Содержание

Метаболизм | справочник Пестициды.ru

Cхема метаболических процессов

Cхема метаболических процессов


Процессы метаболизма

Метаболизм включает две группы жизненно важных процессов – катаболизм (энергетический обмен) и анаболизм (биосинтез, или пластический обмен).[3]

  • Катаболизм – это совокупность процессов расщепления питательных веществ, которые происходят в основном за счет реакций окисления. В результате выделяется энергия. Основными формами катаболизма у микроорганизмов являются брожение и дыхание. При брожении происходит неполный распад сложных органических веществ с выделением небольшого количества энергии и накоплении богатых энергией конечных продуктов. При дыхании (аэробном) обычно осуществляется полное окисление соединений с выходом большого количества энергии.
    [3]
  • Анаболизм объединяет процессы синтеза молекул из более простых веществ, которые присутствуют в окружающей среде. Реакции анаболизма связаны с потреблением свободной энергии, которая вырабатывается в процессах дыхания, брожения. Для протекания пластического обмена необходимо поступление в организм питательных веществ, на основе которых при участии выделенной в ходе катаболизма энергии обновляются структурные компоненты клеток, происходит рост и развитие.[3]

Катаболизм и анаболизм протекают параллельно, многие их реакции и промежуточные продукты являются общими. Тем не менее, на протяжении разных периодов существования интенсивность пластического и энергетического обмена неодинакова. Так, у насекомых в период размножения, линьки, во время ранних фаз развития (яйцо, личинка) синтетические процессы преобладают над процессами распада. В тоже время, определенные дегенеративные изменения в организме (старение, заболевания) способны приводить к преобладанию интенсивности катаболизма над анаболизмом, что порой угрожает гибелью живому объекту.

[3](фото)

Превращение сульфооксида в сульфон

Превращение сульфооксида в сульфон


Использовано изображение:[2]

Метаболизм пестицидов

Метаболизм пестицидов – превращения пестицидов под влиянием продуктов жизнедеятельности различных живых организмов – бактерий, грибов, высших растений и животных.[4]

В результате биотрансформации токсичных веществ в большинстве случаев образуются менее токсичные продукты (метаболиты), более растворимые и легко выводимые из организма. В некоторых случаях токсичность метаболитов оказывается выше, чем попавших в организм веществ. Обмен промышленных ядов возможен за счет реакций окисления, восстановления, гидролитического расщепления, метилирования, ацилирования и др.

[1]

В метаболизме пестицидов большое значение имеют реакции окисления атома серы в молекулах некоторых веществ, что характерно, например, для инсектицидов из группы производных карбаминовой и фосфорной кислот. Окисление серы у этих соединений происходит независимо от структуры остальной части молекулы, при этом вначале образуется соответствующий сульфооксид, а затем сульфон: (фото) Продукты окисления не отличаются по токсичности от исходного вещества, но они значительно более стойки к гидролизу.

Окисление тионофосфатов

Окисление тионофосфатов


А — тионофосфат, В – фосфат, 1 и 2- свободные радикалы,  3 — кислотный остаток

Использовано изображение:[2]

Реакции метаболизма, происходящие в растениях, обусловливают длительное инсектицидное действие для ряда эфиров фосфорных кислот с тиоэфирным радикалом. Окисление тионофосфатов в различных организмах рассматривается как активирующая ступень в процессах метаболизма этих веществ.[2](фото)

Токсичность продукта реакции для млекопитающих и насекомых увеличивается в десятки и сотни раз по сравнению с исходным веществом. Однако эти токсичные метаболиты легко гидролизуются и поэтому сохраняются в биологических средах непродолжительное время.

[2]

Близкие статьи

Ссылки:

Все статьи о токсикологии в разделе: Основы токсикологии

 

Статья составлена с использованием следующих материалов:

Литературные источники:

1.

Голдовская Л.Ф. Химия окружающей среды. М.: Мир; БИНОМ. Лаборатория знаний, 2007. – 295 с

2.

Груздев Г.С. Химическая защита растений. Под редакцией Г.С. Груздева — 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Агропромиздат, 1987. — 415 с.: ил.

3.

Липунов И.Н., Первова И.Г. Основы микробиологии и биотехнологии: курс лекций. – Екатеринбург: Урал. гос. лесотехн. Университет, 2008. – 231 с

4.

Мельников Н.Н., Новожилов К.В., Белан С.Р., Пылова Т.Н. Справочник по пестицидам — М.: Химия, 1985. — 352 с.

Свернуть Список всех источников

Учебная программа лечебного факультета

Содержание предмета биохимия. Биохимия белка. Строение, физико–химические и химические свойства протеиногенных аминокислот и белков. Классификации белков. Функции белков и пептидов. Биосинтез белка. Конформация белковой молекулы. Механизмы взаимодействия белок–лиганд. Денатурация белка. Методы исследования белков. Энзимология. Строение и механизмы функционирования ферментов. Классификация, индексация и номенклатура ферментов. Особенности ферментов в качестве биологических катализаторов. Кинетика ферментативного катализа. Уровни регуляции ферментов. Понятие о метаболических путях. Катаболизм и анаболизм. Энзимодиагностика и энзимотерапия. Типы и механизмы биологического окисления. Митохондриальное окисление: субстраты, цепи транспорта электронов, сопряжение с процессом окислительного фосфорилирования. Виды внемитохондриального окисления, их роль. Активные формы кислорода. Антиоксидантная система. Биологически важные углеводы человека. Переваривание и всасывание углеводов. Метаболические пути обмена углеводов, связанные с получением энергии в виде АТФ. Структурные углеводы, их синтез. Роль ГАГ, протеогликанов, углеводных компонентов гликопротеинов и гликолипидов. Источники глюкозы в крови, регуляция ее концентрации. Механизмы гликирования и гликозилирования биомолекул. Липиды организма человека: определение, классификация. Переваривание и всасывание липидов. Строение и функции триглицеридов. Синтез и распад триглицеридов. Кетоновые тела: их синтез, утилизация и роль в организме человека. Мембранные липиды: строение, свойства, роль. Синтез и распад мембранных липидов. Системы транспорта липидов. Фракции липопротеинов, методы их исследования.

Биологически активные продукты катаболизма липидов. Многообразие белков организма человека. Механизмы посттрансляционной модификации белка. Азотистый баланс. Пищевая ценность белков. Переваривание белков в желудочно–кишечном тракте, всасывание аминокислот. Этапы катаболизма белка. Протеолиз. Роль тотального и ограниченного протеолиза. Регуляция протеолитических систем. Трансаминирование и дезаминирование аминокислот. Синтез заменимых аминокислот. Пути образования и обезвреживания аммиака. Пути образования и обезвреживания биологически активных продуктов аминокислотного обмена. Синтез, распад и роль креатина. Роль аминокислот в синтезе гемма и нуклеиновых кислот. Строение и функции нуклеиновых кислот. Функции нуклеотидов. Биохимические основы синтеза нуклеиновых кислот. Посттранскрипционная модификации РНК. Синтез и распад нуклеотидов. Строение и классификация гемопротеинов. Молекулярные формы и производные гемоглобина. Синтез и распад гема. Прямой и непрямой билирубин. Обмен воды и минеральный веществ и их регуляция.
Состав плазмы крови. Белковые фракции крови. Функции белковых и небелковых компонентов крови. Система свертывания крови и фибринолиза. Белки иммунной системы. Системы регуляции сосудистого тонуса. Особенности химического состава и метаболизма эритроцитов и лейкоцитов. Состав миоцитов. Механизм мышечного сокращения. Источники энергии для мышечной ткани. Особенности химического состава и метаболизма нервной ткани. Химическая классификация нейромедиаторов. Функции почек. Биохимические механизмы экскреторной и гомеостатичской функций почек. Гормоны почки. Гормональная регуляция мочеобразования. Химический состав мочи человека.

Метаболизм в масштабе всей жизни

Измерение расхода энергии на протяжении всей жизни человека позволяет выявить особенности различных фаз метаболизма. 

Под метаболизмом понимается не только процесс получения энергии, но и то, как происходит переработка и преобразование питательных веществ в «удобную энергетическую валюту». В понятие метаболизма входят также синтез, модификация и обмен строительных блоков для всех клеточных функций; процесс обмена веществ и энергии выступает в качестве сенсора и регулятора активности жизнедеятельности клетки, когда отдельные части метаболических путей оказывают влияние на протекание клеточных реакций на различные раздражители.

Значительное количество энергии, потребляемой каждый день, требуется для поддержания жизни; энергетические потребности для осуществления физической активности накладываются на чрезвычайно сложный механизм. Состояние метаболизма связано с огромным числом заболеваний и расстройств, в том числе тех, которые проявляются с возрастом [1–3]. В этом выпуске «Science» Pontzer с соавт. [4] проанализировали потребление энергии у более чем 6400 мужчин и женщин в возрасте от 8 дней до 95 лет из 29 стран мира и выявили различные метаболические фазы в ходе постнатального развития и старения.

В понимание энергозатрат на протяжении всей жизни должно входить разнообразие фенотипов человека с учетом пола, расы, состава тела с точки зрения содержания мышечной массы и подкожного жира, а также окружающей среды. Оценить энергозатраты можно с помощью непрямой калориметрии, которая определяет газообмен и теплопродукцию у человека в специальной изолированной камере, или с помощью метода дважды меченой воды (DLW) у людей с обычным образом жизни. Метод DLW основан на относительной скорости выведения изотопов кислорода и водорода из организма [5]. Использование метода DLW неуклонно возрастало тех пор, как велась разработка методов для массового применения среди людей [6]. Сопутствующие затраты на дозирование изотопов ограничивали большинство исследований относительно небольшими выборками, однако исследовательским сообществом были взяты обязательства по обмену данными и разработке интегративных методов, которые позволили бы проводить анализ данных на значительно больших когортах [7].

В исследовании Pontzer с соавт. энергозатраты организма были скорректированы с учетом массы без жировой ткани для учета различий в размерах тела при выявлении внутренних сдвигов состояния обмена веществ в процессе постнатального развития, полового созревания и старения. Авторы определили переходные моменты, которые отображают границы четырех отдельных фаз. Согласно их данным, дети и подростки образуют две различные группы по уровню обмена веществ. Как уже ранее отмечалось, дети — это не просто маленькие взрослые [8]. То, что среди молодых людей определяются различные группы по состоянию метаболизма, является крайне важным для рекомендаций по рациону питания и физической активности, не говоря уже о рекомендациях по дозированию фармацевтических препаратов для молодых людей. Оставшиеся две фазы включают взрослых людей и пожилых. Если скорректировать показатели энергозатрат, они остаются на примерно одном и том же уровне в возрасте от 20 до 60 лет, после чего наблюдается постепенное снижение расхода энергии (см. рисунок).
 

Рисунок 1 | Метаболизм в масштабе всей жизни

Считается, что данное снижение скорости обмена веществ после 60 лет отражает изменение уровня тканевого метаболизма, т. е. количества энергии, затрачиваемой на поддержание жизнедеятельности. Не может быть совпадением, что рост неинфекционной заболеваемости начинается в то же время [9]. Согласно этим результатам, при выборе моделей болезни необходимо тщательно учитывать период жизни человека. Это оказывается особенно важным для исследований этиологии возрастных заболеваний [10]. Не всегда возможно оказать воздействие на те же молекулярные пути и факторы у пожилого, что и у молодого растущего организма. Влияние на точки приложения лекарственного воздействия, например, может не привести к такому же отклику. И наоборот, неправильным является подход переложения условий жизнедеятельности пожилого организма на молодой. Суть многих метаболических процессов у пожилых и молодых в значительной мере различается.

Влияние размера тела на скорость метаболизма обсуждается и исследуется на протяжении десятилетий [11]. Общий расход энергии характеризуется половым диморфизмом: он более низкий у женщин, чем у мужчин; однако подсчет скорости обмена веществ без массы жировой ткани устраняет это различие. Для того, чтобы вычислительные модели соответствовали наблюдаемым данным, важно учитывать вклад физической активности и скорости метаболизма в тканях, ведь как первое, так и второе претерпевают изменения на протяжении всей жизни человека. Хотя это и не является основной темой работы, Pontzer с соавт. выявили существенные различия в составе тканей тела среди людей. Проблемы, возникающие вследствие этой гетерогенности, находят отражение во все возрастающем энтузиазме относительно прецизионной (индивидуализированной) медицины [12]. Совершенно очевидно, что один размер одежды и обуви не подходит всем. Путем корректировки массы без жировой ткани, это исследование устраняет некоторые из этих различий для выявления внутренне обусловленных изменений обмена веществ, соответствующих периоду жизни. Существуют значимые различия в характере и сроках проявления признаков старения с точки зрения заболеваемости [13]. Важно изучить, как предрасположенность к заболеваниям в среднем возрасте влияет на исходы этих патологий в пожилом возрасте, а также насколько тяжесть заболеваний у людей связана с возрастными изменениями их метаболизма, специфичного относительно конкретных тканей.

Причинные факторы возрастной склонности к развитию болезней, несомненно, кроются в четко фиксируемых изменениях клеточной биологии, физиологии тканей и системного гомеостаза. Благодаря исследованиям на лабораторных животных, метаболизм превратился в центральное звено процессов старения, и пришло понимание того, что замедление старения происходит в том числе и за счет ограничения калорийности рациона [14]. Предполагается, что различия в метаболизме влияют на получение энергии из нутриентов, являющихся основным материалом для синтеза различных веществ внутри клетки и работы путей сигнализации, а также на способность согласовывать работу клетки в соответствии с существующими условиями (как внешними, так и внутренними). Поэтому неудивительно, что в попытках определить фармакологические средства, способные положительно влиять на здоровье при старении, все подходящие вещества так или иначе оказываются теми, что способны влиять на обмен веществ [15]. Исследование Pontzer с соавт. позволяет по-новому взглянуть на метаболизм человека; исследование отличается беспрецедентным масштабом, но оно было бы невозможным без совместной работы специалистов из разных областей.

Биологические науки 06.

06.01

БИОХИМИЯ 03.01.04

1.      Активный и неактивный хроматин.

2.      Биологические объекты как стационарные системы.

3.      Биохимия в системе биологических дисциплин.

4.      Взаимосвязь между обменами белков, углеводов, жиров и липидов. Ключевые ферменты.

5.      Вода и ее роль в живых организмах. Основные понятия электрохимии водных растворов.

6.      Единство основных метаболических путей во всех живых системах.

7.      Единство процессов обмена веществ.

8.      Закон действующих масс, константы диссоциации кислот и оснований, водородный показатель (рН), буферные растворы.

9.      Катаболические и анаболические процессы.

10. Клеточный цикл.

11. Круговорот веществ в биосфере.

12. Место биохимии в системе наук, связанных с физико-химической биологией. Основные этапы развития биохимии.

13. Метаболические цепи, сети и циклы.

14. Методы аналитической бионеорганической химии.

15. Минеральный состав клеток. Микроэлементы.

16. Молекулярная биология и генетика и их связь с биохимией.

17. Направления и перспективы развития биохимии.

18. Наследственные болезни.

19. Обратимость биохимических процессов.

20. Общие и специфические реакции функциональных групп аминокислот. Ионизация аминокислот. Методы разделения аминокислот и пептидов. Природные олигопептиды. Глютатион и его значение в обмене веществ. Витамины, коферменты и другие биологически активные соединения.

21. Основные физико-химические методы, применяемые в биохимии.

22. Понятия ген и оперон.

23. Практические приложения биохимии; биохимия как фундаментальная основа биотехнологии.

24. Принципы выделения, очистки и количественного определения белков. Пептидная связь, ее свойства и влияние на конформацию полипептидов. Теория строения белковой молекулы.

25. Природные аминокислоты. Различные способы классификации аминокислот.

26. Регулирование экспрессии генов.

27. Роль витаминов в питании животных и человека.

28. Роль нуклеиновых кислот в биосинтезе белков. Биосинтез нуклеиновых кислот и ДНК-полимеразы.

29. Связь биологической химии с сопредельными дисциплинами — биофизикой, биоорганической химией, цитологией, микробиологией, генетикой, физиологией.

30. Связь процессов катаболизма и анаболизма, энергетических и конструктивных процессов.

31. Сопряжение биохимических реакций.

32. Специфическая роль белковых веществ в явлениях жизни.

33. Способы регулирования метаболизма.

34. Структура хромосом.

35. Физико-химическая характеристика воды как универсального растворителя в биологических системах.

36. Энергетика обмена веществ.

 

МИКРОБИОЛОГИЯ 03.02.03

1.        Антигены: определение, основные свойства. Антигены бактериальной клетки.

2.        Арбовирусы.

3.        Вакцины. Современная классификация вакцин. Требования, предъявляемые к вакцинным препаратам. Вакцинотерапия. Осложнения.

4.        Вирус кори.

5.        Возбудители гепатитов А и Е.

6.        Возбудители гепатитов В, С, D, G. ВИЧ-инфекция.

7.        Возбудители кишечного иерсиниоза.

8.        Возбудители коклюша и паракоклюша.

9.        Возбудители лейшманиозов.

10.    Возбудители малярии. Возбудитель токсоплазмоза.

11.    Возбудители оппортунистических инфекций.

12.    Возбудители ОРВИ. Возбудитель гриппа.

13.    Возбудители туберкулеза.

14.    Возбудители холеры.

15.    Возбудители шигеллеза. Возбудители сальмонеллезов.

16.    Возбудители эшерихиозов.

17.    Возбудитель амебиаза.

18.    Возбудитель бешенства.

19.    Возбудитель боррелиозов. Микоплазмы.

20.    Возбудитель ботулизма.

21.    Возбудитель бруцеллеза.

22.    Возбудитель дифтерии.

23.    Возбудитель клещевого энцефалита.

24.    Возбудитель краснухи.

25.    Возбудитель легионеллезов.

26.    Возбудитель лихорадки Ку. Возбудитель хламидиозов.

27.    Возбудитель натуральной оспы.

28.    Возбудитель полиомиелита.

29.    Возбудитель проказы. Актиномицеты.

30.    Возбудитель сибирской язвы.

31.    Возбудитель сифилиса.

32.    Возбудитель столбняка.

33.    Возбудитель сыпного тифа.

34.    Возбудитель чумы.

35.    Возбудительлептоспирозов.

36.    Геном бактерий. Понятие о генотипе и фенотипе. Виды изменчивости. Подвижные генетические элемента, их роль в эволюции бактерий. Механизмы передачи генетического материала у бактерий.

37.    Герпес-инфекция: таксономия, характеристика возбудителей.

38.    Действие физических и химических факторов на микроорганизмы.

39.    Дисбиозы. Дисбактериозы.

40.    Иммунные сыворотки. Антитоксические сыворотки и препараты иммуноглобулинов.

41.    Иммунный статус человека и факторы, влияющие на него. Оценка иммунного статуса: основные показатели и методы их определения.

42.    Иммуноглобулины, структура и функции.

43.    Классификация гиперчувствительности по Джелу и Кумбсу. Механизм. Анафилактический шок и сывороточная болезнь. Причины возникновения. Механизм. Их предупреждение.

44.    Классификация грибов.

45.    Классификация и характеристика онкогенных вирусов.

46.    Классификация иммуномодуляторов. Иммунотерапия и иммунопрофилактика инфекционных болезней.

47.    Клиническая микробиология, ее задачи.

48.    Комплемент, его структура, функции, пути активации, роль в иммунитете. Интерфероны, природа.

49.    Лабораторная диагностика.

50.    Медленные вирусные инфекции и прионные болезни.

51.    Методы микробиологической диагностики инфекционных болезней. Возбудители брюшного тифа и паратифов.

52.    Механизмы лекарственной устойчивости возбудителей инфекционных болезней. Принципы рациональной антибиотикотерапии.

53.    Мир микробов, номенклатура, классификация.

54.    Неспорообразующие анаэробы.

55.    Нормальная микрофлора организма человека и ее функции.

56.    Осложнения антибиотикотерапии, их предупреждение.

57.    Основные принципы культивирования бактерий.

58.    Особенности микробиологического диагноза при карантинных инфекциях. Возбудители анаэробной газовой инфекции.

59.    Особенности противовирусного, противобактериального, противогрибкового, противоопухолевого, противогельминтного, трансплантационного иммунитета.

60.    Патогенность и вирулентность бактерий. Факторы патогенности.

61.     Плазмиды бактерий, их функции и свойства. Использование плазмид в генной инженерии.

62.    Понятие о стерилизации, дезинфекции, асептике и антисептике.

63.    Природные и синтетические антибиотики. История открытия природных антибиотиков.

64.    Рост и размножение бактерий.

65.    Синегнойная палочка.

66.    Специфическая профилактика и лечение.

67.    Структура и функции бактериальной клетки.

68.    Таксономия. Стафилококки. Таксономия. Стрептококки. Менингококки. Возбудитель туляремии.

69.    Типы взаимодействия вируса с клеткой. Стадии репродукции вирусов. Бактериофаги.

70.    Токсины бактерий, их природа, свойства, получение.

71.    Факторы врожденного иммунитета.

 

Ничего не делать и худеть — что думает наука про способы разгона метаболизма

Можно ли заставить тело по умолчанию сжигать или сохранять больше калорий и какие добавки этому помогут.

Привет! На ваших экранах снова Дмитрий Райз, создатель проекта R153, в рамках которого я вещаю про эффективное использование ресурсов головного мозга и способы поднять продуктивность при помощи ноотропных веществ.

Тема веса и физической формы есть в каждом списке дел по личной продуктивности. Сегодня обсудим всё, что поможет (и не поможет) поменять метаболизм и проще добиться нужного веса.

Миллионы на мракобесии: три самых продаваемых мифа про метаболизм

Прежде чем приступим к узкой части темы, отметём заблуждения про метаболизм и освежим в памяти термины. Все данные ниже — из статей Mayo Clinic, Harvard Health Publishing и научной базы Examine.

Важный нюанс, в котором все путаются: разница между метаболизмом и базальной скоростью метаболизма. Разберёмся: метаболизм — это процесс превращения еды в энергию. Энергия расходуется непрерывно — даже во сне. Мы дышим, кровь циркулирует, клетки размножаются.

Количество энергии (калорий), нужных на эти процессы, является базальной скоростью метаболизма. Но в быту это и называют метаболизмом. Для удобства и краткости я также возьму этот подход.

Простыми словами, даже в коме ваше тело будет тратить калории. Их количество зависит от возраста, активности, количества мышц и размеров тела. Вне комы и с ежедневной активностью метаболизм составляет 50-70% от суммарных энергозатрат.

Миф 1: «быстрый» или «медленный» метаболизм — главная причина проблем с весом

«Дима ест сколько хочет и не полнеет. Повезло, метаболизм быстрый!», — скажет большинство. На самом деле Дима меньше ест и больше двигается. Метаболизм у большинства людей отличается не так сильно.

Метаболизм 96% людей варьируется в пределах 200-300 ккал от среднестатистического уровня. 200 калорий — это четыре печеньки орео.

Эта разница в 200-300 калорий у качка и у полного человека основана на сухой массе тела. Эта масса (ваш вес минус количество жира) объясняет 83% различий в суточных расходах энергии у людей.

Окей, 96% людей отличаются незначительно. Кто эти оставшиеся 4% на концах шкалы? Если один из них будет с самым низким метаболизмом, а другой — с самым высоким, то разница окажется в примерно 600 калорий. Вероятность, что этот серьёзный контраст выявится между двумя случайно взятыми людьми равна 0,5%.

Вывод: вес зависит от еды и активности, не приплетайте метаболизм пока вам не больше 60 (об этом ниже).

Миф 2: у полных людей метаболизм ниже

Чем человек крупнее — тем больше калорий требуется для поддержания жизненных функций. Поэтому у полных людей метаболизм выше, чем у худых. А их вес обуславливается количеством потребляемых калорий, активностью и генетикой, в меньшей степени — «медленным метаболизмом».

Хотя метаанализ 12 исследований показал, что у людей с диагностированным ожирением метаболизм действительно на 3-6% медленнее. Но не он виновен в их проблемах, это только следствие.

Миф 3: метаболизм снижается с возрастом

Считается, что после 30 уже всё. Хоть обмажься тренажёрами, но обмен ни за что не будет как в 20. Но это не так — метаболизм почти не меняется из-за возраста. Это установило крупное исследование 2021 года из журнала Science учло полный уровень метаболизма, включая умственную активность (полная версия в PDF).

Максимальный уровень метаболизма у человека — в первый год жизни. Далее метаболизм снижается на 3% в год до возраста 20 лет.

После 20 лет скорость обмена веществ остаётся стабильной до 50-60 лет, даже во время беременности. После 50-60 лет скорость обмена снова уменьшается на 0,7% в год (цитата TJ из исследования).

Метаболизм и похудение: возможен ли «разгон»?

Вновь обратимся к статье от Гарвардской школы общественного здравоохранения.

Да, метаболизмом можно управлять до небольшой степени. И это самый малоэффективный путь к похудению. Но, может быть, кому -то и не хватает этого лёгкого пинка, чтобы постройнеть? Опять же, помните, что разброс у большинства не превышает три сотни калорий. Что поможет в разгоне:

  • Как обычно — больше спорта. Чем больше мышц, тем выше метаболизм. А в сочетании с большим количеством белка — ещё выше;

  • Силовые тренировки увеличивают метаболизм лучше и на дольшее время, чем кардио;

  • Холодные ванны — ваш новый друг. Повышение температуры тела на один градус Цельсия требует временного увеличения метаболизма на 10-13%. Именно поэтому воздействие холодом (с помощью ледяных ванн и других методов) рекомендуется для снижения веса;

  • Лучший выбор для любителей кардио — интенсивные тренировки по типу табаты (короткие, взрывные, многоповторные).

Ещё совет для худеющих: переваривание и усвоение пищи тоже сжигает калории. И больше всего энергии идёт на усвоение белка (а меньше всего — жира). Поэтому чем больше белка — тем быстрее тратим калории даже без физнагрузки.

Что по добавкам? Весьма скудно. Mayo Clinic считает, что большинство веществ — пустышка. Интернет полон многообещающих таблеток, но по факту даже разрекламированные уксус, кофеин и зелёный чай бесполезны. Есть ряд исследованных роскомнадзоров, но их упоминать не буду.

Из разрешённых и популярных: пара старых исследований показали, что приём контрацептивов повышает метаболизм на 3-5%.

Из разрешённых и непопулярных: одно двойное слепое плацебо-контролируемое исследование показало, что добавка 7-Кето в сочетании с цитратом кальция, экстрактом зеленого чая, аскорбиновой кислотой, никотинатом хрома и холекальциферолом (HUM5007) ускоряет метаболизм на 115 калорий в день.

Метаболизм и набор веса: как добиться «замедления»?

Набор веса — испытание похлеще похудения. Опять же метаболизм не замедлишь значительно, но чисто из любопытства — что можно сделать?

Как я пояснял ранее, у худых метаболизм ниже. Поэтому для медленного метаболизма надо скинуть вес, что противоречит нашей цели. Однако люди, кто очень резко худеет и сокращает количество еды, рискуют замедлить свой метаболизм до уровня ниже своего «естественного» — возможно, даже навсегда.

Также скорость метаболизма зависит от количества сухой массы тела — в основном мышц. Живите на диване, ешьте только в KFC и получите болезнь «метаболический синдром» со вкусом диабета. Тогда обмен веществ точно замедлится. Ничего здорового в искуственном замедлении метаболизма нет и если вы внимательно читали текст выше — это ещё и бесполезная идея.

Кстати, вот калькулятор базальной скорости метаболизма по самой точной формуле Mifflin. Точная, да не совсем — у четверти ответивших цифры будут ошибочны на +-10%.

BMR Calculator

Выводы

  • Когда люди говорят о разной скорости метаболизма — с вероятностью 96% речь идёт о разнице в 200-300 калорий в день от среднестатистической;

  • Метаболизм можно немного ускорить, но это самый неэффективный способ худеть. Плюс ускорение веществами — чистая реклама, а не научно-подтверждённая тема. Не ведитесь на такие добавки;

  • Есть ли смысл в разгоне метаболизма кроме как для похудения? Вряд ли, но долгосрочные занятия спортом для разгона метаболизма точно помогут когнитивочкам.


Спасибо за внимание!

Надеюсь, что статья окажется для вас полезной и сделает вашу жизнь лучше. В комментариях с радостью почитаю ваш опыт работы на собственным метаболизмом. Есть ли у вас свои рецепты его разгона или замедления? Поделитесь, будет круто!

И вступайте в телеграм-канал, если хотите больше материалов на тему мозга и улучшения его эффективности. Там же выходят анонсы больших статей, а также посты более короткого формата. Всего 1-2 в неделю, никакого спама. Подписывайтесь, буду рад увидеть вас среди своих читателей!

КОНЦЕПТУАЛИЗАЦИЯ, НАУЧНЫЕ ШКОЛЫ, СОВРЕМЕННЫЕ ЗАРУБЕЖНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

ЕрмолаеваП.О.

49

Социологическая наука и социальная практика

Социально-экологический метаболизм городов

YanitskyO.N.Metabolicheskaja koncepcija sovremennogo goroda. [Socio-ecological metabolism

of the modern city]. J.Sociologicheskaja nauka i social’naja praktika. 2013. №3. S.16 – 32. (In Russ.).

YanitskyO.N.Pozhary 2010g. v Rossii: jekosociologicheskij analiz. [Fires in 2010 in Russia: the

eco-sociological analysis]. J.Sociologicheskie issledovanija. 2011. №3. S. 3 – 13. (In Russ.).

BacciniP., BrunnerP.H.Metabolism of the Anthroposphere: Springer Verlag, Berlin, 1991.

BacciniP., BaderH.-P.Regionaler Stohaushalt, Spektrum Akad: Verlag, 1996.

BakerL.A. (Ed.). The Water Environment of Cities: Springer, US, 2009.

BohleH.G.Metropolitan food systems in developing countries: the perspective of urban

metabolism: GeoJournal 34 (3), 245 – 251, 1994.

BrunnerP.H., RechbergerH.Practical Handbook of Material Flow Analysis: CRC Press, Boca

Raton, Florida, 2004.

CencicO., RechbergerH.Material flow analysis with software STAN: Journal of Environmental

Engineering and Management 18 (1), 3 – 7, 2008.

Chartered Institute of Wastes Management. A Resource Flow and Ecological Footprint Analysis

of Greater London. Best Foot Forward, London, 2002.

CodobanN.KennedyC.A.The metabolism of neighbourhoods. ASCE Journal of Urban

Planning and Development 134 (1), 21 – 31, 2008.

DeckerH., ElliottS., SmithF.A., BlakeD.R., Sherwood RowlandF.Energy and material flow

through the urban ecosystem: Annual Review of Energy and the Environment 25, 685 – 740, 2000.

DuvigneaudP., Denayeyer-De SmetS.L’Ecosystéme Urbs, in L’Ecosystéme Urbain Bruxellois,

in Productivité en Belgique. In: Duvigneaud, P., Kestemont, P. (Eds.), Traveaux de la Section Belge

du Programme Biologique International, Bruxelles, 1977.

GandyM.Rethinking urban metabolism: water, space and the modern city: City: analysis of urban

trends, culture, theory, policy, action, 8:3, 363 – 379, 2004.

GassonB.The ecological footprint of Cape Town: unsustainable resource use and planning

implications, SAPI International Conference: Planning Africa.Durban South Africa. 2002.

GirardetH.The Gaia Atlas of Cities: Gaia Books Limited, London, 1992.

HanyaT., AmbeY.A study on the metabolism of cities. In: Science for a Better Environment.

HSEC, Science Council of Japan, 228 – 233, 1976.

HeynenN.C., KaikaM., Swyngedouw E.In the Nature of Cities: Urban Political Ecology and

the Politics of Urban Metabolism: Routledge, 2005.

HuangS.L., HsuW.L.Materials flow analysis and energy evaluation of Taipei’s urban construc-

tion: Landscape and Urban Planning, 63(2): 61–74, 2003.

Kennedy et al. The study of urban metabolism and its applications to urban planning and design:

Environmental Pollution 159, 1965 – 1973, 2011.

KennedyC.A., CuddihyJ., Engel YanJ.The changing metabolism of cities: Journal of Industrial

Ecology. (11), 43 – 59, 2007.

LennoxJ., TurnerG.State of the environment report on human settlements: stocks and flows

indicators. In: Technical report CSIRO Sustainable Ecosystems. Prepared for the 2006 Australian State

of the Environment Committee, 2004.

MatthewsE., AmannC., BringezuS., Fischer-KowalskiM., HttlerW., KleijnR. , MoriguchiY.,

OttkeC., RodenburgE., RogichD., SchandlH., SchutzH., van der VoetE., WeiszH.The Weight of

Nations: Material Outflows from Industrial Economies.World Resources Institute,Washington, 2000.

Что такое метаболический синдром

Что такое метаболический синдром?

Для метаболического синдрома характерно висцеральное (внутреннее) ожирение в сочетании с различными нарушениями. Считается, что люди, у которых по всем критериям диагностируют метаболический синдром, в будущем более всего подвержены таким заболеваниям, как инсульт головного мозга и инфаркт миокарда.

 

Чем опасен тип внутреннего (висцерального) ожирения?

Висцеральный жир секретирует различные биологически активные вещества (например, фактор некроза опухоли-альфа и др.). При висцеральном типе ожирения эта секреция становится аномальной. В результате повышается уровень сахара в крови, артериальное давление, уровень «плохого холестерина» (липопротеиды низкой плотности) и т. д. Чем больше нарушений обмена веществ, тем быстрее прогрессирует атеросклероз и повышается риск развития инфаркта миокарда или инсульта.

 


Ожирение делится на 2 типа: висцеральное и подкожное.

 

Тип висцерального ожирения

В этом случае жир накапливается в брюшной полости (вокруг внутренних органов).

При метаболическом синдроме именно данный тип ожирения наносит вред здоровью!

 

Тип подкожного ожирения

В этом случае жир накапливается в подкожной клетчатке.

Избавиться от подкожного жира сложнее, чем от висцерального.


Как измерить объем висцерального жира?

1. Измерение обхвата живота. Самый простой способ – измерить обхват своего живота на уровне пупка. В этом нам поможет обычная сантиметровая лента.

2. Метод биоэлектрического импеданса. В последнее время продаются как дорогостоящие аппараты для медицинского назначения, так и аппараты для использования в домашних условиях.

3. Метод с использованием компьютерной томографии.  На компьютерном томографе сканируется область живота и с помощью специальной программы измеряется объем жира. Данный метод в отличие от других позволяет увидеть внутренний (висцеральный) жир.


 

Часто задаваемые вопросы.

 

— Связан ли метаболический синдром с образом жизни?

Заболевания, связанные с образом жизни, — это заболевания, которые развиваются вследствие неправильного питания, малоподвижного образа жизни, курения, употребления алкоголя. В эту группу заболеваний входят онкологические заболевания, инсульты, сердечно-сосудистые заболевания, сахарный диабет, ожирение и т.д. Метаболический синдром – это висцеральный тип ожирения в сочетании с 2-мя или более следующими состояниями: повышенный уровень глюкозы в крови, повышенный уровень холестерина в крови, гипертония. При метаболическом синдроме увеличивается риск атеросклероза, и как следствие повышается риск возникновения инсульта, инфаркта миокарда.  

 

— У каких людей есть склонность к развитию метаболического синдрома?

Метаболический синдром чаще всего встречается у мужчин среднего и пожилого возраста, которые неправильно питаются, ежедневно употребляют алкоголь, ведут малоподвижный образ жизни. У женщин нарушение метаболических процессов происходит в основном в период менопаузы.

 

— Кому рекомендуется пройти обследование по поводу метаболического синдрома?

Обследование по поводу метаболического синдрома рекомендуется пройти, если у мужчин обхват талии более 85 см, у женщин – более 90 см. 

 

— Кто может пройти обследование на определение объема висцерального жира на компьютерном томографе?

Любой человек может пройти такое обследование, однако данное обследование нежелательно для беременных женщин, так как проходит с использованием облучения. Тем людям, кто желает пройти такое обследование, следует обратиться в диагностическое учреждение, в котором есть аппарат КТ.

 

— Сколько времени занимает определение объема висцерального жира с помощью КТ?

Само сканирование занимает около 1 секунды. С учетом времени, затрачиваемого на подготовку, исследование занимает около 5 минут.

 

— Нужна ли специальная подготовка/диета перед исследованием?

Нет, диета и подготовка не требуется.

Метаболизм: определение и обзор — видео и расшифровка урока

Катаболизм

Представьте, что вы едите кусок пиццы пепперони. В этом кусочке у вас есть несколько ключевых питательных веществ, которые необходимы для жизни. У вас есть белков , которые содержат аминокислот . У вас есть крахмалов , которые содержат сахара для получения энергии. У вас также есть жиров , которые можно использовать для производства энергии и гормонов. Но для того, чтобы получить необходимые вам компоненты (например, аминокислоты и сахара), вам нужно найти способ разрушить эти материалы.

Катаболизм — это процесс расщепления материалов в организме. Когда мы перевариваем пищи, мы расщепляем (или катаболизируем) белки, жиры и крахмалы, чтобы получить полезные компоненты. Это делается путем добавления воды к химическим связям внутри этих веществ, что представляет собой процесс, известный как гидролиз . Пища, которая не переваривается или не может быть расщеплена, не может гидролизоваться в организме.

Анаболизм

Чтобы наши тела функционировали, мы должны быть в состоянии производить материалы, которые нам нужны, из тех, которые мы перевариваем.После катаболизма пищи у нас остаются основные компоненты, необходимые нам для жизни. Например, если у нас есть поврежденные ткани, мы должны вырабатывать белки для их заживления. Следовательно, аминокислоты, которые мы получаем из пищи, могут быть использованы для восстановления белков. Сахара, полученные путем переваривания крахмалов, можно использовать для производства более крупных сахаров для хранения. Жиры могут быть воспроизведены для хранения энергии. Все эти материалы производятся посредством анаболизма.

Анаболизм — это процесс получения более крупных веществ из более мелких материалов.В некотором смысле это противоположность катаболизму, поскольку он достигается путем удаления воды для создания связей. Этот процесс известен как дегидратационный синтез . Благодаря синтезу дегидратации мы можем производить белки, жиры и другие необходимые материалы.

Метаболизм непищевых продуктов также является важным процессом, необходимым для выживания. В то время как потребление пищи необходимо для жизни, употребление многих лекарств и ядов может нанести вред здоровью организма. Следовательно, способность расщеплять эти материалы и удалять их из организма также является частью метаболизма.

Например, печень отвечает за метаболизм и детоксикацию алкоголя, который может быть ядовитым для организма. Точно так же почек отвечают за удаление этих материалов посредством образования мочи. Эта форма метаболизма так же важна, как и процессы, которые используются для получения питательных веществ.

Несколько физиологических факторов могут влиять на скорость и эффективность метаболизма в нашем организме. Во-первых, количество и тип потребляемой пищи будут влиять на скорость метаболизма.Например, жирная пища дольше переваривается в организме. Кроме того, большие порции перевариваются гораздо медленнее, чем маленькие порции.

Возраст и пол могут влиять на скорость обмена веществ в организме. Мужчины разрушают и восстанавливают материалы быстрее, чем женщины, а молодые люди, как правило, усваивают материалы быстрее, чем пожилые люди. Дополнительные факторы включают температуру, наследственность и заболевания, которые могут увеличивать или уменьшать скорость метаболизма в организме.

Резюме

Метаболизм представляет собой сумму всех химических реакций в организме. Катаболизм — это процесс разрушения материалов с целью извлечения необходимых компонентов. Анаболизм , с другой стороны, представляет собой процесс создания более крупных материалов из более мелких компонентов. Метаболизм важен для удаления ядовитых материалов из организма, а также для обеспечения удержания здоровых материалов. Наконец, несколько факторов, включая температуру, наследственность, возраст и пол, могут влиять на скорость метаболизма в организме.

понятий метаболизма | СпрингерЛинк

‘) переменная голова = документ.getElementsByTagName(«голова»)[0] var script = document.createElement(«сценарий») script.type = «текст/javascript» script.src = «https://buy.springer.com/assets/js/buybox-bundle-52d08dec1e.js» script.id = «ecommerce-scripts-» ​​+ метка времени head. appendChild (скрипт) var buybox = document.querySelector(«[data-id=id_»+ метка времени +»]»).parentNode ;[].slice.call(buybox.querySelectorAll(«.вариант-покупки»)).forEach(initCollapsibles) функция initCollapsibles(подписка, индекс) { var toggle = подписка.querySelector(«.цена-варианта-покупки») подписка.classList.remove(«расширенный») var form = подписка.querySelector(«.форма-варианта-покупки») если (форма) { вар formAction = form.getAttribute(«действие») документ.querySelector(«#ecommerce-scripts-» ​​+ timestamp).addEventListener(«load», bindModal(form, formAction, timestamp, index), false) } var priceInfo = подписка.querySelector(«.Информация о цене») var PurchaseOption = toggle.parentElement если (переключить && форма && priceInfo) { toggle. setAttribute(«роль», «кнопка») toggle.setAttribute(«tabindex», «0») переключать.addEventListener(«щелчок», функция (событие) { var expand = toggle.getAttribute(«aria-expanded») === «true» || ложный toggle.setAttribute(«aria-expanded», !expanded) form.hidden = расширенный если (! расширено) { покупкаOption.classList.add(«расширенный») } еще { покупкаOption.classList.удалить («расширить») } priceInfo.hidden = расширенный }, ложный) } } функция bindModal (форма, formAction, метка времени, индекс) { var weHasBrowserSupport = window. fetch && Array.from функция возврата () { var Buybox = EcommScripts ? EcommScripts.Buybox : ноль var Modal = EcommScripts ? EcommScripts.Модальный: ноль if (weHasBrowserSupport && Buybox && Modal) { var modalID = «ecomm-modal_» + метка времени + «_» + индекс var modal = новый модальный (modalID) modal.domEl.addEventListener («закрыть», закрыть) функция закрыть () { form.querySelector(«кнопка[тип=отправить]»).фокус() } вар корзинаURL = «/корзина» var cartModalURL = «/cart?messageOnly=1» форма.установить атрибут ( «действие», formAction. replace(cartURL, cartModalURL) ) var formSubmit = Buybox.interceptFormSubmit( Buybox.fetchFormAction(окно.fetch), Buybox.triggerModalAfterAddToCartSuccess(модальный), функция () { форма.removeEventListener («отправить», formSubmit, false) форма.setAttribute( «действие», formAction.replace(cartModalURL, cartURL) ) форма.отправить() } ) form.addEventListener («отправить», formSubmit, ложь) документ.body.appendChild(modal. domEl) } } } функция initKeyControls() { document.addEventListener («нажатие клавиши», функция (событие) { if (document.activeElement.classList.contains(«цена-варианта-покупки») && (event.code === «Пробел» || event.code === «Enter»)) { если (document.activeElement) { мероприятие.предотвратить по умолчанию () документ.activeElement.click() } } }, ложный) } функция InitialStateOpen() { вар buyboxWidth = buybox.offsetWidth ;[].slice.call(buybox.querySelectorAll(«.опция покупки»)).forEach(функция (опция, индекс) { var toggle = option.querySelector(«. цена-варианта-покупки») вар форма = вариант.querySelector(«.форма-варианта-покупки») var priceInfo = option.querySelector(«.Информация о цене») если (buyboxWidth > 480) { переключить.щелчок() } еще { если (индекс === 0) { переключить.щелчок() } еще { toggle.setAttribute («ария-расширенная», «ложь») форма.скрытый = «скрытый» priceInfo.hidden = «скрытый» } } }) } начальное состояниеОткрыть() если (window.buyboxInitialized) вернуть window.buyboxInitialized = истина initKeyControls() })()

4.

1 Энергия и обмен веществ — концепции биологии

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:
  • Объясните, что такое метаболические пути
  • Назовите первый и второй законы термодинамики
  • Объясните разницу между кинетической и потенциальной энергией
  • Опишите эндергонические и экзергонические реакции
  • Обсудите, как ферменты функционируют как молекулярные катализаторы

Ученые используют термин биоэнергетика для описания концепции потока энергии (рис. 4.2) через живые системы, например клетки. Клеточные процессы, такие как построение и разрушение сложных молекул, происходят посредством ступенчатых химических реакций. Некоторые из этих химических реакций протекают самопроизвольно и высвобождают энергию, тогда как для протекания других требуется энергия. Точно так же, как живые существа должны постоянно потреблять пищу, чтобы пополнять свои запасы энергии, клетки должны постоянно получать больше энергии, чтобы пополнить ту, которая используется многими постоянно происходящими энергетическими реакциями. В совокупности все химические реакции, протекающие внутри клеток, включая те, которые потребляют или вырабатывают энергию, называются клеточным метаболизмом.

Фигура 4.2 В конечном счете, большинство форм жизни получают энергию от солнца. Растения используют фотосинтез для захвата солнечного света, а травоядные поедают растения для получения энергии. Плотоядные поедают травоядных, а возможное разложение растительного и животного материала способствует накоплению питательных веществ.

Метаболические пути

Рассмотрим метаболизм сахара.Это классический пример одного из многих клеточных процессов, использующих и производящих энергию. Живые существа потребляют сахара в качестве основного источника энергии, потому что молекулы сахара имеют большое количество энергии, хранящейся в их связях. По большей части фотосинтезирующие организмы, такие как растения, производят эти сахара. Во время фотосинтеза растения используют энергию (первоначально от солнечного света) для преобразования углекислого газа (CO 2 ) в молекулы сахара (например, глюкозу: C 6 H 12 O 6 ). Они потребляют углекислый газ и производят кислород в качестве побочного продукта. Эта реакция резюмируется как:

6CO2+6h3O—>C6h22O6+6O26CO2+6h3O—>C6h22O6+6O2 размер 12{C rSub { размер 8{6} } H rSub { размер 8{12} } O rSub { размер 8{2} } } {}

Поскольку этот процесс включает в себя синтез молекулы, запасающей энергию, для его продолжения требуется затрата энергии. Во время световых реакций фотосинтеза энергия обеспечивается молекулой, называемой аденозинтрифосфатом (АТФ), которая является основной энергетической валютой всех клеток.Точно так же, как доллар используется в качестве валюты для покупки товаров, клетки используют молекулы АТФ в качестве энергетической валюты для выполнения непосредственной работы. Напротив, молекулы-аккумуляторы энергии, такие как глюкоза, потребляются только для того, чтобы расщепляться для использования своей энергии. Реакция, которая собирает энергию молекулы сахара в клетках, нуждающихся в кислороде для выживания, может быть обобщена как реакция, обратная фотосинтезу. В этой реакции потребляется кислород, а в качестве побочного продукта выделяется углекислый газ. Реакция резюмируется как:

C6h22O6+6O2 —> 6h3O+6CO2C6h22O6+6O2 —> 6h3O+6CO2 размер 12{C rSub { размер 8{6} } H rSub { размер 8{12} } O rSub { размер 8{2} } } {}

Обе эти реакции включают много стадий.

Процессы создания и расщепления молекул сахара иллюстрируют два примера метаболических путей. Метаболический путь представляет собой серию химических реакций, в которых исходная молекула шаг за шагом модифицируется через ряд метаболических промежуточных продуктов, в конечном итоге давая конечный продукт. В примере метаболизма сахара первый метаболический путь синтезирует сахар из более мелких молекул, а другой путь расщепляет сахар на более мелкие молекулы. Эти два противоположных процесса — первый требует энергии, а второй производит энергию — называются анаболическими путями (строительство полимеров) и катаболическими путями (расщепление полимеров на мономеры) соответственно. Следовательно, метаболизм состоит из синтеза (анаболизма) и деградации (катаболизма) (рис. 4.3).

Важно знать, что химические реакции метаболических путей не происходят сами по себе. Каждый этап реакции облегчается или катализируется белком, называемым ферментом. Ферменты играют важную роль в катализе всех типов биологических реакций — как тех, которые требуют энергии, так и тех, которые высвобождают энергию.

Фигура 4.3 Катаболические пути — это те, которые генерируют энергию за счет расщепления более крупных молекул.Анаболические пути — это те, которые требуют энергии для синтеза более крупных молекул. Оба типа путей необходимы для поддержания энергетического баланса клетки.

Энергия

Термодинамика относится к изучению энергии и передачи энергии с участием физической материи. Материя, относящаяся к конкретному случаю передачи энергии, называется системой, а все, что находится вне этой материи, — окружающей средой. Например, при нагревании кастрюли с водой на плите система включает плиту, кастрюлю и воду.Энергия передается внутри системы (между плитой, кастрюлей и водой). Существует два типа систем: открытые и закрытые. В открытой системе возможен обмен энергией с окружающей средой. Система плиты открыта, потому что тепло может отдаваться воздуху. Замкнутая система не может обмениваться энергией с окружающей средой.

Биологические организмы являются открытыми системами. Между ними и их окружением происходит обмен энергией, поскольку они используют энергию солнца для фотосинтеза или потребляют молекулы, хранящие энергию, и выделяют энергию в окружающую среду, выполняя работу и выделяя тепло.Как и все вещи в физическом мире, энергия подчиняется физическим законам. Законы термодинамики управляют передачей энергии во всех системах во Вселенной и между ними.

В целом энергия определяется как способность выполнять работу или создавать какие-либо изменения. Энергия существует в разных формах. Например, электрическая энергия, световая энергия и тепловая энергия — это разные виды энергии. Чтобы понять, как энергия поступает в биологические системы и выходит из них, важно понимать два физических закона, управляющих энергией.

Термодинамика

Первый закон термодинамики гласит, что общее количество энергии во Вселенной постоянно и сохраняется. Другими словами, во Вселенной всегда было и всегда будет одинаковое количество энергии. Энергия существует во многих различных формах. Согласно первому закону термодинамики, энергия может передаваться с места на место или преобразовываться в различные формы, но не может создаваться или уничтожаться. Передачи и преобразования энергии происходят вокруг нас все время.Лампочки преобразуют электрическую энергию в световую и тепловую энергию. Газовые плиты преобразуют химическую энергию природного газа в тепловую энергию. Растения осуществляют одно из наиболее биологически полезных преобразований энергии на Земле: преобразование энергии солнечного света в химическую энергию, хранящуюся в органических молекулах (рис. 4.2). Некоторые примеры преобразования энергии показаны на рис. 4.4.

Задача всех живых организмов состоит в том, чтобы получать энергию из своего окружения в формах, которые они могут передавать или преобразовывать в полезную энергию для выполнения работы.Живые клетки эволюционировали, чтобы справиться с этой задачей. Химическая энергия, хранящаяся в органических молекулах, таких как сахара и жиры, передается и трансформируется посредством ряда клеточных химических реакций в энергию внутри молекул АТФ. Энергия молекул АТФ легко доступна для выполнения работы. Примеры типов работы, которую должны выполнять клетки, включают построение сложных молекул, транспортировку материалов, обеспечение движения ресничек или жгутиков и сокращение мышечных волокон для создания движения.

Фигура 4.4 Показаны некоторые примеры передачи и преобразования энергии из одной системы в другую и из одной формы в другую. Пища, которую мы потребляем, обеспечивает наши клетки энергией, необходимой для выполнения функций организма, точно так же, как световая энергия обеспечивает растения средствами для создания необходимой им химической энергии. (кредит «мороженое»: модификация работы Д. Шэрон Прюитт; кредит «дети»: модификация работы Макса из Провиденса; кредит «лист»: модификация работы Кори Занкера)

Основные задачи живой клетки по получению, преобразованию и использованию энергии для выполнения работы могут показаться простыми.Однако второй закон термодинамики объясняет, почему эти задачи сложнее, чем кажутся. Все передачи и преобразования энергии никогда не бывают полностью эффективными. При каждой передаче энергии некоторое количество энергии теряется в непригодной для использования форме. В большинстве случаев такой формой является тепловая энергия. Термодинамически тепловая энергия определяется как энергия, передаваемая от одной системы к другой, которая не является работой. Например, когда включается лампочка, часть энергии, преобразуемой из электрической энергии в световую, теряется в виде тепловой энергии.Точно так же часть энергии теряется в виде тепловой энергии во время клеточных метаболических реакций.

Важным понятием в физических системах является порядок и беспорядок. Чем больше энергии теряет система в своем окружении, тем менее упорядоченной и более случайной является система. Ученые называют мерой случайности или беспорядка в системе энтропию. Высокая энтропия означает высокий беспорядок и низкую энергию. Молекулы и химические реакции также имеют разную энтропию. Например, энтропия увеличивается по мере того, как молекулы с высокой концентрацией в одном месте диффундируют и распространяются.Второй закон термодинамики гласит, что энергия всегда будет теряться в виде тепла при передаче или превращении энергии.

Живые существа высоко упорядочены, и им требуется постоянное потребление энергии для поддержания состояния низкой энтропии.

Потенциальная и кинетическая энергия

Когда объект находится в движении, с ним связана энергия. Подумайте о разрушающем шаре. Даже медленно движущийся шар-разрушитель может нанести большой ущерб другим объектам. Энергия, связанная с движущимися объектами, называется кинетической энергией (рис. 4.5). Мчащаяся пуля, идущий человек и быстрое движение молекул в воздухе (выделяющее тепло) — все они обладают кинетической энергией.

А что, если тот самый неподвижный шар-вредитель поднять краном на два этажа над землей? Если подвешенный разрушающий шар неподвижен, связана ли с ним энергия? Ответ положительный. Энергия, необходимая для подъема шара-разрушителя, не исчезла, а теперь запасена в шаре-вредителе благодаря его положению и действующей на него силе тяжести.Этот вид энергии называется потенциальной энергией (рис. 4.5). Если мяч упадет, потенциальная энергия будет преобразована в кинетическую энергию до тех пор, пока вся потенциальная энергия не будет исчерпана, когда мяч покоится на земле. Разрушительные шары также качаются, как маятник; во время качелей происходит постоянное изменение потенциальной энергии (наибольшей в верхней части качелей) на кинетическую энергию (наибольшей в нижней части качелей). Другие примеры потенциальной энергии включают энергию воды, удерживаемой за плотиной, или энергию человека, собирающегося прыгнуть с парашютом из самолета.

Фигура 4,5 Неподвижная вода обладает потенциальной энергией; движущаяся вода, например, в водопаде или быстро текущей реке, обладает кинетической энергией. (кредит «плотина»: модификация работы «Pascal»/Flickr; кредит «водопад»: модификация работы Фрэнка Гуалтьери)

Потенциальная энергия связана не только с расположением материи, но и со структурой материи. Даже пружина на земле обладает потенциальной энергией, если ее сжать; то же самое делает и натянутая резинка.На молекулярном уровне связи, удерживающие атомы молекул вместе, существуют в определенной структуре, обладающей потенциальной энергией. Помните, что анаболические клеточные пути требуют энергии для синтеза сложных молекул из более простых, а катаболические пути высвобождают энергию при расщеплении сложных молекул. Тот факт, что энергия может высвобождаться при разрыве определенных химических связей, подразумевает, что эти связи обладают потенциальной энергией. На самом деле существует потенциальная энергия, хранящаяся в связях всех пищевых молекул, которые мы едим, и которая в конечном итоге используется для использования.Это потому, что эти связи могут высвобождать энергию при разрыве. Тип потенциальной энергии, которая существует в химических связях и высвобождается, когда эти связи разрываются, называется химической энергией. Химическая энергия отвечает за обеспечение живых клеток энергией из пищи. Высвобождение энергии происходит при разрыве молекулярных связей внутри молекул пищи.

Ссылка на обучение

Концепция в действии

Посетите сайт и выберите «Маятник» в меню «Работа и энергия», чтобы увидеть изменение кинетической и потенциальной энергии маятника в движении.

Свободная энергия и энергия активации

Узнав, что химические реакции высвобождают энергию, когда разрушаются энергосберегающие связи, следующий важный вопрос заключается в следующем: как определяется и выражается энергия, связанная с этими химическими реакциями? Как можно сравнить энергию, выделяющуюся в одной реакции, с энергией другой реакции? Измерение свободной энергии используется для количественной оценки этих передач энергии. Вспомним, что согласно второму закону термодинамики все передачи энергии связаны с потерей некоторого количества энергии в непригодной для использования форме, такой как тепло.Свободная энергия конкретно относится к энергии, связанной с химической реакцией, которая доступна после учета потерь. Другими словами, свободная энергия — это полезная энергия, или энергия, доступная для выполнения работы.

Если в ходе химической реакции выделяется энергия, то изменение свободной энергии, обозначаемое как ∆G (дельта G), будет отрицательным числом. Отрицательное изменение свободной энергии также означает, что продукты реакции имеют меньшую свободную энергию, чем реагенты, потому что они выделяют некоторую свободную энергию во время реакции.Реакции, которые вызывают отрицательное изменение свободной энергии и, следовательно, высвобождение свободной энергии, называются экзергоническими реакциями. Подумайте: ex эргономика означает, что энергия ex поглощает систему. Эти реакции также называют самопроизвольными реакциями, и их продукты имеют меньший запас энергии, чем реагенты. Необходимо провести важное различие между термином «самопроизвольно» и идеей химической реакции, протекающей немедленно. Вопреки повседневному использованию этого термина спонтанная реакция не возникает внезапно или быстро.Ржавление железа является примером спонтанной реакции, которая происходит медленно, мало-помалу, с течением времени.

Если химическая реакция поглощает энергию, а не высвобождает энергию в балансе, то ∆G для этой реакции будет положительным значением. В этом случае продукты имеют больше свободной энергии, чем реагенты. Таким образом, продукты этих реакций можно рассматривать как запасающие энергию молекулы. Эти химические реакции называются эндергоническими реакциями, и они не являются самопроизвольными. Эндергоническая реакция не будет происходить сама по себе без добавления свободной энергии.

Визуальная связь

Визуальная связь

Фигура 4. 6 Показаны некоторые примеры эндергонических процессов (тех, которые требуют энергии) и экзергонических процессов (тех, которые высвобождают энергию). (кредит a: модификация работы Натали Мейнор; кредит b: модификация работы USDA; кредит c: модификация работы Кори Занкера; кредит d: модификация работы Гарри Мальша)

Посмотрите на каждый из показанных процессов и решите, является ли он эндергоническим или экзергоническим.

Существует еще одна важная концепция, которую следует учитывать в отношении эндергонических и экзергонических реакций. Экзергонические реакции требуют небольшого количества энергии, чтобы начаться, прежде чем они смогут продолжить свои этапы высвобождения энергии. Эти реакции имеют чистое высвобождение энергии, но все же требуют некоторого подвода энергии в начале. Это небольшое количество энергии, необходимое для протекания всех химических реакций, называется энергией активации.

Ссылка на обучение

Концепция в действии

Посмотрите анимацию перехода от свободной энергии к переходному состоянию реакции.

Ферменты

Вещество, которое способствует протеканию химической реакции, называется катализатором, а молекулы, катализирующие биохимические реакции, называются ферментами. Большинство ферментов являются белками и выполняют важную задачу по снижению энергии активации химических реакций внутри клетки. Большинство критических для живой клетки реакций протекают слишком медленно при нормальных температурах, чтобы быть полезными для клетки. Без ферментов, ускоряющих эти реакции, жизнь не могла бы существовать.Ферменты делают это, связываясь с молекулами реагентов и удерживая их таким образом, чтобы облегчить процессы разрыва и образования химических связей. Важно помнить, что ферменты не изменяются, является ли реакция экзергонической (спонтанной) или эндергонической. Это потому, что они не изменяют свободную энергию реагентов или продуктов. Они лишь уменьшают энергию активации, необходимую для протекания реакции (рис. 4.7). Кроме того, сам фермент не изменяется в ходе реакции, которую он катализирует. После катализа одной реакции фермент может участвовать в других реакциях.

Фигура 4.7 Ферменты снижают энергию активации реакции, но не изменяют свободную энергию реакции.

Химические реагенты, с которыми связывается фермент, называются субстратами фермента. В зависимости от конкретной химической реакции может быть один или несколько субстратов. В некоторых реакциях один реагент-субстрат распадается на несколько продуктов.В других случаях два субстрата могут объединяться, образуя одну большую молекулу. Два реагента также могут вступить в реакцию и оба измениться, но они покинут реакцию как два продукта. Место внутри фермента, где связывается субстрат, называется активным центром фермента. Активный сайт — это место, где происходит «действие». Поскольку ферменты представляют собой белки, в активном центре имеется уникальная комбинация боковых цепей аминокислот. Каждая боковая цепь характеризуется различными свойствами. Они могут быть большими или маленькими, слабокислыми или основными, гидрофильными или гидрофобными, положительно или отрицательно заряженными или нейтральными. Уникальная комбинация боковых цепей создает очень специфическую химическую среду в активном центре. Эта конкретная среда подходит для связывания с одним конкретным химическим субстратом (или субстратами).

Активные сайты подвержены влиянию местной среды. Повышение температуры окружающей среды обычно увеличивает скорость реакции, катализируемой ферментами или иным образом. Однако температуры за пределами оптимального диапазона снижают скорость, с которой фермент катализирует реакцию. Горячие температуры в конечном итоге вызовут денатурацию ферментов, необратимое изменение трехмерной формы и, следовательно, функции фермента.Ферменты также лучше всего подходят для работы в пределах определенного диапазона pH и концентрации соли, и, как и в случае с температурой, экстремальный pH и концентрация соли могут вызвать денатурацию ферментов.

В течение многих лет ученые считали, что связывание фермента с субстратом происходит простым способом «замок и ключ». Эта модель утверждала, что фермент и субстрат идеально сочетаются друг с другом за один мгновенный шаг. Однако текущие исследования поддерживают модель, называемую индуцированной подгонкой (рис. 4.8). Модель индуцированного соответствия расширяет модель «замок и ключ», описывая более динамичное связывание между ферментом и субстратом.Когда фермент и субстрат объединяются, их взаимодействие вызывает небольшой сдвиг в структуре фермента, который формирует идеальную схему связывания между ферментом и субстратом.

Ссылка на обучение

Концепция в действии

Посмотреть анимацию индуцированной посадки.

Когда фермент связывается со своим субстратом, образуется фермент-субстратный комплекс. Этот комплекс снижает энергию активации реакции и способствует ее быстрому протеканию одним из многих возможных путей.На базовом уровне ферменты способствуют химическим реакциям, в которых участвует более одного субстрата, объединяя субстраты в оптимальной для реакции ориентации. Другой способ, с помощью которого ферменты способствуют реакции своих субстратов, заключается в создании оптимальной среды в активном центре для протекания реакции. Химические свойства, возникающие из-за особого расположения аминокислотных групп R в активном центре, создают идеальную среду для реакции специфических субстратов фермента.

Комплекс фермент-субстрат также может снижать энергию активации, нарушая структуру связи, чтобы ее было легче разорвать. Наконец, ферменты также могут снижать энергию активации, участвуя в самой химической реакции. В этих случаях важно помнить, что фермент всегда возвращается в исходное состояние по завершении реакции. Одним из отличительных свойств ферментов является то, что они в конечном счете остаются неизменными в реакциях, которые они катализируют. После того, как фермент катализирует реакцию, он высвобождает свой продукт (продукты) и может катализировать новую реакцию.

Фигура 4,8 Модель индуцированного соответствия представляет собой корректировку модели «замок и ключ» и объясняет, как ферменты и субстраты претерпевают динамические модификации во время переходного состояния, чтобы увеличить сродство субстрата к активному центру.

Казалось бы идеальным сценарий, при котором все ферменты организма существовали бы в изобилии и функционировали оптимально во всех клеточных условиях, во всех клетках, во все времена. Однако различные механизмы гарантируют, что этого не произойдет.Клеточные потребности и условия постоянно варьируются от клетки к клетке и меняются внутри отдельных клеток с течением времени. Необходимые ферменты клеток желудка отличаются от ферментов клеток хранения жира, клеток кожи, клеток крови и нервных клеток. Кроме того, клетка пищеварительного органа работает намного усерднее, перерабатывая и расщепляя питательные вещества в течение времени, которое следует за приемом пищи, по сравнению со многими часами после еды. Поскольку эти клеточные потребности и условия различаются, должны различаться количество и функциональность различных ферментов.

Поскольку скорость биохимических реакций контролируется энергией активации, а ферменты снижают и определяют энергию активации химических реакций, относительное количество и функционирование различных ферментов в клетке в конечном итоге определяют, какие реакции будут протекать и с какой скоростью. Это определение строго контролируется в клетках. В определенных клеточных средах активность ферментов частично контролируется такими факторами окружающей среды, как pH, температура, концентрация соли и, в некоторых случаях, кофакторами или коферментами.

Ферменты также можно регулировать таким образом, чтобы стимулировать или снижать активность ферментов. Существует много видов молекул, которые ингибируют или стимулируют функцию фермента, и различные механизмы, с помощью которых они это делают. В некоторых случаях ингибирования фермента молекула ингибитора достаточно похожа на субстрат, поэтому она может связываться с активным центром и просто блокировать связывание субстрата. Когда это происходит, фермент ингибируется за счет конкурентного ингибирования, потому что молекула ингибитора конкурирует с субстратом за связывание с активным центром.

С другой стороны, при неконкурентном ингибировании молекула ингибитора связывается с ферментом в месте, отличном от активного центра, называемом аллостерическим центром, но все же предотвращает связывание субстрата с активным центром. Некоторые молекулы ингибитора связываются с ферментами в месте, где их связывание вызывает конформационное изменение, которое снижает активность фермента, поскольку он больше не эффективно катализирует превращение субстрата в продукт. Этот тип торможения называется аллостерическим торможением (рис. 4.9). Большинство аллостерически регулируемых ферментов состоят из более чем одного полипептида, а это означает, что они имеют более одной белковой субъединицы. Когда аллостерический ингибитор связывается с участком фермента, все активные центры белковых субъединиц слегка изменяются, так что они связывают свои субстраты с меньшей эффективностью. Существуют аллостерические активаторы, а также ингибиторы. Аллостерические активаторы связываются с участками фермента, удаленными от активного центра, индуцируя конформационные изменения, которые увеличивают сродство активного(ых) центра(ов) фермента к его субстрату(ам) (рис. 4.9).

Фигура 4.9 Аллостерическое ингибирование работает, косвенно вызывая конформационные изменения в активном центре, так что субстрат больше не подходит. Напротив, при аллостерической активации молекула активатора изменяет форму активного центра, чтобы обеспечить лучшее прилегание к субстрату.

Связь с карьерой

Карьера в действии

Разработчик фармацевтических препаратов

Фигура 4.10 Вы когда-нибудь задумывались, как разрабатываются фармацевтические препараты? (кредит: Дебора Остин)

Ферменты являются ключевыми компонентами метаболических путей.Понимание того, как работают ферменты и как их можно регулировать, является ключевым принципом разработки многих фармацевтических препаратов, представленных сегодня на рынке. Биологи, работающие в этой области, совместно с другими учеными разрабатывают лекарства (рис. 4.10).

Возьмем, к примеру, статины. Статины — это название, данное одному классу препаратов, которые могут снижать уровень холестерина. Эти соединения являются ингибиторами фермента ГМГ-КоА-редуктазы, фермента, который синтезирует холестерин из липидов в организме. Ингибируя этот фермент, можно снизить уровень холестерина, синтезируемого в организме. Точно так же ацетаминофен, широко продаваемый под торговой маркой Тайленол, является ингибитором фермента циклооксигеназы. Хотя он используется для облегчения лихорадки и воспаления (боли), его механизм действия до сих пор полностью не изучен.

Как открывают наркотики? Одной из самых больших проблем при открытии лекарств является определение мишени для лекарства. Лекарственная мишень — это молекула, которая буквально является мишенью лекарства.В случае статинов мишенью является ГМГ-КоА-редуктаза. Мишени для наркотиков идентифицируются путем кропотливых исследований в лаборатории. Одной идентификации цели недостаточно; ученым также необходимо знать, как мишень действует внутри клетки и какие реакции идут наперекосяк в случае болезни. Как только цель и путь определены, начинается фактический процесс разработки лекарства. На этом этапе химики и биологи работают вместе, чтобы разработать и синтезировать молекулы, которые могут блокировать или активировать определенную реакцию. Однако это только начало: если и когда прототип лекарства успешно выполняет свою функцию, он подвергается многочисленным испытаниям, от экспериментов in vitro до клинических испытаний, прежде чем он сможет получить одобрение от Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США. магазин.

Многие ферменты не работают оптимально или вообще не работают, если они не связаны с другими специфическими небелковыми вспомогательными молекулами. Они могут связываться либо временно через ионные или водородные связи, либо постоянно через более сильные ковалентные связи.Связывание с этими молекулами способствует оптимальной форме и функционированию соответствующих ферментов. Двумя примерами этих типов вспомогательных молекул являются кофакторы и коферменты. Кофакторы представляют собой неорганические ионы, такие как ионы железа и магния. Коэнзимы — это органические вспомогательные молекулы, основная атомная структура которых состоит из углерода и водорода. Подобно ферментам, эти молекулы участвуют в реакциях, сами не изменяясь, и в конечном итоге перерабатываются и используются повторно. Витамины являются источником коферментов.Некоторые витамины являются предшественниками коферментов, а другие действуют непосредственно как коферменты. Витамин С является прямым коферментом для нескольких ферментов, которые принимают участие в построении важной соединительной ткани, коллагена. Следовательно, функция ферментов частично регулируется обилием различных кофакторов и коферментов, которые могут поступать с пищей организма или, в некоторых случаях, вырабатываться организмом.

Ингибирование обратной связи в метаболических путях

Молекулы могут регулировать функцию ферментов разными способами.Однако остается главный вопрос: что это за молекулы и откуда они берутся? Как вы узнали, некоторые из них являются кофакторами и коферментами. Какие другие молекулы в клетке обеспечивают ферментативную регуляцию, такую ​​как аллостерическая модуляция, конкурентное и неконкурентное ингибирование? Возможно, наиболее релевантными источниками регуляторных молекул в отношении ферментативного клеточного метаболизма являются продукты самих клеточных метаболических реакций. Наиболее эффективным и элегантным способом клетки научились использовать продукты своих собственных реакций для ингибирования активности ферментов по принципу обратной связи.Ингибирование с обратной связью предполагает использование продукта реакции для регуляции собственного дальнейшего производства (рис. 4.11). Клетка реагирует на обилие продуктов замедлением производства во время анаболических или катаболических реакций. Такие продукты реакции могут ингибировать ферменты, катализирующие их продукцию, посредством механизмов, описанных выше.

Фигура 4.11 Метаболические пути представляют собой ряд реакций, катализируемых несколькими ферментами. Ингибирование с обратной связью, когда конечный продукт пути ингибирует восходящий процесс, является важным регуляторным механизмом в клетках.

Производство как аминокислот, так и нуклеотидов контролируется посредством ингибирования по принципу обратной связи. Кроме того, АТФ является аллостерическим регулятором некоторых ферментов, участвующих в катаболическом расщеплении сахара — процессе, который создает АТФ. Таким образом, когда АТФ в изобилии, клетка может предотвратить производство АТФ. С другой стороны, АДФ служит положительным аллостерическим регулятором (аллостерическим активатором) для некоторых из тех же ферментов, которые ингибируются АТФ. Таким образом, когда относительные уровни АДФ высоки по сравнению с АТФ, клетка начинает производить больше АТФ за счет катаболизма сахара.

Вклад Отто Варбурга в современные концепции метаболизма рака

  • Вернер, П. Ein Genie irrt seltener. Отто Генрих Варбург. Ein Lebensbild в Dokumenten (Akademie Verlag, Берлин, 1991).

    Google ученый

  • Warburg, O. Über den Stoffwechsel der Carcinomzelle. Клин. Wochenschr. 4 , 534–536 (1925).

    КАС Google ученый

  • Кейлин Д. История клеточного дыхания и цитохрома (Cambridge Univ. Press, Cambridge, 1970).

    Google ученый

  • Ракер Э. Биоэнергетика и проблема опухолевого роста. утра. науч. 60 , 56–63 (1972). В этой статье Рэкер вводит термин «эффект Варбурга» для описания своей собственной гипотезы о происхождении роста опухоли.

    КАС пабмед Google ученый

  • Тернер, Дж.С. и Бриттен, Э. Г. Кислород как фактор фотосинтеза. биол. Ред. 37 , 130–170 (1962).

    КАС пабмед Google ученый

  • Педерсен, П. Л. «Электростанции» раковых клеток как многообещающие терапевтические мишени: обзор. Дж. Биоэнергия. биомембрана 39 , 1–12 (2007).

    КАС пабмед Google ученый

  • Варбург, О.О нарушениях дыхания в раковых клетках. Наука 124 , 269–270 (1956).

    КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Кребс, Х. Отто Генрих Варбург. 1883–1970 гг. Биогр. Мемс упал. Р. Соц. 18 , 628–699 (1972). Прекрасная англоязычная биография Отто Варбурга.

    Google ученый

  • Кребс, Х. Otto Warburg, Zellphysiologe, Biochemiker, Mediziner (Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft mbH, Stuttgart, 1979).

    Google ученый

  • Вернер, П. Отто Варбург. Von der Zellphysiologie zur Krebsforschung (Verlag Neues Leben, Берлин, 1988).

    Google ученый

  • Höxtermann, E. & Sucker, U. Otto Warburg (BSB B.G. Teubner Verlagsgesellschaft, Лейпциг, 1989).

    Google ученый

  • Koepcke, C. Lotte Warburg (Iudicium, München, 2000).

    Google ученый

  • Эйнштейн, А. Эмиль Варбург и Форшер. Натурвисс. 10 , 823–826 (1922).

    КАС Google ученый

  • Варбург, О.Versuche an überlebendem Carcinom-Gewebe (Methoden). Биохим. Zeitschr. 142 , 317–333 (1923).

    КАС Google ученый

  • Warburg, O. Über den Stoffwechsel der Tumoren. Arbeiten aus dem Kaiser Wilhelm-Institut für Biologie — Berlin-Dahlem (Julius Springer, Berlin, 1926).

    Google ученый

  • Шри Кантха, С. Вопрос кумовства при присуждении Нобелевских премий: критика взглядов Ганса Кребса. Мед. Гипотезы 34 , 28–32 (1991).

    КАС пабмед Google ученый

  • Warburg, O. Notizen zur Entwickelungsphysiologie des Seeigeleies. Арх. ф. д. гэс. Физиол. 160 , 324–332 (1915).

    КАС Google ученый

  • Warburg, O. Verbesserte Methode zur Messung der Atmung und Glykolyse. Биохим.Zeitschr. 152 , 51–63 (1924).

    КАС Google ученый

  • Minami, S. Versuche an überlebendem Carcinomgewebe. Биохим. Zeitschr. 142 , 334–350 (1923).

    КАС Google ученый

  • Варбург, О., Позенер, К. и Негеляйн, Э. Убер ден Stoffwechsel der Carcinomzelle. Биохим. Zeitschr. 152 , 309–344 (1924). В этой знаковой статье Варбург и его коллеги представили количественные описания дыхания и продукции молочной кислоты, измеренные с помощью манометрии в различных нормальных, эмбриональных и раковых тканях.

    КАС Google ученый

  • Freyer, J.P., Tustanoff, E., Franko, A.J. & Sutherland, R.M. In situ Показатели потребления кислорода многоклеточными сфероидами V-79 во время роста. Дж. Сотовый. Физиол. 118 , 53–61 (1984).

    КАС пабмед Google ученый

  • Браун, Р. Д. и Битти, А. Л. Моделирование транспорта кислорода через многоклеточные слои опухоли. Микроваск. Рез. 73 , 113–123 (2007).

    КАС пабмед Google ученый

  • Варбург, О. и Хиплер, Э. Versuche mit Ascites-Tumorzellen. З.Натурфорш. 7b , 193–194 (1952).

    КАС Google ученый

  • Шанс, Б. и Кастор, Л. Н. Некоторые образцы дыхательных пигментов асцитных опухолей у мышей. Наука 116 , 200–202 (1952).

    КАС пабмед Google ученый

  • Шанс, Б. и Хесс, Б. Спектроскопические доказательства метаболического контроля. Наука 129 , 700–708 (1959).

    КАС пабмед Google ученый

  • Weinhouse, S. О нарушениях дыхания в раковых клетках. Наука 124 , 267–269 (1956).

    КАС пабмед Google ученый

  • Burk, D. & Schade, A.L. О нарушениях дыхания в раковых клетках. Наука 124 , 270–272 (1956).

    КАС пабмед Google ученый

  • Кори, К.Ф. и Кори, Г. Т. Углеводный метаболизм опухолей. I. Содержание свободного сахара, молочной кислоты и гликогена в злокачественных опухолях. J. Biol. хим. 64 , 11–22 (1925).

    КАС Google ученый

  • Варбург, О., Винд, Ф. и Негеляйн, Э. Убер ден Штоффвехсель дер Туморен в Кёрпере. Klinische Wochenschrift 5 , 829–832 (1926).

    КАС Google ученый

  • Варбург, О., Ветер Ф. и Негелейн Э. Метаболизм опухолей в организме. J. Общая физиол. 8 , 519–530 (1927). Ссылка 29 представляет собой важную работу, в которой потребление глюкозы и производство молочной кислоты в опухолях, трансплантированных крысам, измеряли непосредственно и сравнивали с соответствующим метаболизмом в нормальных тканях. Ссылка 30 является английским переводом ссылки 29.

    CAS пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Кори, К.Ф. и Кори, Г. Т. Углеводный метаболизм опухолей. II. Изменения сахара, молочной кислоты и кокомбинированной способности крови, проходящей через опухоль. J. Biol. хим. 65 , 397–405 (1925).

    КАС Google ученый

  • Sonveaux, P. et al. Нацеливание на дыхание, подпитываемое лактатом, избирательно убивает гипоксические опухолевые клетки у мышей. Дж. Клин. Вкладывать деньги. 118 , 3930–3942 (2008 г.).

    КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Варбург, О.Über den heutigen Stand des Carcinomproblems. Натурвисс. 15 , 1–4 (1927).

    КАС Google ученый

  • Crabtree, HG. Наблюдения за углеводным метаболизмом опухолей. Биохим. J. 23 , 536–545 (1929).

    КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Варбург, О. в Новые методы клеточной физиологии в применении к раку, фотосинтезу и механизму действия рентгеновского излучения.Разработано в 1945–1961 гг. (изд. Варбург, О.) 631–632 (Interscience Publishers, Нью-Йорк, 1962 г.). Эта книга содержит репринты работ Варбурга о метаболизме раковых клеток и фотосинтезе, опубликованных в период с 1945 по 1961 год. Большинство публикаций на немецком языке, но некоторые на английском, в том числе форум из трех частей «О нарушениях дыхания в раковых клетках», опубликованный в Science в 1956 г. В предпоследней главе книги Варбург исправляет свою классификация раковых клеток как клеток, в которых дыхание скорее недостаточно, чем нарушено.

  • Коппенол, У. Х. и Баундс, П. Л. Эффект Варбурга и метаболическая эффективность: повторные расчеты. Science [онлайн], (2009).

  • Elstrom, R.L. et al. Akt стимулирует аэробный гликолиз в раковых клетках. Рак Res. 64 , 3892–3899 (2004).

    КАС Google ученый

  • Вармус Х., Пао В., Полити К., Подсыпанина К. и Ду Ю.C. Онкогены достигают совершеннолетия. Гавань Колд Спринг. Симп. Квант. биол. 70 , 1–9 (2005).

    КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Land, H., Parada, L. F. & Weinberg, R. A. Туморогенная конверсия первичных эмбриональных фибробластов требует по крайней мере двух взаимодействующих онкогенов. Природа 304 , 596–602 (1983).

    КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Парсонс, Д.В. и др. Комплексный геномный анализ мультиформной глиобластомы человека. Наука 321 , 1807–1812 (2008). В этой основополагающей статье сообщается о частых мутациях в IDh2 и IDh3 при раке головного мозга человека.

    КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Бейли, Дж. П. и Девили, П. Опухоли Варбурга и механизмы митохондриальных генов-супрессоров опухолей.Лаять нужное дерево? Курс. мнение Жене. Дев. 20 , 324–329 (2010).

    КАС пабмед Google ученый

  • Нахмансон, Д. Немецко-еврейские пионеры науки, 1900–1933 (Springer, New York, 1979).

    Google ученый

  • Hao, H. X. et al. SDH5 , ген, необходимый для флавинирования сукцинатдегидрогеназы, мутирует при параганглиоме. Наука 325 , 1139–1142 (2009).

    КАС Google ученый

  • Кинг А., Селак М. А. и Готтлиб Э. Сукцинатдегидрогеназа и фумаратгидратаза: связь митохондриальной дисфункции и рака. Онкоген 25 , 4675–4682 (2006).

    КАС Google ученый

  • Seagroves, T. N. et al. Фактор транскрипции HIF-1 является необходимым медиатором эффекта Пастера в клетках млекопитающих. Мол. Клетка. биол. 21 , 3436–3444 (2001).

    КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Келин, В. Г. Младший и Рэтклифф, П. Дж. Чувство кислорода многоклеточными животными: центральная роль пути гидроксилазы HIF. Мол. Сотовый 30 , 393–402 (2008).

    КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Ферт, Дж.Д., Эберт Б.Л., Пью К.В. и Рэтклифф П.Дж. Регулируемые кислородом элементы управления в генах фосфоглицераткиназы 1 и лактатдегидрогеназы А: сходство с 3′-энхансером эритропоэтина. Проц. Натл акад. науч. США 91 , 6496–6500 (1994).

    КАС пабмед Google ученый

  • Семенза Г.Л., Рот П.Х., Фанг Х.-М. и Ван, Г.Л. Транскрипционная регуляция генов, кодирующих гликолитические ферменты, фактором 1, индуцируемым гипоксией. J. Biol. хим. 269 , 23757–23763 (1994).

    КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Reitman, ZJ & Yan, H. Мутации изоцитратдегидрогеназы 1 и 2 при раке: изменения на перекрестке клеточного метаболизма. J. Natl Cancer Inst. 102 , 932–941 (2010).

    КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Гросс С.и другие. Ассоциированный с раком метаболит 2-гидроксиглутарат накапливается при остром миелогенном лейкозе с мутациями изоцитратдегидрогеназы 1 и 2. Дж. Экспл. Мед. 207 , 339–344 (2010).

    КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Чжао, С. и др. Мутации IDh2, происходящие от глиомы, преимущественно ингибируют каталитическую активность IDh2 и индуцируют HIF-1α. Наука 324 , 261–265 (2009).

    КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Данг Л. и др. Мутации IDh2, связанные с раком, продуцируют 2-гидроксиглутарат. Природа 462 , 739–744 (2009). В этой статье сообщается о неоморфной активности мутантного IDh2, который продуцирует 2-гидроксиглутарат из оксоглутарата.

    КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Фигероа, М.Э. и др. Лейкемические мутации IDh2 и IDh3 приводят к фенотипу гиперметилирования, нарушают функцию TET2 и нарушают гемопоэтическую дифференцировку. Раковая клетка 18 , 553–567 (2010).

    КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Сюй, В. и др. Онкометаболит 2-гидроксиглутарат является конкурентным ингибитором α-кетоглутарат-зависимых диоксигеназ. Раковая клетка 19 , 17–30 (2011).

    КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • He, Y. et al. Гетероплазматические мутации митохондриальной ДНК в нормальных и опухолевых клетках. Природа 464 , 610–614 (2010). В этой статье представлен всесторонний анализ мутаций мтДНК, встречающихся в нормальных и опухолевых клетках, иллюстрирующий естественное возникновение мутаций мтДНК во время эмбриогенеза.

    КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Петрос Дж. А. и др. Мутации мтДНК увеличивают туморогенность при раке предстательной железы. Проц. Натл акад. науч. США 102 , 719–724 (2005).

    КАС пабмед Google ученый

  • Чжоу, С. и др. Частота и фенотипические последствия мутаций митохондриальной ДНК при плоскоклеточном раке головы и шеи человека. Проц. Натл акад. науч. США 104 , 7540–7545 (2007 г.).

    КАС пабмед Google ученый

  • Парк, Дж.С. и др. Гетероплазматическая, а не гомоплазматическая мутация митохондриальной ДНК способствует онкогенезу за счет изменения генерации активных форм кислорода и апоптоза. Гул. Мол. Жене. 18 , 1578–1589 (2009).

    КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Исикава, К. и др. Мутации митохондриальной ДНК, генерирующие АФК, могут регулировать метастазирование опухолевых клеток. Наука 320 , 661–664 (2008).

    КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Вандер Хейден, М. Г., Кэнтли, Л. К. и Томпсон, К. Б. Понимание эффекта Варбурга: метаболические потребности пролиферации клеток. Наука 324 , 1029–1033 (2009).

    КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Хсу, П. П. и Сабатини, Д.М. Метаболизм раковых клеток: Варбург и не только. Cell 134 , 703–707 (2008).

    КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Semenza, G.L. HIF-1: вверх и вниз по течению метаболизма рака. Курс. мнение Жене. Дев. 20 , 51–56 (2010). В этой статье представлен всесторонний обзор HIF1 как критического узла в перепрограммировании метаболизма рака.

    КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Деберардинис, Р.J., Sayed, N., Ditsworth, D. & Thompson, C.B. По кирпичикам: метаболизм и рост опухолевых клеток. Курс. мнение Жене. Дев. 18 , 54–61 (2008).

    КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Левин, А. Дж. и Пуцио-Кутер, А. М. Контроль метаболического переключения при раке с помощью онкогенов и генов-супрессоров опухолей. Наука 330 , 1340–1344 (2010).

    КАС пабмед Google ученый

  • Купер Дж.А., Эш, Ф.С., Тейлор, С.С. и Хантер, Т. Сайты фосфорилирования в энолазе и лактатдегидрогеназе, используемые тирозинпротеинкиназами in vivo и in vitro . J. Biol. хим. 259 , 7835–7841 (1984).

    КАС пабмед Google ученый

  • Флиер, Дж. С., Мюклер, М. М., Ашер, П. и Лодиш, Х. Ф. Повышенные уровни транспорта глюкозы и транспортной информационной РНК индуцируются онкогенами ras или src. Наука 235 , 1492–1495 (1987).

    КАС Google ученый

  • Глидл, Дж. М. и Рэтклифф, П. Дж. Индукция гипоксией индуцируемого гипоксией фактора-1, эритропоэтина, фактора роста эндотелия сосудов и транспортера глюкозы-1: доказательства против регуляторной роли киназы Src. Кровь 89 , 503–509 (1997).

    КАС Google ученый

  • Цзян Б.-H., Agani, F., Passaniti, A. & Semenza, GL V-SRC индуцирует экспрессию индуцируемого гипоксией фактора 1 (HIF-1) и транскрипцию генов, кодирующих фактор роста эндотелия сосудов и энолазу 1: участие HIF- 1 в опухолевой прогрессии. Рак Res. 57 , 5328–5335 (1997).

    КАС Google ученый

  • Osthus, R. C. et al. Нарушение регуляции транспортера глюкозы 1 и экспрессии гликолитического гена c-Myc. J. Biol. хим. 275 , 21797–21800 (2000 г.).

    КАС Google ученый

  • Ахуджа, П. и др. Myc контролирует транскрипционную регуляцию сердечного метаболизма и митохондриального биогенеза в ответ на патологический стресс у мышей. Дж. Клин. Вкладывать деньги. 120 , 1494–1505 (2010).

    КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Шим, Х.и другие. c-Myc трансактивация LDH-A : значение для метаболизма и роста опухоли. Проц. Натл акад. науч. США 94 , 6658–6663 (1997). В этой статье сообщается о первой прямой связи между онкогеном MYC и регуляцией энергетического обмена.

    КАС пабмед Google ученый

  • Christofk, H. R. et al. Изоформа сплайсинга M2 пируваткиназы важна для метаболизма рака и роста опухоли. Природа 452 , 230–233 (2008).

    КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Мазурек С., Бошек С. Б., Хьюго Ф. и Эйгенбродт Э. Пируваткиназа типа М2 и ее роль в росте и распространении опухоли. Семин. Рак биол. 15 , 300–308 (2005).

    КАС Google ученый

  • Дэвид, С.Дж., Chen, M., Assanah, M., Canoll, P. & Manley, JL. Белки HnRNP, контролируемые c-Myc, дерегулируют сплайсинг мРНК пируваткиназы при раке. Природа 463 , 364–368 (2010). Ссылки 72–74 документируют роль PKM2, альтернативно сплайсированной формы PK, в метаболизме рака.

    КАС пабмед Google ученый

  • Dang, C.V. Целевые гены c-Myc, участвующие в росте клеток, апоптозе и метаболизме. Мол. Клетка. биол. 19 , 1–11 (1999).

    КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Роби, Р. Б. и Хей, Н. Является ли Akt «киназой Варбурга»? — Akt: взаимодействие энергетического метаболизма и онкогенез. Семин. Рак биол. 19 , 25–31 (2009).

    КАС Google ученый

  • Депре Х., Вертоммен Д., Алесси, Д. Р., Хью, Л. и Райдер, М. Х. Фосфорилирование и активация сердечной 6-фосфофрукто-2-киназы протеинкиназой B и другими протеинкиназами сигнальных каскадов инсулина. J. Biol. хим. 272 , 17269–17275 (1997).

    КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Arsham, A.M., Plas, D.R., Thompson, C.B. & Simon, M.C. Передача сигналов фосфатидилинозитол-3-киназы/Akt не требуется для гипоксической стабилизации HIF-1a и не является достаточной для HIF-1-зависимой транскрипции гена-мишени. J. Biol. хим. 277 , 15162–15170 (2002 г.).

    КАС пабмед Google ученый

  • Arsham, A.M., Plas, D.R., Thompson, C.B. & Simon, M.C. Akt и индуцируемый гипоксией фактор-1 независимо усиливают рост опухоли и ангиогенез. Рак Res. 64 , 3500–3507 (2004 г.).

    КАС пабмед Google ученый

  • Лафнер, Э., Taghavi, P., Chiles, K., Mahon, PC & Semenza, GL Передача сигналов HER2 (neu) увеличивает скорость синтеза индуцируемого гипоксией фактора 1α (HIF-1α): новый механизм HIF-1-опосредованного роста эндотелия сосудов Факторное выражение. Мол. Клетка. биол. 21 , 3995–4004 (2001).

    КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Fan, Y., Dickman, K.G. & Zong, W.X. Akt и c-Myc дифференциально активируют клеточные метаболические программы и запускают клетки для биоэнергетического ингибирования. J. Biol. хим. 285 , 7324–7333 (2010).

    КАС Google ученый

  • Robey, I. F. et al. Регуляция эффекта Варбурга в клетках раннего пассажа рака молочной железы. Неоплазия 10 , 745–756 (2008).

    КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Юн, Дж. и др. Депривация глюкозы способствует развитию мутаций пути KRAS в опухолевых клетках. Наука 325 , 1555–1559 (2009).

    КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Ramanathan, A., Wang, C. & Schreiber, S.L. Пертурбационное профилирование клеточной модели онкогенеза с использованием метаболических измерений. Проц. Натл акад. науч. США 102 , 5992–5997 (2005 г.).

    КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Кикучи, Х. , Pino, M.S., Zeng, M., Shirasawa, S. & Chung, D.C. Онкогенные KRAS и BRAF по-разному регулируют индуцируемые гипоксией факторы-1α и -2α при раке толстой кишки. Рак Res. 69 , 8499–8506 (2009 г.).

    КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Sears, R., Leone, G., DeGregori, J. & Nevins, J.R. Ras повышает стабильность белка Myc. Мол. Сотовый 3 , 169–179 (1999).

    КАС пабмед Google ученый

  • Gordan, J.D. et al. Влияние HIF-α на c-Myc позволяет различать два подтипа спорадической светлоклеточной карциномы почки с дефицитом VHL. Раковая клетка 14 , 435–446 (2008).

    КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Зундел, В. и др. Потеря PTEN облегчает опосредованную HIF-1 экспрессию генов. Гены Дев. 14 , 391–396 (2000).

    КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Благосклонный М.В. и др. p53 Ингибирует транскрипцию, стимулированную гипоксией-индуцируемым фактором. J. Biol. хим. 273 , 11995–11998 (1998).

    КАС пабмед Google ученый

  • Агани Ф., Кирш Д.Г., Фридман С.L., Kastan, M.B. & Semenza, G.L. p53 не подавляет индуцированную гипоксией транскрипцию гена сосудистого эндотелиального фактора роста. Рак Res. 57 , 4474–4477 (1997).

    КАС пабмед Google ученый

  • Бенсаад, К. и др. TIGAR, p53-индуцируемый регулятор гликолиза и апоптоза. Cell 126 , 107–120 (2006).

    КАС Google ученый

  • Вусден, К. H. & Ryan, KM p53 и метаболизм. Nature Rev. Рак 9 , 691–700 (2009).

    КАС Google ученый

  • Cheung, E.C. & Vousden, K.H. Роль p53 в метаболизме глюкозы. Курс. мнение Клеточная биол. 22 , 186–191 (2010).

    КАС пабмед Google ученый

  • Матоба, С. и др. p53 регулирует митохондриальное дыхание. Наука 312 , 1650–1653 (2006).

    КАС Google ученый

  • Руис-Лозано, П. и др. p53 является активатором транскрипции специфического для мышц гена фосфоглицератмутазы и способствует in vivo контролю его кардиальной экспрессии. Рост клеток отличается. 10 , 295–306 (1999). Этот документ, ссылка 92 и ссылка 94 связывают p53 с метаболизмом глюкозы и функцией митохондрий.

    КАС пабмед Google ученый

  • Бранд, К. Метаболизм глютамина и глюкозы во время пролиферации тимоцитов. Пути метаболизма глутамина и глутамата. Биохим. J. 228 , 353–361 (1985).

    КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Ньюсхолм, Э.А., Крэбтри, Б. и Ардави, М.С.М. Метаболизм глутамина в лимфоцитах: его биохимическое, физиологическое и клиническое значение. QJ Exp. Физиол. 70 , 473–489 (1985).

    КАС пабмед Google ученый

  • Мореадит, Р. В. и Ленингер, А. Л. Путь окисления глутамата и глутамина митохондриями опухолевых клеток. Роль митохондриального NAD(P) + -зависимого яблочного фермента. J. Biol. хим. 259 , 6215–6221 (1984).

    КАС пабмед Google ученый

  • Деберардинис, Р.J. & Cheng, T. Q’s next: разнообразные функции глютамина в метаболизме, клеточной биологии и раке. Онкоген 29 , 313–324 (2010).

    КАС Google ученый

  • Гао, П. и др. Супрессия c-Myc miR-23a/b усиливает экспрессию митохондриальной глутаминазы и метаболизм глутамина. Природа 458 , 762–765 (2009).

    КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Уайз, Д.Р. и др. Myc регулирует программу транскрипции, которая стимулирует митохондриальный глутаминолиз и приводит к зависимости от глутамина. Проц. Натл акад. науч. США 105 , 18782–18787 (2008 г.).

    КАС Google ученый

  • Юнева М., Замбони Н., Офнер П., Сачиданандам Р. и Лазебник Ю. Дефицит глутамина, но не глюкозы, вызывает MYC-зависимый апоптоз в клетках человека. Дж. Сотовый. биол. 178 , 93–105 (2007). Ссылки 100–102 связывают MYC с регуляцией метаболизма глютамина и зависимостью от глютамина.

    КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Wang, J.B. et al. Нацеливание на активность митохондриальной глутаминазы ингибирует онкогенную трансформацию. Раковая клетка 18 , 207–219 (2010).

    КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Вайнберг, Ф.и другие. Митохондриальный метаболизм и генерация АФК необходимы для Kras-опосредованной онкогенности. Проц. Натл акад. науч. США 107 , 8788–8793 (2010 г.).

    КАС Google ученый

  • Cadoret, A. et al. Новые мишени передачи сигналов β-катенина в печени участвуют в метаболизме глутамина. Онкоген 21 , 8293–8301 (2002).

    КАС пабмед Google ученый

  • Мацуно Т. & Goto, I. Активность глутаминазы и глутаминсинтетазы в печени человека с циррозом печени и гепатоцеллюлярной карциномой. Рак Res. 52 , 1192–1194 (1992).

    КАС пабмед Google ученый

  • Линдер-Горовиц, М., Нокс, У. Э. и Моррис, Х. П. Активность глутаминазы и скорость роста крысиных гепатом. Рак Res. 29 , 1195–1199 (1969).

    КАС пабмед Google ученый

  • Даль Белло, Б.и другие. Иммуноокрашивание глутаминсинтетазы коррелирует с патологическими особенностями гепатоцеллюлярной карциномы и лучшей выживаемостью после радиочастотной термической абляции. клин. Рак рез. 16 , 2157–2166 (2010).

    КАС пабмед Google ученый

  • Burke, Z.D. et al. Зонирование печени происходит посредством β-катенин-зависимого, c-Myc-независимого механизма. Гастроэнтерология 136 , 2316–2324 (2009).

    КАС пабмед Google ученый

  • Vousden, K. H. Альтернативное топливо — еще одна роль p53 в регуляции метаболизма. Проц. Натл акад. науч. США 107 , 7117–7118 (2010 г.).

    КАС пабмед Google ученый

  • Hu, W. et al. Глутаминаза 2, новый ген-мишень p53, регулирующий энергетический обмен и антиоксидантную функцию. Проц. Натл акад. науч. США 107 , 7455–7460 (2010 г.).

    КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Suzuki, S. et al. Фосфат-активируемая глутаминаза (GLS2), p53-индуцируемый регулятор метаболизма глутамина и активных форм кислорода. Проц. Натл акад. науч. США 107 , 7461–7466 (2010 г.).

    КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Шафер, З. Т. и др. Антиоксидантное и онкогенное восстановление метаболических дефектов, вызванных потерей прикрепления к матриксу. Природа 461 , 109–113 (2009).

    КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Greiner, E. F., Guppy, M. & Brand, K. Глюкоза необходима для пролиферации и индукции гликолитических ферментов, которые провоцируют переход к гликолитической выработке энергии. J. Biol. хим. 269 , 31484–31490 (1994).

    КАС пабмед Google ученый

  • Lemons, J. M. et al. Покоящиеся фибробласты проявляют высокую метаболическую активность. PLoS Биол. 8 , e1000514 (2010 г.).

    ПабМед ПабМед Центральный Google ученый

  • Shim, H., Chun, Y.S., Lewis, B.C. & Dang, C.V. Уникальный глюкозозависимый путь апоптоза, индуцированный c-Myc. Проц.Натл акад. науч. США 95 , 1511–1516 (1998).

    КАС пабмед Google ученый

  • Липпман, С. И. и Броуч, Дж. Р. Протеинкиназа А и TORC1 активируют гены рибосомного биогенеза путем инактивации репрессоров, кодируемых Dot6 и его гомологом Tod6. Проц. Натл акад. науч. США 106 , 19928–19933 (2009 г.).

    КАС пабмед Google ученый

  • Рабинович, Дж.Д. и Уайт, Э. Ауофагия и метаболизм. Наука 330 , 1344–1348 (2010).

    КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Ле, А. и др. Ингибирование лактатдегидрогеназы А вызывает окислительный стресс и тормозит прогрессирование опухоли. Проц. Натл акад. науч. США 107 , 2037–2042 (2010 г.).

    КАС Google ученый

  • Микелакис, Э. Д. и др. Метаболическая модуляция глиобластомы дихлорацетатом. Науч. Перевод Мед. 2 , 31ra34 (2010).

    КАС пабмед Google ученый

  • Данг, К. В. Переосмысление эффекта Варбурга с помощью Myc, управляющего метаболизмом глютамина на микроуровне. Рак Res. 70 , 859–862 (2010).

    КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Ким, Дж.W., Gao, P., Liu, Y.C., Semenza, G.L. & Dang, C.V. Индуцируемый гипоксией фактор 1 и нерегулируемый c-Myc совместно индуцируют фактор роста эндотелия сосудов и метаболические переключатели гексокиназу 2 и киназу пируватдегидрогеназы 1. Mol. Клетка. биол. 27 , 7381–7393 (2007).

    КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Фунес, Дж. М. и др. Трансформация мезенхимальных стволовых клеток человека увеличивает их зависимость от окислительного фосфорилирования для производства энергии. Проц. Натл акад. науч. США 104 , 6223–6228 (2007 г.).

    КАС Google ученый

  • Фогал В. и др. Митохондриальный белок p32 является важным регулятором метаболизма опухоли посредством поддержания окислительного фосфорилирования. Мол. Клетка. биол. 30 , 1303–1318 (2010).

    КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Кремер, Г.& Pouyssegur, J. Метаболизм опухолевых клеток: ахиллесова пята рака. Раковая клетка 13 , 472–482 (2008).

    КАС пабмед Google ученый

  • Кэрнс, Р. А., Харрис, И. С. и Мак, Т. В. Регулирование метаболизма раковых клеток. Nature Rev. Рак 11 , 85–95 (2011).

    КАС Google ученый

  • Теннант, Д.А., Дюран, Р. В. и Готтлиб, Э. Нацеливание на метаболическую трансформацию для лечения рака. Nature Rev. Рак 10 , 267–277 (2010). Это всеобъемлющий критический обзор новой области терапевтического воздействия на метаболизм рака.

    КАС Google ученый

  • Thornburg, J.M. et al. Ориентация на аспартатаминотрансферазу при раке молочной железы. Рак молочной железы Res. 10 , R84 (2008).

    ПабМед ПабМед Центральный Google ученый

  • Крог, А. Скорость диффузии газов через ткани животных, с некоторыми замечаниями по коэффициенту инвазии. J. Physiol. 52 , 391–408 (1919).

    КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Warburg, O. Über Milchsäurebildung beim Wachstum. Биохим.Zeitschr. 160 , 307–311 (1925).

    КАС Google ученый

  • Метаболические пути метаболизма – понятие, назначение и примеры

    Введение о том, что такое метаболический путь метаболизма

    Все химические реакции, происходящие внутри клетки, в совокупности называются клеточным метаболизмом. Если бы мы могли заглянуть внутрь любой клетки нашего тела, мы бы увидели, что это серия биохимических реакций, в ходе которых молекулы субстрата превращаются в промежуточные метаболические соединения, дающие конечные продукты.Промежуточный продукт ферментативной реакции известен как метаболит.

    Метаболиты далее модифицируются последовательностью химических реакций, катализируемых ферментами.

    Концепция метаболизма

    Весь процесс питания состоит из двух частей. Прием пищи и использование пищи для получения энергии. В каждом живом организме, будь то прокариотическая бактерия или эукариотическая клетка, процесс питания одинаков. Концепция метаболических реакций относится к использованию пищи для получения энергии.Непереваренная пища должна быть использована для переваривания. Ключом к метаболизму является питание, а целью является извлечение энергии.

    Во время метаболизма биомолекулы, присутствующие в пище, используются для извлечения энергии из клетки. Образование другой молекулы обусловлено превращением одного соединения. Например, белки, полученные из пищи, метаболизируются в аминокислоты, которые позже используются для синтеза другого белка. Метаболизм представляет собой катализируемую ферментами реакцию, которая обеспечивает биомолекулы, необходимые клетке для роста, поддержания и восстановления.

    Пример метаболических путей:

    • Глюкоза окисляется с помощью кислорода с целью производства АТФ, аденозинтрифосфата в процессе клеточного дыхания.

    • Для нормального функционирования клеток животные клетки используют молекулы АТФ, поскольку они служат основным источником энергии для метаболизма.

    Простые способы повысить метаболизм

    1. Солома содержит белки, повышающие метаболизм в организме.Это называется термическим эффектом пищи. Наибольший подъем термического эффекта пищи наблюдается при потреблении белка. Употребление в пищу белков предохраняет нас от явления переедания.

    2. Употребление большего количества холодной воды вместо сладких напитков может помочь успешно снизить потребление калорий. Потребление 17 унций (0,5 литра) воды увеличивает метаболизм в состоянии покоя на 10-30 процентов примерно на час.

    3. Поднятие тяжестей помогает перетренировать мышцы и бороться с замедлением метаболизма.

    4. Больше стойте – долгие часы сидения снижают метаболическую активность.

    5. Употребление в пищу перца ускоряет обмен веществ, так как перец содержит капсаицин, ускоряющий обмен веществ.

    Назначение метаболических путей

    • Для клеточной деятельности по выработке энергии.

    • Для превращения пищи в строительные блоки для синтеза биомолекул, таких как углеводы, белки, липиды и нуклеиновые кислоты.

    • Для удаления отходов и токсичных продуктов.

    Основные метаболические пути

    Существует два основных типа метаболических путей.

    Катаболические и анаболические.

    Катаболические пути высвобождают энергию, которая расщепляет молекулы на более простые молекулы.

    Пример катаболического пути —

    Цикл Кребса или Цикл лимонной кислоты — В этом пути окислению подвергается ацетат макронутриентов, таких как белки, жиры и молекулы углеводов. Конечным продуктом является углекислый газ.

    [Изображение будет загружено в ближайшее время]

    Гликолиз. Процесс, в котором организмы и растения накапливают и выделяют глюкозу и другую энергию сахара для создания высокоэнергетической молекулы, известен как аденозинтрифосфат (АТФ).АТФ называют «энергетической валютой жизни», потому что он хранит энергию, необходимую нам для ежедневного функционирования и работы. Катаболический путь помогает создавать энергию для различных видов деятельности.

    Анаболические пути 

    Ферментам анаболического пути или процессам биосинтеза нужна энергия для изменения или преобразования молекул в более сложные молекулы или макромолекулы.

    Пример. Аминокислоты можно использовать для создания белка, углекислого газа и сахара. Кроме того, нуклеиновые кислоты могут быть использованы для создания новых цепей ДНК.

    Границы | Концепции, проблемы и успехи в моделировании термодинамики метаболизма

    Введение

    Со времен Больцмана было признано, что живые организмы являются термодинамическими объектами. Лотка (1922а) перефразировал мысль Больцмана, «что основным предметом спора в жизненной борьбе, в эволюции органического мира является доступная энергия». Лотка продолжал: «В соответствии с этим наблюдением действует принцип, согласно которому в борьбе за существование преимущество должно отдаваться тем организмам, чьи устройства захвата энергии наиболее эффективно направляют имеющуюся энергию в каналы, благоприятные для сохранения вида.Лотка (1922b) предположил, что естественный отбор на самом фундаментальном уровне представляет собой физический принцип. Шредингер (1945) классно расширил эту концепцию в книге Что такое жизнь? и использовал понятие энтропии для описания того, как порядок в форме высокоэнергетических соединений в окружающей среде управляет организацией внутри организмов. Организмы рассеивают эту энергию на низшие формы. Концепция жизни как неравновесного процесса нашла отклик и у других, в том числе у Пригожина, который описал живые организмы как диссипативные структуры, самоорганизующиеся в ответ на большие неравновесные движущие силы (Пригожин, 1978).Абиотические примеры диссипативных структур включают торнадо, ураганы и конвекционные ячейки. Неравновесные движущие силы «платят» за самоорганизацию, позволяющую результирующим структурам быстро рассеивать энергию. В биологических системах энергия поступает в систему в виде солнечного света или высокоэнергетических соединений, обычно сильно восстановленных соединений углерода, и эта энергия рассеивается в окружающей среде в соответствии со вторым законом термодинамики. В биологических системах часть энергии собирается для оплаты создания дополнительных диссипативных структур (рост и размножение) или для создания больших объемов запасенной энергии в виде побочных продуктов с меньшей энергией.

    Эколог Х. Т. Одум, безусловно, был убежден в роли статистической термодинамики в системной экологии. В статье для журнала American Scientist (Odum and Pinkerton, 1955) Одум стремился понять разнообразную шкалу скоростей природных процессов и предположил, что каждая биологическая система работает с эффективностью, обеспечивающей максимальную эффективность и мощность, подобно концепции Лотки о том, что Преимущество получают организмы, чей метаболизм наиболее эффективно использует энергию для размножения.Одум понимал естественный отбор как «постоянство тех форм, которые могут обладать наибольшей полезной энергией в единицу времени».

    Моровиц также предположил, что далеко неравновесная природная среда ответственна за самоорганизацию биологических систем. Как следствие, Моровиц предположил, что жизнь была не только следствием потока энергии в природных системах, но и что она весьма вероятна. С этой точки зрения естественный отбор представляет собой случайный процесс, и, по словам Дьюара (2005), виды «отбираются потому, что они характерны для каждого из подавляющего большинства путей, по которым энергия и материя могут течь в условиях ограничений, налагаемых местными условиями». сохранения энергии и массы».Такие концепции метаболизма привели к первой гипотезе возникновения жизни на Земле (Smith and Morowitz, 2004).

    Несмотря на то, что в литературе представлено прекрасное собрание дискуссий о производстве энтропии и самоорганизации природных систем (Kleidon et al., 2010), по большей части признание учеными-физиками роли термодинамики как причинного фактора в работе биологических систем резко контрастирует с отсутствием обсуждения термодинамики в экспериментальной литературе по наукам о жизни.Основная причина этого может заключаться в абстрактном характере статистической термодинамики и отсутствии инструментов для моделирования и оценки термодинамических аспектов живых систем. В конце концов, с момента ее концептуализации развитие термодинамики в основном касалось равновесных процессов, а биологические системы в высшей степени неравновесны.

    Однако за последние 20 лет статистическая термодинамика и теоремы о флуктуациях позволили значительно продвинуться в понимании неравновесных систем. Теоремы о флуктуациях начинают использоваться для моделирования биологических систем, позволяя нам понять, как работает клеточный механизм. Эти теоремы говорят нам о важном различии между термодинамическими моделями макроскопических процессов и статистическими термодинамическими моделями микроскопических процессов, таких как те, которые составляют клетки. Второй закон термодинамики описывает макроскопические процессы и утверждает, что энтропия самопроизвольного процесса никогда не уменьшается. Второй закон, однако, ничего не говорит о микроскопических событиях, составляющих макроскопический процесс.Этими микроскопическими событиями могут быть, например, наборы связанных реакций, которые приводят к некоторому наблюдаемому изменению состояния — другому фенотипу на языке биологии. Эти микроскопические явления связаны с комплексами ферментов и связанными путями реакций в клетках, которые не являются просто уменьшенными версиями лабораторных систем размером с химический стакан. На самом деле компоненты небольших систем иногда могут работать в обратном направлении. В литературе имеется ряд прекрасных обзоров флуктуационных теорем (Harris and Schutz, 2007; Sevick et al., 2008; Seifert, 2012), и здесь мы дадим только краткое описание.

    В этом отчете мы сосредоточимся на проблемах и проблемах термодинамического моделирования биологических систем связанных реакций, таких как те, которые происходят в метаболизме. Сначала мы обсудим функции плотности вероятности, основанные на вероятностях Больцмана и связи со свободной энергией. Тесно связано со свободной энергией понятие энтропии. Мы обсудим различные формулировки энтропии и их значения, чтобы дать четкое представление о производстве энтропии.Наконец, с использованием этой концептуальной основы будут кратко обсуждены теоремы о флуктуациях. Хотя теоремы о флуктуациях еще не использовались для широкого моделирования метаболизма, они имеют большие перспективы и использовались для изучения динамики отдельных молекул и динамики связанных биохимических реакций в различных масштабах. Наконец, обсуждается применение статистической термодинамики для моделирования биологических реакций, далеких от равновесия.

    Теоретическая база

    Понимание основополагающих концепций моделирования термодинамики необходимо для понимания проблем, с которыми сталкивается эта область.Математические концепции, представленные в литературе, часто слишком абстрактны, чтобы быть легко доступными для тех, кто не является специалистом в области статистической термодинамики. Дело в том, что может показаться, что литература содержит зоопарк, казалось бы, несвязанных статистических данных, и все они называются энтропией. Понимание того, какая энтропия используется, имеет решающее значение для понимания и применения термодинамического моделирования и теорем о флуктуациях, как станет очевидным ниже.

    Однако огромное количество физических знаний о теоремах о флуктуациях и термодинамическом моделировании можно получить, если понять полиномиальную функцию распределения, которая является просто обобщением обычной биномиальной функции распределения, когда возможны более двух результатов.Что касается кинетики реакции, возможны более двух исходов, когда у нас присутствует более двух взаимопревращающихся частиц. Математическая форма полиномиального распределения:

    Prn1,…,nm|Ntotal,θ1,…,θm=Ntotal!∏objectsjm1nj!θjnj.

    Приведенная выше полиномиальная плотность вероятности представляет собой вероятность того, что n j объектов типа j будут присутствовать при наличии N всего = Σ n j объектов.В приведенном выше уравнении θ j — это вероятность того, что объект j не зависит от других объектов. Согласно частотной статистике, эта вероятность представляет собой просто долгосрочную пропорцию числа объектов j , которые присутствуют, θ j = n j / N всего . Плотность вероятности не просто Pr=Πjθjnj, потому что каждый отдельный объект типа j неотличим от всех других объектов типа j .Таким образом, плотность вероятности должна быть скорректирована на количество перестановок и комбинаций каждого типа объекта, что учитывается факторными членами в полиномиальной функции распределения.

    Теперь рассмотрим систему, состоящую из трех химических соединений A, B и C в водном растворе в контейнере фиксированного объема. Каждый из трех видов может взаимно преобразовываться в один из двух других видов, но общее число частиц фиксировано таким образом, что всего .Вероятность Больцмана θ i видов i связана со свободной энергией Гельмгольца сольватации Δ𝒜i0 через,

    θi=e−Δ𝒜i0∕kBT∑виды jme−Δ𝒜j0∕kBT. (1)

    , где k B — постоянная Больцмана, а T — температура. Для простоты мы пренебрежем внутренними степенями свободы для каждого вида. В этом случае числитель e−Δ𝒜i0∕kT называется молекулярной статистической суммой q i .Знаменатель представляет собой просто нормировочную функцию, обычно обозначаемую как q = Σ q i , логарифм которой представляет собой среднюю больцмановскую энергию системы, −⟨ E B / k . Б Т . Статистически распределение частиц характеризуется полиномиальной функцией плотности вероятности Больцмана,

    Prn1,…,nm|Nобщ,θ1,…,θm=Nобщ!∏виды jm1nj!θjnj

    , где n j — количество частиц видов j , а всего N частиц.По аналогии с макроскопической свободной энергией из статистической термодинамики можно определить ненормированную массовую плотность для микроскопического состояния, которая является функцией статистических сумм молекул q i вместо вероятностей Больцмана,

    −An1,…,nm|NT,q1,…,qmkBT=logNtotal!∏jm1nj!qjnj (2)

    для краткости, мы напишем A ( N 1 , …, N м | м |

    8 N

    R , Q 1 , …, Q M ) как A(n¯|NT,q¯) или просто A .Значение A в уравнении. 2 не является свободной энергией, потому что это не среднее значение по всем возможным значениям для каждого из n j . Соотношение между A и плотностью вероятности этого микроскопического состояния равно

    . −A∕kBT=logPr(n1,…,nm|Nобщ,θ1,…,θm)+Nобщ⋅logq

    или аналогичный,

    logPrn1,…,нм|Nобщ,θ1,…,θm=A∕kBT+Nобщ⋅logq

    Так как log q = − ⟨ E B / k B T , мы имеем отношение

    −Sg=A∕kBT−NTEB∕kBTSg=−logPrn1,…,nm|NT,θ1,…,θm (3)

    Эта функция справа представляет собой строго логарифмическую вероятность, а не энтропию.Однако среднее логарифмическое правдоподобие представляет собой энтропию и фактически представляет собой энтропию Гиббса для системы с фиксированным общим числом частиц,

    . SG=∑микросостоянияJPrJlogPrJ=A(n¯|NT,q¯)−NtotalEB (4)

    Откуда PR ( J ) является сокращением для PR ( N 1 = N 1 ( J ), …, N M ( J ) | N total , θ 1 , …, θ m ) и A(n¯|NT,q¯)=𝒜 — свободная энергия макроскопического состояния с параметром N T . Поскольку энтропия Гиббса представляет собой среднее значение по микросостояниям, это энтропия, связанная с макроскопическими наблюдениями (Jaynes, 1965).

    Добавление путаницы в определение энтропии связано с отношениями микросостояний,

    SB=A∕kBT−NtotalE∕kBTU (5)

    где теперь ⟨ E / k B T U — средняя энергия микросостояния при равномерном распределении вместо распределения Больцмана. Энтропийный срок также дан S = — Σ

    8 P

    J

    J

    J

    , где еще раз вероятности

    8 P

    J

    9 =

    N J / N Всего относятся к равномерному распределению (Davidson, 1962; Cannon, 2014).Нижний индекс указывает, что это энтропия Больцмана, поскольку она получена из log W , где W — полиномиальный коэффициент. Эту энтропию также иногда называют конфигурационной энтропией (Davidson, 1962). Разница между энтропиями Гиббса и Больцмана, конечно, связана с межмолекулярными потенциалами и микроскопическими и макроскопическими перспективами (Jaynes, 1965).

    Если общее количество частиц не фиксировано, необходимо внести коррективы в приведенные выше уравнения.Как правило, корректировка заключается в удалении нормализации вероятностей Больцмана в уравнении. 1, так что результирующая величина e−A/kBT является ненормированной функцией массы вероятности или шансом e−A/kBT:1. Полиномиальное распределение вероятностей теперь становится полиномиальным распределением шансов, основное отличие которого состоит в том, что функция массы вероятности по всему пространству состояний в сумме равна 1, в то время как сумма нового полиномиального распределения равна значению >1.

    Если общее количество частиц может изменяться из-за того, что система открыта, то уравнение.4 дает

    Обратите внимание, что это определение отличается от одного общепринятого термодинамического определения энтропии, которое определяет энтропию как разницу между свободной энергией и средней энергией,

    Поскольку из неравенства треугольника мы знаем, ||log x − log y || ≥ ||log х|| || log y ||, отсюда следует, что S G S .

    Для набора связанных реакций, например,

    изменение микроскопического состояния с K на J описывается отношением правдоподобия,

    −∆Sg,JK=logPrJPrK, (6)

    или аналогичный,

    , который имеет основную математическую форму теоремы о флуктуациях, но в данном случае является тождеством из-за определения S g в уравнении.3. Если усреднять по всем состояниям J и K и система находится в равновесии,

    PrJPrK=e−∆Sg,JK=1 (8)

    , где угловые скобки обозначают равновесное среднее. Среднее значение равно единице, поскольку логарифмическая вероятность уравнения. 6 в среднем равно нулю. Соотношение 8 просто говорит о том, что в среднем система возвращается к равновесию. В то время как уравнение 7 является точным для микроскопических процессов, проблема его использования для моделирования процессов, зависящих от времени, заключается в том, что основные вероятности, доступные для использования в уравнении. 1 являются стационарными вероятностями Больцмана, однако, если отдельные скорости реакций в системе связанных реакций достаточно различаются, основные вероятности не будут вероятностями Больцмана, которые основаны исключительно на энергетических уровнях реагентов и продуктов. В состоянии равновесия уравнение 7 можно использовать для зависимых от времени вероятностей из-за подробного баланса – уравнение. 8. Однако вдали от равновесия уравнение. 7 больше не действует, потому что детального баланса больше не существует. Вместо этого истинные вероятности будут функцией всей энергетической поверхности системы, включая реакционные барьеры.Теоремы о флуктуациях связывают отношение этих зависящих от времени вероятностей с функцией, связанной с зависящей от времени Δ S g ( t ), или, если используются средние по ансамблю, зависящей от времени Δ S Г ( т ).

    Например, в неравновесном стационарном состоянии средние флуктуации системы все еще можно охарактеризовать время от времени, не зная фактических вероятностей каждого состояния. Рассмотрим отклонение от стационарного состояния J к новому состоянию K с некоторой вероятностью перехода.Мы знаем, что система в конечном итоге вернется в стационарное состояние J , просто мы не знаем, как именно. По большей части отклонение от установившегося состояния будет происходить в направлении действия неравновесной движущей силы. Когда система вернется в устойчивое состояние, часть энергии будет рассеяна из системы. Обратите внимание, что если бы система возвращалась в стационарное состояние по тому же пути, энергия не рассеивалась бы; то есть средняя вероятность вернуться по тому же пути не равна 1, как в случае равновесия (уравнение8). Таким образом, флуктуационные теоремы для неравновесного стационарного состояния принимают вид

    Ω=logπKJtπKJtJ,K (9)

    , где π KJ — вероятность траектории J K , а Ω связано с рассеянием энергии из-за неравновесного устойчивого состояния. Например, теория флуктуаций Эванса-Сирлза связывает зависящие от времени вероятности с зависящей от траектории диссипационной функцией Ω( t ), которая является мерой того, насколько система удалена от детального баланса,

    πKJΩt=−qD∕kBTπJKΩt=qD∕kBT=e−qD∕kBT (10)

    Если q D представляет собой рассеянную энергию из-за отсутствия подробного баланса, то шансы на восстановление этой энергии посредством изменения траектории экспоненциально малы. Можно даже подумать о правой части уравнения. 10 как представление энергии гипотетической частицы («диссипация»), которая имеет фактор Больцмана e−qD/kBT. Недавние разработки в теориях флуктуаций (обзор Sevick et al., 2008; Seifert, 2012) за последние два десятилетия отодвинули конверт в область, далекую от равновесной. Многие биохимические реакции находятся в этой области.

    Производство энтропии

    Когда можно определить зависящий от времени поток материала в результате реакций, скорость производства энтропии можно определить несколькими связанными способами (Oster et al., 1973; Ге и др., 2006; Ге и Цянь, 2010). Используя уравнение 6, микроскопическое производство энтропии можно определить для реакции i в +направлении как

    микроскопическая энтропия производительность =Ji+ΔSg,i

    И чистая продукция энтропии через реакцию J I, Net Δ S G, I , где J I, Net = J I +

    9 —

    J I . Если взять отношение производства энтропии в результате прямой и обратной реакции, то шансы, что энтропия будет произведена в результате реакции и , равны

    . OΔSg,i=Ji+⋅ΔSg,iJi−⋅ΔSg,i=Ji+Ji− (11)

    Хотя отношение прямого и обратного потоков дает нам вероятность термодинамического производства энтропии, само это отношение не может сказать нам значение термодинамического изменения энтропии или даже положительное или отрицательное изменение энтропии; в связанных системах поток через любую конкретную реакцию не связан детерминистически с изменением энтропии или свободной энергии этой реакции.Второй закон термодинамики только говорит нам, что для макроскопических процессов энтропия всегда должна возрастать; второй закон не касается того, что может происходить на микроскопическом уровне в отдельных реакциях. Это важный аспект стохастических систем: даже если реакция имеет изменение свободной энергии выше нуля или, что то же самое, шансы ниже единицы, она все же может произойти при наличии достаточного времени. Например, если набор связанных реакций имеет достаточно большое общее благоприятное изменение свободной энергии, отдельная реакция может иметь чистый положительный поток, даже если свободная энергия реакции неблагоприятна.Поток является эмерджентным свойством всей системы. Однако, как показывают теоремы о флуктуациях, чем менее вероятна реакция, тем менее вероятно, что она будет иметь чистый поток в направлении уменьшения изменения энтропии.

    В нескольких исследованиях утверждается, что соотношение между потоком и свободной энергией равно Δ G = — RT log( Дж + / Дж ). Эта связь была первоначально предложена при обсуждении обратимых систем и обсуждена в контексте детерминированной кинетики (Beard and Qian, 2007).Для связанных стохастических неравновесных реакций соотношение является, строго говоря, предположением. Однако разумно ожидать, что в подавляющем большинстве случаев Δ G и − RT log( J + / J ) согласуются. Отношения можно использовать для получения информации, если использовать их осторожно. Например, Нур и др. (2014) использовали это предположение в качестве основы для оценки статистики потоков в отдельных реакциях. Они правильно указали, что реакции, близкие к равновесию, действуют как кинетические узкие места в путях, которые в целом далеки от равновесия.Это правильное использование допущения, заключающееся в том, что равновесные реакции в неравновесной в других отношениях системе — это те, для которых соотношение приблизительно верно даже для стохастических систем.

    До сих пор вопрос о том, как находить устойчивые состояния, оставался открытым. Стационарное состояние может быть определено с помощью учебника по решению системы дифференциальных уравнений скорости. Однако для биологических систем требуемые скоростные параметры редко доступны. В принципе, устойчивое состояние можно определить на основе экспериментальных измерений всех соответствующих химических веществ, которые можно использовать для определения химического потенциала каждого вида. Хотя эта задача намного проще, чем определение всех подходящих констант скорости, она все же является сложной. Тем не менее, достигнут значительный прогресс (Bennett et al., 2009).

    В качестве альтернативы можно предположить, что стационарное состояние соответствует оптимальному термодинамическому процессу. Термодинамически оптимальный процесс — это процесс, в котором максимальное количество энергии может быть извлечено из окружающей среды с минимальным количеством рассеивания тепла (Sivak and Crooks, 2012). Соответственно, термодинамически оптимальный путь — это путь, который требует наименьшей работы для поддержания устойчивого состояния.В любом случае термодинамически оптимальное стационарное состояние может быть найдено путем максимизации стационарной версии уравнения. 4, в котором энтропия Гиббса S G в окрестности пространства состояний Γ измеряет плотность вероятности состояний, достижимых из начального состояния 𝕊 за счет серии Z реакций, включающих изменение состояния δ𝕊 i (Кэннон, 2014),

    SgΓS=-∑Rxni=1ZPrSi-1+δ SilogPrSi-1+δ Si (12)

    В системе, движущейся к равновесию по траектории Z реакций, энтропия состояния увеличивается по мере стабилизации системы и достигает максимума в равновесии, поскольку равновесие требует, чтобы каждая соответствующая реакция была равновероятной. В неравновесной системе окрестность Γ является путем реакции, и уравнение 12 — энтропия пути, описанная Дьюаром, из которой можно вывести теорему о флуктуациях, принцип отбора максимального производства энтропии и самоорганизованную критичность (Дьюар, 2003). Аналогичная энтропия Гиббса может быть определена путем усреднения S g [Γ(𝕊)] по многим траекториям таким образом, что )]⟩. Если изменение энтропии от равновесия равно ΔSG(Γ(S))SG0−SG(Γ(S)), то скорость производства термодинамической энтропии можно определить как

    скорость производства термодинамической энтропии = JnetΓΔSGΓS

    Хотя вполне вероятно, что ни один отдельный организм не находится на вершине термодинамической оптимальности, вполне вероятно, как обсуждалось в разделе «Введение», что естественный отбор на каком-то фундаментальном уровне основан на отфильтровывании термодинамически неэффективных особей, так что из окружающей среды извлекается мало энергии или слишком много извлекаемой энергии просто рассеивается обратно в окружающую среду; такая система не сможет направить достаточно энергии на рост, чтобы конкурировать с более эффективными людьми. В этом сценарии естественного отбора полезными моделями могли бы служить термодинамически оптимальные устойчивые состояния.

    приложений

    Помимо атомистического моделирования применение статистической термодинамики и теории флуктуаций к биологическим системам является поистине передовым. На сегодняшний день приложения в основном находятся в литературе по физике и включают (но не ограничиваются) изучение молекулярных моторов, в основном АТФ-синтазы (Andrieux and Gaspard, 2006; Hayashi et al., 2010; Zimmermann and Seifert, 2012), малых метаболические сети (Cannon, 2014), бифуркационная динамика путей реакции (Xiao et al., 2009), и модели реакции бактерий на изменения окружающей среды (Barato et al., 2014). Эти примеры были выбраны для представления иерархии шкал, в которых статистическое термодинамическое моделирование применялось к биологии. Поскольку динамика каждой системы представлена ​​с помощью разных уравнений, невозможно подробно описать форму используемой теоремы о флуктуациях, кроме как сказать, что все они так или иначе представлены уравнением. 9, если не указано иное. Подробности о теоремах лучше всего получить из оригинальной литературы.Ниже мы кратко суммируем результаты этого репрезентативного отбора из литературы.

    Динамика одиночных молекул вращательного двигателя АТФазы F1

    Комплекс F 0 F 1 – АТФ-синтаза является примером крайне неравновесного наномотора. Вращательный двигатель F 0 F 1 -АТФ-синтазы приводится в действие потоком протонов по градиенту, создавая разницу свободной энергии 10–20 кДж / моль протонов. Эта разница свободной энергии значительно больше, чем энергия окружающей среды при комнатной температуре около 2.45 кДж/моль. Двигатель работает в большом диапазоне масштабов; константы скорости различных процессов, составляющих двигатель, изменяются более чем на 12 порядков. Andrieux и Gaspard использовали теорию флуктуаций и производящие функции для оценки статистических распределений среднего вращения ротора F 1 , рассеянной работы и потока вероятности в системе (Andrieux and Gaspard, 2006). Анализ показал, что АТФазный двигатель имеет сильно нелинейную реакцию на химическое топливо: средняя скорость ротора F 1 в зависимости от термодинамической движущей силы представляет собой сигмовидную кривую.Несмотря на микроскопический характер двигателя, работа двигателя в этом нелинейном режиме очень надежна: последовательные вращения статистически коррелированы и практически не подвержены влиянию флуктуаций. Тем не менее было показано, что теорема о флуктуациях выполняется даже в сильно нелинейном режиме.

    Множественные молекулы: динамика бифуркации путей циркадных часов

    При объединении нескольких реакций может возникнуть неинтуитивное поведение. Осциллятор Лотки-Вольтера и Брюсселатор являются известными ранними примерами, когда обратная связь или прямое взаимодействие управляют колебательным поведением.На клеточном уровне важным колебательным феноменом являются циркадные часы таких разнообразных организмов, как плодовые мушки и грибы. В циркадных часах отрицательная обратная связь контролирует скорость транскрипции и трансляции специфических белков, которые, в свою очередь, диктуют цикл клеточных циркадных колебаний (Dunlap, 1999).

    Используя подход стохастической термодинамики, впервые предложенный Зейфертом и его коллегами, Xiao et al. (2009) использовали химическое уравнение Ланжевена для оценки динамических бифуркаций, происходящих в циркадных часах.На основе имеющихся кинетических данных было сформулировано явное выражение для среднего производства энтропии в стационарном состоянии. По обе стороны бифуркации в циркадной динамике форма распределения производства энтропии была одинаковой и сильно асимметричной, так что вероятность наблюдения динамики с отрицательным производством энтропии была весьма мала. Таким образом, подобно мотору F1 АТФ-синтазы, работа молекулярных циркадных часов, изученных Xiao et al. является устойчивым, несмотря на стохастическую природу малых систем.

    Хотя временная зависимость производства энтропии в теореме о флуктуациях, используемая в этом исследовании, в конечном счете была получена из констант скорости, подход продемонстрировал, что статистическое термодинамическое моделирование способно воспроизводить бифуркационную динамику, аналогичную стохастической кинетической симуляции. Понимание скорости производства энтропии метаболизма важно для количественной оценки способности организмов адаптироваться к меняющейся среде, что обсуждается далее.

    Обработка и адаптация сотовой информации

    С философской точки зрения можно принять любую из двух противоположных точек зрения на отношения между простыми биологическими системами, такими как бактерии, и окружающей их средой.Можно принять точку зрения, согласно которой клетки принимают решения на основе их внешней среды, что является наиболее обсуждаемой точкой зрения в литературе, или можно принять точку зрения, что внешняя среда определяет клеточный ответ. В то время как первая точка зрения наделяет клетку автономией, вторая точка зрения исходит из того, что регуляция в конечном итоге является функцией внешней среды. Кто рулит – клетка или среда? В то время как первая точка зрения верна для коротких периодов времени, таких как суточные циклы, вторая точка зрения более верна для более длительных периодов времени, в течение которых клетка адаптировалась и развивалась.

    Барато и др. (2014) оценили модели того, сколько информации клетки могут извлечь из окружающей среды, исходя из их термодинамической эффективности. Хотя Барато и соавт. использовать метафору обучения для способности извлекать информацию, в равной степени оправдано использование концепции самоорганизации. Исследование показало, что степень, в которой клетка может самоорганизоваться в ответ на окружающую среду, ограничена термодинамической скоростью производства энтропии. Бактерия в медленно меняющейся среде рассеивает гораздо больше энергии, чем использует для самоорганизации.То есть бактерия, однажды организованная для реагирования на определенную среду, имеет ограниченную способность к дальнейшему использованию энергии из окружающей среды для дальнейшей адаптации.

    Хотя Barato et al. (2014) использовали довольно простые физические модели для выдвижения гипотез, очевидно, что сочетание этой структуры с более обширными термодинамическими моделями метаболизма может дать представление о том, как клетки внутренне реагируют на изменения движущих сил окружающей среды как в краткосрочных, так и в более длительных временных масштабах. .Однако усилия по моделированию потребуют более сложных моделей метаболизма, чтобы понять множество путей, по которым может идти поведение клеток. Далее обсуждаются ранние попытки, предпринятые для расширения применения статистической термодинамики до более подробных метаболических моделей.

    Подробные метаболические модели

    Модели и системы, рассмотренные выше, представляют собой небольшие системы по сравнению с метаболизмом даже самой маленькой бактерии. Можно ли применить статистическую термодинамику и теории флуктуаций к более обширным биологическим системам, таким как модели метаболизма в масштабе генома? Вопрос в основном касается возможности оценки достаточных параметров.Крупномасштабные оценки термодинамических параметров доступны из таких источников, как База данных термодинамики биохимических реакций Мичиганского университета (Li et al., 2011), База данных термодинамики катализируемых ферментами реакций Национального института стандартов и технологий (Goldberg et al. , 2004), и веб-сервер eQuilibrator (Flamholz et al., 2012).

    Мы разрабатывали такой подход и на сегодняшний день применили его к относительно небольшим метаболическим путям различных бактерий (Cannon, 2014). В этих первоначальных исследованиях предполагается, что скорость реакции пропорциональна термодинамической движущей силе реакции, которая количественно определяется вероятностью реакции в марковской модели, основанной на уравнении.7.

    Первоначальные исследования были сосредоточены на циклах трикарбоновых кислот (TCA) бактерий. Эти циклы занимают центральное место в метаболизме большинства организмов и могут быть максимально приближены к универсальному пути (Smith and Morowitz, 2004). Циклы ТСА способны потреблять ацетил-КоА либо для производства высокоэнергетических соединений, необходимых для функционирования клеток (например, АТФ, НАДФН), либо для образования углеродных скелетов, которые служат синтетическими предшественниками для многих реакций вторичного метаболизма и синтеза аминокислот и нуклеиновых кислот.

    На рис. 1 показан цикл ТСА E. coli , а на рис. 2 — профили свободной энергии, энергии и энтропии в метаболических условиях, наблюдаемые при экспоненциальном росте на глюкозе (Bennett et al., 2009). Цикл был смоделирован с использованием статистической термодинамической формулировки марковской модели, основанной на предположении о локальном равновесии (Cannon, 2014). При переходе от ацетил-КоА по часовой стрелке к щавелевоуксусной кислоте изменение свободной энергии в реакциях (рис. 2) изменяется плавно, как и следовало ожидать с точки зрения максимальной энтропии (уравнение12). Однако изменение превращения оксалоацетата и ацетил-КоА в цитрат, катализируемое цитратсинтазой, и изменение превращения 2-оксоглутарата в сукцинил-КоА, катализируемое 2-оксоглутаратдегидрогеназой, несколько резкое по сравнению с изменениями в других реакциях цикл. Причина этого в том, что концентрации кофакторов, которые служат граничными условиями, удерживаются на фиксированных значениях, которые препятствуют дальнейшему расслаблению системы. В результате система не вполне термодинамически оптимальна – энтропия, определяемая уравнением12, не совсем максимальное по сравнению со значением, которое было бы получено, если бы каждая реакция была равновероятной.

    Рисунок 1. Цикл трикарбоновых кислот (TCA) из E. coli . Ферменты, катализирующие реакции, показаны курсивом, кофакторы показаны по касательной к каждой соответствующей реакции, а промежуточные продукты реакции показаны в соответствии с циклическими стрелками реакции, указывающими направление цикла для E.палочка . Q и QH 2 представляют собой пары акцептор/донор электронов и являются точками входа в цепь переноса электронов.

    Рисунок 2. Термодинамический профиль цикла ТХУ из E. coli (Cannon, 2014) . уравнение 4 использовали для расчета изменения энтропии Δ S , энергии Δ E и логарифма (ненормализованной) массовой плотности Δ𝒜. Поскольку массовая плотность вероятности состоит из комбинаторного коэффициента, который представлен энтропийным членом, и вероятности, основанной на энергии (Больцмана), на протяжении всего цикла существует компенсация энергии и энтропии.Δ𝒜 плавно изменяется по ходу реакции, указывая на то, что концентрации метаболитов близки к оптимальным, вероятно, потому, что концентрации были взяты из экспериментального измерения уровней метаболитов E. coli .

    Ясно, что информация о термодинамике биосинтетических путей важна для конструирования метаболизма с целью перепроизводства целевых соединений, таких как соединения с восстановленным углеродом для биотоплива. В то время как большое внимание было направлено на перенаправление потока углерода путем отключения путей, конкурирующих за предшественники, меньше внимания было направлено на разработку окислительно-восстановительных пар, таких как уровни NADH:NAD + , которые термодинамически управляли бы этими реакциями. Аналогичным образом, большое внимание было сосредоточено на использовании рибопереключателей для повышения продукции ферментов, участвующих в биосинтезе целевых соединений (Wittmann and Suess, 2012), но включение каталитического механизма для синтеза соединения бесполезно, если термодинамика пути благоприятны. Термодинамическое моделирование метаболических систем имело бы огромное значение для метаболической инженерии.

    В качестве примера потенциального использования статистической термодинамики как для инженерии, так и для понимания организмов в контексте их естественной среды обитания мы сравнили три разные версии цикла ТСА, используемые в трех очень разных экологических нишах: типичный гетеротрофный цикл ТСА из E .coli , участвующая в извлечении энергии и биосинтетических предшественников из глюкозы; цикл ТСА цианобактерий Synechococcus sp. PCC 7002, который необходим для производства предшественников биосинтеза, несмотря на уже высокие уровни АТФ в результате фотосинтеза; и цикл ТСА Chlorobium tepidum , зеленых серных бактерий, которые также должны производить биосинтетические предшественники в присутствии фотосинтеза и одновременно фиксировать CO 2 , что он и делает, запуская цикл ТСА в восстановительном направлении . Как и выше, каждый цикл ТСА моделировался с использованием марковской модели, основанной на предположении о локальном равновесии. Профили свободной энергии для этих организмов показаны на рисунке 3. Ясно, что каждый путь термодинамически сильно отличается. Циклы для E. coli и Synechococcus имеют сходные профили, за исключением превращения 2-оксоглутарата в сукцинат. В цикле ТХА E. coli продуктом этой реакции является АТФ. Synechococcus и другие цианобактерии не могут использовать одну и ту же реакцию для превращения 2-оксоглутарата в сукцинатный цикл, потому что их циклы должны работать в среде с достаточно высокими концентрациями АТФ из-за сопутствующего фотосинтеза.Вместо этого цианобактерии используют цикл ТСА, в котором для этого превращения используется кофермент ферредоксина, и, таким образом, высокие уровни АТФ не замедляют выработку сукцината и других углеродных соединений, необходимых для роста. Профиль свободной энергии цикла ТСА для Chlorobium сильно отличается от циклов E. coli и Synechococcus . Вместо того, чтобы иметь очень благоприятный профиль свободной энергии для работы в окислительном направлении (цитрат → оксалоацетат), изменения свободной энергии крайне неблагоприятны.Цикл ТСА Chlorobium и других зеленых серобактерий фактически протекает в противоположном направлении (оксалоактетат → цитрат), и эти организмы используют цикл для фиксации CO 2 и производства ацетил-КоА. Термодинамическая модель не только позволяет нам понять каждый организм в окружающей его среде, но и четкое проектирование оптимального пути метаболической инженерии с использованием статистической термодинамики было бы очень полезным.

    Рис. 3.Сравнение термодинамических профилей циклов ТСА E. coli, Synechococcus sp . PCC 7002 и Chlorobium tepidum . Профиль свободной энергии цикла ТСА для каждого организма отражает его экологическую нишу (см. Обсуждение).

    При сравнении профилей свободной энергии для E. coli на рисунках 2 и 3 видно, что они значительно различаются. На рис. 2 профиль свободной энергии изменяется относительно плавно по мере прохождения цикла, тогда как на рис. 3 профиль свободной энергии временами меняется резко.Причина этих различий связана с условиями, используемыми в соответствующем моделировании. На рисунке 2 при моделировании использовались опубликованные экспериментально измеренные значения для E. coli (Bennett et al., 2009). В последнем случае количество каждого промежуточного продукта в цикле изначально было установлено равным ~20 мкм вместо использования экспериментальных опубликованных значений для E. coli (Bennett et al., 2009), что в противном случае могло бы исказить сравнение между три организма. Хотя каждый цикл является материально открытым в том смысле, что два атома углерода входят в виде ацетил-КоА, а два атома углерода выходят в виде СО 2 , общее количество промежуточных соединений фиксируется стехиометрией общей реакции для завершения цикла. Для E. coli общая стехиометрия составляет

    . Ацетил -КоА+АДФ+3НАД++Pi+Q+2h3O⇌КоА+АТФ+3НАДН+2CO2+Qh3,

    , где Q и QH 2 представляют собой окисленные и восстановленные переносчики электронов соответственно. Хотя циклы открыты, сумма количества всех промежуточных продуктов будет отличаться только на ±1.

    Профили свободной энергии цикла E. coli TCA в зависимости от общей концентрации промежуточных соединений показаны в верхней части рисунка 4.Значения общей концентрации в 1,0, 0,1, 0,01 и 0,001 раза превышают значения, указанные Bennett et al. (2009). Если есть только несколько полных промежуточных соединений, то они будут преобразованы в метаболиты с самым низким химическим потенциалом, которые в случае цикла E. coli TCA представляют собой цитрат и сукцинил-КоА. При очень низких уровнях промежуточных соединений цикл не будет работать, и цитрат и сукцинил-КоА просто объединятся. Для самого низкого уровня промежуточных звеньев поток будет происходить на протяжении всего цикла только в течение относительно длительных периодов времени.

    Рис. 4. (Вверху) Профиль кумулятивной свободной энергии E . coli Цикл ТСА в зависимости от общей концентрации промежуточных продуктов реакции . Хотя углерод может войти в цикл в виде ацетил-коа и выйти в виде CO 2 , общее количество промежуточных продуктов ограничено общей реакцией (см. текст). Используемые концентрации в 1, 0,1, 0,01 и 0,001 раза превышают указанные Bennett et al.(2009) для экспоненциального роста глюкозы. (Внизу) Распределение промежуточных продуктов реакции в зависимости от общей концентрации.

    По мере увеличения общего количества метаболических промежуточных продуктов количество молекул цитрата и сукцинил-КоА увеличивается, как показано на рис. 4 (внизу). В конце концов, продукт также накапливается с сопутствующим увеличением свободной энергии реакций с образованием цитрата и сукцинил-КоА. Между тем, увеличение содержания цитрата снижает свободную энергию реакции превращения цитрата в изоцитрат, и аналогичным образом увеличение количества сукцинил-КоА снижает свободную энергию реакции превращения сукцинил-КоА в сукцинат.

    В конце концов, уровни метаболитов достигают точки, когда все реакции становятся равновероятными в соответствии с уравнением. 12. Это термодинамически наиболее оптимально, поскольку энтропия состояния (уравнение 12) была максимизирована по отношению к неравновесным граничным условиям.

    Однако для ячейки также существует термодинамический штраф за получение этой конфигурации. Чтобы справиться с большим количеством реагентов, ферментативная нагрузка на клетку также должна увеличиваться.Самоорганизованные структуры, необходимые для быстрого рассеивания энергии (или сохранения собранной энергии для роста), должны оплачиваться неравновесными движущими силами.

    Ферменты, катализирующие реакции, далекие от равновесия, должны увеличиваться в наименьшей степени, поскольку поток материала является однонаправленным. Это явно относится к катализируемым ферментами реакциям превращения оксалоацетата в цитрат и 2-оксоглутарата в сукцинат: по мере увеличения общего пула метаболитов концентрации реагентов оксалоацетата и 2-оксоглутарата заметно не изменяются.

    Если ферменты, близкие к равновесию, экспрессируются на уровне, достаточном для катализа его текущей нагрузки, то увеличение общего пула метаболитов может потребовать увеличения экспрессии этих ферментов. Однако эти реакции вряд ли останутся в равновесии. Это видно на рис. 4 (вверху), на котором последние четыре катализируемые ферментами реакции цикла ТСА, превращающие сукцинил-КоА в оксалоацетат, близки к равновесию, когда общий пул метаболитов в 0,001 раза превышает значения, указанные Bennett et al. .(2009). По мере роста общего пула метаболитов реакции не остаются в равновесии.

    Когда уровни метаболитов превышают соответствующую константу Михаэлиса ( K M ), тогда уровни ферментов должны увеличиваться для поддержания стабильного состояния. Это ситуация, описанная Flamholz et al. (2013). Экспериментально наблюдалось, что ферменты, катализирующие реакции, далекие от равновесия, существенно не увеличиваются; степень, в которой экспрессия фермента должна увеличиться для реакций, близких к равновесию, будет зависеть от ситуации, но, как правило, должна увеличиваться при увеличении потока (Hochachka et al. , 1998).

    Более того, если скорость оборота ферментов в пути резко различается, то также должен существовать различный уровень экспрессии ферментов в путях. Было бы разумно, если бы организм имел высокую внутреннюю скорость оборота ферментов для дорогостоящих ферментов, либо тех, которые содержат много аминокислот, либо требуют кофакторов с высокой энергией, чтобы можно было минимизировать термодинамические затраты для клетки (Flamholz et al., 2013).

    Принимая во внимание рис. 4 (вверху), данные, представленные Bennett et al.(2009), подразумевает, что цикл TCA лабораторного штамма E. coli работает почти с оптимальной эффективностью в отношении уравнения. 12 при экспоненциальном росте на глюкозе. По словам Лотки, «в борьбе за существование преимущество должно отдаваться тем организмам, чьи устройства захвата энергии наиболее эффективно направляют доступную энергию в каналы, благоприятные для сохранения вида».

    Насколько близки биологические системы к оптимальной эффективности? Бывают ситуации, когда этот идеал не достигается. Например, если бы гликолиз не контролировался, так что каждая реакция была бы равновероятной термодинамически, то большое изменение свободной энергии при превращении фруктозо-6-фосфата в фруктозо-1,6-бисфосфат привело бы к клеточным концентрациям фруктозо-1,6-бисфосфата в несколько раз. на порядки выше, чем наблюдается, что, скорее всего, оказало бы пагубное влияние на клетку. Фактически, фермент, катализирующий этот этап, строго регулируется, чтобы предотвратить перепроизводство фруктозо-1,6-бисфосфата.Регуляцию можно рассматривать как самоорганизующееся и возникающее свойство пути, необходимое для того, чтобы организм оставался жизнеспособным. Учитывая основу для адаптации, изложенную Barato et al. (2014), это будет означать, что для видов E. coli , адаптированных к росту при высоких уровнях глюкозы, очень мало возможностей для изучения альтернативных способов регуляции этого фермента или, наоборот, что регуляторная цепь эволюционно стабильна. в этой связи.

    Направления будущего

    Определение константы скорости для интересующего фермента является простой задачей, если реагент или продукт имеет отчетливую спектроскопическую характеристику. Однако масштабирование процесса для получения всех констант скорости, необходимых для крупномасштабного моделирования метаболизма любого конкретного организма, просто невозможно. Смешивание и сопоставление констант скорости от ортологичных ферментов из разных видов может привести к неправильной энергетике, если только константы скорости не будут ограничены, чтобы они соответствовали константе равновесия для той же реакции.Более того, специальная корректировка константы скорости для получения правильной константы равновесия, вероятно, не лучше, чем предположение, что скорости пропорциональны термодинамической движущей силе. Из-за сложности получения констант скорости модели потоков на основе ограничений были предпочтительным методом для крупномасштабного моделирования биологических процессов, таких как метаболизм. Однако методы, основанные на ограничениях, в лучшем случае используют термодинамические ограничения для сужения пространства решений. К сожалению, это ограничивает предсказательную силу этих подходов.

    Было предложено несколько многообещающих и фундаментально обоснованных подходов, включающих правильную термодинамику, чтобы выйти за рамки моделирования потоков на основе ограничений. Один из подходов заключается в моделировании систем с использованием кинетики действующих масс для тех реакций, для которых доступны параметры скорости, и в использовании моделирования потоков на основе ограничений для других реакций (Chowdhury et al., 2014). В этом случае потоки, смоделированные с использованием кинетики действующих масс, ограничивают диапазон потоков, которые возможны для тех реакций, которые моделируются с помощью моделирования потоков на основе ограничений.

    Второй подход заключается в использовании доступных кинетических параметров там, где это возможно, а затем в выводе оставшихся параметров на основе предварительных знаний, включая параметры балансировки скорости, чтобы обеспечить получение правильной термодинамики (Stanford et al., 2013). Альтернативой является уменьшение кинетической сложности уравнения скорости каждой реакции на основе анализа вероятности реакции как функции чистого потока реакции (Canelas et al. , 2011). Для некоторых реакций параметры скорости можно вообще исключить и заменить термодинамической вероятностью реакции без ущерба для точности модели.

    Наконец, если известна направленность реакции, например, из экспериментально основанного анализа метаболических потоков, то с помощью методов оптимизации можно определить набор допустимых концентраций метаболитов и свободных энергий реакции (De Martino et al., 2012). Способность составить карту энергетического ландшафта метаболизма может быть очень мощной и может сообщить нам, верны ли предположения Лотки, Одума и других о естественном отборе, обсуждаемые в разделе «Введение».Критерии, используемые De Martino et al. на самом деле может быть слишком жестким, поскольку ограничения оптимизации требуют, чтобы производство энтропии для каждой реакции было положительным. Как указано в разделе «Обсуждение» вокруг уравнения. 11, второй закон требует только, чтобы производство энтропии для всего макроскопического процесса было положительным. Отдельная реакция может иметь положительный поток, а также положительное изменение свободной энергии, но вероятность такого события уменьшается экспоненциально с увеличением свободной энергии (Evans and Searles, 1994).Для анализа требуется ввод конфигураций потока или направленности реакции. Однако именно здесь теории флуктуаций могут сыграть свою роль, если они также могут предоставить значения потоков.

    Использование подробных теорем о флуктуациях будет зависеть от того, можно ли разработать теоремы для неравновесных устойчивых состояний, которые не используют константы скорости, а вместо этого основаны на химических потенциалах и термодинамических движущих силах. Если это так, то можно установить химические потенциалы, основанные (в идеале) на метаболомных измерениях, и провести крупномасштабное моделирование метаболизма, которое было бы идентично кинетическому моделированию, основанному на константах скорости.Экспериментальное измерение концентраций метаболитов представляет большой интерес. Ключом к тому, чтобы сделать измерения полезными для интерпретации и моделирования, является снижение неопределенности того, что измеренные значения отражают концентрации 90 228 in vivo 90 229 (Noack and Wiechert, 2014).

    Альтернативный статистический термодинамический подход заключается в моделировании процесса как термодинамически оптимального, в котором скорости пропорциональны термодинамической движущей силе. В термодинамически оптимальном процессе максимальное количество энергии извлекается из окружающей среды при минимальном количестве рассеивания тепла (Sivak and Crooks, 2012).Модель, основанная на этом предположении, примерно соответствовала бы исторической перспективе физической основы биологических систем. Аналогичный подход использовался для анализа данных метаболомики, при котором свободная энергия реакций минимизируется по сравнению с доступными данными метаболомики, чтобы сделать вывод о участках регуляции ферментов (Kummel et al., 2006).

    Как упоминалось выше, проблема использования моделирования, основанного на статистической термодинамике, заключается в определении точных стандартных свободных энергий реакции или образования каждого метаболита. Стандартные свободные энергии, основанные на методах группового вклада, доступны в массовом порядке (Jankowski et al., 2008; Noor et al., 2013), но методы группового вклада иногда могут быть неточными. Нужно быть осторожным при оценке свободной энергии стандартной реакции по оценкам группового вклада стандартных свободных энергий образования, поскольку ошибки в оценках являются аддитивными; при определении разницы между двумя химическими видами необходимо убедиться, что любые приближения, используемые для групповых энергий, компенсируются.Использование расчетов электронной структуры с соответствующей моделью растворителя является привлекательной альтернативой для определения стандартных свободных энергий и химических потенциалов. Такие расчеты проводились в больших масштабах для хлорированных углеводородов (Bylaska, 2006), и их можно выполнить для многих метаболитов. Более крупные молекулы вторичного метаболизма, такие как молекулы растений, могут представлять проблему, поскольку они могут иметь несколько минимумов, которые вносят вклад в их свободную энергию сольватации.

    Заявление о конфликте интересов

    Автор заявляет, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

    Благодарности

    Эта работа была поддержана Лабораторной программой направленных исследований в Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории и Лабораторией молекулярных наук об окружающей среде (EMSL) в Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (PNNL).EMSL — это национальный научный пользовательский центр, которым управляет PNNL для Управления биологических и экологических исследований Министерства энергетики США. PNNL управляется Battelle для Министерства энергетики США по контракту DE-AC06-76RLO.

    Ссылки

    Барато, А.С., Хартич, Д., и Зайферт, У. (2014). Эффективность обработки сотовой информации. New J. Phys. 16, 103024. doi:10.1088/1367-2630/16/10/103024

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Беннетт, Б. Д., Кимбалл, Э. Х., Гао, М., Остерхаут, Р., Ван Дин, С. Дж., и Рабинович, Дж. Д. (2009). Абсолютные концентрации метаболитов и подразумеваемая занятость активного центра фермента в Escherichia coli . Нац. хим. биол. 5, 593–599. doi: 10.1038/nchembio.186

    Опубликовано Резюме | Опубликован полный текст | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

    Канелас, А. Б., Рас, К., Тен Пьерик, А., Ван Гулик, В. М., и Хейнен, Дж. Дж. (2011). Основанная на данных in vivo структура для классификации и количественной оценки кинетики ферментов и определения кажущихся термодинамических данных. Метаб. англ. 13, 294–306. doi:10.1016/j.ymben.2011.02.005

    Опубликовано Резюме | Опубликован полный текст | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

    Дэвидсон, Н. (1962). Статистическая механика . Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Макгроу.

    Академия Google

    Дьюар, Р. (2003). Объяснение теории информации теоремы о флуктуациях, максимальном производстве энтропии и самоорганизованной критичности в неравновесных стационарных состояниях. J. Phys. Математика. Быт. 36, 631–641. дои: 10.1088/0305-4470/36/3/303

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Дьюар, Р. (2005). «Максимальное производство энтропии и неравновесная статистическая механика», в Неравновесная термодинамика и производство энтропии , редакторы А. Клейдон и Р. Лоренц (Берлин: Springer), 41–55.

    Академия Google

    Эванс, Д. Дж., и Сирлз, Д. Дж. (1994). Равновесные микросостояния, которые генерируют 2-й закон, нарушающий установившиеся состояния. Физ. Ред. E 50, 1645–1648. doi: 10.1103/PhysRevE.50.1645

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Фламхольц А., Нур Э., Бар-Эвен А., Либермейстер В. и Майло Р. (2013). Гликолитическая стратегия как компромисс между выходом энергии и стоимостью белка. Проц. Натл. акад. науч. США 110, 10039–10044. doi:10.1073/pnas.1215283110

    Опубликовано Резюме | Опубликован полный текст | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

    Ге, Х., Цзян, Д. К., и Цянь, М. (2006). Обратимость и производство энтропии неоднородных цепей Маркова. J. Appl. Вероятно. 43, 1028–1043. дои: 10.1239/яп/1165505205 ​​

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Харрис, Р. Дж., и Шутц, Г. М. (2007). Флуктуационные теоремы для стохастической динамики. J. Стат. мех. 2007, 07020. Дои: 10.1088/1742-5468/2007/07/P07020

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Хочачка, П.В., Макклелланд, Г.Б., Бернесс, Г.П., Стейплз, Дж.Ф., и Суарес, Р.К. (1998). Интеграция потоков метаболических путей со скоростью экспрессии генов в ферменты. Комп. Биохим. Физиол. Б 120, 17–26. дои: 10.1016/S0305-0491(98)00019-4

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Ли, X. , Ву, Ф., Ци, Ф., и Бирд, Д. А. (2011). База данных термодинамических свойств реакций гликолиза, цикла трикарбоновых кислот и пентозофосфатного пути.База данных (Оксфорд) 2011, bar005. doi: 10.1093/база данных/bar005

    Опубликовано Резюме | Опубликован полный текст | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

    Лотка, А. Дж. (1922a). Вклад в энергетику эволюции. Проц. Натл. акад. науч. США 8, 147–151. doi:10.1073/pnas.8.6.147

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Лотка, А. Дж. (1922b). Естественный отбор как физический принцип. Проц. Натл.акад. науч. США 8, 151–154. doi:10.1073/pnas.8.6.151

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Нур Э., Бар-Эвен А., Фламхольц А., Резник Э., Либермейстер В. и Майло Р. (2014). Термодинамика путей выдвигает на первый план кинетические препятствия в центральном метаболизме. PLoS вычисл. биол. 10:e1003483. doi:10.1371/journal.pcbi.1003483

    Опубликовано Резюме | Опубликован полный текст | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

    Одум, Х.Т. и Пинкертон, Р. Т. (1955). Регулятор скорости времени: оптимальная эффективность для максимальной выходной мощности в физических и биологических системах. утра. науч. 43, 331–343.

    Академия Google

    Остер, Г.Ф., Перельсон, А.С., и Катчалс, А. (1973). Сетевая термодинамика – динамическое моделирование биофизических систем. Q. Rev. Biophys. 6, 1–134. дои: 10.1017/S0033583500000081

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Шредингер, Э.(1945). Что такое жизнь? Физический аспект живой клетки . Кембридж: Университетское издательство.

    Академия Google

    Стэнфорд, штат Нью-Джерси, Любиц, Т., Смоллбоун, К., Клипп, Э., Мендес, П., и Либермейстер, В. (2013). Систематическое построение кинетических моделей из метаболических сетей геномного масштаба. PLoS ONE 8:e79195. doi:10.1371/journal.pone.0079195

    Опубликовано Резюме | Опубликован полный текст | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

    Циммерманн, Э.и Зайферт, У. (2012). Эффективность молекулярного двигателя: общая гибридная модель, примененная к F-1-АТФазе. New J. Phys. 14, 20. doi:10.1088/1367-2630/14/10/103023

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    5 советов, как ускорить метаболизм

    Для многих понятие метаболизма является загадкой. Они могут понять, что это связано со статусом веса и температурным контролем. Они могут понять, что оно ускоряется или замедляется в зависимости от того, сколько упражнений они выполняют и какого типа.Они могут даже подумать, что то, что они едят, может поднять его на ступеньку выше. Но помимо этого, это просто туманная фигура, которой люди постоянно пытаются манипулировать.

    «Ваш метаболизм в состоянии покоя — это количество энергии, необходимое вашему телу для выполнения основных функций, таких как дыхание и переваривание пищи», — объясняет Келли Нол, зарегистрированный диетолог в системе здравоохранения Генри Форда.

    Хотя генетика действительно влияет на скорость вашего метаболизма, есть также вещи, которые вы можете сделать, чтобы поднять ее на ступеньку выше, если вы того пожелаете.

    1. Не пропускайте завтрак. Съешьте полезный завтрак в течение часа после пробуждения. Выбирайте сбалансированную еду, содержащую белок, сложные углеводы и жиры (хорошими примерами являются яйца и тосты из цельного зерна, медленно приготовленная овсянка с орехами и ягодами или простой греческий йогурт с фруктами).
    2. Ешьте часто. «Многие люди думают, что ключ к ускорению метаболизма — меньше есть», — говорит Нол. На самом деле все совсем наоборот: отказ от еды сигнализирует вашему телу, что нужно удерживать каждую калорию, готовясь к голоданию, и ваш метаболизм замедляется как своего рода механизм выживания. Лучший подход — есть что-нибудь каждые три-пять часов. Таким образом, у вашего тела всегда есть что использовать в качестве топлива, и ваш метаболизм продолжает гудеть.
    3. Нарастить мышечную массу. Мышцы сжигают больше калорий, чем жир, поэтому чем больше у вас мышц, тем больше калорий вы сжигаете даже в состоянии покоя. Силовые тренировки, работа с отягощениями и даже упражнения для наращивания мышечной массы, такие как приседания, выпады и отжимания, могут значительно ускорить ваш метаболизм. Поскольку мышечная масса естественным образом уменьшается с возрастом, эти занятия становятся еще более важными, когда вы достигаете возраста 40 лет и старше.
    4. Держите уровень стресса под контролем. Стресс имеет далеко идущие последствия как для тела, так и для разума, вырабатывая гормоны, которые могут угнетать все, от настроения до метаболизма. Чтобы свести к минимуму эти эффекты, попробуйте методы борьбы со стрессом, такие как медитация, массаж и физические упражнения.
    5. Поспи немного. Чтобы проработать рекомендуемые семь-девять часов каждую ночь, установите регулярный режим сна/бодрствования, при котором вы ложитесь спать и просыпаетесь в одно и то же время каждый день. Выключите все экраны за час до сна.И займитесь успокаивающей 10-минутной рутиной до отбоя — например, чтением, медитацией или ведением дневника.

    Скорость метаболизма не установлена. Он меняется на протяжении всего жизненного цикла, а также во время стресса, роста и развития (беременность, менопауза и периоды болезни меняют правила обмена веществ). И хотя многие заголовки говорят о том, что употребление зеленого чая, острой пищи и питание исключительно грейпфрутами ускорят метаболизм, по словам Нол, не существует волшебных продуктов, которые ускоряют метаболизм настолько, чтобы это имело заметное значение.


    Ищете дополнительную информацию и хотите записаться на прием к зарегистрированному диетологу? Позвоните по телефону 1-855-434-5483 или посетите веб-сайт службы питания на сайте henryford.
    Понятие метаболизма: Метаболизм — все статьи и новости

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.