Baza biokimike e të ushqyerit. Organizimi i materialit në hartën metabolike

Ndërsa studionit biologjinë në shkollë, me siguri keni mësuar përmendësh fragmente të skemës së frymëmarrjes aerobike për ca kohë - Cikli i Krebsit. Nëse nuk ju ka zënë gjumi menjëherë, duhet t'ju linte përshtypjen se të ngrënit është një proces linear.

Cikli i Krebsit

Në hyrje kemi karbohidrate, yndyrna dhe proteina, dhe qelizat e trupit nxjerrin energji prej tyre në mënyrë të parashikueshme, prodhojnë metabolitë të dobishëm dhe çlirojnë dioksid karboni dhe ujë. Shigjetat duket se janë të padiskutueshme, sikur hapat e procesit të ndodhnin gjithmonë në të njëjtën mënyrë. Edhe pse ky model është i dobishëm për të kuptuar bazat, ai nuk korrespondon mirë me realitetin. Të ushqyerit është një kompleks shumë më kompleks sesa mund të duket kur studiohet një diagram statik.

Pasi hyjnë në triliona qeliza në trupin tonë, lëndët ushqyese zakonisht nuk ndjekin një rrugë të parashikueshme. Në shumicën e rasteve, rrugët e tyre degëzohen, drejtpërdrejt ose tërthorazi, në rrugë të shumta produkti (metabolit), secila prej të cilave mund të degëzohet më tej. Për më tepër, ato mund të çojnë në veprime dhe funksione të ndryshme, si mobilizimi i energjisë dhe riparimi i qelizave të dëmtuara. Rruga dominuese përcakton kryesisht nëse jemi të shëndetshëm apo jo. Sidoqoftë, të kuptuarit e metabolizmit nuk ka të bëjë vetëm me mbajtjen e gjurmëve të numrit të madh të rrugëve të pavarura që merr një substancë. Kur degëzohen, kombinimet e tyre duken të pafundme.

Hartat e këtyre labirinteve metabolike zbukurojnë muret e shumë laboratorëve kërkimorë. Cikli shkollor i Krebsit është një pjesë shumë e thjeshtuar e njërës prej tyre. Unë e kam bërë këtë për një kohë të gjatë dhe kam qenë në gjendje të vëzhgoj shfaqjen e një prej hartave më komplekse, e cila filloi shumë vite më parë si një rrjet reaksionesh të metabolizmit të glukozës që çojnë në prodhimin e energjisë. Versioni më i hershëm i kësaj harte erdhi shumë i dobishëm kur mësova biokiminë në Virginia Tech në vitet 1960 dhe 1970. Për të përshkruar serinë e reaksioneve që çojnë nga glukoza në ciklin e Krebsit në fund të diagramit (nxjerrja e energjisë nga glukoza) do të duheshin të paktën një duzinë leksionesh mbi biokiminë bazë.

Diagramet e rrugëve të metabolizmit të glukozës

E vështirë, apo jo? Por harta që përdora në klasë është një pjesë e vogël e njohurive tona aktuale për shtigjet. metabolizmin e glukozës. Me kalimin e kohës, atij iu shtuan grupe të reja reaksionesh, duke përfshirë metabolizmin e proteinave, yndyrave dhe acideve nukleike. Shumë shpejt pati aq shumë reagime, dhe lloji ishte aq i vogël, sa u bë e qartë se nëse shtoni diçka tjetër, diagrami nuk do të lexohet me sy të lirë. Hartografët filluan të krijojnë atlase të tëra të metabolizmit të glukozës për të marrë parasysh zbulimet e reja. Ato që dikur ishin reagime të thjeshta, tani marrin disa faqe diagramesh.

Këto harta u bënë gjithnjë e më të detajuara derisa u bënë simbol i mënyrës sesi reduksionizmi, në kërkim të informacionit të detajuar dhe specifik, humbi nga sytë të gjithë. Shkencëtarët kanë punuar në një ose dy reagime për vite dhe dekada. Skedat u shfaqën në hartë, skedat u shfaqën në skeda dhe ndërsa u futëm më thellë në metabolizmin qelizor, mbetej gjithnjë e më pak forcë për të parë mençurinë dhe fuqinë e sistemit në tërësi (Fig. 7.1).

Oriz. 7.1. Diagrami "i thjeshtë" i rrugëve të metabolizmit të glukozës

Fjala "reduksionizëm" ka të njëjtën rrënjë me frazën latine reductio ad absurdum, "duke e çuar në pikën e absurditetit". E mbani mend modelin e thjeshtë por kompleks të metabolizmit të glukozës? Këtu është ajo version i përditësuar(Fig. 7.2).

Oriz. 7.2. Një nga hartat më të fundit të rrugëve metabolike të glukozës

Shkencëtarët, megjithatë, shkuan më tej. Vlerësoni kompleksitetin e një pjese shumë të vogël të hartës, të zmadhuar për lexueshmëri (Figura 7.3). Një hartë metabolike më e plotë në Fig. 7.2 - një pjesë e vogël e të gjitha reaksioneve në secilën prej qindra triliona qelizave në trupin tonë.

Theksoj kompleksitetin e metabolizmit, kështu që ju mund të shihni se është e pamundur të kuptohet plotësisht se si trupi ynë reagon ndaj ushqimeve që hamë dhe lëndëve ushqyese që ato përmbajnë. Shpjegimi i funksionit të lëndëve ushqyese me vetëm një apo edhe disa nga këto reagime nuk mjafton. Pasi konsumohen, ato ndërveprojnë me njëra-tjetrën dhe me substanca të tjera në një labirint reaksionesh metabolike që ndodhin në atë njëqind trilion qeliza. Asnjë reaksion ose mekanizëm i vetëm nuk është përgjegjës për veprimin e një lëndë ushqyese të veçantë. Të gjithë ata dhe shumë substanca të tjera që lidhen me to përfshihen në metabolizmin qelizor dhe shndërrohen në produkte të shumta në mënyra shumë të integruara - jo më pak komplekse sesa në Fig. 7.1-7.3.

Oriz. 7.3. Fragment i zmadhuar i hartës

Çdo substancë kalon nëpër një labirint reaksionesh, ndaj mund të jetë një faktor që ndikon në mirëqenien. Marrëdhënia "një substancë, një sëmundje" që nënkupton reduksionizmi është popullore, por mashtruese.

Qëllimi i sistemimit në bazë të simetrisë është që kjo e fundit të bëhet e dukshme. Simetria e fshehur në natyrë bëhet e disponueshme për perceptim të drejtpërdrejtë nëse mund të shprehet përmes simetrisë. forma gjeometrike. Prandaj, detyra e sistematizimit të informacionit biokimik në këtë rast është të përshkruajë rrjetin e reaksioneve metabolike në formën e skemave grafike simetrike, të njëjtat elementë të të cilave do të pasqyronin ngjashmërinë e pjesëve të strukturës së tij. Në këtë kapitull do të shqyrtohet një hartë metabolike e ndërtuar sipas këtij parimi. Ndarja e rrjetit metabolik në skema në të korrespondon me ndarjen tradicionale të metabolizmit në përputhje me klasat kryesore të përbërjeve të natyrës së gjallë: metabolizmin e karbohidrateve, metabolizmin e aminoacideve dhe proteinave, metabolizmin e lipideve, metabolizmin e acidet nukleike etj. Skemat bazohen në rrjetet e reagimit të përftuara nga kombinimi i formave të thjeshta simetrike sipas përbërjeve dhe reaksioneve të zakonshme. Skemat janë ndërtuar në atë mënyrë që të theksojnë natyrën periodike të strukturës së rrjetit metabolik dhe ngjashmërinë e përbërjeve funksionalisht të ngjashme. Për këtë qëllim, prezantohen konceptet e periudhës dhe serisë. Si periudha, konsiderohen komplekse të ngjashme përbërjesh të lidhura nga reaksionet, të marra nga kombinimi i intervaleve të sekuencave periodike të reaksioneve, ose kolonave vertikale të formave të rrjetës. Periudhat e lidhura kombinohen në një seri. Rreshtat përmbajnë metabolitë funksionalisht të ngjashëm. Vendndodhja e skemave individuale në hartë përcaktohet nga lidhjet midis tyre. Plani i përgjithshëm i hartës është paraqitur në Fig.16.

Në zonën e sipërme të hartës është një diagram i metabolizmit të monosakarideve. Periudhat e saj tregohen me numra arabë. Emrat e rreshtave janë në të majtë.

Zona e mesme e hartës ka një strukturë komplekse. Vertikalisht, ajo ndahet në pjesët e sipërme dhe të poshtme. Pjesa e sipërme është e ndarë nga pjesa e poshtme me emërtime numerike dhe alfabetike të periudhave. Në pjesën e sipërme vendosen reaksionet e aminoacideve dhe derivateve të tyre që përmbajnë azot. Këtu janë skemat e metabolizmit të përbërjeve që përmbajnë squfur, si dhe derivateve të pirimidinës dhe purinës. Në pjesën e poshtme janë reaksionet e derivateve pa azot të aminoacideve. Ana e majtë dhe qendra e zonës së mesme janë të zëna nga skemat e metabolizmit të përbërjeve alifatike. Në të djathtë janë skemat e metabolizmit të derivateve aromatike dhe heterociklike.

Emrat e rreshtave të përbashkët të zonës së mesme janë dhënë në të majtë. Emrat e rreshtave që lidhen me pjesën e sipërme të seksionit qendror të rajonit të mesëm janë dhënë midis skemave të metabolizmit të përbërjeve alifatike dhe aromatike.

Në zonën e poshtme të hartës, nga e majta në të djathtë, ka: një skemë për biosintezën e përbërjeve kryesore izoprenoide, një skemë për metabolizmin e acideve yndyrore dhe disa lipideve - derivatet e acideve yndyrore, dhe një skemë për biosinteza e strukturave kryesore të porfirinës. Këto skema janë zhvillimi i pjesëve të majta dhe qendrore të zonës së mesme të hartës dhe nuk janë të lidhura me njëra-tjetrën. Në këndin e poshtëm djathtas të hartës është një listë simbolesh.

Në përgjithësi, së bashku me përbërjet e thjeshta me një skelet karboni të vazhdueshëm, rrjeti i reaksioneve metabolike përfshin produkte komplekse të kondensimit të tyre: biopolimere, produkte konjugimi, lipide komplekse dhe alkaloide. Megjithatë, mungesa e të dhënave për strukturën kimike dhe transformimet biokimike të këtyre përbërjeve e bën të vështirë zbulimin e simetrisë në strukturën e metabolizmit të tyre. Për shkak të pamundësisë për të përfaqësuar skemat metabolike të përbërjeve komplekse në një formë simetrike, ato zakonisht nuk shfaqen në hartë.

Bazuar në rezultatet e marra më parë nga studiuesit në Universitetin e Kalifornisë në San Diego, një konsorcium ndërkombëtar i shkencëtarëve universitarë ka përpiluar rindërtimin virtual më të detajuar të metabolizmit njerëzor deri më sot. I quajtur Recon 2, ky model mund të përdoret për të identifikuar shkaqet dhe për të zhvilluar trajtime të reja për sëmundje të tilla si kanceri, diabeti, madje edhe sëmundjet psikiatrike dhe neurodegjenerative.

Metabolizmi ose metabolizmi i çdo personi, i cili konsiston në shndërrimin e produkteve ushqimore në energji dhe inde, përcaktohet nga faktorët gjenetikë, ndikimet mjedisore dhe cilësia ushqyese. Për një kohë të gjatë, mjekët e kanë njohur rëndësinë kritike të çrregullimeve metabolike në zhvillimin e sëmundjeve. Dhe të dhënat e viteve të fundit nga studiuesit, përfshirë ata që punojnë në të ashtuquajturin "Projekti i Gjenomit Njerëzor" dhe në fushën e biologjisë së sistemeve, po e mbështesin gjithnjë e më shumë këtë besim.

Zhvilluesit e krahasojnë Recon 2 me hartat e krijuara nga Google, pasi ato lejojnë shumë detaje të vogla të kombinohen në një të vetme harta interaktive. Për shembull, specialistët që studiojnë rolin e metabolizmit në formimin e kushteve të favorshme për rritjen e tumorit mund të "zmadhojnë" një fragment të caktuar të hartës për të marrë imazhe të hollësishme të reaksioneve metabolike individuale, ose zvogëlojnë për të kuptuar marrëdhënien midis sinjalizimit të ndryshëm. mekanizmat dhe fragmentet metabolike.

Studiuesit kanë demonstruar tashmë prakticitetin dhe funksionalitetin e modeleve të tilla metabolike me shumë nivele për organizmat e thjeshtë si maja dhe E. coli. Këto modele kanë bërë të mundur krijimin e llojeve të mikroorganizmave të aftë për të sintetizuar sasi të mëdha të komponimeve të ndryshme, si etanoli, si dhe parashikimin e zhvillimit të rezistencës ndaj ilaçeve te bakteret.

Një nga aplikimet më premtuese të Recon 2 është përcaktimi i niveleve të shprehjes së gjeneve të caktuara, si dhe rrugëve metabolike në të cilat përfshihen produktet e tyre proteinike, për zhvillimin e mëvonshëm të metodave për shpërndarjen e synuar të barnave. Tashmë ekzistojnë baza të mëdha të dhënash që përmbajnë informacion mbi shprehjen e gjeneve në qelizat njerëzore të ekspozuara ndaj përbërësve aktivë në formulimet klinike dhe eksperimentale. Recon 2 i lejon specialistët të përdorin këto të dhëna të disponueshme për të zbuluar se si ilaçe të caktuara mund të ndikojnë në mekanizma të caktuar metabolikë, të tillë si ato që favorizojnë rritjen e tumoreve malinje. Ata marrin mundësinë për të kryer eksperimente virtuale që demonstrojnë aftësinë e barnave për të rivendosur çrregullimet metabolike që qëndrojnë në themel të zhvillimit të sëmundjeve.

Recon 1, prototipi i Recon 2, u krijua në 2007 nga gjashtë shkencëtarë të Universitetit të Kalifornisë që punonin nën drejtimin e profesor Bernhard Palsson. Ai përfshinte më shumë se 3300 reaksione metabolike të njohura, informacione për të cilat ishin grumbulluar gjatë 50 viteve të mëparshme. Me krijimin e Recon 2, ky numër i reaksioneve metabolike të "hartësuara" u rrit në mbi 7,400. Recon 2 është në domenin publik në faqen e internetit të Recon x.

Recon 2 e ka provuar tashmë veten, sipas Ines Thiele, një ish-student i Universitetit të Kalifornisë tani në Universitetin e Islandës, i cili drejtoi konsorciumin. Me ndihmën e tij, u identifikuan me sukses çrregullimet metabolike, të cilat aktualisht përdoren për të diagnostikuar sëmundjet trashëgimore metabolike.

Profesor Thiele beson se ky burim themelor pa dyshim do të bëjë shumë parashikime të vlefshme që do të përshpejtojnë transferimin e rezultateve të eksperimenteve shkencore në praktikën klinike. Sipas saj, qëllimi përfundimtar i krijimit të Recon 2 është përdorimi i tij për të personalizuar diagnozën dhe trajtimin. Në të ardhmen, mjekët do të jenë në gjendje ta përdorin atë për të krijuar modele individuale metabolike për pacientët e tyre dhe për të zgjedhur qasjet më të mira terapeutike për ta për të trajtuar sëmundje të ndryshme, duke përfshirë diabetin, kancerin dhe sëmundjet neurodegjenerative.

Krijuesit e Recon 2 pranojnë se ka ende shumë punë përpara, sepse, pavarësisht një përmirësimi të konsiderueshëm ndaj Recon 1, ai përmban informacione vetëm për 1800 nga afërsisht 20,000 gjenet që kodojnë proteinat në gjenomin e njeriut.

Më sipër është pjesa qendrore e hartës, më poshtë është versioni i saj aktual, Recon 2.
Si do të duket harta e plotë të gjitha rrugët metabolike të trupit të njeriut, imagjinoni vetë.

Lexoni gjithashtu:

Fekondimi me spermë dhuruese: do të reduktohet rreziku i sëmundjeve trashëgimore

Kompania e sapoformuar GenePeeks do të fokusohet në identifikimin e sëmundjeve të trashëguara recesive që mund të ndodhin tek fëmijët e konceptuar si rezultat i fekondimit me spermë donatore.

Numri i kopjes së gjenit ndikon në jetëgjatësinë

Duke krahasuar një numër të madh të mostrave të ADN-së nga fëmijët dhe të moshuarit, studiuesit kanë identifikuar gjene, variacioni i numrit të kopjeve të të cilave ndikon në jetëgjatësinë duke rritur ose ulur rrezikun e zhvillimit të sëmundjeve.

Gjene të vonuara

Një person i shëndetshëm është bartës i rreth 400 varianteve gjenetike që janë një kërcënim potencial për shëndetin, dhe 2 variante që lidhen drejtpërdrejt me sëmundjet.

Gjendja metilome - një shënues i moshës biologjike

Studimi i metilomës personale - profili i metilimit të ADN-së në gjenom - do të lejojë jo vetëm të përcaktojë moshën reale biologjike, por edhe të parashikojë rreziqet e zhvillimit të sëmundjeve dhe efektivitetin e metodave të trajtimit të tyre.

Projekti 1000 Genomes: Plani pesë-vjeçar u tejkalua

Në fund të fazës së dytë të projektit 1000 Genomes, një ekip ndërkombëtar studiuesish publikoi rezultatet e një analize të plotë të sekuencës së gjenomit të 1092 përfaqësuesve të 14 popullatave të ndryshme.