Přetečení metabolismu - Overflow metabolism

Přetečení metabolismu odkazuje na zdánlivě nehospodárnou strategii, ve které buňky neúplně oxidují svůj růst Podklad (např. glukóza ) namísto použití dýchací cesty, a to ani v přítomnosti kyslíku.[1] V důsledku použití této metabolické strategie buňky vylučují (nebo „přetékají“) metabolity podobné laktát, acetát a ethanol. Neúplná oxidace růstových substrátů poskytuje méně energie (např. ATP ) než úplná oxidace dýchání a přesto přetékající metabolismus - známý jako Warburgův efekt v kontextu rakoviny[2] - vyskytuje se všudypřítomně mezi rychle rostoucími buňkami, včetně bakterií, hub a savčích buněk.

Na základě experimentálních studií přetečení acetátu v Escherichia coli, nedávný výzkum nabídl obecné vysvětlení pro spojení přetečení metabolismu s rychlým růstem. Podle této teorie jsou enzymy potřebné pro dýchání nákladnější než enzymy potřebné pro částečnou oxidaci glukózy.[3][4] To znamená, že pokud by buňka produkovala dostatek těchto enzymů, aby podporovala rychlý růst respirační metabolismus, spotřebovalo by to mnohem více energie, uhlíku a dusíku (za jednotku času), než by podporovalo rychlý růst s neúplně oxidačním metabolismem (např. fermentací). Vzhledem k tomu, že buňky mají omezené energetické zdroje a fixovaný fyzický objem pro proteiny, předpokládá se, že existuje kompromis mezi účinným zachycením energie prostřednictvím centrálního metabolismu (tj. dýchání) a rychlým růstem dosaženým vysokými centrálními metabolickými toky (např. fermentací jako v droždí ).

Jako alternativní vysvětlení bylo navrženo, že buňky mohou být omezeny rychlostí, s jakou se mohou rozptýlit Gibbsova energie do životního prostředí.[5] Využití kombinovaných termodynamických a stechiometrických metabolických modelů v analýzy bilance toku s (i) maximalizací růstu jako objektivní funkce a (ii) identifikovaným limitem v buňce Gibbsova energie Bylo dosaženo rychlosti rozptýlení, správných předpovědí fyziologických parametrů, intracelulárních metabolických toků a koncentrací metabolitů.[5]

Viz také

Reference

  1. ^ Vazquez, Alexei (2017-10-27). Metabolismus přetečení: Od kvasinek po maratonce. Akademický tisk. ISBN  9780128122082.
  2. ^ Fernandez-de-Cossio-Diaz, Jorge; Vazquez, Alexei (18. 10. 2017). „Meze aerobního metabolismu v rakovinných buňkách“. Vědecké zprávy. 7 (1): 13488. doi:10.1038 / s41598-017-14071-r. ISSN  2045-2322. PMC  5647437. PMID  29044214.
  3. ^ Molenaar, Douwe; Berlo, Rogier van; Ridder, Dick de; Teusink, Bas (01.01.2009). „Posuny v růstových strategiích odrážejí kompromisy v buněčné ekonomice“. Molekulární biologie systémů. 5 (1): 323. doi:10.1038 / msb.2009.82. ISSN  1744-4292. PMC  2795476. PMID  19888218.
  4. ^ Basan, Markus; Hui, Sheng; Okano, Hiroyuki; Zhang, Zhongge; Shen, Yang; Williamson, James R .; Hwa, Terence (03.12.2015). „Přetečení metabolismu v Escherichia coli je výsledkem efektivní alokace proteomu“. Příroda. 528 (7580): 99–104. doi:10.1038 / příroda15765. ISSN  0028-0836. PMC  4843128. PMID  26632588.
  5. ^ A b Heinemann, Matthias; Leupold, Simeon; Niebel, Bastian (leden 2019). „Horní hranice pro rozptýlení energie podle Gibbsa řídí buněčný metabolismus“ (PDF). Přírodní metabolismus. 1 (1): 125–132. doi:10.1038 / s42255-018-0006-7. ISSN  2522-5812. PMID  32694810. S2CID  104433703.