivata koji sadrže dušik nalaze se u gornjem dijelu. Ovdje su sheme metabolizma spojeva koji sadrže sumpor, kao i derivata pirimidina i purina. U donjem dijelu su reakcije derivata aminokiselina bez dušika. Lijevu stranu i centar srednjeg područja zauzimaju sheme metabolizma alifatskih spojeva. Desno su sheme metabolizma aromatskih i heterocikličnih derivata.

Na lijevoj strani su dati nazivi zajedničkih redova srednjeg područja. Nazivi redova koji se odnose na gornji dio središnjeg dijela srednje regije dati su između shema metabolizma alifatskih i aromatskih spojeva.

U donjem dijelu karte, s lijeva na desno, nalaze se: shema za biosintezu glavnih izoprenoidnih spojeva, shema metabolizma masnih kiselina i nekih lipida – derivata masnih kiselina i shema za biosinteza glavnih porfirinskih struktura. Ove sheme su razvoj lijevog i središnjeg dijela srednjeg područja karte i nisu međusobno povezane. U donjem desnom uglu karte nalazi se lista simbola.

Općenito, uz jednostavne spojeve s kontinuiranim ugljikovim skeletom, mreža metaboličkih reakcija uključuje složene produkte njihove kondenzacije: biopolimere, produkte konjugacije, složene lipide i alkaloide. Međutim, nedostatak podataka o hemijskoj strukturi i biohemijskim transformacijama ovih jedinjenja otežava otkrivanje simetrije u strukturi njihovog metabolizma. Zbog nemogućnosti da se metaboličke šeme kompleksnih spojeva predstave u simetričnom obliku, one se obično ne prikazuju na karti.

Na osnovu rezultata koje su prethodno dobili istraživači sa Univerziteta Kalifornije u San Dijegu, međunarodni konzorcij univerzitetskih naučnika sastavio je najdetaljniju virtuelnu rekonstrukciju ljudskog metabolizma do sada. Nazvan Recon 2, ovaj model se može koristiti za identifikaciju uzroka i razvoj novih tretmana za bolesti kao što su rak, dijabetes, pa čak i psihijatrijske i neurodegenerativne bolesti.

Metabolizam, odnosno metabolizam, svake osobe, koji se sastoji u pretvaranju prehrambenih proizvoda u energiju i tkiva, određen je genetskim faktorima, uticajima okoline i kvalitetom ishrane. Ljekari su dugo vremena prepoznali kritičnu važnost metaboličkih poremećaja u nastanku bolesti. I podaci posljednjih godina istraživača, uključujući i one koji rade na takozvanom "Projektu ljudskog genoma" i na polju sistemske biologije, sve više podržavaju ovo uvjerenje.

Programeri upoređuju Recon 2 sa mapama koje je kreirao Google, jer vam omogućavaju da kombinujete mnogo malih detalja u jedan interaktivna karta. Na primjer, stručnjaci koji proučavaju ulogu metabolizma u stvaranju uvjeta povoljnih za rast tumora mogu "zumirati" određeni fragment karte kako bi dobili detaljne slike pojedinačnih metaboličkih reakcija ili umanjili kako bi razumjeli odnos između različitih signalnih signala. mehanizama i metaboličkih fragmenata.

Istraživači su već pokazali praktičnost i funkcionalnost takvih metaboličkih modela na više nivoa za jednostavne organizme kao što su kvasac i E. coli. Ovi modeli su omogućili stvaranje sojeva mikroorganizama sposobnih da sintetiziraju velike količine različitih spojeva, kao što je etanol, kao i predviđanje razvoja rezistencije na lijekove kod bakterija.

Jedna od najperspektivnijih primena Recon 2 je određivanje nivoa ekspresije određenih gena, kao i metaboličkih puteva u kojima su uključeni njihovi proteinski proizvodi, za kasniji razvoj metoda za ciljanu isporuku lekova. Sada postoje velike baze podataka koje sadrže informacije o ekspresiji gena u ljudskim ćelijama izloženim aktivnim sastojcima u kliničkim i eksperimentalnim formulacijama. Recon 2 omogućava stručnjacima da koriste ove dostupne podatke kako bi otkrili kako određeni lijekovi mogu utjecati na određene metaboličke mehanizme, poput onih koji pogoduju rastu malignih tumora. Dobivaju priliku da provode virtuelne eksperimente koji pokazuju sposobnost lijekova da obnove metaboličke poremećaje koji su u osnovi razvoja bolesti.

Recon 1, prototip Recon 2, kreiralo je 2007. godine šest naučnika sa Univerziteta u Kaliforniji koji rade pod vodstvom profesora Bernharda Palssona. Uključuje više od 3.300 poznatih metaboličkih reakcija, o kojima su informacije prikupljene u prethodnih 50 godina. Sa stvaranjem Recon 2, ovaj broj "mapiranih" metaboličkih reakcija porastao je na preko 7400. Recon 2 je u javnom vlasništvu na web stranici Recon x.

Recon 2 se već dokazao, kaže Ines Thiele, bivša studentica Kalifornijskog univerziteta, sada na Univerzitetu Islanda, koja je predvodila konzorcij. Uz njegovu pomoć uspješno su identificirani metabolički poremećaji koji se trenutno koriste za dijagnosticiranje nasljednih metaboličkih bolesti.

Profesor Thiele vjeruje da će ovaj temeljni resurs bez sumnje dati mnoga vrijedna predviđanja koja će ubrzati prenošenje rezultata naučnih eksperimenata u kliničku praksu. Prema njenim riječima, krajnji cilj stvaranja Recona 2 je da se njime personalizira dijagnoza i liječenje. U budućnosti, liječnici će moći da ga koriste za kreiranje individualnih metaboličkih obrazaca za svoje pacijente i odabir najboljih terapijskih pristupa za liječenje različitih bolesti, uključujući dijabetes, rak i neurodegenerativne bolesti.

Kreatori Recona 2 priznaju da je pred nama još puno posla, jer, uprkos značajnom poboljšanju u odnosu na Recon 1, sadrži informacije o samo 1.800 od približno 20.000 gena koji kodiraju proteine ​​u ljudskom genomu.

Iznad je središnji dio karte, ispod je njena trenutna verzija, Recon 2.
Kako će to izgledati kompletna mapa sve metaboličke puteve ljudskog tela, zamislite sami.

Pročitajte također:

Oplodnja donorskom spermom: smanjit će se rizik od nasljednih bolesti

Novoformirana kompanija GenePeeks fokusirat će se na identifikaciju recesivnih nasljednih bolesti koje se mogu javiti kod djece začete kao rezultat oplodnje donorskom spermom.

Broj kopija gena utiče na životni vijek

Upoređujući veliki broj uzoraka DNK djece i starijih osoba, istraživači su identificirali gene čija varijacija u broju kopija utiče na životni vijek povećavajući ili smanjujući rizik od razvoja bolesti.

Odgođeni geni

Zdrava osoba je nosilac približno 400 genetskih varijanti koje predstavljaju potencijalnu prijetnju zdravlju i 2 varijante koje su direktno povezane sa bolestima.

Stanje metiloma - marker biološke starosti

Proučavanje ličnog metiloma - profila metilacije DNK u genomu - omogućit će ne samo određivanje stvarne biološke starosti, već i predviđanje rizika od razvoja bolesti i efikasnosti njihovih metoda liječenja.

Projekat 1000 genoma: Petogodišnji plan prevaziđen

Na kraju druge faze projekta 1000 genoma, međunarodni tim istraživača objavio je rezultate kompletne analize sekvenciranja genoma 1092 predstavnika 14 različitih populacija.