Metabolički put

U biohemiji, metabolički put je povezani niz hemijskih reakcija koji se javljaju u ćelijama. Reaktant, proizvodi i međuprodukte enzimske reakcije poznati su kao metaboliti, koji se modificiraju nizom kataliziranih hemijskih reakcija d pomoću enzima.^[1] U većini slučajeva metaboličkog puta, proizvod jednog enzima djeluje kao supstrat za sljedeći. Međutim, nusproizvodi se smatraju otpadom i uklanjaju se iz ćelije.^[2] Ovi enzimi često trebaju hranjive minerale, vitamine i druge kofaktore da bi funkcionisali.

Različiti metabolički putovi funkcioniraju na osnovu položaja unutar eukariotske ćelija i značaja puta u njenom datom odjeljku.^[3] Naprimjer, lanac transporta elektrona i oksidativna fosforilacija odvijaju se u membrani mitohondrija.^[4] Suprotno tome, glikoliza, put pentozo-fosfata i biosinteze masnih kiselina odvijaju se u citosolu ćelije.^[5]

Postoje dvije vrste metaboličkih puteva koje karakterizira njihova sposobnost da sintetiziraju molekule uz upotrebu energije (anabolički put) ili da razlažu složene molekule oslobađajući energiju u tom procesu (katabolički put).^[6] Dva puta se nadopunjuju u tome što energiju oslobođenu od jednog troši drugi. Proces razgradnje kataboličkog puta daje energiju potrebnu za provođenje biosinteze anaboličkog puta.^[6] Pored dva različita metabolička puta je i amfibolički put koji može biti katabolički ili anabolički. o potrebi ili dostupnosti energije.^[7]

Putevi su potrebni za održavanje homeostaze unutar organizama, a fluks metabolita u putu regulira se ovisno o potrebama ćelije i dostupnosti podloga. Krajnji produkt puta može se odmah upotrijebiti, pokrenuti drugi metabolički put ili se skladištiti za kasniju upotrebu. Metabolizam ćelije sastoji se od složenih mreža međusobno povezanih puteva koji omogućavaju sintezu i razgradnju molekula (anabolizam i katabolizam).

Svaki metabolički put sastoji se od niza biohemijskih reakcija koje su povezane njihovim intermedijerima: proizvodi jedne reakcije su supstrati za naknadne reakcije, i tako dalje. Često se smatra da metabolički putevi teku u jednom smjeru. Iako su sve hemijske reakcije tehnički reverzibilne, uslovi u ćeliji su često takvi da je termodinamički povoljnije da se fluks odvija u jednom smjeru reakcije.^[8] Naprimjer, jedan put može biti odgovoran za sintezu određene aminokiseline, ali razgradnja te aminokiseline može se dogoditi zasebnim i različitim putem. Jedan od primjera izuzetka od ovog "pravila" je metabolizam glukoze. Glikoliza rezultira razgradnjom glukoze, ali nekoliko reakcija na putu glikolize je reverzibilno i učestvuje u ponovnoj sintezi glukoze (glukoneogeneza).

Glikoliza je prvi otkriveni metabolički put:

Kada glukoza uđe u ćeliju, odmah, u nepovratnom prvom koraku, fosforilira ATP u glukoza 6-fosfat.
U uslovima viška lipidnih ili proteinskih izvora energije, određene reakcije na putu glikolize mogu se odvijati obrnuto da bi se proizveo glukoza 6-fosfat, koji se zatim koristi za skladištenje kao glikogen ili škrob.

Metaboličke puteve često su regulirani pomoću inhibicija povratne sprege.
Neki metabolički putevi teku u 'ciklusu', pri čemu je svaka komponenta ciklusa supstrat za naknadnu reakciju u ciklusu, kao što je Krebsov ciklus (vidi dolje).
Anabolički i katabolički putevi u eukariotima često se javljaju neovisno jedan od drugog, odvojeni ili fizički razdvajanjem unutar organela ili biohemijski odvojeni zahtjevima različitih enzima i kofaktora.

Katabolički put – katabolizam

Katabolički put je niz reakcija koje dovode do oslobađanja neto energije u obliku visokoenergetske fosfatne veze stvorene sa nosačima energije adenozin difosfatom (ADP) i gvanozin-difosfatom (BDP) za proizvodnju adenozin-trifosfata (ATP), odnosno gvanozin-trifosfata (GTP) .^[4] Stoga je neto reakcija termodinamički povoljna, jer rezultira nižom slobodnom energijom za konačne proizvode.^[9] Katabolički put je egzergonski sistem koji proizvodi hemijsku energiju u obliku ATP, GTP, NADH, NADPH, FADH2 itd. Iz izvora koji sadrže energiju poput ugljikohidrata, masti i proteina. Krajnji proizvodi su često ugljik-dioksid, voda i amonijak. Zajedno s endergonom reakcijom anabolizma, ćelija može sintetizirati nove makromolekule, koristeći originalne preteče anaboličkog puta.^[10] Primjer spregnute reakcije je fosforilacija fruktoza-6-fosfata da bi se enzimom fruktaza-1,6-bisfosfat dobio međuprodukt fosfofruktokinaza praćena hidrolizom ATP na putu glikolize. Rezultirajuća hemijska reakcija unutar metaboličkog puta vrlo je termodinamički povoljna i kao rezultat toga nepovratna u ćeliji.

${\ce {Fruktoza-6-fosfat + ATP -> Fruktoza-1,6-Bisfosfat + ADP}}$

Ćelijsko disanje

Ključni skup kataboličkih puteva za proizvodnju energije javlja se u svim živim organizmima u nekom obliku. Ovi putevi prenose energiju oslobođenu razgradnjom hranjivih sastojaka u ATP i druge male molekule, koji se koriste za skladištenje energije (npr. GTP, NADPH, FADH). Sve ćelije mogu vršiti anaerobno disanje putem glikolize. Pored toga, većina organizama može vršiti efikasnije aerobno disanje kroz ciklus limunske kiseline i oksidativne fosforilacije. Pored toga, biljke, alge i cijanobakterije mogu koristiti sunčevu svjetlost da anabolički simbionti sintetišu spojeve iz nežive materije pomoću fotosinteze.

Anabolički put – anabolizam

Za razliku od kataboličkih puteva, anabolički putevi zahtijevaju unos energije za izgradnju makromolekula kao što su polipeptidi, nukleinske kiseline, proteini, polisaharidi i lipidi. Izolirana reakcija anabolizma je nepovoljna u ćeliji zbog pozitivne Gibbsove slobodne energije (+ΔG). Stoga je neophodan unos hemijske energije kroz spregu sa egzergoničnom reakcijom.^[1] Spajana reakcija kataboličkog puta utiče na termodinamiku reakcija, smanjenjem ukupne energije aktivacije anaboličkog puta i omogućavanjem reakcije. Inače, endergonska reakcija nije spontana.

Anabolički put je biosintetski put, što znači da kombinira manje molekule da bi stvorio veće i složenije.^[9] Primjer je obrnuti put glikolize, inače poznat kao glukoneogeneza, koja se javlja u jetri, a ponekad i u bubrezima, da bi se održala odgovarajuća koncentracija glukoze u krvi i opskrbio mozak i mišićno tkivo odgovarajućom količinom glukoze. Iako je glukoneogeneza slična obrnutom putu glikolize, ona sadrži tri različita enzima od glikolize koji omogućavaju da se put dogodi spontano.^[11] Primjer puta za glukoneogenezu prikazan je na gornjoj slici sa naslovom "Gluconeogenesis Mechanism".

Amfibolični put

Amfibolički put je onaj koji može biti katabolički ili anabolički, na osnovu dostupnosti ili potrebe za energijom.^[9] Valuta energije u biološkoj ćeliji je adenozin-trifosfat (ATP), koji svoju energiju skladišti u fosfoanhidridne veze. Energija se koristi za provođenje biosinteze, olakšavanje kretanja i regulaciju aktivnog transporta unutar ćelije.^[9] Primjeri amfiboličkih puteva su ciklus limunske kiseline i ciklus glioksilata. Ovi skupovi hemijskih reakcija sadrže putove za proizvodnju i iskorištavanje energije.^[5] Desno je ilustracija amfiboličkih svojstava TCA ciklusa.

Glioksilatni put je alternativa ciklusa trikarboksilne kiseline (TCA), jer preusmjerava put TCA kako bi se spriječila puna oksidacija ugljičnih spojeva i očuvali visoki izvori ugljika kao budućeg izvora energije. Ovaj put javlja se samo u biljkama i bakterijama, a transpirira se u odsustvu molekula glukoze.^[12]

Tok čitavog puta reguliran je koracima koji određuju brzinu.^[1] To su najsporiji koraci u mreži reakcija. Korak ograničavanja brzine događa se blizu početka puta i regulira se inhibicijom povratne sprege, koja u konačnici kontrolira ukupnu brzinu puta.^[13] Metabolički put u ćeliji reguliran je kovalentnim ili nekovalentnim modifikacijama. Kovalentna modifikacija uključuje dodavanje ili uklanjanje hemijske veze, dok je nekovalentna (poznata i kao alosterna regulacija) vezanje regulatora za enzim putem vodikovih veza, elektrostatskim interakcijama i Van der Waalsovih sila.^[14]

Stopa prometa u metaboličkom putu, poznatom i kao metabolički tok, regulira se na osnovu modela stehiometrijske reakcije, brzine iskorišćenja metabolita i brzine translokacije molekula kroz lipidni dvosloj.^[15] Načini regulacije zasnivaju se na eksperimentima koji uključuju 13C-označavanje, koji se zatim analiziraju pomoću nuklearna magnetne rezonance (NMR) ili izvedeni masenih sastava gasne hromatografije-masene spektrometrije (GC-MS). Spomenute tehnike sintetiziraju statističku interpretaciju raspodjele mase kod proteinogenih aminokiselina s katalitičkim aktivnostima enzima u ćeliji.^[15]

Metabolizam
Metabolička mreža
Modeliranje metaboličke mreže
Metaboličko inženjerstvo

[1]
David L. Nelson; Cox, Michael M. (2008). Lehninger principles of biochemistry (5th izd.). New York: W.H. Freeman. ISBN 978-0-7167-7108-1.
[2]
Alison, Snape (2014). Biochemistry and molecular biology. Papachristodoulou, Despo K., Elliott, William H., Elliott, Daphne C. (Fifth izd.). Oxford. ISBN 9780199609499. OCLC 862091499.
[3]
Nicholson, Donald E. (mart 1971). An Introduction to Metabolic Pathways by S. DAGLEY (Vol. 59, No. 2 izd.). Sigma Xi, The Scientific Research Society. str. 266.
[4]
Harvey, Richard A (2011). Biochemistry (5th izd.). Baltimore, MD 21201: Wolters Kluwer. ISBN 978-1-60831-412-6.CS1 održavanje: lokacija (link)
[5]
Voet, Donald; Judith G. Voet; Charlotte W. Pratt (2013). Fundamentals of Biochemistry: Life at the Molecular Level (4th izd.). Hoboken, NJ: Wiley. str. 441–442. ISBN 978-0470-54784-7.
[6]
Reece, Jane B. (2011). Campbell biology / Jane B. Reece ... [et al.] (9th izd.). Boston: Benjamin Cummings. str. 143. ISBN 978-0-321-55823-7.
[7]
Berg, Jeremy M.; Tymoczko, John L.; Stryer, Lubert; Gatto, Gregory J. (2012). Biochemistry (7th izd.). New York: W.H. Freeman. str. 429. ISBN 978-1429229364.
[8]
Cornish-Bowden, A; Cárdenas, ML (2000). "10 Irreversible reactions in metabolic simulations: how reversible is irreversible?" (PDF). Animating the Cellular Map: 65–71.
[9]
Clarke, Jeremy M. Berg; John L. Tymoczko; Lubert Stryer. Web content by Neil D. (2002). Biochemistry (5. ed., 4. print. izd.). New York, NY [u.a.]: W. H. Freeman. str. 578–579. ISBN 0716730510.
[10]
Peter H. Raven; Ray F. Evert; Susan E. Eichhorn (2011). Biology of plants (8. izd.). New York, NY: Freeman. str. 100–106. ISBN 978-1-4292-1961-7.
[11]
Berg, Jeremy M.; Tymoczko, John L.; Stryer, Lubert; Gatto, Gregory J. (2012). Biochemistry (7th izd.). New York: W.H. Freeman. str. 480–482. ISBN 9781429229364.
[12]
Choffnes, Eileen R.; Relman, David A.; Leslie Pray (2011). The science and applications of synthetic and systems biology workshop summary. Washington, D.C.: National Academies Press. str. 135. ISBN 978-0-309-21939-6.
[13]
Hill, Steve A.; Ratcliffe, R. George (1999). Kruger, Nicholas J. (ured.). Regulation of primary metabolic pathways in plants : [proceedings of an international conference held on 9 - 11 January 1997 at St Hugh's College, Oxford under the auspices of the Phytochemical Society of Europe]. Dordrecht [u.a.]: Kluwer. str. 258. ISBN 079235494X.
[14]
White, David (1995). The physiology and biochemistry of prokaryotes. New York [u.a.]: Oxford Univ. Press. str. 133. ISBN 0-19-508439-X.
[15]
Weckwerth, Wolfram, ured. (2006). Metabolomics methods and protocols. Totowa, N.J.: Humana Press. str. 177. ISBN 1597452440.

Commons logo

Commons ima datoteke na temu: Metabolički put

Portal Biologija

[Nelson-1] [1]
David L. Nelson; Cox, Michael M. (2008). Lehninger principles of biochemistry (5th izd.). New York: W.H. Freeman. ISBN 978-0-7167-7108-1.

[2] [2]
Alison, Snape (2014). Biochemistry and molecular biology. Papachristodoulou, Despo K., Elliott, William H., Elliott, Daphne C. (Fifth izd.). Oxford. ISBN 9780199609499. OCLC 862091499.

[3] [3]
Nicholson, Donald E. (mart 1971). An Introduction to Metabolic Pathways by S. DAGLEY (Vol. 59, No. 2 izd.). Sigma Xi, The Scientific Research Society. str. 266.

[Harvey-4] [4]
Harvey, Richard A (2011). Biochemistry (5th izd.). Baltimore, MD 21201: Wolters Kluwer. ISBN 978-1-60831-412-6.CS1 održavanje: lokacija (link)

[Voet,_Voet,_Pratt-5] [5]
Voet, Donald; Judith G. Voet; Charlotte W. Pratt (2013). Fundamentals of Biochemistry: Life at the Molecular Level (4th izd.). Hoboken, NJ: Wiley. str. 441–442. ISBN 978-0470-54784-7.

[Campbell-6] [6]
Reece, Jane B. (2011). Campbell biology / Jane B. Reece ... [et al.] (9th izd.). Boston: Benjamin Cummings. str. 143. ISBN 978-0-321-55823-7.

[7] [7]
Berg, Jeremy M.; Tymoczko, John L.; Stryer, Lubert; Gatto, Gregory J. (2012). Biochemistry (7th izd.). New York: W.H. Freeman. str. 429. ISBN 978-1429229364.

[8] [8]
Cornish-Bowden, A; Cárdenas, ML (2000). "10 Irreversible reactions in metabolic simulations: how reversible is irreversible?" (PDF). Animating the Cellular Map: 65–71.

[Clarke-9] [9]
Clarke, Jeremy M. Berg; John L. Tymoczko; Lubert Stryer. Web content by Neil D. (2002). Biochemistry (5. ed., 4. print. izd.). New York, NY [u.a.]: W. H. Freeman. str. 578–579. ISBN 0716730510.

[10] [10]
Peter H. Raven; Ray F. Evert; Susan E. Eichhorn (2011). Biology of plants (8. izd.). New York, NY: Freeman. str. 100–106. ISBN 978-1-4292-1961-7.

[11] [11]
Berg, Jeremy M.; Tymoczko, John L.; Stryer, Lubert; Gatto, Gregory J. (2012). Biochemistry (7th izd.). New York: W.H. Freeman. str. 480–482. ISBN 9781429229364.

[12] [12]
Choffnes, Eileen R.; Relman, David A.; Leslie Pray (2011). The science and applications of synthetic and systems biology workshop summary. Washington, D.C.: National Academies Press. str. 135. ISBN 978-0-309-21939-6.

[13] [13]
Hill, Steve A.; Ratcliffe, R. George (1999). Kruger, Nicholas J. (ured.). Regulation of primary metabolic pathways in plants : [proceedings of an international conference held on 9 - 11 January 1997 at St Hugh's College, Oxford under the auspices of the Phytochemical Society of Europe]. Dordrecht [u.a.]: Kluwer. str. 258. ISBN 079235494X.

[14] [14]
White, David (1995). The physiology and biochemistry of prokaryotes. New York [u.a.]: Oxford Univ. Press. str. 133. ISBN 0-19-508439-X.

[Weckwerth-15] [15]
Weckwerth, Wolfram, ured. (2006). Metabolomics methods and protocols. Totowa, N.J.: Humana Press. str. 177. ISBN 1597452440.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]