Метаболізм і біоенергетика: Енергія в живих системах

Вступ до Метаболізму

Метаболізм охоплює всі хімічні реакції в живих клітинах, поділені на каталітичні реакції (розкладання молекул для вивільнення енергії) та анаболічні реакції (будівництво складних молекул з використанням енергії). АТФ (аденозинтрифосфат) є універсальною валютою енергії, яка пов’язує каталітичні та анаболічні шляхи – його гідроліз приводить в дію ендоергічні реакції в клітині. Біоенергетика вивчає, як вільна енергія від окислення органічних молекул захоплюється в АТФ і використовується для виконання біологічної праці, включаючи біосинтез, транспорт через мембрани, рух та сигнальні процеси.

Розуміння метаболізму є клінічно важливим: метаболічний синдром (ожиріння, інсулінорезистентність, тип 2 діабет, дисліпідемія) є найбільш поширеною групою непереносних захворювань у світі; вроджені порушення обміну речовин викликають важкі дитячі хвороби; рак значно перепрограмовує метаболізм; та мітохондріальні захворювання вражають 1 з 5000 людей. Більшість ліків діють на метаболічні ферменти, транспортери або їх регуляторні молекули. Метаболом – це повний набір невеликих молекул-метаболітів – відображає фізіологічний та патологічний стан, що дозволяє здійснювати відкриття біомаркерів метабомотики.

Центральні метаболічні шляхи

Гліколіз і глюконеогенез

Гліколіз перетворює глюкозу на піруват у цитоплазмі, виробляючи 2 АТФ та 2 NADH на молекулу глюкози. Ключові регульовані ферменти – гексокіназа, фосфофруктокиназа-1, піруваткин – інгібуються їхніми продуктами (регуляція зворотного зв’язку). В анаеробних умовах піруват перетворюється на лактат, відновлюючи NAD+ для підтримки гліколізу. Глюконеогенез відбувається у зворотному напрямку від гліколізу в печінці та нирках, використовуючи оксалоацетат як початковий матеріал, забезпечуючи глюкозу під час голодування, обходячи незворотні глікольичні кроки за допомогою окремих ферментів (PEPCHK, FBPase-1, глюкозо-6-фосфатаза). Метофлупін інгібує глюконеогенез шляхом активації AMPK, його основним механізмом для зниження рівня цукру в крові при типовому діабеті 2 типу.

Цитратний цикл та Окисне фосфорилювання

Піруват потрапляє в мітохондрії, де дегідрогеназа пірувату генерує ацетил-КоА, який конденсується з оксалоацетатом, що входить до цитратного циклу (цикл TCA/Кребса). Восьми ферментативних кроків повністю окислюються групи ацетилу до CO2, виробляючи NADH та FADH2. Електрони від NADH та FADH2 протікають через мітохондріальну електрон-транспортну ланцюг (комплекси I-IV) до O2, переносячи протони наскрізь через внутрішню мембрану. АТФ-синтаза (комплекс V) використовує протоний градієнт (протонний двигун) для фосфорилювання ADP до АТФ – окисне фосфорилювання. Одна молекула глюкози дає приблизно 30-32 АТФ порівняно з 2, які виробляє гліколіз, що пояснює, чому клітини покладаються на мітохондрії для більшості виробництва енергії.

Регулювання обміном

Гормональна регуляція здійснюється за допомогою гормонів. Інсулін (експресований бета-клітинами підшлункової залози після вживання глюкози) сприяє захопленню глюкози (транслокації GLUT4 у м’язах і жирових тканинах), синтезу глікану (активації глікогенної синтази), гліколізу (активації PFK2) та ліпогенезу (активації SREBP), одночасно пригнічуючи глюконеогенез і ліполіз. Глюкагон (експресований альфа-клітинами під час голодування) сприяє розкладанню глікану, глюконеогенезу та мобілізації жирних кислот через сигнали cAMP-PKA. Лептин сигналізує про масу жирової тканини до гіпоталамуса, регулюючи апетит і витрату енергії; резистентність до лептину при ожирінні порушує передачу сигналів ситості.

Метаболізм ракових клітин

Ракові клітини значно перепрограмують метаболізм навіть за наявності кисню, віддаючи перевагу аеробному гліколізу замість оксидативної фосфорилювання (ефект Варбурга). Це забезпечує біосинтетичні попередники для розмножуючихся клітин (TCA-intermediates для синтезу амінокислот і ліпідів, глюкоза для синтезу рибонуклеотидів) за рахунок термодинамічної неефективності. Онкогени керують перепрограмуванням метаболізму: Myc підвищує каталіз глутаміну; PI3K/Akt/mTOR сприяє захопленню глюкози та ліпогенезу; HIF-1 при гіпоксії транскрибує ферменти гліколізу та транспортери глюкози. Мутації IDH1/2 у мієлоїдному лейкемії та глиома виробляють 2-гідроксиглутарнову кислоту, онкометаболіт, який інгібує діазоксигенази, що залежать від альфа-кетоглутарата, порушуючи епігенетичне регулювання.

Приклади та застосування

Приклад 1: Метоформ і активація AMPK Метоформ (найпоширеніший у світі препарат від діабету) пригнічує комплекс I мітохондрій, знижуючи співвідношення АТФ/АМП і активує AMP-активовану протеїнкіназу (AMPK). AMPK фосфорилює ACC (інгібує ліпогенез) та TORC2 (інгібує глюконеогенез), одночасно сприяючи окисленню жирних кислот і надходженням глюкози. Епідеміологічні дані свідчать про те, що метоформ знижує інцидентність раку; клінічні дослідження перевіряють його як втручання проти старіння (дослідження TAME). Його низька вартість, безпека та багатошляхові метаболічні ефекти роблять його унікальним терапевтичним провідником для метабології.

Приклад 2: Інгібітори IDH при раку Мутації IDH1 (R132H) і IDH2 (R140Q, R172K) зустрічаються в амілоїдній пухлині мозку, глиома та холангіокарциомах, виробляючи онкометаболіт 2-гідроксиглутарат (2-ГГ), який інгібує діазоксигенази альфа-КГ, включаючи ферменти TET (деміетілювання ДНК) та гістондеметилювачі, викликаючи епігенетичне метилювання, яке блокує диференціювання. Івосиденіб (інгібітор IDH1) і енасіденіб (інгібітор IDH2) значно знижують рівень 2-ГГ у пухлинах, дозволяючи клітинам лейкемії диференціюватися — диференціальну терапію, що нагадує АТРА в АПЛ. Ці цілеспрямовані метаболічні препарати ілюструють безпосередній переклад біології онкометаболітів у механістично-орієнтовану терапію.

Приклад 3: Вроджені порушення обміну речовин ФенокETONУРІЯ (ФКУ), спричинена дефіцитом гідроксилази фенилацетона, дозволяє накопиченню фенилацетона, що призводить до незворотного інтелектуального ураження, якщо її не лікувати. Нововведений скринінг новонароджених і дієта з обмеженим вмістом фенилацетона є надзвичайно ефективними. МСУД (сірова захворювання на сік) викликає накопичення розгалужених амінокислот від дефіциту BCKDH. Хвороба Гаушера (дефіцит глюкоцеробілазу) викликає накопичення глюкоцеральмін у макрофагах. Ензимну заміну та субстратний знижуючу терапію ефективно лікують хворобу Гаушера. Органи кислот і розлади жирних кислот викликають метаболічні кризи — новонароджений скринінг і метаболічні дієти запобігають незворотньому ушкодженню.

Приклад 4: Мітохондріальні захворювання Митохондріальні захворювання виникають від мутацій в мтДНК (матірнє успадкування) або ядерних генів, що кодують мітохондріальні білки (менделієве успадкування). МЕЛАС (мітохондріальна енцефалопатія, лактатна ацидоз, епізоди схожі на інсульт) несе мутацію м.3243A>G tRNA, яка порушує переклад всіх мітохондріальних-кодованих білків. Леберова спадкова оптична нейропатія (ЛОН) виникає від мутацій суб'єдиниць комплексу I мітохондріальної ДНК, викликаючи селективну втрату ретикулярних тілець і сліпоту. Варіанти лікування залишаються обмеженими; генна терапія, що доставляє нормальний ND4 в око (для м.11778 ЛОН) пройшла клінічні випробування. Мітоплазмові та інші мітохондріальні-цільовані підходи представляють собою перспективні терапевтичні напрямки.

Приклад 5: Сигнал mTOR у сенсорному регулюванні mTOR (механічний об'єкт рапоміку) комплекс 1 інтегрує сигнали росту факторів, наявність амінокислот, енергетичний статус і кисень для регулювання клітинного росту та аутофагії. Амінокислоти активують GTP-азоти Rag, що залучають mTORC1 до лізосомальної поверхні, де Rheb-GTP активує його. Активний mTORC1 фосфорилює 4EBP1 і S6K1, сприяючи синтезу білків, біосинтезу рибосом та ліпідному синтезу, пригнічуючи аутофагію. Надмірна активація mTORC1 в раку (від мутацій PI3K, втрати PTEN, мутацій TSC1/2) ціленаправлено блокується рапалогами (еверолімусом) у карциномах нирок, молочної залози та пухлинах, пов'язаних з TSC.

Приклад 6: Кетоні тіла при епілепсії Кетогенна дієта (високий вміст жиру, дуже низький вміст вуглеводів) викликає підтриманий кетоз — концентрації кетонових тіл у крові 2-5 ммМ. У пацієнтів з резистентною до ліків епілепсією (особливо у дітей), кетогенна дієта зменшує частоту нападів приблизно у 50% пацієнтів, при цьому 10-15% пацієнтів стають без нападів. Механізми ймовірно включають метаболічну стабілізацію нейронів через альтернативне джерело живлення, зміни рівнів нейротрансмітерів (підвищений ГАББА) та пряму інхібіцію натрійних каналів кетоновими тілами. Дієта є встановленою клінічною практикою для важкої дитячої епілепсії, а варіанти з середньоланцюговими жирними кислотами покращують придатність до вживання та дотримання.

Приклад 7: Біологія жирової тканини Жирова тканина білого кольору зберігає енергію у вигляді тригліцеридів; коричнева жирова тканина (КЖТ) і бежева жирова тканина розсіюють енергію як тепло через УCP1 (роз’єднаний білок 1) в внутрішній мембрані мітохондрій, роз’єднуючи градієнт протонів від АТФ-синтезу. Холодне обмороження та бета-3 адренергічні сигнали активують термагенез КЖТ; активність КЖТ несправджається з ожирінням і типом 2 діабету. Фармакологічна активація КЖТ (через бета-3 агоністи або гормони щитової залози) є підходом до збільшення витрати енергії для лікування ожиріння. Розуміння жирової тканини від рецепторів до транскрипційних факторів (PPARgamma є головним адпогенним регулятором) дозволило створити клас тизолідиновінгерних інсулін-чутливих препаратів.

Приклад 8: Одноуглецевий метаболізм Одноуглецевий (1У) метаболізм передбачає передачу одного вуглецевого фрагменту фолієм і циклами метіоніну, забезпечуючи метильні групи для метилирування ДНК, гістондеметилювання та синтезу нуклеотидів. Серин, гліцин, треонін, холін і формат є 1У-донорними; B12 і фолат є необхідними кофакторами. Ракові клітини підвищують 1У-метаболізм для підтримки їх підвищених репродуктивних вимог до пуринів і тимідинтези. Метотрексат і пеметрексед відповідно інгібують дигідрофолатредуктазу та інші ферменти 1У-метаболізму, роблячи їх ефективними протипухлинними препаратами. Добавки фолату запобігають дефектам нервової трубки шляхом забезпечення достатнього 1У-метаболізму під час закриття нервової трубки.

Спробуйте вживу

Все вище працює у вашому браузері — відкрийте симулятор «Метаболізм та біоенергетика» і змінюйте параметри, поки він працює. Не встановлюється нічого, не завантажується нічого, весь модель живе в одному вікні.

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Mitochondrial Bioenergetics Simulator і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.