Катаболизма нет: Яндекс Карты — подробная карта мира

Анаболизм – это синтез сложных органических соединений – белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов – из простых предшественников, поступающих в клетку из окружающей среды или образующихся в процессе катаболизма. Процессы синтеза связаны с потреблением свободной энергии, которая поставляется АТФ (рис. 31).

Рис. 31 Схема путей метаболизма в бактериальной клетке

В зависимости от биохимии процесса диссимиляции (катаболизма) различают дыхание и брожение.

Дыхание– это сложный процесс биологического окисления различных соединений), сопряженный с образованием большого количества энергии, аккумулируемой в виде макроэргических связей в структуре АТФ (аденозинтрифосфат), УТФ (уридинтрифосфат) и т.д., и образованием углекислого газа и воды. Различают аэробное и анаэробное дыхание.

Брожение– неполный распад органических соединений с образованием незначительного количества энергии и продуктов, богатых энергией.

Анаболизм включает процессы синтеза, при которых используется энергия, вырабатываемая в процессе катаболизма. В живой клетке одновременно и непрерывно протекают процессы катаболизма и анаболизма. Многие реакции и промежуточные продукты являются для них общими.

Живые организмы классифицируют в соответствии с тем, какой источник энергии или углерода они используют. Углерод – основной элемент живой материи. В конструктивном метаболизме ему принадлежит ведущая роль.

В зависимости от источника клеточного углерода все организмы, включая прокариотные, делят на автотрофы и гетеротрофы.

Автотрофыиспользуют CO₂ в качестве единственного источника углерода, восстанавливая его водородом, который отщепляется от воды или другого вещества. Органические вещества они синтезируют из простых неорганических соединений в процессе фото- или хемосинтеза.

Гетеротрофы получают углерод из органических соединений.

Живые организмы могут использовать световую или химическую энергию. Организмы, живущие за счет энергии света, называют фототрофными.Органические вещества они синтезируют, поглощая электромагнитное излучение Солнца (свет). К ним относятся растения, сине-зеленые водоросли, зеленые и пурпурные серобактерии.

Организмы, получающие энергию из субстратов, источников питания (энергия окисления неорганических веществ), называют

Существует немногочисленная группа хемоавтотрофов. К таким хемосинтезирующим микроорганизмам относятся нитрифицирующие бактерии, которые, окисляя аммиак до азотистой кислоты, высвобождают необходимую для синтеза энергию. К хемосинтетикам относятся также водородные бактерии, получающие энергию в процессе окисления молекулярного водорода.

У большинства организмов расщепление органических веществ происходит в присутствии кислорода – аэробный обмен. В результате такого обмена остаются бедные энергией конечные продукты (СО₂и Н₂О), но высвобождается много энергии. Процесс аэробного обмена называется дыханием, анаэробного – брожением.

Углеводы – основной энергетический материал, который клетки используют в первую очередь для получения химической энергии. Кроме того, при дыхании могут использоваться также белки и жиры, а при брожении – спирты и органические кислоты.

Расщепление углеводов организмы осуществляют разными путями, в которых важнейшим промежуточным продуктом является пировиноградная кислота (пируват). Пируват занимает центральное место в метаболизме при дыхании и брожении. Выделяют три основных механизма образования ПВК.

1.Фруктозодифосфатный (гликолиз) или путь Эмбдена-Мейергофа-Парнаса– универсальный путь.

Процесс начинается с фосфорилирования (рис. 32). При участии фермента гексокиназы и АТФ глюкоза фосфорилируется по шестому углеродному атому с образованием глюкозо-6-фосфата. Это активная форма глюкозы. Она служит исходным продуктом при расщеплении углеводов любым из трех путей.

При гликолизе глюкозо-6-фосфат изомеризуется во фруктозо-6-фосфат, а затем под действием 6-фосфофруктокиназы фосфорилируется по первому углеродному атому.

Баланс:

Максимальное количество энергии, получаемое клеткой при окислении одной молекулы углеводов гликолитическим путем, равно 2·10

Рис.32. Фруктозодифосфатный путь расщепления глюкозы

2.Пентозофосфатный (Варбурга-Дикенса-Хорекера)путь характерен также для большинства организмов (в большей степени для растений, а для микроорганизмов играет вспомогательную роль). В отличие от гликолиза ПФ путь не образует пируват.

Глюкозо-6-фосфат превращается в 6-фосфоглюколактон, который декарбоксилируется (рис. 33). При этом образуется рибулозо-5-фосфат, на котором завершается процесс окисления. Последующие реакции рассматриваются как процессы превращения пентозофосфатов в гексозофосфаты и обратно, т.е. образуется цикл. Считают, что пентозофосфатный путь на одном из этапов переходит в гликолиз.

При прохождении через ПФ путь каждых шести молекул глюкозы происходит полное окисление одной молекулы глюкозо-6-фосфата до CO

Рис. 33. Пентозофосфатный путь расщепления глюкозо-6-фосфата

Основное назначение этого пути – поставлять пентозы, необходимые для синтеза нуклеиновых кислот, и обеспечивать образование большей части НАДФ·Н₂, необходимого для синтеза жирных кислот, стероидов.

3.Путь Энтнера-Дудорова (кетодезоксифосфоглюконатный или КДФГ-путь)встречается только у бактерий. Глюкоза фосфорилируется молекулой АТФ при участии фермента гексокиназы (рис. 34).

Продукт фосфорилирования – глюкозо-6-фосфат – дегидрируется до 6-фосфоглюконата. Под действием фермента фосфоглюконатдегидрогеназы от него отщепляется вода и образуется 2-кето-3-дезокси-6-фосфоглюконат (КДФГ). Последний расщепляется специфичной альдолазой на пируват и глицеральдегид-3-фосфат. Глицеральдегид далее подвергается действию ферментов гликолитического пути и трансформируется во вторую молекулу пирувата. Кроме того, этот путь поставляет клетке 1 молекулу АТФ и 2 молекулы НАД·Н₂.

Таким образом, основным промежуточным продуктом окислительного расщепления углеводов является пировиноградная кислота, которая при участии ферментов превращается в различные вещества. Образовавшаяся одним из путей ПВК в клетке подвергается дальнейшему окислению. Освобождающиеся углерод и водород удаляются из клетки. Углерод выделяется в форме CO

Дыхание

Дыхание – окислительно-восстановительный процесс, идущий с образованием АТФ; роль доноров водорода (электронов) в нем играют органические или неорганические соединения, акцепторами водорода (электронов) в большинстве случаев служат неорганические соединения.

Если конечный акцептор электронов – молекулярный кислород, дыхательный процесс называют аэробным дыханием. У некоторых микроорганизмов конечным акцептором электронов служат такие соединения, как нитраты, сульфаты и карбонаты. Этот процесс называется анаэробным дыханием.

Аэробное дыхание – процесс полного окисления субстратов до CO₂ и Н₂О с образованием большого количества энергии в форме АТФ.

Полное окисление пировиноградной кислоты происходит в аэробных условиях в цикле трикарбоновых кислот (ЦТК или цикл Кребса) и дыхательной цепи.

Аэробное дыхание состоит из двух фаз:

1). Образующийся в процессе гликолиза пируват окисляется до ацетил-КоА, а затем до CO₂, а освобождающиеся атомы водорода перемещаются к акцепторам. Так осуществляется ЦТК.

2). Атомы водорода, отщепленные дегидрогеназами, акцептируются коферментами анаэробных и аэробных дегидрогеназ. Затем они переносятся по дыхательной цепи, на отдельных участках которой образуется значительное количество свободной энергии в виде высокоэнергетических фосфатов.

Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса, ЦТК)

Пируват, образующийся в процессе гликолиза, при участии мультиферментного комплекса пируватдегидрогеназы декарбоксилируется до ацетальдегида. Ацетальдегид, соединяясь с коферментом одного из окислительных ферментов – коферментом А (КоА-SH), образует «активированную уксусную кислоту» — ацетил-КоА – высокоэнергетическое соединение.

Ацетил-КоА под действием цитрат-синтетазы вступает в реакцию со щавелевоуксусной кислотой (оксалоацетат), образуя лимонную кислоту (цитрат С₆), которая является основным звеном ЦТК (рис. 35). Цитрат после изомеризации превращается в изоцитрат. Затем следует окислительное (отщепление Н) декарбоксилирование (отщепление СО₂) изоцитрата, продуктом которого является 2-оксоглутарат (С₅). Под влиянием ферментного комплекса ɑ-кетоглутаратдегидрогеназы с активной группой НАД он превращается в сукцинат, теряя СО₂ и два атома водорода. Сукцинат затем окисляется в фумарат (С₄), а последний гидратируется (присоединение Н₂О) в малат. В завершающей цикл Кребса реакции происходит окисление малата, что приводит к регенерации оксалоацетата (С₄). Оксалоацетат взаимодействует с ацетил-КоА, и цикл повторяется снова. Каждая из 10 реакций ЦТК, за исключением одной, легко обратима. В цикл вступают два атома углерода в виде ацетил-КоА и такое же количество атомов углерода покидают этот цикл в виде СО₂.

Рис. 35. Цикл Кребса (по В.Л. Кретовичу):

1, 6 – система окислительного декарбоксилирования; 2 – цитратсинтетаза, кофермент А; 3, 4 – аконитатгидратаза; 5 – изоцитратдегидрогеназа; 7 – сукцинатдегидрогеназа; 8 – фумаратгидратаза; 9 – малатдегидрогеназа; 10 – спонтанное превращение; 11 — пируваткарбоксилаза

В результате четырех окислительно-восстановительных реакций цикла Кребса осуществляется перенос трех пар электронов на НАД и одной пары электронов на ФАД. Восстановленные таким путем переносчики электронов НАД и ФАД подвергаются затем окислению уже в цепи переноса электронов. В цикле образуется одна молекула АТФ, 2 молекулы СО₂ и 8 атомов водорода.

Биологическое значение цикла Кребса заключается в том, что он является мощным поставщиком энергии и «строительных блоков» для биосинтетических процессов. Цикл Кребса действует только в аэробных условиях, в анаэробных он разомкнут на уровне α-кетоглутаратдегидрогеназы.

Дыхательная цепь

Последней стадией катаболизма является окислительное фосфорилирование. В ходе этого процесса высвобождается большая часть метаболической энергии.

Восстановленные в цикле Кребса переносчики электронов НАД и ФАД подвергаются окислению в дыхательной цепи или цепи транспорта электронов. Молекулы-переносчики – это дегидрогеназы, хиноны и цитохромы.

Обе ферментные системы у прокариот находятся в плазматической мембране, а у эукариот – во внутренней мембране митохондрий. Электроны от атомов водорода (НАД, ФАД) по сложной цепи переносчиков переходят к молекулярному кислороду, восстанавливая его, при этом образуется вода.

Баланс. Расчеты энергетического баланса показали, что при расщеплении глюкозы гликолитическим путем и через цикл Кребса с последующим окислением в дыхательной цепи до СО₂ и Н₂О на каждую молекулу глюкозы образуется 38 молекул АТФ. Причем максимальное количество АТФ образуется в дыхательной цепи – 34 молекулы, 2 молекулы — в ЭМП-пути и 2 молекулы – в ЦТК (рис. 36).

Неполное окисление органических соединений

Дыхание обычно связано с полным окислением органического субстрата, т.е. конечными продуктами распада являются СО₂ и Н₂О.

Однако некоторые бактерии и ряд грибов не до конца окисляют углеводы. Конечными продуктами неполного окисления являются органические кислоты: уксусная, лимонная, фумаровая, глюконовая и др., которые аккумулируются в среде. Этот окислительный процесс используется микроорганизмами для получения энергии. Однако общий выход энергии при этом значительно меньший, чем при полном окислении. Часть энергии окисляемого исходного субстрата сохраняется в образующихся органических кислотах.

Микроорганизмы, развивающиеся за счет энергии неполного окисления, используются в микробиологической промышленности для получения органических кислот и аминокислот.

Анаболизм и катаболизм. Масса и сушка.

Вас может удивить то, что спортивный курс так много времени уделяет питанию, однако 80% Вашего успеха будет зависеть именно от того, что Вы едите и только 20% от тренировок. К тому же Вашей фулбади тренировки вам хватит как минимум на месяц, все-таки ваша задача в этот период — освоить технику и разбудить мышцы, а не накачать их.

Для начала хотелось бы убедиться, что у Вас подсчитана Ваша суточная калорийность(а в идеале ещё и БЖУ). На второй неделе мы её поменяем. Для тех, у кого есть лишний вес — уменьшаем калорийность на 10%. Для тех, у кого лишнего веса нет и хочется набрать мышц — увеличиваем калорийность на 10% Прирост или урезание на 10% достаточны для того, чтобы в Вашем организме начали происходить изменения. Если урезать сильнее — то для организма это будет шоком и он начнет адаптироваться и вместо того, чтобы сжигать жир начнет урезать расход калорий. Но об этом чуть позднее.

Для начала хотел бы поговорить про желаемый результат. Желание всех женщин — это похудеть. Я в свою очередь стараюсь убедить, что для этого необходимо качать мышцы. Но сразу получаю кучу опасений, что если качаться, то можно стать перекачанной. Я уже сорвал голос, объясняя, что это возможно ТОЛЬКО с применением фармакологии. Даже если вы будете работать с весами наравне с мужчинами.

Максимум, что появится — это выраженные бедра. А рельеф мышц будет только в случае, если будет экстремально низкий % подкожного жира. Так что дамы, не бойтесь нагрузок — ваш шанс перекачаться без фармакологии = 0 целых 0 десятых.

Зачем женщинам качать мышцы? Потому что чем больше у Вас мышц, тем больше сжигает калорий Ваша бытовая активность. То есть Вы будете тратить больше энергии сами по себе. Также силовые нагрузки запускают синтез самототропного гормона(гормон роста), а он является липолитическим (жиросжигающим).

Чем больше у Вас будет активных мышечных волокон, тем легче Вам будет сжигать жир.
Ещё раз скажу — не нужно боятся и переоценивать количество мышц — Вы удивитесь тому, как их у Вас мало, когда начнёте заниматься и худеть.

Переходим к мужским хотелкам. Мужики по большей части хотят накачать мышцы(причем как можно меньшими усилиями) и держать их в тонусе. У большинства из них нет цели выглядеть как атлет(хотя это абсолютно реально и поддерживать эту форму не так уж сложно, а со временем станет просто в кайф). Желание похудеть для них является каким-то женским, к тому же по аналогии с женщинами, которые боятся быть перекачанными, мужчины не хотят быть НИ перекачанными, НИ дрищами.

В итоге никто не хочет качаться и никто не хочет худеть.

Я же призываю делать именно это. Почему? Во-первых, без значительных усилий Вы не перекачаетесь. Опять же — это сложнее, чем Вы думаете, а во-вторых, без очень строгих диет Вы не станете дрищом. Так зачем нужны целенаправленные усилия по наращиванию мышц и уменьшению жира? По аналогии с женщинами, чем больше у Вас мышц, тем больше самототропного гормона и тем меньше жира. Но у Вас есть ещё один анаболический гормон — тестостерон, он же мужской половой гормон. Он также участвует в росте мышц и сжигании жира, а его выработка зависит от наличия силовых нагрузок и % жира в Вашем теле(всего причин гораздо больше, но эти — самые основные, на которые влияет наш курс).

Когда Вы начинаете худеть — повышается тестостерон, от этого начинают расти мышцы, от этого Вы ещё больше худеете и получаете ещё больше тестостерона.

Прекрасный замкнутый круг, который у большинства мужчин, к сожалению, работает в другую сторону. Тестостерон, кстати, влияет не только на количество мышц и жира, он также укрепляет иммунитет, повышает либидо, уверенность в себе и пр. Если хотите знать подробней — Гугл Вам в помощь. Кстати, женщинам не нужно боятся повышенной выработки тестостерона, её не будет, если не будете прибегать к фармакологии.

Итак, мы определились с тем, что нам нужно сжечь как можно больше жира и нарастить как можно больше мышц в разумных пределах, которые продиктует нам наша генетика и образ жизни. И это одинаково нужно как мужчинам, так и женщинам. Теперь перейдём к тому, как эти процессы происходят в нашем теле.

Вы наверняка знаете про такое понятие, как Метаболизм — он же обмен веществ. Разберем его поподробнее. Метаболизм подразделяется на 2 стадии: Анаболизм и Катаболизм.

Анаболизм — это процесс синтеза клеток.
Например, наращивание мышц — это анаболизм. Вы наверняка слышали слово «Анаболики». Их название происходит как раз от анаболизма. Но пугаться тут нечего, анаболизм — это естественный процесс, в то время, как анаболики — это фармакологические препараты, которые позволяют обойти естественно функционирование организма и имеют довольно сильные побочные эффекты. Здесь они рассматриваться не будут.

Катаболизм — это процесс расщепления клеток.
Так вот, эти процессы не проходят в нашем организме одновременно. Мы либо синтезируем ткань, либо расщепляем. На самом деле, это очень сильное упрощение — все процессы в организме немного сложнее, но если у вас нет желания получить научную степень по микробиологии и биохимии- то примите эту упрощенную схему, на дистанции она работает ни чуть не хуже. Чтобы выразиться точнее, можно сказать так:

Наше тело не может ЭФФЕКТИВНО сжигать жир и ЭФФЕКТИВНО наращивать мышцы ОДНОВРЕМЕННО.

Чем занимается наш организм ана- или ката- болизмом, зависит от нашего энергетического баланса, то есть от того, что у нас больше — потребление калорий или их расход.  Если потребление больше — мы наращиваем массу — мышцы или жир в зависимости от того, что едим и чем занимаемся. Если больше расход — то мы начинаем сбрасывать массу — опять же мы можем сбрасывать как жир, так и мышцы. Причем организм старается избавиться от мышц в первую очередь, так как они более энергозатратны в содержании.

Жир и мышцы — абсолютно разные нутриенты и преобразовать одно в другое, то есть пережечь жир в мышцы, не получится. Жир можно только сжечь, а мышцы только нарастить, причем не одновременно, как вы понимаете. Вы наверняка слышали про такие понятие как «на массе» и «на сушке». Так вот, это схема не просто рабочая, а единственно рабочая. Нужно сначала набирать мышцы, причем вместе с ними вы наберете немного жира, а потом сжечь лишний жир, при этом немного уменьшиться Ваш объем мышц. Не пугайтесь, объем уменьшится, но, если все делать с умом, то он будет связан лишь с уменьшением количества питательных веществ в мышечных клетках, который быстро восстановится, когда сушка закончится.

Однако у всех правил есть исключения. И если Вы обладаете немного лишним весом, а со спортом связаны примерно также, как депутат с народом, то у меня для Вас отличная новость! Вы можете и сжечь жир и нарастить мышцы одновременно и эффективно. Какого хрена я тогда утверждал, что это невозможно? Тут нет противоречия.

Дело в том, что если нетренированный человек ограничит свою калорийность и начнет заниматься — он будет сбрасывать жир(так как энергетический баланс отрицателен), а мышцы будут расти за счет того, что будут активироваться «дремлющие» мышечные волокна. Активируясь, он будут наполняться питательными веществами, увеличивая свои объем и силу. Причём, чем тренированней Вы были в прошлом, тем лучше у вас будут результаты. То есть сработает так называемый феномен мышечной памяти. Если когда-то Вы были накачанным, а сейчас стали пухляком — значительная часть Ваших мышц быстро вернется.

Переходим к плану действий. Вы уже определились с целью — нужно ли Вам сбрасывать вес или набирать(если колеблетесь — лучше сбрасывайте, как я объяснил в предыдущем абзаце — мышцы все равно будут расти в этот период). Для начала нужно поменять состав Вашего рациона по нутриентам, то есть по белкам, жирам и углеводам.

Вот Вам рекомендации:

Белки — кушать 1,5-2г на кг веса.

То есть 80 килограммовый человек должен потреблять в день 120-160 грамм белка. Потреблять меньше — ограничивать рост мышц, потреблять больше — давать лишнюю нагрузку на почки и ЖКТ, т.к. все равно больше белка организм не пустит на строительство новых клеток. Какой белок выбирать я рассказал в предыдущем письме.

Жиры — от 0,7 до 1 г на кг веса. Учитывайте ВСЕ жиры, которые Вы потребляете в пищу, вплоть до масла, на котором Вы жарите картошку. В порцию картофеля может впитаться на 30г масла, что будет составлять 300 калорий. Также старайтесь потреблять больше жиров Омега-3. От 12 до 25% потребляемых жиров должны быть омега-3. Лучше источники — это льняное масло, кедровые орехи и рыбий жир.

Углеводы ДО 4 г на кг веса. Как понять точное количество? Просто посчитайте, сколько у вас остается запас по калориям. То есть общая логика такая — потребляем жиры и углеводы в зависимости от Вашего веса, а нехватающие калории добиваем углеводами.

Что получаем в итоге?

Питание становится сбалансированным, белка достаточно, чтобы строить новые клетки, нет жира, кроме того минимума, который нам необходим.
Увеличивается термический коэффициент пищи. Это связано с увеличением потребления белка. Термический коэффициент пищи -это относительное количество калорий, которое тратится на ее переваривание. У углеводов и жиров он варьируется от 5 до 15%, а у белков достигает 30%. То есть 30% калорий, полученных из белков будет потрачено на переваривание этого самого белка! Таким образом мы увеличиваем расход калорий организма без каких либо усилий. Если Ваше питание более-менее сбалансировано или балансировка перестала давать результаты(а со временем это случится), то нужно будет корректировать калорийность. Для тех, кто хочет нарастить массу — прибавляем 10% калорий. Для тех, кто хочет сбросить — снижаем на 10%.
Чем корректировать? Ответ очевиден. Белки и жиры должны соответствовать Вашему весу, соответственно корректировать нужно будет углеводы. Если в школе Вы болели и пропустили тему процентов — даю примерные цифры: убавьте 30-80 грамм углеводов, где 30 нужно убавить хрупкой девушке, а 80 — гордому обладателю тельца тяжелее центнера.

Как я уже и говорил, я не буду сразу давать готовых рационов. Но дам список рекомендаций, который лучше начать применять сейчас. Некоторые рекомендации Вас удивят, но не волнуйтесь, позже я их объясню.

1) Ешьте 4-5 раз в день. Конечно, тут все индивидуально и зависит от вашего пищеварения и графика. Но как показывает практика — питание 1-2 раза в день или 6-7 раз в день не дают преимуществ в усваивании пищи и некомфортны для распорядка дня.
Последний прием пищи должен быть не до 18, а за 2-3 часа до сна. То есть если вы ложитесь в 00:00 — поужинать в 22 нормально, дадите подпитку мышцам для ночного роста.
Не можете добрать норму белка обычным питанием? Тогда добирайте ее сывороточным протеином. Это не химия, а простой белок, очищенный от примесей, вроде сухого молока или яичного порошка. Но не увлекайтесь — старайтесь, чтобы белка из спортивного питания было не более 30%.

2) Не совмещайте основные приемы пищи с другими занятиями. Ешьте за столом без просмотра сериалов или работы. Кушать станете меньше, а удовольствия будете получать больше.

3) Проявляйте умеренность в еде. Это уже рекомендация всех врачей в мире.

4) Не бойтесь, что здоровая пища поначалу будет недостаточно вкусной — со временем ваши вкусовые рецепторы адаптируются и здоровая пища станет для вас вкуснее фастфуда.

5) Планируйте питание заранее. Не стоит отодвигать решение о том, что Вы будете есть на момент перед тем, как собственно начнете есть. Вы сытый и Вы голодный — это 2 разных человека. Голодный Вы нерационален и спровоцирует Вас на вредную пищу.

6) Ходите в магазин со списком продуктов и покупайте ТОЛЬКО по списку. Захотели что-то еще — внесите в список следующего похода в магазин и придите позже и не вините себя, если впишите в список вкусняшку:)

7) Старайтесь есть овощи с основными приемами пищи

8) Вместе с углеводами принимайте клетчатку — отруби или отдельную клетчатку(она продается в диетическом отделе)

9) 10-25% потребляемых жиров должны быть жирами омега-3, но употребляя омега-3 отдельно, не забывайте учитывать их калорийность и БЖУ.

10) Между приемами пищи НИЧЕГО не едим, не кусочничаем. Даже совсем меленький прием пищи останавливает липолиз.

11) Полностью исключите жидкие калории, соки в том числе.

12) Сахарозаменители имеют место быть — используйте их или продукты, который на них основаны(ту же диетическую газировку), если тянет на сладенькое

13) Пейте больше чистой воды. Жажда наступает, когда у Вас УЖЕ началось обезвоживание. Норма — примерно 30мл на кг веса. Но она также зависит от образа жизни.

14) Откажитесь от алкоголя. Это не так ужасно, как Вы думаете.

15) Овощи имеют следующие приоритеты предпочтений: самые лучшие — свежие овощи с грядки. На втором месте — заморозка. Свежие овощи из магазина идут на третьем месте по полезности.

16) Ешьте то, что приготовили сами.

17) Приоритеты по приготовлению мяса: вареное — в пароварке — на гриле — жареное Самый лучший вариант — варить и потом сливать воду. Так из мяса выварится вся дрянь, которой его пичкали, когда оно еще бегало по травке(а точнее сидело в загоне). Жареное лучше вообще исключить.

18) НИКОГДА не терпите голод

19) Отличайте голод от психологической тяги к еде. Представьте, что Вам предлагают тарелку брокколи и в ближайшие 2 часа еды не будет. Если Вы готовы подождать 2 часа, то Вы не голодны.

20) Если после балансировки питания у вас получилось значительно меньше калорий, чем вы ели раньше и при этом вы наедаетесь досыта и думаете как в себя впихнуть еще — вот Вам золотое правило: НЕ ХОЧЕТСЯ — НЕ ПИХАЙ! Если Вы сыты — значит Вам хватает калорий.

21) Будьте осторожней с фруктами и сахаросодержащими овощами(например морковь и свекла). Мы привыкли, что натуральное всегда полезно, состоит из света и от него не толстеют. Но фрукты далеко не безобидны, скорее наоборот.
Никому ничего не объясняйте и не доказывайте. Если окружение смотри на вас косо — скажите, что прописал врач. Делитесь своим опытом, если спросят, но не рекомендуйте, сэкономите силы.

Фух, я разошелся. Пожалуй, на этом хватит. Удачи Вам в Ваших начинаниях, остаюсь на связи. До следующих писем! Ваш Барфитс.

Что такое метаболизм — Здоровая Россия

20 Января 2011

Как энергия откладывается в жир, почему надо больше двигаться, если хочешь похудеть, и чем мужчины кардинально отличаются от женщин?

Слово «метаболизм» употребляют в речи диетологи и спортсмены, фитнес-инструкторы и вечно худеющие. Чаще всего термин употребляется в значении «обмен веществ». Но что это такое на самом деле, знают далеко не все. Попробуем разобраться.

Что это такое?

Метаболизм – это процессы, проходящие в любом живом организме для поддержания его жизни. Метаболизм позволяет телу расти, размножаться, заживлять повреждения и реагировать на окружающую среду. Для этого действительно необходим постоянный обмен веществ. Разделить процессы можно на два потока. Один разрушительный – катаболизм, другой созидательный – анаболизм.

Как похудеть с помощью спорта?

Основные правила тренировок, режим питания и полезные ссылки в специальном материале для тех, кто хочет похудеть.

Разборка на молекулярном уровне…

Любое питательное вещество, попадающее в организм, не может сразу пойти на его нужды. Например, белки из орехов, молока и человеческих мышц – совершенно разные, и друг друга заменить не могут. Однако они состоят из одних и тех же «кирпичиков» — аминокислот. Хотя в каждом из белков их разный набор и соотношение. Чтобы получить стройматериал для, например, бицепса, специальные ферменты разбирают содержащийся в молоке или котлете белок на отдельные аминокислоты, которые уже и идут в дело. Параллельно высвобождается энергия, измеряемая в калориях. Процесс разбора и есть катаболизм. Другой пример катаболизма – расщепление обычного сахара-рафинада на фруктозу и глюкозу.

… и сборочный цех

Организму недостаточно разобрать белки из съеденного на аминокислоты. Из них необходимо собрать новые белки для той же мышцы бицепса.

Мифы и правда о похудении

Можно ли сбросить несколько кило за одну тренировку, полезны ли миостимуляторы, и другие истории для ленивых.

Постройка сложных молекул из более мелких компонентов требует энергозатрат. На нее идут те самые калории, которые организм получил при «разборке». Этот процесс называется анаболизм. Еще пара наглядных примеров работы «сборочного цеха» организма – рост ногтей и заживление трещин в костях.

А откуда берется жир?

Если в процессе расщепления питательных веществ производится энергии больше, чем ее требуется на постройку новых клеток организма, появляется явный избыток, который надо куда-то деть. Когда организм находится в состоянии покоя, метаболизм протекает в «фоновом» режиме и не требует активного расщепления и синтеза веществ. Но как только тело начинает двигаться, все процессы ускоряются и усиливаются. Возрастает и потребность в энергии и питательных веществах. Но даже у подвижного организма могут оставаться излишки калорий, если их поступает слишком много с пищей. Небольшая часть полученной и нерастраченной энергии складывается в виде углевода гликогена – источника энергии для активной работы мышц. Он запасается в самих мышцах и печени. Остальное накапливается в жировых клетках. Причем для их образования и жизни требуется гораздо меньше энергии, чем для постройки мышц или костей.

Как метаболизм связан с массой тела

Можно сказать, что вес тела — это катаболизм минус анаболизм. Другими словами, разница между количеством поступившей в организм энергии и использованной им. Так, один грамм съеденного жира дает 9 ккал, а то же количества белка или углевода – 4 ккал. Те же 9 ккал организм отложит в 1 грамм жира уже в своем теле, если не сумеет потратить. Несложный пример: съедаете бутерброд и ложитесь на диван. Из хлеба и колбасы организм получил жиры, белки, углеводы и 140 ккал. При этом лежащее тело потратит полученные калории только на расщепление съеденной пищи и немного на поддержание функций дыхания и кровообращения – около 50 ккал в час. Остальные 90 ккал превратятся в 10 г жира и отложатся в жировое депо. Если же любитель бутербродов выйдет на спокойную прогулку, полученные калории организм потратит примерно за час.

«Хороший» и «плохой» метаболизм?

Многие с завистью глядят на хрупкую девушку, регулярно лакомящуюся пирожными и не прибавляющую ни грамма веса. Принято считать, что у таких счастливчиков метаболизм хороший, а у тех, для кого кусочек сахара в чае грозит прибавкой веса – метаболизм плохой. На самом деле результаты исследований показывают, что действительно замедленный метаболизм наблюдается только при ряде заболеваний, например, гипотиреозе – недостатке гормона щитовидной железы. А у большинства людей с лишним весом нет никаких болезней, но наблюдается энергетический дисбаланс. То есть, энергии в организм поступает гораздо больше, чем ее нужно на самом деле, и она складируется про запас.

Статьи расхода калорий

Чтобы расход и получение калорий держать под контролем, стоит помнить основные направления дополнительных энергозатрат. 1. Чем выше масса тела, тем больше калорий ему требуется. Но, как мы знаем, жировой ткани надо совсем мало энергии для жизни, а вот мышечная потребляет достаточно. Поэтому 100-килограммовый культурист потратит больше калорий на ту же работу, что и его 100-килограммовый ровесник с неразвитыми мышцами и высоким процентом жира. 2. Чем старше становится человек, тем выше у него разница между поступлением энергии и ее тратами за счет гормонального дисбаланса и резкого снижения физической активности. 3. В метаболизме мужского организма активно участвует гормон тестостерон. Это настоящий естественный анаболик, заставляющий организм тратить энергию и ресурсы на выращивание дополнительных мышц. Именно поэтому мышечная масса у мужчин обычно гораздо выше, чем у женщин. А поскольку на поддержание жизнедеятельности мышц требуется гораздо больше энергии, чем для сохранения жира, то мужчина и женщина одного роста и веса тратят неодинаковое количество калорий на одни и те же действия. Проще говоря: мужчины больше тратят энергии, им требуется больше еды, а при желании они гораздо быстрее худеют.

Что надо знать о метаболизме

Вся жизнь организма – это баланс между расщеплением питательных веществ и получением из них энергии и энергозатратах при создании новых молекул и клеток. Если энергии поступает слишком много – она откладывается про запас в виде жировой ткани. Увеличить энергозатраты можно, много двигаясь или вырастив достаточное количество мышечной массы.

1 комментарий •

Чтобы оставить комментарий — необходимо быть авторизованным пользователем

Метаболический мониторинг у больных в остром периоде тяжелой черепно-мозговой травмы

Скачать статью. pdf

Резюме

Цель исследования: оценка методом непрямой калориметрии метаболического ответа организма на тяжелую черепно-мозговую травму. В исследование вошли 23 пациента с черепно-мозговой травмой. Протокол исследования включал: измерение антропометрических показателей – роста и массы тела, измерение потерь азота, выявление и оценка степени катаболизма, расчет энергетических потребностей пациента по потерям азота с мочой, определение энергетических затрат покоя (ЭЗП) методом непрямой калориметрии. Было проведено 67 исследований. Величина ЭЗП варьировала от 54% до 214% от расчетных значений. Для точного расчета нутритивных потребностей пациентов в остром периоде черепно-мозговой травмы следует проводить оценку ЭЗП и необходимых потребностей в энергии и белке с помощью метаболического мониторинга.

Черепно-мозговая травма (ЧМТ) является социально значимым заболеванием, от которого страдает по большей части трудоспособная часть населения, поэтому большое значение придается разработке и внедрению стандартов, протоколов и принципов диагностики и лечения ЧМТ. Наряду с экстренными мероприятиями по поддержанию основных функций организма и предотвращения вторичных осложнений, важная роль отводится и нутритивной поддержке пациентов с ЧМТ [3, 4, 12].

В настоящее время сформулировано несколько принципов назначения нутритивной поддержки больным в остром периоде тяжелой ЧМТ: расчет потребностей в энергии на килограмм массы тела, расчеты по потребностям белка, расчет необходимых энергетических потребностей по потерям азота [1, 4, 5, 12]. Однако ЧМТ – тяжелое заболевание, приводящее к изменению метаболизма и его структуры, что делает крайне затруднительным оценку необходимых потребностей расчетными методами.

Цель исследования

Целью нашего исследования явилась оценка методом непрямой калориметрии метаболического ответа организма на тяжелую ЧМТ.

Материалы и методы исследования.

Нами выполнено проспективное, когортное исследование, включающее в себя 23 пациента с ЧМТ, последовательно включенных в исследование в период с января 2010 по декабрь 2011 г. , и соответствующих критериям включения. Критерии включения и исключения. В исследование включались проспективно все пациенты с диагнозом острая тяжелая ЧМТ, поступившие в Институт не позднее, чем на 7 сутки от момента получения травмы с уровнем нарушения сознания по Шкале Комы Глазго (ШКГ) 7 баллов и менее. Из исследования исключали пациентов, имеющих следующие факторы и сопутствующие заболевания. Уровень сознания по ШКГ более 7 баллов или менее 4 баллов.

Тяжелая сочетанная травма.

Наличие у пациента сопуствующей патологии в виде печеночной или почечной недостаточности, делающими невозможным проведение оценки нутритивного статуса. Диаррейный синдром, делающим невозможным корректный учет потери азота. Наличие противопоказаний для проведения искусственного питания: острейшая фаза повреждения – 12–24 ч; рефрактерный шок; уровень сывороточного лактата >3–4 ммоль/л; гипоксия – рО2 80 мм рт. ст. Психо-моторное возбуждение. Негерметичность манжеты интубационной или трахеостомической трубки, утечка в контуре «пациент–аппарат». Наличие у пациента тремора и судорог. Бронхоплевральный свищ. Процентное содержание кислорода во вдыхаемой смеси более 60%, или нестабильность фракции кислорода во вдыхаемом воздухе. Гипервентиляция (респираторный коэффициент более 1,2). Уровень положительного давления в дыхательных путях в конце выдоха ≥12 см h3O.

Проведение гемодиализа.

Все пациенты трудоспособного возраста от 18 до 63 лет (средний возраст составил 35 лет) и до поступления в клинику не имели сопутствующей патологии, без признаков истощения. Как правило, все пациенты поступали в клинику с изолированной ЧМТ либо с незначительной сочетанными травмами (переломы ребер, длинных трубчатых костей, переломы челюсти и т.п.). По половому признаку пациенты распределились следующим образом – мужчины – 16 и женщины – 7 человек.

Состояние пациентов оценивали при поступлении. Проводили детальный неврологический осмотр с определением уровня сознания. Во время осуществления основного лечебного процесса, когда требовались коррекция внутричерепной гипертензии и поддержание систем гомеостаза, пациентам проводили продолженную седацию путем внтуривенной инфузии препаратов для анестезии (пропофол, фентанил и т. п.). У этих пациентов неврологический статус не оценивали.

После проведения оценки нутритивного статуса и метаболических потребностей при условии отсутствия критериев исключения пациенту назначали нутритивную поддержку из расчета 25 ккал/кг массы тела в сутки, с постепенным увеличением энергетической нагрузки до 35–50 ккал/кг массы тела в сутки к 14–21 суткам. Питание начинали стандартными гиперкалорическими смесями с пищевыми волокнами (Нутризон Энергия с Пищевыми Волокнами, 1,5 ккал/мл, «Нутриция»), после проверки функции желудочно-кишечного тракта, через назогастральный зонд. При необходимости, в случае нарушения толерантности к проводимому энтеральному питанию пациента переводили на смешанное питание (энтеральное/парентеральное).

Исследование проводили по следующей программе.

Измерение антропометрических показателей – роста и массы тела. Измерение потерь азота, выявление и оценка степени катаболизма. Методика представляет собой сбор суточной мочи у пациента и определение общего количества мочевины в суточной моче. Потери азота рассчитываются по известной формуле: Потери азота(г/сут)= (Мочевина мочи (ммоль/л) Х объем мочи (л) Х 28/1000) +6 [1] С целью выявления катаболизма у пациентов после получения данных об общей потере азота по формуле рассчитывали азотистый баланс. Этот показатель характеризует потери азота организмом и степень белкового катаболизма (табл.).

Таблица. Степень тяжести катаболизма [1].

Азотистый баланс = поступивший азот (г/сут) – общие потери азота (г/сут) [1] Определение энергетических затрат покоя (ЭЗП) методом непрямой калориметрии (НК). Метод заключается в определении объема потребленного кислорода (Vo2) и объема выделенного углекислого газа (Vсо2) [2]. Исследования метаболизма методом непрямой калориметрии проводили на системе анализа газообмена и метаболизма CCM Express компании MedGraphics, США. Непосредственно перед исследованием пациента в интерфейсную программу прибора вносили основные данные пациента (паспортная часть, индивидуальный номер, антропометрические данные, режим и показатели вентиляции, состояние сознания пациента). Исследование проводили в течение минимум 30 мин у каждого пациента. После окончания исследования вносили данные о величине общих потерь азота за сутки.

Всего по стандартной программе у 23 пациентов было проведено 67 исследований.

Результаты исследования и их обсуждение.

У пациентов при поступлении в клинику индекс массы тела в среднем составил 27,64±4,45 кг/м2 (норма 20–25,9). У 2/3 пациентов отмечали катаболизм тяжелой или средней степени выраженности, в оставшихся наблюдениях катаболизм у пациентов отсутствовал или был легкой степени выраженности. Известно, что катаболизм – это разрушение собственных запасов белка (преимущественного мышечной массы) с целью обеспечения белково-энергетических потребностей организма в отсутствии пищи. В ходе стресс-голодания это процесс протекает более быстро и тяжело [5]. Наиболее ярким признаком катаболизма, помимо резко отрицательного азотистого баланса, является быстрая потеря мышечной массы тела пациентами.

При анализе зависимостей между сроками получения ЧМТ и величиной энергозатрат покоя и респираторного коэффициента (РК) не было выявлено значимых закономерностей. Наше исследование метаболизма выявило высокую вариабельность как показателей энергетических затрат покоя, так и респираторного коэффициента. Величина ЭЗП варьировала от 1152 ккал/сут до 3158 ккал/сут, что составляло от 54% до 214% от расчетных значений. При том, что большинству пациентов, особенно в острейшем периоде, проводили продленную седацию.

На рисунке 1 показана динамика ЭЗП, измеренных методом НК в процентном соотношении от расчетных величин у двух, идентичных по тяжести, пациентов, поступивших в остром периоде тяжелой ЧМТ. На рисунке видно, как метаболизм у Пациента «Ф» остается в пределах нормальных значений, в то время как метаболизм пациента «А», повышается до двух раз от контрольных значений.

Наши результаты совпадают с заключением обзора N. Foley et al. [7] включающем в себя 24 исследования, три из которых были рандомизированными контролируемыми исследованиями. Установлено, что уровень энергозатрат покоя варьировал у пациентов с тяжелой ЧМТ от 75% до 200% от расчетных значений, причем минимальный уровень энергозатрат покоя был зафиксирован у пациента с погибшим мозгом. Проведенный обзор литературы K. Krakau et al., основанный на 30 исследованиях, показал, что скорость обмена веществ у пациентов с тяжелой ЧМТ варьировала от 96 до 160% [10].

Проведенный анализ данных выявил слабую корреляцию (y=1153,5 + 0,374*x; r=0,628; p<0,0001; r2=0,39) расчетных показателей ЭЗП, полученных стандартным уравнением Харриса–Бенедикта на основании антропометрических данных, и данных, полученных в результате проведения измерения методом непрямой калориметрии (рис. 2). Уравнение Харриса–Бенедикта было выведено в 1919 г., на основании данных полученных методом НК у здоровых добровольцев [9].

Рядом авторов также была сделана попытка провести корреляционный анализ между расчетными значениями уровня энергозатрат покоя и измеренными с помощью метода непрямой калориметрии [7, 11]. В исследовании P. M. Sunderland et al. проведенный анализ показал слабую зависимость между расчетными и измеренными показателями ЭЗП [14]. Очевидно, что использование этого уравнения допустимо только у нетяжелых больных для оценки их метаболизма.

Современные мировые тенденции диктуют необходимость отказываться от стандартизации расчетов белково-энергетических потребностей пациента и все больше делать акцент на индивидуализацию определения и назначения рациона питания. P. Singer et al. в своем исследовании показали снижение госпитальной смертности у пациентов, которым проводили динамический метаболический мониторинг энергозатрат покоя методом непрямой калориметрии [13]. Мы также придерживаемся мнения, что индивидуальный подход к осуществлению нутритивной поддержки пациентов в критическом состоянии позволяет избежать не только недостаточного поступления энергетических и пластических материалов в организм, но и риска их чрезмерного поступления. Нельзя осуществлять питание пациента в критическом состоянии по принципу «чем больше, тем лучше». Чрезмерное поступление в организм пациента энергетических субстратов сопряжено с рядом осложнений, таких как: увеличение частоты вторичных инфекций, дисфункция печени, гипертермия, гипергликемия, гипертриглециридемия и перегрузка жидкостью [6, 8].

В заключение стоит отметить, что методика определения ЭЗП методом непрямой калориметрии требует специальных навыков, равно как и корректное определение потерь азота. Однако для получения более высокого качества лечения пациентов в остром периоде ЧМТ следует опираться на правильное и точное определение необходимых потребностей в энергии и белке. При невозможности использования метода непрямой калориметрии у пациентов в остром периоде тяжелой ЧМТ, возможно использование уравнения Харриса–Бенедикта. Однако не следует оставлять без внимания тот факт, что такой метод расчета ЭЗП может допускать значительную ошибку. Необходимо проведение дальнейших исследований с оценкой взаимосвязи между величиной ЭЗП, структурой метаболизма и стрессовыми факторами, такими, как вторичная инфекция, внутричерепная гипертензия и др.

Выводы.

При оценке метаболизма методом непрямой калориметрии у пациентов в остром периоде черепно-мозговой травмы выявляется высокая вариабельность показателей энергетических затрат покоя, не зависящая от сроков получения травмы.

В ходе проводимого исследования выявляется слабая корреляция (y = 1153,5 + 0,374*x; r=0,628; p<0,0001; r2=0,39) расчетных показателей ЭЗП полученных стандартным уравнением Харриса–Бенедикта на основании антропометрических данных и данных, полученных в результате проведения измерения методом непрямой калориметрии.

В 2/3 наблюдений у пациентов с тяжелой черепно-мозговой травмой развивается катаболизм тяжелой или среднетяжелой степени тяжести.

В связи с установленной вариабельностью нарушений метаболизма, выявленных при измерении ЭЗП методом непрямой калориметрии, и невозможностью расчетным методом по стандартному уравнению Харриса–Бенедикта оценить нарушение структуры метаболизма, всем пациентам в остром периоде тяжелой черепно-мозговой травмы необходимо проводить динамический метаболический мониторинг методом непрямой калориметрии.

Литература

1. Бутров А.В., Попова Т.С., Свиридов С.В., и др., Парентеральное питание в интенсивной терапии и хирургии: Методические рекомендации. Москва. – 2006. – C. 10-18.
2. Завертайло Л.Л., Мальков О.А, Лейдерман И.Н. Технология метаболического мониторинга и выбор программы нутритивной поддержки у больного в критическом состоянии // Интенсивная терапия. – 2007. – Т. 1. – С. 65-77.
3. Коновалов А.Н., Лихтерман Л.Б, Потапов А.А. Черепно-мозговая травма. Клиническое руководство. В трех томах. – Москва. Антидор. 1998-2002.
4. Никифоров А.С., Коновалов А.Н., Гусев Е.И Клиническая неврология». Том III. Часть 1. Москва. Медицина. – 2004. – С. 418-459.
5. Руководство по клиническому питанию. Под редакцией Луфта В.М., Багненко С.Ф., Щербука Ю.А. Санкт-Петербургский НИИ скорой помощи им. И.И. Джанелидзе. – Санкт-Петербург. – 2010. – С. 94-114.
6. Dissanaike S., Shelton M., Warner K. et al. The risk for bloodstream infections is associated with increased parenteral caloric intake in patients receiving parenteral nutrition // Crit. Care. – 2007. – Vol. 11. – P. R114.
7. Foley N., Marshall S., Pikul J. et.al. Hypermetabolism following moderate to severe traumatic acute brain injury: a systematic review // J. Neurotrauma. – 2008. – Vol. 25. – P. 1415-1431.
8. Grau T., Bonet A. Caloric intake and liver dysfunction in critically ill patients // Curr. Opin. Clin. Nutr. Metab. Care. – 2009. – Vol. 12. – P. 175-179.
9. Harris J.A., Benedict F.G., Biometric studies of human basal metabolism // Proc Natl Acad Sci U S A. – 1918. – Vol. 4 – P. 370-373.
10. Krakau K., Omne-Pontén M., Karlsson T. et.al. Metabolism and nutrition in patients with moderate and severe traumatic brain injury: A systematic review // Brain Inj. – 2006. – Vol. 20. – P. 345-367.
11. McEvoy C.T., Cran G.W., Cooke S.R. et al. Resting energy expenditure in non-ventilated, non-sedated patients recovering from serious traumatic brain injury: Comparison of prediction equations with indirect calorimetry values // Clinical Nutrition. – 2009. – Vol. 28. – P. 526-532.
12. Povlishock J.T., Bullock M.R., Hillered L.T. et аl. Guidelines for the Management of Severe Traumatic Brain Injury 3rd Edition // J. neurotrauma. – 2007. – Vol. 24. Suppl. 1. – P. S77-S82.
13. Singer P., Anbar R., Cohen J., et al. The tight calorie control study (TICACOS): a prospective, randomized, controlled pilot study of nutritional support in critically ill patients // Intensive Care Med. – 2011. – Vol. 37. – P. 601-609.
14. Sunderland P.M., Heilbrun M.P. Estimating energy expenditure in traumatic brain injury: comparison of indirect calorimetry with predictive formulas // Neurosurgery. – 1992. – Vol. 31. – P. 246-252.

Please enable JavaScript to view the comments powered by Disqus.

Гормоны, масса тела и упражнения

Обзор

Ваш метаболизм включает набор процессов, которые все живые существа используют для поддержания своего тела. Эти процессы включают как анаболизм, так и катаболизм. Оба помогают организовать молекулы, высвобождая и улавливая энергию, чтобы тело оставалось сильным. Эти фазы метаболизма происходят одновременно.

Анаболизм сосредоточен вокруг роста и построения — организации молекул. В этом процессе маленькие простые молекулы превращаются в более крупные и сложные. Примером анаболизма является глюконеогенез. Это когда печень и почки производят глюкозу из неуглеводных источников.

Катаболизм — это то, что происходит, когда вы перевариваете пищу и молекулы расщепляются в организме для использования в качестве энергии. Большие сложные молекулы в организме распадаются на более мелкие простые. Примером катаболизма является гликолиз. Этот процесс почти обратный глюконеогенезу.

Понимание анаболизма и катаболизма может помочь вам тренироваться более эффективно, чтобы сбросить жир и нарастить мышечную массу. Отдых также является частью уравнения. Ваш метаболизм работает, даже когда вы спите.

Гормоны играют важную роль в этих процессах. Различные гормоны в организме связаны либо с анаболизмом, либо с катаболизмом.

Anabolism involves the hormones:

• estrogen
• insulin
• growth hormone
• testosterone

Catabolism involves the hormones:

• adrenaline
• cortisol
• cytokines
• glucagon

Any нарушение гормонального фона, например, заболевания щитовидной железы, также может повлиять на эти процессы и общий обмен веществ. Например, небольшое исследование бодибилдеров изучало их гормональный анаболо-катаболический баланс, когда они готовились к соревнованиям. Некоторые мужчины продолжали тренироваться и питаться как обычно, в то время как другие были ограничены в энергии, чтобы уменьшить жировые отложения.

В группе с ограничением энергии наблюдалось значительное снижение жировой и мышечной массы тела по сравнению с контрольной группой. Их уровни инсулина и гормона роста также снижались на протяжении всего исследования. Уровень тестостерона также снизился между 11 и 5 неделями перед соревнованиями. Другими словами, «анаболические пути» мужчин были нарушены, даже у тех, кто потреблял много белка.

Исследователи пришли к выводу, что бодибилдерам, возможно, придется использовать другие стратегии питания, чтобы предотвратить эффект катаболического распада перед соревнованиями.

Поскольку анаболизм и катаболизм являются частью вашего метаболизма, эти процессы влияют на массу вашего тела. Помните: когда вы находитесь в анаболическом состоянии, вы наращиваете и поддерживаете свою мышечную массу. Когда вы находитесь в катаболическом состоянии, вы разрушаете или теряете общую массу, как жировую, так и мышечную.

Возможно, вы сможете управлять массой тела, поняв эти процессы и свой общий обмен веществ. И анаболический, и катаболический процессы со временем приводят к потере жира. Однако, что касается вашего веса на напольных весах в качестве эталона, все может стать немного сложнее.

• Если вы много занимаетесь анаболическими тренировками, вы склонны терять жир и поддерживать или даже наращивать мышечную массу. Мышцы плотнее жира, поэтому ваш вес и индекс массы тела могут оставаться выше, несмотря на худощавое телосложение.
• Катаболические тренировки, с другой стороны, могут помочь вам сбросить лишние килограммы, работая как с жиром, так и с мышцами. Вы будете весить меньше, но у вас также будет гораздо меньше критической мышечной массы.

Вы можете думать об этих процессах как об уравнении, позволяющем предсказать, сможете ли вы похудеть или набрать вес.

Возьмите катаболизм (сколько энергии производит ваше тело) и вычтите анаболизм (сколько энергии использует ваше тело). Если вы производите больше, чем используете, вы можете набрать вес, так как энергия откладывается в виде жира. Если вы используете больше, чем производите, может произойти обратное.

Конечно, есть исключения, особенно если у вас есть сопутствующие заболевания, влияющие на ваши гормоны.

Работая над своим телом по-разному, можно получить разные результаты. Кардио и силовые тренировки связаны с разными метаболическими процессами. Вот как получить максимальную отдачу от тренировок в зависимости от ваших целей.

Катаболические

Катаболические упражнения — это аэробные или кардиоупражнения. Они могут включать движения, такие как бег, плавание и езда на велосипеде, когда вы находитесь в стабильном активном состоянии в течение относительно длительного периода времени. По данным Американского колледжа спортивной медицины, старайтесь еженедельно выполнять как минимум следующее количество аэробных упражнений:

• 150 минут умеренной интенсивности или
• 75 минут интенсивной интенсивности

Это обычно разбивается на три до пяти дней обучения. Если у вас есть проблемы со здоровьем в анамнезе, проконсультируйтесь с врачом, чтобы получить разрешение, прежде чем начинать этот режим.

Частота сердечных сокращений, кровяное давление и частота дыхания повышаются во время катаболических упражнений. Тело расщепляет гликоген во время сеансов потоотделения, чтобы использовать его в качестве топлива. Когда у вас заканчиваются запасы углеводов, кортизол вашего тела использует аминокислоты для создания энергии.

В результате катаболические упражнения могут помочь вам построить здоровое сердце и легкие. Но они также могут привести к потере массы тела, как мышечной, так и жировой. Он эффективно разрушает мышцы с течением времени. Некоторые из этих мышц могут быть восстановлены во время сна или отдыха в течение восьми или более часов посредством спонтанных анаболических процессов.

Анаболический

Если вы хотите нарастить мышечную массу, слишком долгое пребывание в катаболическом состоянии может сработать против вас. Это может уменьшить вашу мышечную массу и даже поставить под угрозу ваше общее состояние здоровья. Предотвращение катаболизма заключается в поддержании хорошего баланса между питанием, тренировками и восстановлением.

Мышцы можно поддерживать, тренируясь три или четыре раза в неделю. Следующая примерная программа упражнений может помочь вам оставаться в строительном или анаболическом состоянии. Попробуйте сосредоточиться на одной области в день, отдыхая между ними.

Анаболизм требует энергии для роста и развития. Катаболизм использует энергию для распада. Эти метаболические процессы работают вместе во всех живых организмах, чтобы делать такие вещи, как производство энергии и восстановление клеток.

Понимание разницы между анаболическими и катаболическими процессами может помочь вам достичь своих целей в спортзале и на весах. Чего бы вы ни хотели достичь, регулярные физические упражнения — кардио и силовые тренировки — плюс диета, богатая цельными продуктами, помогут вам оставаться здоровыми как внутри, так и снаружи.

Биохимия, катаболизм белков — StatPearls

Введение

Катаболизм белков — это расщепление белков на усваиваемые мономеры для дальнейшей деградации или повторной сборки. Катаболизм белков в просвете кишечника важен по нескольким причинам, одна из которых — мобилизация незаменимых аминокислот для всасывания. Незаменимые аминокислоты не могут синтезироваться в организме человека, но необходимы для биосинтеза жизненно важных белков, поэтому их единственным источником является расщепление полипептидов с помощью пищеварительных ферментов. Этот процесс начинается в желудке и продолжается в тонкой кишке. Большие белковые цепи разбираются, чтобы в конечном итоге оставить свободные аминокислоты, которые могут попасть в кровь и транспортироваться к различным клеткам тела для дальнейшего расщепления.

Эндопептидазы в форме зимогена высвобождаются слизистой оболочкой желудка и экзокринной частью поджелудочной железы для расщепления полипептидной цепи между определенными аминокислотными остатками. Находясь в меньшей форме, экзопептидазы удаляют последние аминокислоты с C- или N-конца дипептида или трипептида одну за другой, способствуя абсорбции в микроворсинках. Клетки могут использовать эти аминокислоты для создания жизненно важных белков или в качестве субстратов для производства энергии. Белки, созданные внутриклеточно, также могут катаболизироваться по тем же причинам. Внутриклеточные белки, которые либо были неправильно свернуты, либо больше не функционируют в клетке, также подвергаются внутриклеточному белковому катаболизму в лизосомах с помощью образования убиквитина и протеасом. Если клетка находится в низкоэнергетическом состоянии, свободные аминокислоты в цитозоле подвергаются дальнейшей деградации с образованием промежуточных продуктов цикла лимонной кислоты и направляются туда для производства АТФ. В то время как углеродный остов вступает в пути выработки энергии, азотный остов модифицируется и выводится в основном через почки.

Основы

rКатаболический процесс начинается, когда протеолитические ферменты высвобождаются в форме зимогена из слизистой оболочки желудочно-кишечного тракта. После секретирования зимогены расщепляются на активные протеазы. Пепсин из слизистой оболочки желудка гидролизует более крупный полипептид на более мелкие полипептиды, которые впоследствии могут быть дополнительно расщеплены панкреатическими протеазами, высвобождаемыми в двенадцатиперстной кишке. Трипсин, химотрипсин, эластаза и карбоксипептидазы, синтезируемые экзокринной частью поджелудочной железы, могут расщеплять полипептид в определенных точках расщепления на аминокислоты и олигопептиды. Аминопептидазы, расположенные на щеточной кайме эпителиальных клеток кишечника, гидролизуют оставшиеся олигопептиды до аминокислот, которые затем всасываются в кровоток через трансмембранные транспортные системы. Существуют как облегченные, так и активные транспортные механизмы для транспорта аминокислот в клетки.

Катаболизм белков является жизненно важной частью клеточного обмена. Когда цитозольные белки, такие как сигнальные или структурные пептиды, больше не нужны, они должны расщепляться в лизосомах для создания новых белков, которые могут выполнять необходимые метаболические функции. Если полученные аминокислоты не используются для синтеза новых белков для жизненно важных внутриклеточных функций, они могут войти в цикл лимонной кислоты для выработки энергии. Когда запрограммированная смерть является судьбой клетки, катепсины и другие катаболические ферменты работают вместе в процессе апоптоза.

Желудочные пептидазы: главные клетки слизистой оболочки желудка секретируют пепсиноген.[1] С помощью соляной кислоты, выделяемой париетальными клетками желудка, пепсиноген изменяет конформацию в сильнокислой среде желудка и расщепляется до активной протеазы — пепсина. Кислота также денатурирует пищевые белки и частично разворачивает их для облегчения протеолиза. Пепсин обычно расщепляет пептидные связи, содержащие карбоксильную группу, от кислой или ароматической аминокислоты; однако его широкая специфичность позволяет ему расщеплять пептидные связи и в других точках. Более мелкие пептиды, а иногда и свободные аминокислоты, затем попадают в двенадцатиперстную кишку, где встречаются с пептидазами, секретируемыми поджелудочной железой.

Панкреатические и кишечные пептидазы: Экзокринная часть поджелудочной железы секретирует различные пищеварительные ферменты, включая амилазу, липазу, колипазу, бикарбонат и неактивные протеазы. Бикарбонат, высвобождаемый в просвет кишечника, повышает рН и позволяет протеазам поджелудочной железы активироваться из их зимогенной формы. Одна конкретная протеаза, трипсин, является наиболее важной для пищеварительного процесса, потому что она сама расщепляет белки, а также активирует другие протеазы из их неактивных форм. Трипсин отщепляется от проферментной формы трипсиногена энтеропептидазой. Затем трипсин продолжает активировать химотрипсиноген, проэластазу и прокарбоксипептидазы в химотрипсин, эластазу и карбоксипептидазы соответственно. Трипсин гидролизует пептидные связи с карбоксильной группой аргинина или лизина. С другой стороны, химотрипсин имеет тенденцию воздействовать на пептидные связи между гидрофобными аминокислотами.[4] Трипсин и химотрипсин относятся к категории сериновых протеаз и имеют сходный метод протеолиза. Они образуют каталитический тетраэдрический промежуточный продукт, располагая каталитическую триаду таким образом, что протоны, образующие водородные связи, могут разорвать пептидную связь между двумя аминокислотами белка-субстрата.[4] Эти два фермента также очень похожи по своему карману связывания S1, который имеет основную аминокислоту в трипсине и гидрофобную аминокислоту в химотрипсине. Тем не менее, особенности и механизмы имеют гораздо большую сложность с их динамическими свойствами, структурная гибкость является одним из наиболее важных.

Эластаза, также сериновая протеаза, расщепляет эластин, а также белки с небольшими гидрофобными боковыми цепями, такие как глицин или аланин. Ацинарные клетки поджелудочной железы выделяют две формы эластазы, причем эластаза II обладает более широкой специфичностью, чем эластаза I.[5] Нуклеофильная аминокислота в активном центре эндопептидазы гидролизует пептидную связь на более мелкие пептидные цепи, которые нуждаются в дальнейшей деградации; это может происходить с помощью экзопептидаз, которые удаляют одну аминокислоту с конца белковой цепи. Примером экзопептидазы является активируемая трипсином панкреатическая протеаза карбоксипептидаза. Существует две формы этого протеолитического фермента, А и В. Карбоксипептидаза А имеет тенденцию отщеплять гидрофобные аминокислоты от пептидной цепи, а карбоксипептидаза В отщепляет основные аминокислоты от пептида. Эпителиальные клетки кишечника также содержат экзопептидазы на щеточной кайме, называемые аминопептидазами, которые высвобождают отдельные аминокислоты, транспортируемые в клетки.[6]

Внутриклеточный обмен белков: белки внутри клетки также подвергаются катаболизму для восполнения внутриклеточного пула аминокислот. Хотя у всех белков есть период полураспада, некоторые из них разлагаются в течение нескольких минут, а некоторые — в течение нескольких часов или дней. Некоторыми примерами сильно синтезированных и деградированных белков являются белки мышечных клеток, гемоглобин, эпителиальные клетки желудочно-кишечного тракта и сами протеолитические ферменты. Многие из этих белков расщепляются лизосомальными протеазами, так что составляющие их аминокислоты можно использовать для восстановления белков, потребности которых зависят от текущего физиологического состояния клетки. Например, в периоды голодания аминокислоты, высвобождаемые при катаболизме мышечных белков, могут направляться на глюконеогенез и выступать в качестве источника энергии. В состоянии сытости или во время метаболического ацидоза глютамин может быть топливом для почечной системы. Скелетные мышцы могут поглощать аланин, аспартат и глутамат и посредством переаминирования образовывать полезные промежуточные продукты цикла Кребса.

Клеточный

Трансмембранный транспорт: работа эндопептидаз, химотрипсина, эластазы и карбоксипептидазы и экзопептидаз, карбоксипептидазы и аминопептидазы, в конечном итоге дает свободные аминокислоты. Существуют механизмы облегченной диффузии и активного транспорта для поглощения этих соединений из просвета кишечника посредством вторичного активного транспорта [7]. Аминокислоты пересекают щеточную границу кишечных клеток через натрий-зависимую транспортную систему, в которой низкая внутриклеточная концентрация натрия обеспечивает совместное проникновение натрия и аминокислоты. Натрий-калиевая АТФаза на базолатеральной мембране поддерживает низкую концентрацию натрия внутри клетки. Как только аминокислоты попадают в клетку на апикальной мембране, они транспортируются вниз по градиенту на базальной мембране в кровоток, обычно в портальную циркуляцию. Шесть различных натрий-зависимых переносчиков аминокислот перекрываются по своей специфичности в отношении аминокислот, которые они транспортируют через апикальную мембрану щеточной каймы; однако носители отдают предпочтение типам транспортируемых аминокислот. Предпочтительные аминокислоты включают нейтральные аминокислоты, кислые аминокислоты, основные аминокислоты, цистин, пролин и гидроксипролин. Натрийзависимые переносчики аминокислот в клетках просвета кишечника также присутствуют в почечном эпителии в различных изоферментных формах.[8] С другой стороны, облегченные транспортные системы на базальной стороне сравнимы с обнаруженными в других типах тканей. Аминокислоты также могут всасываться из крови через эти облегченные транспортеры и использоваться в качестве субстратов для цикла лимонной кислоты для выработки энергии — двунаправленность облегченных транспортеров способствует выживанию кишечного эпителия во время голодания.

Транспортеры на апикальной поверхности мышц, печени и других тканей поглощают аминокислоты из крови и концентрируют их. Хотя они похожи на люминальные натрий-зависимые переносчики аминокислот в эпителии кишечника, эти переносчики различаются по своей генетической основе, белковому составу и специфичности.[8] Многие ткани экспрессируют A-систему, ASC-систему и L-систему для транспорта аминокислот в клетку; однако из них L-система является единственной без натрий-зависимого механизма. Клетки кишечника и почек экспрессируют В-систему, Х-систему и иминосистему [9].] Определенный тип ткани может содержать определенный тип переносчика аминокислот, не встречающийся в других тканях, например, экспрессия N-системы печени и ее специфичность в отношении абсорбции глутамина. Изоформа N-системы поглощения глутамина может экспрессироваться в тканях другого типа. Однако он будет иметь другие свойства и состав, чем тот, который присутствует в печени. Каждая система отличается своей специфичностью в отношении аминокислот и имеет значение при различных патологиях.

Лизосомальная деградация: если белки больше не нужны или синтезируются неправильно, внутриклеточные белки расщепляются с помощью лизосом и протеасомного комплекса. Белки попадают в лизосому посредством аутофагии, строго регулируемого процесса, при котором везикулы сливаются с мембраной лизосомы.[10] Аутофагии могут способствовать низкоэнергетические состояния, такие как низкий уровень АТФ или высокий уровень АМФ в клетке. Поскольку AMP-активированная протеинкиназа активируется при высоких уровнях AMP, она может фосфорилировать комплексы туберозного склероза 1 и 2, что приводит к активации Rheb-GTPase. Эта активация важна, потому что она инактивирует Rheb и, таким образом, также инактивирует mTOR, главный ингибитор аутофагии; именно так низкоэнергетические состояния способствуют катаболизму белков. И наоборот, активация комплексов туберозного склероза 1 и 2 инсулином через Akt-киназу приводит к активизации mTOR. Активированный mTOR способствует синтезу белка, а не деградации.

Убиквитинирование — это процесс, при котором молекула убиквитина ковалентно присоединяется к белкам, подлежащим деградации, и взаимодействует с протеасомой внутри лизосомы для расщепления указанного белка с использованием АТФ-зависимого процесса. [12] Убиквитин должен сначала активироваться через E1, E2 и E3, прежде чем стать ковалентно присоединенным к эпсилон-аминогруппе боковых цепей лизина через ферментный комплекс. Обычно белок получает больше молекул убиквитина на концевом лизине, образуя хвост. После формирования хвоста убиквитинированный белок отделяется от лигирующего ферментного комплекса и перемещается к протеасоме. Протеасома представляет собой цилиндрический протеазный комплекс 26S с несколькими каталитическими центрами внутри. Протеасомный комплекс 26S имеет два альфа- и два бета-кольца, содержащие три внутренних каталитических центра, подобных трипсину, химотрипсину и постглутамилпептидилгидролазе. Конструкция четырехкольцевой структуры такова, что альфа-кольца играют стабилизирующую роль, тогда как бета-субъединицы являются активными каталитическими частями комплекса.[13] Он сохраняет молекулы убиквитина, но использует гидролиз АТФ для разворачивания и перемещения белка глубже в комплекс и высвобождения свободных аминокислот. [10] Белки, гидролизуемые этим процессом, известны как последовательности PEST, названные так в честь общих аминокислот, включенных в цепь. Аминокислоты пролин, глутамат, серин и треонин находятся в высоких концентрациях в белках последовательности PEST.[14]

Оказавшись внутри лизосомы, лизосомальные протеазы, называемые катепсины, могут также расщеплять цитозольные белки, помеченные для катаболизма. Катепсины представляют собой еще один тип цистеиновых протеаз, присутствующих в перицеллюлярной среде, ядрах цитозоля и митохондриях.[15] Передача сигналов фактора некроза опухоли, клеточный стресс и каспазы могут запускать лизосомальное высвобождение катепсина, расщепляющего внутриклеточные белки, такие как Bid, что приводит к последующей активации апоптотического каскада каспаз [16].

Молекулярный

Судьба внутриклеточного пула аминокислот сильно зависит от метаболического состояния отдельной ткани и организма в целом. В сытом физиологическом состоянии аминокислоты могут расщепляться дальше до их углеродного и азотного скелетов. В то время как углеродный скелет может подвергаться окислению для получения энергии, азотный компонент выводится из организма через азотсодержащие отходы. Первоначально азот присутствует в виде аммиака, ядовитого для человеческого организма вещества. Печень превращает токсичный аммиак в мочевину посредством цикла мочевины в нетоксичную водорастворимую форму азота, которая легко выводится почками.

По мере того, как азотный скелет отбрасывается, углеродный скелет аминокислот может использоваться для производства энергии путем окисления в пируват (триптофан, глицин, аланин, серин, цистеин) и ацетил-КоА. Пируват и ацетил-Коэнзим А являются субстратами цикла лимонной кислоты, в конечном итоге производящего АТФ и углекислый газ. Ацетил-КоА также может образовывать кетоновые тела, выбрасываемые в кровоток для использования в качестве источника энергии определенными тканями. Аминокислоты, которые превращаются в ацетил-КоА или ацетоацетат, называются кетогенными из-за их склонности превращаться в кетоновые тела. [17] Например, лизин и лейцин являются одновременно кетогенными и незаменимыми аминокислотами.

Другая возможная судьба — превращение углеродного скелета в промежуточные продукты цикла лимонной кислоты альфа-кетоглутарат (аргинин, гистидин, глутамин, пролин, глутамат), сукцинил-КоА (валин, треонин, изолейцин, метионин), фумарат (аспартат, тирозин, фенилаланин) и оксалоацетат (аспартат, аспарагин) [18]. Стоит отметить, что малат, промежуточное звено цикла лимонной кислоты, может перемещаться по кровотоку в печень и участвовать в глюконеогенезе.[19] Если аминокислота может стать предшественником глюкозы, ее называют глюкогенной. Из-за различных промежуточных продуктов и точек входа в цикл Кребса аминокислоты могут быть как глюкогенными, так и кетогенными.

Тестирование

Убиквитинирование — это начало катаболизма внутриклеточных белков. Проверка функции этого процесса для понимания конкретных патологий включает объединение культивируемых клеток с плазмидами, содержащими белок с убиквитином, меченным эпитопом. Следующие шаги включают добавление стабилизирующих буферов, лизис и обработку клеток ультразвуком с последующими раундами инкубации. Поскольку окончательная форма анализа включает иммуноблоттинг в геле SDS-PAGE, должны образовываться конъюгированные антитела против белка [20]. Существуют также способы анализа процесса убиквитинирования in vitro, а не in vivo.[20]

Существуют способы определения ферментов, выделяемых экзокринной поджелудочной железой, трипсина, химотрипсина и эластазы. Одним из тестов является фекальный тест на эластазу, при котором стул анализируется на концентрацию эластазы, что подтверждает проходимость панкреатического протока, секреторную функцию экзокринной поджелудочной железы и наличие активирующего трипсина. Этот анализ является наиболее широко используемым тестом из-за его высокой специфичности и неинвазивного метода. Более инвазивным тестом является эндоскопический тест функции поджелудочной железы, который доступен только в некоторых медицинских учреждениях. В этом тесте пациенту вводят седативное средство и вводят секретин перед эндоскопической процедурой.[22] Эндоскоп отсасывает другую жидкость из верхних отделов желудочно-кишечного тракта по пути в двенадцатиперстную кишку. Затем образцы секрета поджелудочной железы берут из большого сосочка и анализируют на бикарбонат в лаборатории.[22] Обычно пробы отбирают с интервалом в 15, 30, 45 и 60 минут. Оценка секреции и активности этих ферментов важна для оценки патологий мальабсорбции белков.

Патофизиология

Кистозный фиброз представляет собой аутосомно-рецессивную мутацию в гене CFTR, который кодирует белки, составляющие поры хлоридных каналов.[23] Тяжесть заболевания различна, но некоторые черты являются общими для всех форм, например, образование густых слизистых пробок в протоке поджелудочной железы, легких, мочеполовой системе у мужчин. Поскольку для всасывания белки должны расщепляться, слизистая пробка, блокирующая высвобождение зимогена из экзокринной части поджелудочной железы, приводит к отсутствию катаболизма жизненно важных белков в просвете кишечника. [23] Пациенты с муковисцидозом имеют тяжелый дефицит белка и должны получать добавки экзогенных ферментов поджелудочной железы, хотя следует упомянуть, что побочные эффекты длительного приема ферментов поджелудочной железы в настоящее время неизвестны [24].

Квашиоркор — еще один серьезный дефицит белка; однако это связано с недостаточным потреблением белка, а не с генетическим заболеванием. Пищеварительные ферменты присутствуют в квашиоркоре; однако из-за того, что потребляется мало белка, присутствуют симптомы дефицита белка. У истощенных людей с квашиоркором жизненно важные реакции в организме поддерживаются за счет внутриклеточного катаболизма белков. Потребность в доступных незаменимых аминокислотах приводит к значительному снижению периферической мышечной массы из-за разрушения мышц.[10] Дефицит белка также приводит к снижению уровня альбумина в сыворотке, что снижает внутрисосудистое коллоидное давление, что приводит к отеку и вздутию живота. Тяжелый квашиоркор быстро ухудшается, поскольку пищеварительные ферменты перестают вырабатываться, а эпителий тонкой кишки не регенерируется.

 Дефект в механизмах облегченного и активного транспорта может привести к патологическим состояниям мальабсорбции. Цистинурия и болезнь Хартнупа являются генетическими нарушениями, затрагивающими мембранные переносчики аминокислот, но различаются по группам транспортируемых аминокислот и поэтому проявляются по-разному клинически.[9] Цистинурия — нарушение транспорта основных аминокислот через мембраны почечной и желудочно-кишечной систем. Отличительной чертой этого расстройства является образование камней в почках из-за неспособности резорбировать основную аминокислоту цистин из клубочкового фильтрата. Поскольку транспортер также присутствует в эпителии тонкой кишки, цистин и другие основные аминокислоты плохо всасываются из просвета кишечника. Механически похожее заболевание, болезнь Хартнупа представляет собой дефект транспорта нейтральных аминокислот через почечную и кишечную систему. Поскольку триптофан является одной из плохо усваиваемых нейтральных аминокислот, при медицинском осмотре выявляются симптомы пеллагры в виде сыпи, диареи и психических расстройств. В отличие от пеллагры, добавки с ниацином мало уменьшают симптомы и должны выявить необходимость генетического тестирования.

Клиническое значение

Надлежащее функционирование белкового катаболизма имеет первостепенное значение для поддержания метаболических потребностей человеческого организма. Разрушение больших полипептидных цепей с высвобождением свободных незаменимых и заменимых аминокислот обеспечивает клетки необходимыми субстратами для синтеза белка или выработки энергии. Расщепление внутриклеточного белка важно для нормального обмена, а также при физиологических состояниях недоедания и истощения для мобилизации аминокислот для экспорта для поддержки энергетических потребностей жизненно важных органов. Дефекты белкового катаболизма могут привести к разнообразным клиническим проявлениям, поражающим почти все системы органов.

Контрольные вопросы

• Доступ к бесплатным вопросам с несколькими вариантами ответов по этой теме.

• Комментарий к этой статье.

Каталожные номера

1.

Magee DF. Пепсин. Мед Клин Норт Ам. 1974 г., ноябрь; 58 (6): 1277-87. [PubMed: 4610293]

2.

Fruton JS. Специфичность и механизм действия пепсина. Adv Enzymol Relat Areas Mol Biol. 1970; 33:401-43. [PubMed: 48]

3.

Ji B, Logsdon CD. Переваривание новой информации о роли трипсина при панкреатите. Гастроэнтерология. 2011 декабрь; 141 (6): 1972-5. [Статья бесплатно PMC: PMC4327863] [PubMed: 22033179]

4.

Ma W, Tang C, Lai L. Специфичность трипсина и химотрипсина: динамическая корреляция, контролируемая движением петли, как детерминант. Biophys J. 2005 Aug;89(2):1183-93. [Бесплатная статья PMC: PMC1366603] [PubMed: 15

3]

5.

Дель Мар Э.Г., Ларгман С., Бродрик Дж.В., Фассет М., Геокас М.С. Субстратная специфичность эластазы поджелудочной железы человека 2. Биохимия. 1980 февраля 05;19(3):468-72. [PubMed: 6898442]

6.

Tobey N, Heizer W, Yeh R, Huang TI, Hoffner C. Пептидазы щеточной каймы кишечника человека. Гастроэнтерология. 1985 г., апрель 88(4):913-26. [PubMed: 3882510]

7.

Холмс Р., Лобли Р.В. Пересмотрена граница щетки кишечника. Кишка. 1989 декабря; 30 (12): 1667-78. [Статья бесплатно PMC: PMC1434444] [PubMed: 2693228]

8.

Bröer S. Транспорт аминокислот через эпителий кишечника и почек млекопитающих. Physiol Rev. 2008 Янв; 88 (1): 249-86. [PubMed: 18195088]

9.

Броер С., Фэйрвезер С.Дж. Транспорт аминокислот через кишечник млекопитающих. сост. физиол. 2018 13 декабря; 9 (1): 343-373. [PubMed: 30549024]

10.

Сандри М. Распад белка при истощении мышц: роль аутофагии-лизосомы и убиквитин-протеасомы. Int J Biochem Cell Biol. 2013 Октябрь; 45 (10): 2121-9. [Статья PMC бесплатно: PMC3775123] [PubMed: 23665154]

11.

Puertollano R. mTOR и регулирование лизосом. F1000Prime Rep. 2014; 6:52. [Бесплатная статья PMC: PMC4108950] [PubMed: 25184042]

12.

Доэрти Ф.Дж., Доусон С., Майер Р.Дж. Убиквитин-протеасомный путь внутриклеточного протеолиза. Очерки биохим. 2002;38:51-63. [PubMed: 12463161]

13.

Чехановер А. Убиквитин-протеасомный путь: о гибели белков и жизни клеток. EMBO J. 15 декабря 1998 г.; 17 (24): 7151-60. [Бесплатная статья PMC: PMC1171061] [PubMed: 9857172]

14.

Rechsteiner M, Rogers SW. Последовательности PEST и регуляция протеолиза. Тенденции биохимических наук. 1996 июля; 21 (7): 267-71. [PubMed: 8755249]

15.

Брикс К., Данкхорст А., Майер К., Джорданс С. Цистеиновые катепсины: клеточная дорожная карта для различных функций. Биохимия. 2008 г., февраль; 90 (2): 194–207. [PubMed: 17825974]

16.

Leist M, Jäättelä M. Запуск апоптоза катепсинами. Смерть клеток 2001 Апрель; 8 (4): 324-6. [PubMed: 11550083]

17.

Harris RA, Joshi M, Jeoung NH, Obayashi M. Обзор молекулярных и биохимических основ катаболизма аминокислот с разветвленной цепью. Дж Нутр. 2005 г., июнь; 135 (6 доп.): 1527S-30S. [В паблике: 15930464]

18.

БЕЛЛАМИ Д. Эндогенные промежуточные продукты цикла лимонной кислоты и аминокислоты митохондрий. Biochem J. 1962 Jan; 82:218-24. [Бесплатная статья PMC: PMC1243435] [PubMed: 13866863]

19.

Айкава Т., Мацутака Х., Ямамото Х., Окуда Т., Исикава Э. Глюконеогенез и метаболизм аминокислот. II. Межорганные отношения и роль глютамина и аланина в метаболизме аминокислот у голодающих крыс. Дж Биохим. 1973 г., ноябрь; 74 (5): 1003-17. [В паблике: 4770365]

20.

Choo YS, Zhang Z. Обнаружение убиквитинирования белка. J Vis Exp. 2009, 19 августа; (30) [бесплатная статья PMC: PMC3149903] [PubMed: 19692941]

21.

Löser C, Möllgaard A, Fölsch UR. Фекальная эластаза 1: новый, высокочувствительный и специфический бескамерный функциональный тест поджелудочной железы. Кишка. 1996 г., октябрь; 39 (4): 580-6. [Бесплатная статья PMC: PMC1383273] [PubMed: 8944569]

22.

Forsmark C, Adams PC. Тестирование функции поджелудочной железы — полезно, но используется недостаточно. Можно J Гастроэнтерол. 2009 г.авг; 23 (8): 529-30. [Бесплатная статья PMC: PMC2732171] [PubMed: 19668794]

23.

Ooi CY, Durie PR. Мутации гена трансмембранного регулятора проводимости (CFTR) при муковисцидозе при панкреатите. J Кистозные волокна. 2012 сен; 11 (5): 355-62. [PubMed: 22658665]

24.

Somaraju UR, Solis-Moya A. Заместительная терапия ферментами поджелудочной железы для людей с муковисцидозом. Cochrane Database Syst Rev. 2016 Nov 23;11:CD008227. [Бесплатная статья PMC: PMC6734127] [PubMed: 27878805]

Обратный катаболизм бета-блокаторами после тяжелых ожогов

Клинические испытания

. 25 октября 2001 г .; 345 (17): 1223-9.

дои: 10.1056/NEJMoa010342.

Д Н Херндон ¹ , Д. У. Харт, С. Э. Вольф, Д. Л. Чинкс, Р. Р. Вулф

принадлежность

• ¹ Отделение хирургии, Медицинское отделение Техасского университета, Детская больница Шрайнерс, Галвестон 77550, США. [email protected]

• PMID: 11680441
• DOI: 10.1056/NEJMoa010342

Бесплатная статья

Клинические испытания

Д.Н. Herndon et al. N Engl J Med. 2001 .

Бесплатная статья

. 25 октября 2001 г .; 345 (17): 1223-9.

дои: 10.1056/NEJMoa010342.

Авторы

Д Н Херндон ¹ , Д. У. Харт, С. Э. Вольф, Д. Л. Чинкс, Р. Р. Вулф

принадлежность

• ¹ Хирургическое отделение Медицинского отделения Техасского университета, Детская больница Шрайнерс, Галвестон 77550, США. [email protected]

• PMID: 11680441
• DOI: 10. 1056/NEJMoa010342

Абстрактный

Фон: Опосредованный катехоламинами гиперметаболический ответ на тяжелые ожоги вызывает повышенный расход энергии и катаболизм мышечных белков. Мы предположили, что блокада бета-адренергической стимуляции пропранололом уменьшит расход энергии в покое и мышечный катаболизм у пациентов с тяжелыми ожогами.

Методы: В рандомизированном исследовании приняли участие 25 детей с острыми и тяжелыми ожогами (более 40% общей площади поверхности тела). Тринадцать получали пероральный пропранолол в течение как минимум двух недель, а 12 служили контрольной группой, не получавшей лечения. Доза пропранолола была скорректирована для снижения частоты сердечных сокращений в покое на 20% по сравнению с исходным значением у каждого пациента. Расход энергии в покое и кинетика белков скелетных мышц измерялись до и после двух недель бета-блокады (или без терапии, в контрольной группе). Состав тела измеряли последовательно на протяжении всей госпитализации.

Полученные результаты: Пациенты в контрольной группе и группе пропранолола были схожими по возрасту, массе тела, проценту общей площади поверхности тела с ожогами, проценту площади поверхности тела с ожогами третьей степени и продолжительности времени от травмы до метаболического исследования. Бета-блокада снижала частоту сердечных сокращений и расход энергии в покое в группе пропранолола как по сравнению с исходными значениями (P<0,001 и P=0,01 соответственно), так и по сравнению со значениями в контрольной группе (P=0,03). и P=0,001 соответственно). Чистый баланс мышечного белка увеличился на 82 процента по сравнению с исходными значениями в группе пропранолола (P = 0,002), тогда как в контрольной группе он снизился на 27 процентов (P незначимо). Масса без жира, измеренная с помощью сканирования уровня калия в организме, существенно не изменилась в группе, принимавшей пропранолол, тогда как она уменьшилась в среднем (+/-SE) на 9+/-2 процента в контрольной группе (P=0,003).

Выводы: У детей с ожогами лечение пропранололом во время госпитализации ослабляет гиперметаболизм и обращает вспять катаболизм мышечных белков.

Похожие статьи

• Комбинация рекомбинантного гормона роста человека и пропранолола снижает гиперметаболизм и воспаление у детей с тяжелыми ожогами.

  Йешке М.Г., Финнерти К.С., Кулп Г.А., Пшкора Р., Млчак Р.П., Херндон Д.Н. Йешке М.Г. и соавт. Pediatr Crit Care Med. 2008 март;9(2):209-16. doi: 10.1097/PCC.0b013e318166d414. Pediatr Crit Care Med. 2008. PMID: 18477935 Клиническое испытание.

• Профили экспрессии генов и белковый баланс в скелетных мышцах обожженных детей после бета-адреноблокаторов.

  Херндон Д.Н., Дасу М.Р., Вулф Р.Р., Бэрроу Р.Э. Херндон Д.Н. и соавт. Am J Physiol Endocrinol Metab. 2003 г., октябрь; 285 (4): E783-9. doi: 10.1152/ajpendo.00508.2002. Epub 2003 17 июня. Am J Physiol Endocrinol Metab. 2003. PMID: 12812919 Клиническое испытание.

• Стойкий мышечный катаболизм после сильного ожога.

  Харт Д.В., Вольф С.Э., Млчак Р., Чинкс Д.Л., Рамзи П.И., Обенг М.К., Феррандо А.А., Вулф Р.Р., Херндон Д.Н. Харт Д.У. и др. Операция. 2000 г., август; 128 (2): 312-9. doi: 10.1067/msy.2000.108059. Операция. 2000. PMID: 10

• 0

• Влияние фармакологических вмешательств на синтез и распад мышечного белка при восстановлении после ожогов.

  Диас Э.К., Херндон Д.Н., Портер С., Сидоссис Л.С., Суман О.Е., Борсхайм Э. Диаз ЕС и др. Бернс. 2015 июнь;41(4):649-57. doi: 10.1016/j.burns.2014.10.010. Epub 2014 16 ноября. Бернс. 2015. PMID: 25468473 Бесплатная статья ЧВК. Обзор.

• Систематический обзор влияния пропанолола на гиперметаболизм при ожоговых травмах.

  Нуньес-Вильявейран Т., Санчес М., Миллан П., Гарсия-де-Лоренцо А. Нуньес-Вильявейран Т. и др. Мед Интенсив. 2015 март; 39(2):101-13. doi: 10.1016/j.medin.2014.08.002. Epub 2014 7 октября. Мед Интенсив. 2015. PMID: 25305241 Обзор. Английский испанский.

Посмотреть все похожие статьи

Цитируется

• Современное понимание термо(дис)регуляции при тяжелой ожоговой травме и патофизиологическое влияние гиперметаболизма, адренергического стресса и регуляции гипоталамуса – систематический обзор.

  Мертин В., Мост П., Буш М., Троян С., Тапкинг С., Хауг В., Кнезер У., Хундешаген Г. Мертин В. и др. Ожоговая травма. 2022 сен 23;10:tkac031. doi: 10.1093/burnst/tkac031. Электронная коллекция 2022. Ожоговая травма. 2022. PMID: 36168403 Бесплатная статья ЧВК.

• Гиперкатаболизм и антикатаболическая терапия при стойком воспалении, иммуносупрессии и синдроме катаболизма.

  Чжан Дж., Луо В., Мяо С., Чжун Дж. Чжан Дж. и др. Фронт Нутр. 2022, 13 июля; 9:941097. doi: 10.3389/фнут.2022.941097. Электронная коллекция 2022. Фронт Нутр. 2022. PMID: 35

  7 Бесплатная статья ЧВК. Обзор.

• Литический коктейль: эффективный метод облегчения гиперметаболизма, вызванного сильным ожогом, путем регулирования потемнения белой жировой ткани.

  Чжан М., Ян П., Ю. Т., Хармсен М. С., Гао М., Лю Д., Ши Ю., Лю Ю., Чжан Х. Чжан М. и др. Гелион. 2022 17 марта; 8 (3): e09128. doi: 10.1016/j.heliyon.2022.e09128. Электронная коллекция 2022 март. Гелион. 2022. PMID: 35846468 Бесплатная статья ЧВК.

• Лечение бета-блокаторами тяжелобольных: систематический обзор и метаанализ.

  Хелисте М., Петтиля В., Бергер Д., Якоб С.М., Вилкман Э. Хелисте М. и др. Энн Мед. 2022 декабрь; 54(1):1994-2010. дои: 10.1080/07853890.2022.2098376. Энн Мед. 2022. PMID: 35838226 Бесплатная статья ЧВК.

• Большие ожоги: часть 2. Анестезия, интенсивная терапия и обезболивание.

  Макговерн С., Паксти К., Патон Л. Макговерн С. и др. BJA Образование. 2022 апр; 22(4):138-145. doi: 10.1016/j.bjae.2022.01.001. Epub 2022 8 февраля. BJA Образование. 2022. PMID: 35531075 Обзор. Аннотация недоступна.

Просмотреть все статьи «Цитируется по»

Типы публикаций

термины MeSH

вещества

Грантовая поддержка

• 1P50GM60338-01/GM/NIGMS NIH HHS/США
• 2T32GM0825611/GM/NIGMS NIH HHS/США
• GM56687-02/GM/NIGMS NIH HHS/США
• MO1 RR 00073/RR/NCRR NIH HHS/США

Метаболизм во взрослом возрасте не замедляется, как принято считать, показало исследование Не так быстро.

Новое международное исследование опровергает распространенное мнение о неизбежном снижении метаболизма во взрослой жизни. Ну, во всяком случае, пока нам не за 60.

Исследователи обнаружили, что пик метаболизма приходится на возраст 1 год, когда дети сжигают калории на 50 процентов быстрее, чем взрослые, а затем постепенно снижается примерно на 3 процента в год примерно до 20 лет. Согласно выводам, опубликованным в четверг в журнале Science.

Чтобы выявить конкретное влияние возраста на обмен веществ, исследователи сделали поправку на такие факторы, как размер тела (большие тела сжигают больше калорий в целом, чем маленькие) и обезжиренная мышечная масса (мышцы сжигают больше калорий, чем жир).

«Скорость метаболизма действительно стабильна на протяжении всей взрослой жизни, от 20 до 60 лет», — сказал автор исследования Герман Понцер, адъюнкт-профессор эволюционной антропологии в Университете Дьюка и автор новой книги «Burn» о метаболизме. «Например, мы не видим никакого эффекта менопаузы. И вы знаете, люди скажут: «Ну, когда мне исполнилось 30 лет, мой метаболизм развалился». На самом деле мы не видим никаких доказательств этого».

Понтцер и его коллеги изучили базу данных более чем 6400 человек в возрасте от 8 дней до 95 лет из 29 стран мира, которые участвовали в тестах на «воду с двойной маркировкой». С помощью этого метода люди пьют воду, в которой часть водорода и кислорода заменена изотопами этих элементов, которые можно обнаружить в образцах мочи.

«Подсчитав, сколько водорода вы теряете в день и сколько кислорода вы теряете в день, мы можем рассчитать, сколько углекислого газа производит ваше тело каждый день», — объяснил Понцер. «И это очень точное измерение того, сколько калорий вы сжигаете каждый день, потому что вы не можете сжигать калории, не выделяя углекислый газ».

Исследователи проанализировали средние общие ежедневные затраты энергии, которые включают калории, которые мы сжигаем, делая все, от дыхания и переваривания пищи до мышления и движения тела.

«Нет ничего более фундаментального и фундаментального, чем то, как наши тела сжигают энергию, потому что это показывает, как все наши клетки заняты весь день, выполняя свои различные задачи, и у нас не было четкого представления о том, как это меняется в течение дня. всей жизни», — сказал Понцер. «Вам нужны действительно большие наборы данных, чтобы ответить на этот вопрос. И это был первый раз, когда у нас была возможность сделать это с действительно большим набором данных, который позволил бы нам разделить влияние размера тела, возраста, пола и всего прочего на наши энергетические затраты в течение дня».

Возьмем, к примеру, обнаружение снижения скорости обмена веществ у пожилых людей, чего можно было ожидать.

«Люди думали: «Ну, может быть, это потому, что вы менее активны, или, может быть, это потому, что люди склонны терять мышечную массу, когда им за 60, 70 и старше», — сказал он. «Но мы можем исправить все эти вещи. Мы можем сказать: «Нет, нет, нет, это нечто большее». Дело в том, что наши клетки на самом деле меняются».

Результаты не показали резкого увеличения скорости метаболизма в подростковом возрасте или во время беременности, как это принято считать, или что между мужчинами и женщинами существовали определенные различия после учета размера и состава тела.

Зарегистрированный врач-диетолог Коллин Тьюксбери, старший научный сотрудник Пенсильванского университета и представитель Академии питания и диетологии, заявила, что новое исследование вызывает удивление.

«Исторически сложилось так, что при различных изменениях жизненного цикла — полового созревания, беременности, менопаузы — мы думали, что происходит некоторый сдвиг в обмене веществ, и это влияло на статус питания и на то, как мы подходили к вещам с точки зрения питания», — сказала она. . «Эта строгая оценка на высоком уровне этого не показывает».

Дело не в том, что увеличение веса происходит не потому, что вы больше не «сжигаете те же калории».

Но если изменение метаболизма не играет роли в увеличении веса в определенные моменты взрослой жизни, могут быть и другие способствующие факторы, сказала она.

«Есть множество вещей, влияющих на вес, а также на чье-то питание», — сказал Тьюксбери. «Это не так просто, как один продукт питания или одно изменение образа жизни или одно изменение с биологической точки зрения. Скорее всего, это гораздо более сложная сеть множества различных изменений, происходящих одновременно. Таким образом, это могут быть изменения в рационе питания. Это могут быть изменения в уровне активности. Это может быть место, где они живут, к чему у них есть доступ, каковы изменения их сна».

Стивен Малин, адъюнкт-профессор кинезиологии и здоровья и директор Лаборатории прикладного метаболизма и физиологии Рутгерса, назвал результаты исследования «проливающими свет на то, о чем, как мы думали, мы много знаем, и понимаем, что еще многое предстоит открыть».

Малин сказал, что результаты, например, противоречат убеждению, что у взрослых людей наблюдается снижение метаболизма по мере того, как они переходят от 20 к 30 годам, и что это может способствовать эпидемии ожирения.

«Прибавка в весе происходит не потому, что вы больше не «сжигаете те же калории», — сказал он.

Понцер сказал, что выводы в ранней жизни выдвигают на первый план критическую важность детского питания, отвечающего возрастающим энергетическим потребностям растущих младенцев.

In addition, он сказал, результаты изучения smogли иметь значения для как много люди микстуры в различном времени, когда они smogли быть метаболизмом снадобиь по-разному.

В комментарии, опубликованном вместе с новым исследованием, Тимоти Роудс и Розалин Андерсон, работающие в области гериатрии в Университете Висконсина, заявили, что результаты также могут иметь значение для изучения возрастных заболеваний.

«Считается, что снижение с 60 лет отражает изменение тканеспецифического метаболизма, энергии, затрачиваемой на поддержание», — писали они. «Не может быть совпадением, что рост заболеваемости неинфекционными заболеваниями и расстройствами начинается именно в эти же сроки».

Жаклин Стенсон

Сотрудник NBC News Жаклин Стенсон — журналистка по вопросам здоровья и фитнеса, которая пишет для Los Angeles Times, Reuters, Health, Self and Shape и других. Она также преподает в программе UCLA Extension Writers.

Определение и примеры катаболизма — Биологический онлайн-словарь

Катаболизм
сущ., [kəˈtæbəˌlɪzəm]
Серия деструктивных химических реакций, которые расщепляют сложные молекулы на более мелкие единицы
Изображение предоставлено: Muessig, CC BY-SA 3.0.

Содержание

Катаболизм Определение

Катаболизм — это ветвь метаболического процесса, которая расщепляет сложные большие молекулы на более мелкие с выделением энергии. это деструктивная ветвь обмена веществ, приводящая к высвобождению энергии . Каждая живая клетка зависит от энергии для своего существования. Метаболизм – это совокупность основных видов деятельности, происходящих в живом существе для его поддержания. Катаболизм и анаболизм вместе образуют метаболизм.

Итак, возникает вопрос, что такое катаболизм и анаболизм? По существу, есть две основные ветви метаболизма: разрушительная (или расщепляющая ) ветвь, дающая энергию, т. е. катаболизм,  и конструктивная или строительная ветвь метаболизма, использующая высвобожденную энергию, т. е. анаболизм.

Каждая живая клетка осуществляет последовательный набор реакций, которые расщепляют и производят молекулы. Эти последовательные реакции или пути известны как метаболических путей . Каждая стадия этих последовательных реакций происходит под действием определенного фермента. Ферменты действуют на молекулы, называемые субстрат , тогда как молекула, образующаяся в результате химической реакции, известна как продукт . Большинство ферментов связываются с определенным субстратом.

Ниже приведены некоторые общие черты всех метаболических реакций:

• Все реакции катализируются ферментом.
• Метаболические пути и реакции универсальны, и все организмы проявляют сходство в основных путях.
• Во всех метаболических путях используется очень мало химических реакций.
• Метаболические реакции включают коферментов . Коэнзимы являются общими субстратами, которые участвуют в ряде различных метаболических реакций, например, для НАДН или кофермента А.
• Катаболические пути полностью отличаются от анаболических путей, что позволяет лучше контролировать метаболизм.
• Ключевые регуляторные ферменты контролируют и модулируют эти метаболические реакции.
• Большинство метаболических реакций происходит в специфических клеточных органеллах.

Биологическое определение:
Катаболизм — это процесс, включающий ряд химических реакций разложения, которые расщепляют сложные молекулы на более мелкие единицы, обычно сопровождающиеся выделением энергии. Например, большие молекулы, такие как полисахариды, нуклеиновые кислоты и белки, расщепляются на более мелкие единицы, такие как моносахариды, нуклеотиды и аминокислоты, соответственно . Этимология: Греческое «катаболе», что означает «бросать». Синонимы: деструктивный метаболизм. Вариант: катаболизм. Сравните: анаболизм

Родственное слово « катаболизм ». Итак, что значит катаболический? Определение катаболизма — это то, что отмечено или способствует катаболизму, т. е. метаболическому процессу, включающему расщепление довольно сложной молекулы на более простую форму.

Стадии катаболизма

Катаболизм не является одностадийным процессом, протекающим в клетке. Важно понять, где происходит катаболизм. Часть клетки, где в первую очередь происходит катаболизм, — это митохондрии. Это многоэтапный процесс. Итак, давайте разберемся, какие бывают стадии катаболизма. Выделяют три основных стадии катаболизма:

Стадия 1 – Стадия пищеварения

Сложные органические молекулы, такие как белки, липиды и полисахариды, катаболизируются до более мелких компонентов или мономеров вне клеток. Эти сложные молекулы не всасываются в своем сложном состоянии и, следовательно, для их всасывания важно, чтобы эти основные и незаменимые молекулы распадались на легко усваиваемые и более мелкие мономеры .

Стадия 2 — Высвобождение энергии

Меньшие молекулы или мономеры представляют собой усваиваемую форму и поглощаются клетками, а затем преобразуются в более мелкие молекулы, такие как ацетил-кофермент А (ацетил-КоА), и в процессе высвобождается энергия.

Стадия 3 – накопление энергии

Наконец, ацетильная группа КоА окисляется до воды и диоксида углерода в цикле лимонной кислоты и цепи переноса электронов. В этом процессе накопленная энергия высвобождается за счет восстановления кофермента никотинамидадениндинуклеотида 9.0010 (НАД+) в НАДН .

Стадии катаболизма. Предоставлено: библиотеки LibreTexts, CC BY-NC-SA 3.0.

Катаболизм против анаболизма

Цель двух ветвей метаболизма, а именно катаболизм и анаболизм , полностью противоположны друг другу. Анаболические процессы — это процессы построения метаболизма, в которых простые молекулы превращаются в сложные молекулы , тогда как катаболический процесс — это процессы распада, в которых сложные молекулы расщепляются на простые молекулы с высвобождением энергии . Основные различия между катаболизмом и анаболизмом перечислены в таблице ниже.

Table 1: Key differences between Catabolism and Anabolism
Anabolism	Catabolism
Building up or constructive branch of metabolism	Breakdown or destructive branch of metabolism
Complex molecules are generated from более простые	Сложные молекулы распадаются на более простые
В этом процессе сохраняется энергия.	В этом процессе выделяется энергия
Эндергоническая реакция, т.е. поглощается теплота	Экзергоническая реакция, т. е. выделяется теплота
Кинетическая энергия преобразуется в потенциальную энергию.	Потенциальная энергия преобразуется в кинетическую энергию.
Это необходимо для роста, сохранения и хранения.	Требуется для обеспечения энергией различных основных видов деятельности живых существ.
Анаболизм не использует кислород, т. е. анаэробный	Катаболизм использует кислород, т. е. аэробный
Функционирует, даже когда тело находится в фазе отдыха или сна.	Функционирует, когда организм находится в активном состоянии
Несколько предшественников образуют различные типы продуктов, т. е. дивергентные реакции	Большое количество сложных молекул упрощается до обычных типов малых и простых молекул, т. е. конвергентных реакций
К анаболическим гормонам относятся эстроген, тестостерон, гормоны роста и инсулин.	Некоторыми из катаболических гормонов являются адреналин, цитокин, глюкагон и кортизол.
Синтез полипептидов из аминокислот, гликогена из глюкозы и триглицеридов из жирных кислот является одним из анаболических процессов.	Расщепление белков до аминокислот, гликогена до глюкозы и триглицеридов до жирных кислот является одним из катаболических процессов.
Обычно протекают реакции конденсации и восстановления.	Обычно протекают реакции гидролиза и окисления. Источник: Мария Виктория Гонзага из Biology Online. Метаболизм относится ко всем химическим реакциям, связанным с преобразованием одной молекулы в другую. Его можно разделить на две категории: катаболизм и анаболизм . Катаболизм относится к процессам, включающим ряд химических реакций разложения, которые расщепляют сложные молекулы на более мелкие единицы. При этом часто выделяется энергия. Таким образом, катаболизм включает деструктивные метаболические процессы. Напротив, анаболизм — это конструктивный метаболизм, поскольку он включает в себя создание или синтез сложных молекул, которые в конечном итоге используются для построения тканей и органов. Катаболические гормоны Катаболизм – механизм нарушения обменных процессов. В катаболических процессах участвуют многочисленные незаменимые ферменты. Некоторые гормоны также обладают катаболическим действием. Это: Адреналин : Также известен как эпинефрин . Этот гормон вырабатывается в надпочечниках. Он ускоряет частоту сердечных сокращений и отвечает за реакцию «бей или беги» в условиях стресса или чрезвычайной ситуации. Кортизол: Также известен как гормон стресса. Также вырабатывается в надпочечниках и высвобождается при тревоге, нервозности. Он повышает уровень сахара в крови и кровяное давление. Глюкагон : Этот гормон вырабатывается поджелудочной железой. Этот гормон необходим для расщепления гликогена на глюкозу. Глюкагон хранится в печени. Недостаточная активность или состояния, требующие энергии, такие как борьба, физические упражнения, высокий уровень стресса, печень стимулирует высвобождение гликогена Цитокины : Использование аминокислот для различных функций организма вызывает высвобождение цитокинов. Цитокины являются своего рода коммуникационными белками между клетками. Примеры катаболизма у эукариот Каковы примеры катаболизма? По сути, во время катаболизма сложные молекулы, такие как белки, полисахариды и жиры, расщепляются на небольшие молекулы, такие как аминокислоты, моносахариды и жирные кислоты. Вот некоторые из основных или ключевых катаболических процессов: Citric acid cycle Glycolysis Lipolysis Oxidative deamination Oxidative phosphorylation Muscle tissue breakdown Citric acid cycle, glycolysis, lipolysis, oxidative deamination, and oxidative phosphorylation are the key catabolic reactions examples that occur во всех эукариотических клетках. Цикл Кребса, названный в честь ученого сэра Ганса Кребса (1900-1981), открывшего его, также известен как цикл трикарбоновых кислот (TCA). Сэр Ганс Креб был удостоен Нобелевской премии по медицине (1937). Цикл Кребса представляет собой 8-ступенчатую циклическую реакцию, протекающую в митохондриальном матриксе эукариот и цитоплазме прокариот. Ключевым источником энергии в цикле трикарбоновых кислот является ацетил-КоА, который окисляется до СО2 и Н3О внутри митохондриального матрикса с одновременным восстановлением НАД до НАДН и ФАД до ФАДН 2 . NADH и FADH 2  известны как восстанавливающие эквиваленты в цикле трикарбоновых кислот. 3 молекулы НАДН и одна молекула того и другого впоследствии используются для образования АТФ в цепи переноса электронов. При окислении NADH приводит к образованию 3 молекул АТФ, а FADH 2 — к 2 молекулам АТФ. Цикл ТСА представляет собой общий путь окисления углеводов, белков и жиров. Один цикл Кребса или цикл ТСА приводит к образованию семи продуктов: GTP, 3 NADH, 3FADH 2 , 2 CO 2 . Его также иногда классифицируют как амфиболический путь , поскольку он является частью как катаболического, так и анаболического путей. Процесс пополнения интермедиатов цикла Кребса известен как анаплероз . Ключевыми восемью промежуточными соединениями цикла Кребса/ЦТК являются: цитрат, изоцитрат, оксоглутарат, сукцинил-КоА, сукцинат, фумарат, малат, оксалоацетат (щавелевоуксусная кислота). Ключевыми ферментами, участвующими в цикле ТСА/Креба, являются яблочная дегидрогеназа, α-кетоглутаратдегидрогеназа, цитратсинтаза, фумараза, и конитаза. Гликолиз – катаболический процесс, происходящий во всех эукариотических клетках. Расщепление или лизис глюкозы до пировиноградная кислота в аэробных условиях, тогда как в анаэробных условиях глюкоза превращается в молочную кислоту. Анаэробный гликолиз также известен как Путь Эмбдена-Мейергофа (EMP). Когда уровень клеточного АТФ низкий, гликолиз инициируется в цитозоле клетки. Гликолиз далее делится на две стадии: Подготовительная фаза : Здесь одна молекула глюкозы превращается в две молекулы D-глицеральдегид-3-фосфата, который в конечном итоге превращается в фруктозо-6-дифосфат. Наконец, на стадии I фруктозо-6-дифосфат образует 2 молекулы глицеральдегид-3-фосфата. Энергетическая фаза e: На этой фазе высвобождается органический фосфат для синтеза АТФ. Глицеральдегид на первой стадии окисляется и фосфорилируется с образованием 1,3-дифосфоглицерата, который в конечном итоге образует пировиноградную или молочную кислоту в зависимости от наличия кислорода. 2 АТФ образуются в результате анаэробного гликолиза глюкозы, в то время как аэробный гликолиз может привести к образованию до 38 молекул АТФ. Метаболизм глюкозы по этому пути происходит во всех клетках организма. Аэробный гликолиз происходит в головном мозге, тогда как анаэробный гликолиз происходит в эритроцитах из-за отсутствия митохондрий. Этот цикл в эритроцитах также известен как 9-й.0007 Цикл рапапорта-лесозаготовки . Распад гликогена инициирует процесс гликолиза в мышцах человека. Однако клетки головного мозга не имеют запасов гликогена и, следовательно, зависят от уровня глюкозы в крови, чтобы инициировать гликолиз. Скелетные мышцы человека подвергаются аэробному гликолизу почти в 90% случаев, а также в нормальных условиях. Однако энергичные мышечные сокращения и физические упражнения вызывают анаэробный гликолиз. Липолиз — это расщепление триглицеридов для получения энергии. В этом процессе триацилглицерин (TAG), хранящийся в клеточных каплях липидов, подвергается гидролитическому расщеплению с образованием неэтерифицированных жирных кислот. Эти неэтерифицированные жирные кислоты впоследствии используются в качестве субстрата для производства энергии, незаменимых предшественников для синтеза липидов и мембран или медиаторов клеточных сигнальных процессов. Липиды или триглицериды гидролизуются до свободных жирных кислот и глицерина. Образовавшийся глицерин впоследствии становится частью гликолиза, а образующиеся жирные кислоты далее расщепляются путем бета-окисления с высвобождением ацетил-КоА. Этот ацетил-Ко-А является ключевым компонентом цикла лимонной кислоты. При окислении жирных кислот выделяется больше энергии, чем при окислении углеводов. Это потому, что углеводы содержат больше кислорода в своей структуре. Этот процесс имеет ключевое значение в энергетическом и липидном гомеостазе организма. Основными ферментами, участвующими в процессе липолиза, являются липопротеинлипаза и гормоночувствительная липаза . Эпинефрин , глюкагон или адренокортикотропный гормон (АКТГ) являются ключевыми гормонами, стимулирующими липолиз. Полное окисление жирных кислот, особенно триглицеридов, дает максимальное количество АТФ (энергии на грамм), поэтому жирные кислоты являются основной формой хранения топлива у большинства животных. Катаболизм аминокислот происходит путем переаминирования и окислительного дезаминирования аминокислоты, что приводит к образованию метаболизируемой формы аминокислоты. Окислительное дезаминирование и трансаминирование являются двумя ключевыми этапами катаболизма белков или аминокислот. Отделение аминогруппы от углеродного скелета аминокислот осуществляется в процессе трансаминирования. Перенос аминогруппы происходит между аминокислотой и α-кетокислотой, что приводит к превращению α-кетокислоты в аланин, аспартат или глутамат соответственно. Процесс переаминирования осуществляется трансаминазами или аминотрансферазами и коферментом пиридоксальфосфатом. Полученный углеродный скелет в конечном итоге используется в анаболическом процессе. При окислительном дезаминировании удаление аминогруппы в аминокислоте приводит к образованию соответствующей кетокислоты. Эта реакция происходит в печени. Аминовая функциональная группа заменяется кетоновой группой, и в качестве побочного продукта образуется аммиак. В конце концов, этот токсичный аммиак нейтрализуется в мочевину в цикле мочевины. На аминокислоту глутаминовую кислоту , конечный продукт многих реакций трансаминирования, действует фермент глутаматдегидрогеназа 9.0010 (ГДГ) вместе с коферментами НАД или НАДФ, что приводит к образованию α-кетоглутарата (α-КГ) и аммиака . Моноаминоксидаза является другим ключевым ферментом для окислительного дезаминирования моноаминов. В митохондриях перенос электронов от НАДН или ФАДН 2 к О 2 с помощью серии переносчиков электронов приводит к образованию АТФ. Этот процесс известен как окислительное фосфорилирование и является основным источником АТФ в аэробных организмах. Более высокая скорость деградации белка по сравнению с его синтезом стимулирует распад ткани скелетных мышц. Это полностью катаболическое состояние организма. Это может произойти в случаях старения, недоедания или болезненных состояний, а именно сепсиса, рака, СПИДа, диабета и почечной недостаточности. Длительное состояние разрушения мышечной ткани или мышечной атрофии может привести к органной недостаточности и может быть опасным для жизни. Аминокислоты из запасов белка, особенно в мышечной ткани, высвобождаются в кровь. Эти аминокислоты превращаются в альфа-кетокислоты в печени. Альфа-кетокислоты превращаются в глюкозу, чтобы удовлетворить потребность в глюкозе крови. Примеры катаболизма у прокариот Прокариоты также нуждаются в энергии и углероде для своего существования. Большинство прокариот зависят от других организмов в отношении энергии и углерода, то есть от хемогетеротрофов. Эти потребности прокариот в углероде и энергии удовлетворяются за счет: Углеродного метаболизма: Построения органических молекул из углерода внутри клеток, Энергетический обмен: Используется для роста В зависимости от источника углерода прокариоты можно классифицировать как Автотрофы – используют углерод из углекислого газа. Фотоавтотрофы – производители пищи, которую они готовят с помощью света. Гетеротрофы – используют углерод других живых организмов Литотрофы – используют неорганические субстраты На основании энергетического метаболизма прокариоты классифицируются как: Фототрофные организмы : используют солнечный свет и преобразуют его в химическую энергию в клетках. Хемотрофные организмы : используют органические или неорганические молекулы для снабжения клетки энергией. Таким образом, все организмы можно разделить на четыре основные категории Фотогетеротрофы : используют энергию солнечного света и преобразуют ее в химическую энергию в клетках, используя углерод других организмов. Примерами являются пурпурно-зеленые бактерии, несерные бактерии и гелиобактерии. Хемогетеротрофы : получают энергию и углерод из органических источников. (Этот способ распространен среди эукариот, например, у людей.) Фотоавтотрофы: используют солнечный свет и двуокись углерода в качестве источника углерода, например. цианобактерии. Хемоавтотрофы: используют неорганические молекулы для снабжения клетки энергией и двуокись углерода в качестве источника углерода. Примерами являются прокариоты, расщепляющие сероводород и аммиак. Примеры катаболизма у прокариот: Азот является макроэлементом, необходимым для всех жизненных процессов и компонентов, а именно белков, нуклеиновых кислот и т. д. Прокариоты перерабатывают органические соединения окружающей среды с образованием аммиака, ионов аммония, нитратов, нитритов. , и газообразный азот многочисленными процессами. Прокариоты являются неотъемлемой частью круговорота азота. Растения с помощью прокариот фиксируют азот окружающей среды в полезную форму (аммиак). Этот процесс известен как фиксация азота. Почвенные микроорганизмы, называемые диазотрофами, включают такие бактерии, как Azotobacter и археи осуществляют азотфиксацию. При разложении азотсодержащих органических соединений образуется аммиак. Некоторые прокариоты осуществляют нитрификацию путем анаэробного катаболизма аммиака с образованием N 2 . В основном при нитрификации аммоний превращается в нитриты и нитраты. Nitrosomonas — почвенная бактерия, осуществляющая нитрификацию. Nitrosomonas , Nitrobacter, и Nitrospira окисляет и превращает Nh5+ в нитрит (NO 2 -). В этом процессе реакции высвобождается энергия, которая используется бактериями. Обратный процесс также осуществляется бактериями посредством процесса, известного как денитрификация, превращая нитраты из почвы в газообразные соединения, такие как N 2 O, NO и N 2 . Бактерии и грибы осуществляют разложение растений и животных и их органических соединений и образуют семейство редуцентов. Одним из основных источников углекислого газа в окружающей среде является микробное разложение мертвого материала. Попробуйте ответить на приведенный ниже тест, чтобы проверить, что вы уже узнали о катаболизме. Викторина Выберите лучший ответ. 1. Что из следующего правильно описывает катаболизм? Метаболический процесс, при котором мелкие молекулы превращаются в более крупные вещества Метаболический процесс, при котором расщепляются сложные молекулы Энергоемкий метаболический процесс 2. Молекулы, воздействующие на ферменты Катализаторы Продукты субстраты 3. Катаболизм ядерных кислот дает … моносахарады ядрет 4. 40002. дает … Аминокислоты Моносахариды Нуклеотиды 5. Какой из следующих процессов является катаболическим? Цикл лимонной кислоты глюконеогенез Рост костей Отправить свои результаты (необязательно) Ваше имя по электронной почте Следующие Регуляторные механизмы, лежащие в основе 103. 10101103.10101103.10103. , бактерии часто подвергаются постоянному изменению потока питательных веществ 1,2 . Чтобы обеспечить рост и выживание, бактерии постоянно ощущают метаболические изменения и быстро адаптируются к появлению или истощению питательных веществ 3 . С этой целью клетки интегрируют сложные и динамические внешние входы, чтобы решить, какие питательные вещества потреблять и когда переключаться на потребление альтернативных доступных субстратов 4,5 . Мониторинг динамических изменений внутриклеточного метаболизма является ключом к пониманию регуляторных механизмов, лежащих в основе адаптации к изменчивой среде 6,7 . Однако разрешение динамических перестроек потока является сложной задачей, особенно в сложных средах с параллельным потреблением нескольких питательных веществ 8,9 . Наиболее строгие подходы делают выводы о внутриклеточных потоках на основе экспериментов с изотопными индикаторами, которые обычно ограничиваются стационарными условиями и потреблением одного ограничивающего рост питательного вещества 10,11,12 . В качестве альтернативы, предполагая функции оптимальности клеточного поведения, потоки могут быть оценены на основе моделирования стехиометрии метаболической сети на основе ограничений, например, в анализе баланса потоков (FBA) 13,14,15 . В то время как методы, подобные FBA, обеспечивают решения для потоков в масштабах всей сети, упрощенные целевые функции, такие как максимизация роста, были достигнуты с ограниченным успехом для сложных условий среды 16,17 . В таких сложных и динамичных условиях без определенного ограничивающего субстрата прогнозирование метаболических потоков с использованием FBA остается серьезной проблемой 18 . Новые аналитические методологии, способные решать химическую сложность природной среды и напрямую измерять быстрые изменения в изобилии множества субстратов и побочных продуктов параллельно, могут создать дополнительные ограничения для моделирования внутриклеточного метаболизма и открыть новые возможности для прояснения механизмов, лежащих в основе принятия решений. создание процессов бактерий, имеющих дело со сложными и динамичными условиями питания. Здесь мы используем нецелевую масс-спектрометрию 19 и разработали новый вычислительный подход для определения динамической метаболической адаптации бактерий в сложных химических средах с непрерывными изменениями доступных питательных веществ. В частности, мы применили эту методологию к Escherichia coli , растущим в среде с минимальным содержанием глюкозы, дополненной казаминокислотами, неопределенной смесью аминокислот и олигопептидов, в качестве показателя неопределенных условий окружающей среды 20 . Непрерывные изменения в доступности питательных веществ отслеживаются с помощью масс-спектрометрического профиля относительного содержания питательных веществ и побочных продуктов в надосадочной жидкости. Чтобы удовлетворить требования временного разрешения и охвата для флуктуирующих сред с большим химическим разнообразием, мы отслеживали относительные зависящие от времени изменения концентраций внеклеточных метаболитов с использованием высокопроизводительного метода нецелевой масс-спектрометрии 21,22 . Моделирование динамики метаболизма на основе ограничений выявляет временную координацию катаболизма глюкозы и аминокислот, при которой расщепление недорогих аминокислот на оксалоацетат и пируват отвечает за снижение поглощения глюкозы и увеличение секреции ацетата. Результаты Вывод динамики потока из профилей экзометаболома В качестве примера сложной питательной среды мы культивировали E. coli дикого типа BW25113 в минимальной среде M9 с глюкозой (5  г/л). и казаминокислоты (CAA) (2  г/л), неопределенная смесь аминокислот и олигопептидов из переваренного молочного белка 23 . Культура демонстрировала классическую кривую периодического роста с 4-часовым ростом, колеблющимся вокруг максимальной экспоненциальной скорости роста, с последующим непрерывным снижением скорости роста (рис. 1a и дополнительная рис. 1). Чтобы определить условия питания, которые лежат в основе изменений скорости роста, мы собрали аликвоты культурального супернатанта в десяти временных точках на кривой роста. Для максимального охвата метаболитов в среде и масштабирования этого подхода для временных измерений с высоким разрешением динамических изменений экзометаболома 24 , мы отслеживали относительное содержание ионов 8091 с помощью времяпролетной масс-спектрометрии (FIA-TOFMS) 21 . 427 из этих ионов можно предположительно аннотировать как депротонированные метаболиты, что соответствует почти 40% метаболитов, представленных в геномной модели E. coli 25 , и 61% при рассмотрении только метаболитов с известным активным или пассивный транспортный механизм (рис. 1b). Сто шестьдесят семь из 427 обнаруженных метаболитов уже присутствовали в среде, демонстрируя, что CAA являются потенциально сложным источником альтернативных питательных веществ помимо аминокислот. В частности, мы обнаружили несколько предшественников нуклеотидов (дополнительный рисунок 2). Чтобы проверить, присутствуют ли эти соединения в соответствующих физиологических концентрациях, мы показали, что CAA может поддерживать рост нокаутов гена E. coli , которые являются ауксотрофными по уридину, GMP, биотину и ксантину (дополнительная рис. 3). Из 427 метаболитов, обнаруженных в отработанной среде, 35% только потреблялись, а 34% секретировались (рис. 1с). Последние метаболиты предположительно являются результатом избыточного метаболизма, который выходит за рамки центрального метаболизма 26,27 и включает периферические пути, такие как метаболизм нуклеотидов, что согласуется с более ранними наблюдениями 28 (дополнительная рис. 4a). Остальные метаболиты, такие как промежуточные продукты цикла трикарбоновых кислот (TCA) (дополнительная рис. 4b), демонстрировали более сложные модели секреции и потребления. Рис. 1 Профилирование экзометаболома. a Оптические плотности (OD 600 ; синяя линия) и мгновенная скорость роста, т. е. OD 600 разница между двумя смежными временными точками, деленная на временной интервал (красная линия), роста культуры E. coli в минимальной среде М9 с глюкозой, дополненной казаминокислотами (КАК). Точки представляют собой временные точки для отбора аликвот надосадочной жидкости для анализа экзометаболома. Сплошная линия представляет собой среднее значение для четырех биологических повторов, а заштрихованная область представляет собой среднее ± стандартное отклонение. b Процент обнаруженных метаболитов по отношению к аннотированным соединениям в геномной модели E. coli 25 : метаболиты, которые могут обмениваться с внешней средой (белый и желтый), и те, которые ограничены быть внутриклеточными (красный и черный). c Процент обнаруженных метаболитов со сложными (желтый) или монотонными профилями, т. е. мгновенная производная во времени всегда отрицательная (зеленый — потребляется) или положительная (синий — выделяется). d Общий входящий поток углерода в каждый заданный момент времени рассчитывается путем умножения числа атомов углерода для каждого соединения и соответствующего расчетного потока поглощения. Указывается относительный процент. Перечислены только те метаболиты, на долю которых приходится не менее 2% всего поступающего углерода. Остальные соединения сгруппированы (т. е. различные в легенде). Соответствие между идентификаторами метаболитов в легенде и названиями метаболитов можно найти в дополнительных данных 1 Полноразмерное изображение В то время как наша платформа метаболомики выявила неожиданно сложную динамику экзо-метаболома, предполагающую широко распространенную секрецию метаболитов как гомеостатический механизм, полученные относительные изменения концентрации не позволяют сделать прямой вывод о внутриклеточных потоках в рамках классической схемы FBA 8, 15,29 . Чтобы интегрировать такие нецелевые измерения метаболомики прямого потока 21 в масштабную модель генома для оценки динамического потока, мы использовали моделирование на основе ограничений и разработали структуру, которая состоит из трех основных этапов. Во-первых, мы определили абсолютные концентрации для обильных компонентов среды, а именно глюкозы, ацетата и 20 аминокислот (дополнительные данные 1). Глюкозу и ацетат измеряли с использованием существующих ферментных наборов, а для аминокислот мы настроили калибровочные кривые на нашей нецелевой масс-спектрометрической платформе (см. Дополнительные методы). Качество этого количественного определения нецелевых аминокислот сравнимо с качеством стандартного метода жидкостной хроматографии высокого давления (ВЭЖХ) 30 (дополнительный рис. 5), но имеет в несколько раз большую пропускную способность и чувствительность. Во-вторых, зависимые от времени профили всех обнаруженных метаболитов, включая глюкозу, ацетат, аминокислоты и остальные 407 метаболитов, обнаруженных с помощью FIA-TOFMS (дополнительные данные 1), были интерполированы с использованием многомерных адаптивных регрессионных сплайнов (MARS) 31 . Модели MARS основаны на кусочной регрессии и автоматически определяют количество базовых сплайн-функций и расположение узлов без необходимости ручной настройки 31 . Чтобы оценить изменчивость подгоночных оценок из-за шума в измерениях, мы использовали подход начальной загрузки. Для каждого метаболита мы повторили подбор 1000 раз, используя только 90% данных. Оценки ошибок рассчитывались как стандартное отклонение по подборам, полученным из данных с пониженной дискретизацией (например, серая заштрихованная область на рис. 2c). Затем мы оценили относительную мгновенную скорость поглощения и секреции, рассчитав разницу уровней метаболитов между двумя последовательными временными точками, деленную на изменение оптической плотности (ОП 600 ) и умножается на мгновенную скорость роста (дополнительные данные 1). В-третьих, мы включили предполагаемые скорости поглощения и секреции в подход, основанный на ограничениях, для разрешения динамических внутриклеточных метаболических реакций на изменения доступности питательных веществ. Как и в других подходах к динамическому моделированию FBA 8,17,32 , бактериальный рост был разделен на интервалы N с эквидистантными оптическими плотностями (OD), и предполагалось, что потоки в этих интервалах постоянны. Абсолютная и относительная скорость потребления/выделения используются в качестве мягких ограничений для сокращения пространства допустимых решений потока. Чтобы учесть изменчивость расчетных скоростей, в модель включены нижняя и верхняя границы для каждого обменного потока (т. е. среднее значение ± стандартное отклонение, определенное с помощью метода начальной загрузки). Как изменения в ОД 600 могут быть рутинно измерены с высоким временным разрешением и точностью с использованием стандартных считывателей планшетов, экспериментально измеренные скорости роста используются в качестве жесткого ограничения в модели. Следовательно, нет необходимости призывать к максимизации цели биомассы. Для метаболитов без внешней калибровки мы вводим вспомогательную независимую от времени переменную, представляющую пропорциональный коэффициент масштабирования ( c ) между измеренными интенсивностями МС и фактическими концентрациями. Вместо решения потоков ( v ( t )) в каждый момент времени независимо 33 , наш метод сформулирован как одношаговая задача глобальной линейной оптимизации для создания карт потоков, зависящих от времени. Единая модель, основанная на ограничениях, содержит сети в масштабе генома ( S ) для каждой временной точки, временные ограничения потоков поглощения и секреции, оцененные на основе абсолютных измерений глюкозы, ацетата и аминокислот в супернатанте (\(\tilde v(t)\)) и только для обменных потоков с относительными оценками скоростей потребления/секреции ( u ( t )), вектор не зависящих от времени масштабных коэффициентов c . Рис. 2 Прогноз метаболических потоков в зависимости от времени. a Процент неактивных (фиолетовый) и активных (зеленый) реакций в течение всего времени и реакций, которые несут поток в течение ограниченного времени (желтый). b z — нормированные значения зависимых от времени потоков для транзиторных реакций с прогнозируемым потоком более 1 ммоль/гВт/ч по крайней мере в один момент времени. c Прогнозируемые зависящие от времени потоки через НАД- и НАДФ-зависимые яблочные ферменты MaeA и MaeB соответственно. d Среднее ± стандартное отклонение в четырех повторностях скорости роста в диком типе E. coli (WT), ΔmaeA и ΔmaeB в минимальной среде с глюкозой M9 и M9 + CAA (*** p -значение ≤ 0,001, двухвостый спаренный т -тест). e Среднее ± стандартное отклонение в четырех повторностях скорости роста в диком типе E. coli (WT), ΔmaeA и ΔmaeB в M9минимальная глюкозная среда с повышением концентрации аспартата по сравнению с M9 без аспартата (** p -значение ≤ 0,01, двусторонний парный t -критерий) Изображение в полный размер Для вывода неизвестных v ( t ) и c , мы последовательно минимизировали три цели: (i) расстояние L1-нормы между предсказанными ( v ( t )) и оцененными (\(\tilde v(t)\)) обменными потоками от абсолютные измерения метаболитов, (ii) расстояние нормы L1 между предсказанными v 91 189 ( 91 155 t 91 156 ) и оценочные относительные обменные курсы ( 91 191 u 91 189 ( 91 155 t 91 156 )), и (iii) сумма абсолютных потоков за весь временной ход (\(\mathop {\sum}\limits_t { |v\влево( t \вправо)|}\)). Сборка множества ограничений, генерируемых в каждый момент времени, в одной задаче глобальной оптимизации позволяет решить сразу вектор масштабных коэффициентов ( c ) и зависящие от времени потоки ( v ( t )), такие, что решения потоков для каждого временного интервала зависят друг от друга. Чтобы проверить неопределенность в оценках потоков, мы провели анализ изменчивости потоков (FVA) оптимального решения по потокам: для каждой реакции мы рассчитали максимальную и минимальную сумму потоков во времени. Мы обнаружили, что для подавляющего большинства (81%) метаболических реакций вариабельность потока была в пределах 10% от заявленного решения потока (дополнительная рис. 6). 738 реакций (29%) из 2583 в модели были активны на протяжении большей части временного хода, в основном представляя собой реакции, необходимые для производства энергии и биомассы. Особый интерес представляют те реакции (8%), которые были только временно активными и, следовательно, могут отражать специфические адаптивные механизмы, лежащие в основе изменений в доступности питательных веществ (рис.  2а). Большинство этих реакций были вовлечены в транспорт, обмен и катаболизм аминокислот, предшественников нуклеотидов и промежуточных продуктов центрального метаболизма (рис. 2b). Среди временно активных реакций мы обнаружили НАД- и НАДФ-зависимые яблочные ферменты, которые катализируют анаплеротическую реакцию превращения малата в пируват (рис. 2c и дополнительная рис. 7). Хотя эти анаплеротические реакции неактивны в среде с минимальным содержанием глюкозы 34 , зависящие от времени оценки потока через яблочные ферменты MaeA и MaeB предполагают раннюю временную активацию потока от малата к пирувату в присутствии CAA (рис. 2c). Чтобы подтвердить это предсказание и проверить функциональность яблочных ферментов в сложной среде, мы наблюдали за ростом двух отдельных мутантов с нокаутом яблочного фермента Δ 9.1155 maeA и Δ maeB в M9 + CAA. В соответствии с предсказаниями модели о более ранней и сильной активации NAD-зависимого фермента MaeA (рис. 2c), мы наблюдали, что максимальные скорости роста были аналогичны показателям дикого типа в глюкозе M9, в то время как Δ maeA демонстрирует значительно более низкий максимум. скорость роста в M9 + CAA (двусторонний парный t -тест, p -значение  ≤ 0,001) (рис. 2г). Поскольку малат находится близко к точке входа аспартата/аспарагина, а аспартат является известным аллостерическим активатором обоих яблочных ферментов 35,36 , мы предположили, что яблочные ферменты особенно важны в опосредовании использования C4-субстратов, таких как аспартат. Чтобы проверить эту возможность, мы повторили анализ роста в среде глюкозы M9 с добавлением различных концентраций аспартата (рис. 2e). Этот эксперимент подтвердил нашу гипотезу и показал, что в присутствии аспартата Δ maeA имеет сниженную скорость роста по сравнению с диким типом. В целом, мы продемонстрировали, что ограничение модели FBA комбинацией абсолютных и относительных измерений концентраций метаболитов в супернатанте позволяет оценить динамические перестройки внутриклеточного потока во время последовательного использования и истощения питательных веществ в сложной среде. Динамическая координация потребления аминокислот и глюкозы Наш основанный на модели анализ выявил в основном две фазы роста, примерно до и после того, как культура достигает ОП 600 , равной 1. Первая фаза характеризуется катаболизмом аминокислот, таких как как аспартат, глицин, глутамат и серин, которые обеспечивают большую часть углерода (~ 40%) и азота (70-80%) для быстрого роста в течение первых ~ 3 часов (рис. 1d и дополнительные рис. 8 и 9) . На этом этапе культура демонстрировала низкое поглощение глюкозы, высокий избыток ацетата и избыточное потребление азота (рис. 1d и 3 и дополнительные рис. 8 и 9).). Предполагается, что это избыточное потребление азота уравновешивается секрецией аммиака, что также наблюдается в присутствии больших количеств глютамина 37 . Почти 20% углерода, необходимого для образования биомассы, было получено из метаболитов, отличных от аминокислот и глюкозы, но ни один отдельный метаболит не вносил более 2% в общий баланс углерода (рис. 1d). Примечательно, что на самой первой фазе роста модельный анализ данных экзометаболома предсказал высокие катаболические потоки от 2 до 5  ммоль / г DW / ч для глицина и серина в пируват и для аспартата в оксалоацетат (дополнительный рисунок 10). После почти полного истощения этих аминокислот глюкоза и аммиак стали основными источниками углерода и азота соответственно (рис. 1d и дополнительная рис. 9).). На этой второй фазе поглощение глюкозы увеличилось примерно с 6 до 8  ммоль/г DW/ч, а секреция ацетата снизилась примерно на 35 % (рис. 3). Рис. 3 Расчетная скорость усвоения аминокислот. Измеренные концентрации аминокислот в супернатанте (крестики) и интерполированные значения (синие линии). Черная линия представляет рассчитанную мгновенную скорость поглощения, а серая заштрихованная область — доверительные интервалы. Потребность в потоке для биосинтеза белка (зеленая линия) оценивалась по стехиометрии состава биомассы, умноженной на мгновенную скорость роста. Области, заштрихованные красным цветом, обозначают нижнюю и верхнюю границы потребности в аминокислотах для биосинтеза белка, рассчитанной на основе экспериментальных измерений содержания белка в E. coli , выращенные на богатой среде (время удвоения ~ 20 мин) и среде с минимальным содержанием глюкозы (время удвоения ~ 60 мин) 43 . Красные пунктирные линии представляют собой прямую линейную интерполяцию верхней и нижней границ, умноженную на мгновенную скорость роста. Экспериментально определенные скорости поглощения глюкозы и секреции ацетата (черная линия/серая область) сравниваются с оценками, полученными в результате анализа вариабельности моделирований на основе ограничений (красная область). Фон диаграммы всех неразлагаемых аминокислот выделен желтым цветом, а цвет шрифта — красным. Аминокислоты, расщепленные в один и тот же продукт, сгруппированы разными цветами в соответствии с центральной схематической метаболической сетью Изображение в полный размер На протяжении этих двух фаз скорость потребления аминокислот варьировала примерно на один порядок (рис. 3). Скорость поглощения всех семи неразлагаемых аминокислот (рис. 3, желтые области диаграммы) была ниже или соответствовала теоретическим требованиям для биосинтеза белка при данной скорости роста. Подобно поглощению метионина, которое ингибируется внутренними уровнями метионина 38 , похоже, что скорость поглощения всех неразлагаемых аминокислот жестко регулируется внутренними петлями обратной связи, возможно, чтобы избежать накопления токсичных промежуточных соединений 39 . Напротив, более половины разлагаемых аминокислот (т. е. 7 из 13), в частности серин, глицин, треонин, аспартат и глутамат, потреблялись со скоростью, намного превышающей потребность исключительно в биосинтезе белка. В соответствии с предыдущими данными 40 мы обнаружили, что среднее количество аминокислоты, потребляемой на единицу изменения OD 600 (т. е. начальная концентрация аминокислоты, деленная на OD 600 во время истощения) обратно пропорционально ее стоимость метаболизма, определяемая как количество высокоэнергетических фосфатных связей, необходимых для биосинтеза 41 (рис. 4а, б). Таким образом, наши данные подтверждают гипотезу о том, что стоимость биосинтеза аминокислот оказывает селективное давление для кодирования менее дорогостоящих аминокислот в широко распространенных белках 41,42 (дополнительная рис. 11). Чтобы проверить, зависят ли наблюдаемые скорости поглощения аминокислот от их абсолютной или относительной концентрации в среде, мы добавили в среду семь смесей всех аминокислот в разных количествах и определили их индивидуальные средние скорости поглощения (рис. 4d). Для большинства аминокислот изменение их концентрации в среде не повлияло на наши предыдущие выводы (дополнительные рисунки 11 и 12). Однако средние скорости усвоения некоторых аминокислот (например, глутамата, глицина и аспартата) отличались большей дисперсией, чем другие, в разных условиях (рис. 4d и дополнительные данные 2). Мы стремились найти потенциальные регуляторные зависимости между аминокислотами, сопоставив скорости поглощения между всеми парами аминокислот в семи условиях (рис. 4e–g). В среднем серин и аспартат продемонстрировали самую сильную корреляцию со скоростью поглощения других аминокислот, что свидетельствует о важной роли этих аминокислот в регуляции потребления питательных веществ (рис. 4e). Мы обнаружили самую сильную положительную корреляцию между валином и изо-/лейцином и подтвердили функциональную взаимосвязь между этими аминокислотами, показав, что если лейцин или изолейцин истощаются до валина, рост бактерий сильно подавляется (рис. 4f и дополнительная рис. 13). , в соответствии с предыдущими выводами 39 . Рис. 4 Потребление против стоимости аминокислот. a Каждая точка представляет одну аминокислоту, а красная линия представляет собой мгновенную скорость роста клеток. Для каждой аминокислоты начальная концентрация связана с ОП 600 , при которой аминокислота была удалена из среды. b Для каждой аминокислоты ее метаболическая стоимость, т. е. количество высокоэнергетических фосфатных связей, необходимых для биосинтеза 41 , сравнивается с соотношением между исходной концентрацией аминокислоты и культуральной ОП 600 во время истощения, показанного в a . c Для каждой аминокислоты ее метаболическая стоимость 41 сравнивается со средней оценкой скорости ее поглощения, рассчитанной как начальная концентрация аминокислоты, деленная на часы и грамм культуры сухой биомассы (gDW) во время аминокислоты. истощение. d Распределение средней скорости поглощения аминокислот в семи средах, содержащих различные начальные количества аминокислот (см. также дополнительный рисунок 12). e Тепловая карта попарной корреляции между средними показателями усвоения аминокислот в семи тестируемых условиях. Блочная диаграмма попарной корреляции для каждой аминокислоты. Края прямоугольника соответствуют 25-му и 75-му процентилю, усы включают крайние точки данных, а выбросы показаны красными знаками плюса. f Средняя скорость усвоения валина по сравнению с изо-/лейцином. г Средняя скорость усвоения аспарагина по сравнению с глютамином Изображение с полным размером В целом, наши данные свидетельствуют о том, что аминокислоты, которые «дешевы» в производстве, такие как серин, глицин, треонин и аспартат, поглощаются в гораздо большей степени. выше скорость и разлагается, тем самым потенциально снижая потребность в глюкозе в качестве источника углерода и энергии (рис. 1d). Примечательно, что некоторые недорогие аминокислоты, которые потреблялись со скоростью, не превышающей потребность в биосинтезе белка, а именно пролин, аргинин, глутамин и аспарагин, не могут быть расщеплены напрямую, а сначала должны быть преобразованы в глутамат или аспартат. Остальными аминокислотами, которые могут быть расщеплены напрямую, но вместо этого поглощаются с относительно низкой скоростью, являются аланин, триптофан и лизин. Однако, в отличие от других аминокислот, аланин также является важным компонентом пептидогликана клеточной стенки, а триптофан и лизин имеют высокие затраты на биосинтез (рис. 4b, c). В целом эти результаты предполагают наличие сложного компромисса между затратами на расщепление аминокислот, т. е. риском растраты дорогостоящих ресурсов, таких как метионин 43 или триптофан 41 — и потенциальная выгода для удовлетворения потребности в углероде и азоте. Роль пирувата в координации катаболизма глюкозы Выше мы обнаружили, что некоторые аминокислоты подвергаются катаболизму и даже снижают катаболизм глюкозы на ранних стадиях роста. В то время как катаболитная репрессия менее предпочтительных субстратов на основе глюкозы относительно хорошо охарактеризована в E. coli 40,44,45,46 , гораздо меньше известно о влиянии других питательных веществ на потребление глюкозы 47,48 . Таким образом, мы затем исследовали, как E. coli координирует катаболизм аминокислот и глюкозы. Являясь ключевым регулятором поглощения углерода и катаболизма, фактор транскрипции Crp регулирует экспрессию многих альтернативных систем поглощения субстрата и генов, участвующих в деградации аминокислот и катаболизме углерода в E. coli 44 . Измеряя активность Crp с помощью репортерной плазмиды GFP, мы подтвердили, что глюкоза сильно подавляет активность Crp 44 и что добавление аминокислот не влияет на эту репрессию (рис. 5а). Таким образом, наши результаты показывают, что регуляция транскрипции с помощью Crp не отвечает за снижение потребления глюкозы. Рис. 5 Координация катаболизма глюкозы и аминокислот. a Среднее ± стандартное отклонение активности Crp в различных питательных средах: минимальная среда с глюкозой (GLC) или сукцинатом (SUC выделена зеленым цветом, положительный контроль) и минимальная среда с глюкозой, дополненная казаминокислотами (CAA), смесь синтетических аминокислот (SAA), SAA, лишенные аминокислот, которые могут расщепляться до пирувата: (i) треонин, глицин и серин (STG) или (ii) треонин, глицин, серин, триптофан, цистеин и аланин (STGTCA), или α- кетоглутарат: (iii) глутамат, глутамин, пролин и аргинин (GGPA) или оксалоацетат: (iv) аспартат и аспарагин (AA) и минимальная глюкозная среда с 0,125  г/л глутамата (GLT). b Динамические изменения соотношения между фосфоенолпируватом и пируватом при добавлении CAA. c Динамические относительные изменения содержания пирувата (синий), оксалоацетата (красный) и α-кетоглутарата (желтый) при добавлении различных смесей аминокислот и глюкозы в качестве основного источника углерода. d Относительные изменения содержания пирувата через 30 мин после добавления аминокислот в зависимости от соотношения между секрецией ацетата и потреблением глюкозы. д Активность PtsI in vitro в присутствии только реагента фосфоенолпирувата (ФЕП) или ФЕП с добавлением глутамата (ГЛТ), аланина (АЛК), аспартата (АСП), фруктозобисфосфата (ФБФ), сукцината (SUC), глиоксилат (GOX), α-кетоглутарат (AKG), оксалоацетат (OXA) и оксамат (OXM). Гистограммы отображают среднее ± стандартное отклонение в трех повторах Изображение в полный размер Альтернативный механизм более быстрого контроля усвоения глюкозы основан на изменении активности транспортера либо посредством фосфорилирования 49 или связывание малых молекул 5 . Дефосфорилирование первой стадии системы сахар-фосфоенолпируватфосфотрансфераза (PTS), EIIA Glc , приводит к ингибированию транспорта нескольких не-PTS источников углерода. Согласно текущей модели, быстрое увеличение соотношения между уровнями фосфоенолпирувата и пирувата будет соответствовать усилению фосфорилирования EIIA Glc 49 и, следовательно, снижению поглощения глюкозы. Мы отслеживали немедленные изменения внутриклеточного соотношения между фосфоенолпируватом и пируватом после добавления CAA, используя целенаправленный метод жидкостной хроматографии-масс-спектрометрии (ЖХ-МС) 50 (рис. 5b, дополнительный рис. 14 и дополнительные данные 2). Мы наблюдали быстрое увеличение внутриклеточного пирувата и почти устойчивые уровни фосфоенолпирувата (рис. 5b), что, согласно текущей рабочей гипотезе, должно вызывать дефосфорилирование EIIA Glc и способствовать поглощению глюкозы 49 . Хотя у нас нет прямых экспериментальных доказательств, снижение фосфорилирования EIIA Glc кажется неправдоподобным, поскольку EIIA Glc уже полностью дефосфорилировано в присутствии глюкозы 9.0329 49 . Более того, даже более высокое дефосфорилирование EIIA Glc будет соответствовать дополнительному повышенному поглощению глюкозы, вопреки нашим наблюдениям. Таким образом, совокупные данные свидетельствуют о том, что координация между катаболизмом глюкозы и аминокислот достигается с помощью внутриклеточных сигнальных метаболитов; наиболее экономным объяснением является модуляция поглощения глюкозы за счет продуктов деградации катаболизма аминокислот. Чтобы проверить эту гипотезу и идентифицировать предполагаемые эффекторные метаболиты, мы добавили культур E. coli во время среднего экспоненциального роста на минимальной среде с глюкозой с восемью различными смесями аминокислот. Каждая смесь была лишена одного класса аминокислот, которые катаболизируются в любой из трех конечных продуктов разложения, а именно в α-кетокислоты: пируват, α-кетоглутарат или оксалоацетат. В каждом эксперименте мы определяли скорость роста, поглощение глюкозы и секрецию ацетата и измеряли динамическую реакцию внутриклеточного метаболома до 90  мин после добавления аминокислот с помощью нецелевого FIA-TOFMS 9.0329 51 (дополнительный рисунок 15 и дополнительные данные 2). Как правило, добавление аминокислот влияло на потребление глюкозы и секрецию ацетата (таблица 1) и вызывало большие изменения концентрации промежуточных продуктов центрального метаболизма, в первую очередь пирувата и оксалоацетата (см. Дополнительное обсуждение и Дополнительный рисунок 15). Изменения относительной концентрации, определенные с помощью FIA-TOFMS, соответствовали предыдущим измерениям абсолютной концентрации с помощью ЖХ-МС (дополнительные рисунки 14–16). Чтобы идентифицировать метаболиты-кандидаты, которые потенциально могут регулировать катаболизм глюкозы, мы сопоставили относительные изменения метаболитов 15, 30, 60 и 9.0  мин после добавления аминокислот со скоростью роста, скоростью поглощения глюкозы, скоростью секреции ацетата и соотношением разделения секреции ацетата и потребления глюкозы. По крайней мере, в один момент времени четыре метаболита коррелировали с долей секретируемого ацетата по отношению к потребленной глюкозе, восемь — с секрецией ацетата и один — со скоростью роста соответственно (дополнительный рисунок 17 и дополнительные данные 2) (абсолютное кратное изменение  ≥ 2 и корреляция p -значение ≤ 0,001). В то время как в культурах с добавлением CAA концентрация большинства этих метаболитов неуклонно увеличивалась в течение 90 мин (дополнительная рис. 15), уровни пирувата достигли пика через 30 мин и демонстрировали самую сильную корреляцию с соотношением между секрецией ацетата и поглощением глюкозы для всех дополненных смесей аминокислот (рис. 5c, d). Мы обнаружили аналогичную корреляцию в ранее опубликованных данных 52 мониторинга изменений метаболитов и потоков у мутантов с делецией генов (дополнительная рис. 18), что позволяет предположить, что связь между уровнями пирувата и поглощением / метаболизмом углерода выходит за рамки конкретных условий, протестированных здесь. Таблица 1 Скорость роста, потребление глюкозы и скорость секреции ацетата клеточных культур, выращенных на глюкозной среде М9 и смесях ПАВ, лишенных определенных групп аминокислот Полная таблица Быстрое накопление и последующее истощение внутриклеточных Добавление CAA было совместимо с начальной фазой роста, во время которой потребление глюкозы было снижено, и последующей фазой, после истощения недорогих аминокислот, характеризующейся повышенным поглощением глюкозы и снижением секреции ацетата (рис. 4a и 5c). В среде с недостатком аминокислот, таких как серин, глицин, треонин, триптофан, цистеин и аланин, которые расщепляются до пирувата, мы не наблюдали подавления поглощения глюкозы (таблица 1), что показывает, что уровни пирувата изменяются в ответ на катаболизм аминокислот. Более того, предыдущие результаты экспериментов с хемостатом показали, что увеличение поглощения глюкозы соответствует повышению внутриклеточного уровня пирувата 9.0329 53 , что противоположно обнаруженной здесь отрицательной корреляции (то есть корреляции Пирсона = −0,7) между уровнями пирувата и поглощением глюкозы. Следовательно, изменения пирувата вряд ли будут простым косвенным следствием изменений в поглощении глюкозы. Собранные данные свидетельствуют о том, что пируват может использоваться для регуляции поглощения глюкозы и секреции ацетата. Активация секреции ацетата пируватом уже была известна, поскольку пируват является сильным активатором фосфотрансацетилазы, катализирующей обратимое взаимопревращение ацетил-КоА и ацетилфосфата 9. 0329 54 . Кроме того, E. coli относительно медленно растет на пирувате, но с очень высокой секрецией ацетата, составляющей >30% потребленного углерода 34 , и аналогичный избыточный метаболизм наблюдается у других бактерий 55 . Более того, пируват подавляет активность PdhR, регулятора транскрипции, который отрицательно регулирует образование пируватдегидрогеназного комплекса (PDHc). Мы обнаружили, что хотя делеция pdhR не влияет на рост M9 + CAA, Δ 9Скорость роста 1155 pdhR незначительно (9%), но значительно снижена в глюкозе M9 (двусторонний парный тест t , значение p   =   0,0045, дополнительная рис. 19). Эти результаты позволяют предположить, что остаточная активность PdhR в глюкозе M9 полностью устраняется, когда в среду добавляются аминокислоты, а внутриклеточные уровни пирувата увеличиваются до 20 раз. Комбинированное повышение уровня пирувата и снижение активности PdhR потенциально может поддерживать более высокий поток в ацетил-КоА и, возможно, в ацетат. Чтобы проверить, может ли пируват также напрямую регулировать поглощение глюкозы, мы очистили PtsI, компонент системы PTS, который катализирует фосфорилирование глюкозы до глюкозо-6-фосфата с фосфоенолпируватом (ФЕП) в качестве донора фосфата. Мы определили активность PtsI in vitro в присутствии девяти различных промежуточных продуктов центрального метаболизма, используя известный ингибитор α-кетоглутарата в качестве положительного контроля 5,56 . Поскольку пируват является одним из продуктов реакции и результатом анализа, для исследования ингибирования пируватом необходимо было использовать оксамат-аналог пирувата (рис. 5e). В соответствии с нашей гипотезой мы обнаружили, что соединения со сходными химическими свойствами с пируватом, такие как оксамат, оксалоацетат и α-кетоглутарат, но не глиоксилат, ингибируют PtsI (двухвостый парный t -тест, p -значение ≤ 0,05), в то время как другие промежуточные продукты центрального метаболизма, такие как глутамат, аланин, аспартат, фруктозобисфосфат и сукцинат, не проявляли ингибирующей активности (рис. 5e). Помимо непосредственного воздействия пирувата на PtsI, анализируя ранее опубликованные данные протеомики 57 , мы обнаружили, что пируват может индуцировать множественные конформационные изменения во всех белковых субъединицах системы PTS (т.е. PtsG, Crr, PtsH и PtsI), указывая на возможность того, что пируват мешает не только PtsI, но и стабильности всего белкового комплекса (дополнительная рис. 20). Чтобы дополнительно продемонстрировать, что повышенное содержание пирувата может избирательно ингибировать систему поглощения PTS, мы проверили потенциальное ингибирующее рост действие добавления внеклеточного пирувата к E. coli , растущему либо с глюкозой, источником углерода PTS, либо с источником углерода, не содержащим PTS. сукцинат. Поскольку Crp-опосредованная катаболическая репрессия предотвращает поглощение пирувата во время экспоненциального роста на глюкозе, мы сначала выращивали E. coli в среде с глюкозой M9 в течение ночи до стационарной фазы, когда активность Crp высока, что позволяет поглощать альтернативные источники углерода. Ночные культуры от M9Глюкозную или сукцинатную среду М9 затем разбавляли от 1 до 100 в той же самой минимальной среде с добавлением 20 или 40 мМ пирувата. В соответствии с ингибированием пируватом гипотезы системы PTS мы наблюдали, что добавление пирувата вызывало более низкие скорости роста во время адаптации к повторному появлению глюкозы (рис. 6а). Напротив, внеклеточный пируват облегчал адаптацию к сукцинату, что приводило к более быстрому росту (рис. 6b). В соответствии с этими выводами, несмотря на то, что потребление сукцината также сильно снижается при добавлении аминокислот (рис. 6c), уровень пирувата снижается (рис. 6d). В отличие от глюкозы, где активность Crp уже подавлена, поглощение сукцината напрямую контролируется Crp 9.0329 58 , а добавление аминокислот совпадает с пропорциональным снижением активности Crp (рис. 5а). Таким образом, совокупные данные свидетельствуют о том, что быстрый катаболизм серина, глицина и аспартата снижает катаболизм глюкозы и увеличивает секрецию ацетата за счет накопления α-кетокислот, в основном пирувата и оксалоацетата. С другой стороны, в то время как катаболизм аминокислот модулирует поглощение глюкозы посредством посттрансляционной регуляции, транскрипционная адаптация, по-видимому, лежит в основе регуляции глобального потока углерода в присутствии источника углерода, отличного от PTS. Рис. 6 Координация катаболизма сукцината и аминокислот. a Изменения мгновенной скорости роста E. coli в глюкозе M9 (черный), с 20 (синий) или 40 (красный) мМ пирувата. b Изменения мгновенной скорости роста E. coli в сукцинате М9 (черный) с 20 (синий) или 40 (красный) мМ пирувата. c Относительная скорость поглощения сукцината E. coli в сукцинате M9, дополненном 2  г/л CAA или синтетической смесью аминокислот (SAA), состоящей из тех же аминокислот, и концентрации, измеренные в 2  г/л CAA. Столбики ошибок представляют 95% доверительный интервал на основе анализа подгонки трех биологических повторов (см. Дополнительный рисунок 21). d Динамические относительные изменения содержания пирувата (синий), оксалоацетата (красный) и α-кетоглутарата (коричневый) при добавлении смесей аминокислот и сукцината в качестве основного источника углерода Изображение в натуральную величину Обсуждение Разрешение динамических изменений потока в постоянно меняющихся и сложных с точки зрения питания средах остается серьезной проблемой 9.0329 59 . Бактерии, растущие в богатых средах, не могут потреблять все питательные вещества сразу, а должны решить, какие из них потреблять в первую очередь и как их утилизировать. Изменение концентрации питательных веществ вынуждает бактерии постоянно адаптировать свое поглощение, что, в свою очередь, требует непрерывного и быстрого перенаправления внутриклеточных потоков. Здесь мы разработали экспериментальный и вычислительный подход, который позволяет вывести фазы динамической метаболической адаптации E. coli во время роста в сложной среде. Паттерны экзометаболома выявили сложную динамику потребления нутриентов и секреции метаболитов. Несколько неожиданно максимальный рост наблюдался при относительно низком поглощении глюкозы и высокой секреции ацетата. Прогнозы модели, основанной на ограничениях, определили общий вклад потребляемых питательных веществ в формирование биомассы и внутриклеточные потоки, раскрывая лежащие в основе метаболические стратегии в течение различных фаз роста с последовательным истощением аминокислот. Недорогие аминокислоты обеспечивали большую часть углерода и азота, необходимых на начальном этапе быстрого экспоненциального роста, который характеризовался относительно низкой скоростью поглощения глюкозы. В частности, серин, аспартат и глицин потреблялись в гораздо больших количествах, чем это необходимо для синтеза белка, и поэтому вносили существенный вклад в выработку энергии и биомассы. Чтобы понять, как E. coli координирует потребление различных питательных веществ и адаптирует свои внутриклеточные потоки, мы отслеживали реакцию внутриклеточного метаболома на внезапное добавление различных комбинаций аминокислот. Выраженные изменения уровней пирувата и их сильная корреляция с соотношением между потреблением глюкозы и секрецией ацетата позволяют предположить, что пируват является важным регулятором поглощения глюкозы и секреции ацетата. Мы показали, что пируват-аналог оксамат ингибирует активность белка системы захвата глюкозы PtsI, а внеклеточный пируват препятствует возобновлению роста E. coli на глюкозе, но не на источнике углерода, отличном от СТВ. В совокупности с предыдущими экспериментальными данными о пирувате как активаторе ацетатного выброса у E. coli 60 наши результаты позволяют предположить, что катаболизм аминокислот и глюкозы координируется через изменения уровней α-кетокислот, в первую очередь пирувата, и оксалоацетат. Поскольку наши эксперименты не проводились при ограничении азота, незначительные изменения уровней α-кетоглутарата не противоречат предыдущим результатам о роли α-кетоглутарата в регуляции поглощения глюкозы в ответ на ограничение азота и расширили наше понимание функциональной регуляторной роли α-кетоглутарата. другие кетокислоты в центральном метаболизме, такие как пируват и оксалоацетат. Представленный экспериментальный и вычислительный метод может количественно моделировать перестройки внутриклеточного потока во время роста микробов и потенциально высших клеток в сложных средах за пределами исследованных здесь аминокислот. Мы предполагаем, что этот новый подход в сочетании с высоким временным разрешением и охватом достигается с помощью масс-спектрометрии с прямой инфузией 24,51,61 в сочетании с более количественными методами, такими как ЖХ-МС или ядерно-магнитный резонанс 62,63 , имеет потенциал для получения поддающихся проверке предсказаний регуляторных механизмов, лежащих в основе исследуемых метаболических фенотипов, даже за пределами ограниченных лабораторных условий. Методы Штаммы и среды Для всех экспериментов по выращиванию E. coli BW25113 первоначально выращивали в течение 5 ч в среде Луриа-Бертани (LB), а затем в течение ночи в минимальной среде М9. В качестве источников углерода использовали 5 г/л глюкозы и 2 г/л казаминокислот (CAA) (Sigma-Aldrich), если не указано иное. М9Среда содержится, на литр деионизированной воды: 7,5 г NA 2 HPO 4 2H 2 O, 3,0 г KH 2 PO 4 , 1,5 G (NH 4 54 4554 4554 4554 4554 4554 4554 4554 4554 49544 4554 49544 2 49544 2 49544 2 4 49544 2 2 4 , 1,5 г (NH 4 4 4 , 1,5 г (NH 4 4 4 , 1,5 г (NH 4 4 . 4 и 0,5 г NaCl и доводили до pH 7 перед автоклавированием. Следующие компоненты стерилизовали фильтрованием отдельно, а затем добавляли (на литр конечной среды): 1 мл 1 М MgSO 4 , 1 мл 0,1 М CaCl 2 , 1 мл 0,1 М FeCl 3 и 10. мл раствора микроэлемента, содержащего (на литр) 180 мг ZnSO 4 7H 2 O, 120 мг MNSO 4 H 2 O, 180 мг COCL 2 6H 2 O и 120 мг CUCL 2 2 O и 120 мг. стерилизуют фильтрованием и добавляют в среду отдельно. Культивирование Рост E. coli в минимальной среде M9 с глюкозой и CAA отслеживали в 48-луночном планшете с помощью планшет-ридера Tecan Infinite M200 (Tecan) (37 °C, линейное встряхивание), измеряя поглощение при 600 нм. Сухой вес клеток определяли по заданному переводному коэффициенту 0,48  г клеток/ОП 600 64 . Для профилирования экзометаболома отбирали 50 мкл культуральной жидкости в моменты времени, указанные на рис. 1а, и клетки отделяли от супернатанта центрифугированием (4 ° C, 4000 об / мин, 10 мин). Профилирование экзометаболома Абсолютные концентрации глюкозы и ацетата в культуральных супернатантах определяли с помощью ферментных наборов (Megazyme). Параллельно мы использовали метод масс-спектрометрии с прямой проточной инъекцией (FIA-Q-TOF) 21 для профилирования относительных изменений концентраций метаболитов в супернатанте. В частности, культуральные супернатанты вводили в квадрупольный времяпролетный масс-спектрометр Agilent серии 6550 (Agilent, Санта-Клара, Калифорния), работавший в отрицательном режиме. Эксперимент проводили трижды, и каждый образец из десяти временных точек вводили дважды. Из спектра обнаруженных ионов аминокислоты и другие метаболиты были аннотированы как монодепротонированные ионы с помощью геномной модели E. coli по Orth et al. 25 . Абсолютное количество аминокислот оценивали путем сравнения интенсивностей пиков, измеренных в культуральном супернатанте, с интенсивностью серии разведений чистых аминокислот в минимальной среде М9 (дополнительные сведения см. в дополнительных материалах). Достоверность расчетных концентраций была подтверждена с использованием альтернативного стандартного метода количественного определения аминокислот (набор для дериватизации ACCQ-Tag Ultra, Waters) (см. Дополнительный текст и Дополнительный рисунок 5). Зависимые от времени профили каждого отдельного метаболита, обнаруженного в супернатанте. были интерполированы с использованием многомерных адаптивных регрессионных сплайнов (MARS) 31 . Мы использовали набор инструментов ARESLab Adaptive Regression Splines для Matlab/Octave ver. 1.13.0, которую можно скачать здесь: http://www.cs.rtu.lv/jekabsons/. Чтобы оценить изменчивость оценок подбора для каждого метаболита, мы повторили подбор 1000 раз, используя только 90% собранных данных. Оценки ошибок рассчитывались как стандартное отклонение по подборам, полученным в результате процедуры начальной загрузки. Затем мы оценили относительные мгновенные скорости поглощения и секреции, рассчитав разницу уровней метаболитов между двумя последовательными временными точками, разделив их на временной интервал (т. е. коэффициент приращения) (дополнительные данные 1). Стоит отметить, что внутренней проблемой интерполяции данных является фильтрация высоких частот в данных (т. е. сглаживание или быстрое изменение уровней метаболитов). В принципе, для определения скорости поглощения/выделения метаболитов в супернатанте можно использовать и другие подходы, подобные описанным в ref. 65 , который может явно учитывать априорные знания о времени, когда ожидаются быстрые метаболические изменения. Эксперименты по добавлению аминокислот Для отслеживания быстрых метаболических изменений в ответ на различные смеси аминокислот и для облегчения динамического отбора проб с высокой пропускной способностью, снижая риск артефактов обработки образцов, мы использовали 96-луночный бульон для цельной культуры. протокол извлечения 51 . Аликвоты клеточной культуры экстрагировали без разделения клеток с помощью экстракции холодным растворителем, а затем непосредственно вводили в времяпролетный масс-спектрометр 9.0329 21 . Мы дополняли экспоненциально растущие клетки E.coli смесями синтетических аминокислот (SAA), содержащими те же концентрации отдельных аминокислот, что и в CAA, но лишенные групп аминокислот, катаболизируемых в пируват (например, треонин, глицин и серин (SAA-TGS) или треонин, глицин, серин, триптофан, цистеин и аланин (SAA-TGSTCA)) и другие α-кетокислоты, такие как α-кетоглутарат (например, глутамат, глутамин, пролин и аргинин (SAA-GGAP). )) и оксалоацетат (например, аспартат и аспарагин (SAA-AA)). Чистый М9В качестве контроля использовали глюкозную среду, содержащую 0,125 г/л глутамата (SAA-GLT). Чтобы подтвердить, что измерения в цельноклеточном бульоне (WCB) были репрезентативными для изменений внутриклеточного метаболома, мы также использовали протокол быстрой фильтрации 4 исключительно для мониторинга внутриклеточных изменений при возмущениях CAA и SAA и показали, что большинство моделей, которые мы получили в Образцы WCB напоминали измеренные внутриклеточные изменения (дополнительные данные 2). Для экспериментов с добавками, E. coli культивировали в 150 мл минимальной среды М9 с глюкозой в 1-литровых встряхиваемых колбах (37°С, 300 об/мин) до экспоненциальной фазы (OD 600 0,2–0,3) перед разделением культуры на равные части для дальнейшего культивирования (30 мл на 500 мл встряхиваемой колбы и 1,2 мл на лунку для 96-луночного культивирования соответственно). При ОП 600 , равной 0,5, в культуры добавляли смеси аминокислот до конечной концентрации 2  г/л. Впоследствии рост клеток контролировали фотометрически, а объем культуры, эквивалентный 2  мл при ОП 600  = 1 была отобрана для измерения внутриклеточных метаболитов с использованием метода быстрой фильтрации 4 . Для экстракции внутриклеточных метаболитов фильтр с клетками переносили в предварительно охлажденный (-20 °C) экстракционный раствор (ацетонитрил/метанол/вода; 2:2:1) с добавлением 25 мкМ фенилгидразина для дериватизации α-кетокислот 50 . Только для целенаправленного анализа 100 мкл экстракта E. coli 13 C добавляли в качестве внутреннего стандарта к экстракционному раствору 9.0329 66 , сразу после добавления фильтра. После инкубации при –20 °C в течение 1 часа образцы немедленно высушивали в вакууме при 30 °C для целевого анализа с помощью ЖХ-МС 62 или использовали непосредственно без высушивания для нецелевого анализа с помощью FIA-Q-TOF 21,51 , соответственно. Для целевого анализа с помощью ЖХ-МС высушенные образцы ресуспендировали в 100 мкл воды, 10 мкл которых вводили на УЭЖХ Waters Acquity с обращенно-фазовой колонкой Waters Acquity T3 (150 х 2,1 х 1,8 мм; Waters Corporation). n {\left| {v_i} \right|} \\ Sv = 0\\ L_i \le v_i \le U_i\end{массив}$$ (1) где v представляет собой вектор потоков, S стехиометрическую матрицу MxR (т.е. M метаболитов, R реакций), Sv = 0 является ограничением баланса массы и U / L — термодинамические и емкостные ограничения. Как правило, только один субстрат является лимитирующим, и максимальный рост соответствует максимальному урожаю. Среда in-silico определяется путем обеспечения импорта метаболита из внешнего компартмента во внутриклеточные (например, цитозольные) путем адаптации нижней/верхней границы соответствующей реакции. Часто выбирается распределение потока, которое оптимизирует производство биомассы и является наиболее экономичным, т. е. с минимальной суммой абсолютных значений 67 . Геномная модель E. coli , используемая в этом исследовании, учитывает 324 реакции обмена 25 . Когда среда становится сложной, а ограничивающий ресурс неизвестен, пространство допустимых решений увеличивается, и простые целевые функции, такие как чистая максимизация биомассы, больше не подходят 17,68 . В классическом моделировании на основе ограничений (например, при анализе баланса потоков) сложность среды in-silico отражается в неопределенных системах, где редкость ограничений неизбежно делает прогнозы неточными и ненадежными 69 . Чтобы преодолеть эти ограничения, скорость поглощения можно определить экспериментально и использовать в качестве ограничений в модели для сокращения пространства возможных решений. Здесь мы использовали нецелевую масс-спектрометрию, которая позволяет проводить быстрые, точные и чувствительные измерения почти 60% метаболитов, которыми может обмениваться клетка с окружающей средой (рис. 1). Однако широкий охват достигается за счет только относительных, а не абсолютных количественных показателей. Для всех 20 аминокислот мы обошли это ограничение, используя внешние калибровочные кривые, полученные из чистых соединений (полную информацию можно найти в дополнении). Примечательно, что два изомера лейцина и изолейцина невозможно различить с помощью анализа FIA-TOF. Следовательно, для этих двух аминокислот мы оценили только верхние границы. Независимые измерения поглощения глюкозы и секреции ацетата проводились с использованием ферментных наборов. Включить масс-спектрометрические измерения оставшихся метаболитов с прямой проточной инъекцией в геномную метаболическую модель E. coli была реализована процедура оптимизации, включающая вспомогательные неизвестные переменные, отражающие коэффициенты линейной пропорциональности между измеренными интенсивностями МС и концентрациями. Для этого мы разделили экспериментально наблюдаемую временную динамику роста на N интервалов при эквидистантных ОП от 0,1 до 4,5 с шагом интервала ОП 0,1 и приняли потоки в этих временных интервалах постоянными. Предположение о квазистационарном состоянии имеет решающее значение для снижения сложности задачи и поддержания линейности ограничений. Для каждого временного интервала абсолютная скорость потребления и секреции глюкозы, ацетата и аминокислот оценивается по абсолютным экспериментальным измерениям вместе с доверительными интервалами ( v измА ). Расстояние L1-нормы между абсолютными измеренными потоками (\(\tilde v\)) и прогнозируемыми ( v ) на всех временных интервалах минимизируется. Затем мы минимизируем расстояние L1-нормы между относительными оценками обменных курсов метаболитов без калибровочной кривой, умноженное на масштабный коэффициент с. С этой целью мы вводим вспомогательную переменную D. Для метаболитов, входящих в состав казаминокислот, рассматривалось максимальное начальное количество 50 мкмоль, что согласуется с общими оценками наиболее распространенных метаболитов в казаминокислотах, таких как GMP, уридин и цитрат (см. Дополнительную информацию). Текст). Результаты устойчивы к небольшим изменениям этого параметра. Для каждого обменного метаболита в модели поглощение в момент времени т не может превышать сумму произведенного и потребленного к этому времени метаболита. Для тех соединений, которые, как было обнаружено, секретируются в среду, была оценена нижняя граница для соответствующего фактора с, исходя из предположения, что если метаболит обнаруживается в среде в любой момент роста, то максимальная концентрация должна быть >50 мкмоль. Стоит отметить, что все измеренные скорости (абсолютные и относительные) используются в качестве мягких ограничений, кроме скорости роста, которая здесь наложена как жесткое ограничение: 9{t _ {\ max }} {v_i (t) \ cdot \ gamma \ cdot \ Delta t \ cdot {\ mathrm {OD}} (t)}} \ right) \, {\ mathrm {for}} \, i \ in \ Psi \, {\ mathrm {and}} \, i \ notin CAA \\ v_ {{\ mathrm {growth}}} (t) = \ tilde v {} _ {{\ mathrm {growth}}} (t)\end{array}$$ (2) Здесь Ω – множество абсолютных измеренных потоков, ψ – множество измеренных потоков с относительными расчетными скоростями, c – неизвестный масштабный коэффициент, Δ t — интервал времени в часах между двумя соседними экземплярами, OD( t ) — оптическая плотность, измеренная в момент времени t и ɣ  = 0,413 — коэффициент пересчета, используемый для преобразования показаний OD в грамм сухой биомассы (gDW). Решения были рассчитаны с использованием программного обеспечения оптимизации CPLEX IBM. Три минимизации проводились одна за другой в порядке, описанном выше. В частности, после решения первой оптимизации минимальная сумма абсолютных разностей между абсолютными оцененными и предсказанными потоками (obj 1 ) используется в качестве ограничения во второй оптимизации. Во второй оптимизации мы минимизируем расстояние L1-нормы между относительными оценками секреции/поглощения метаболитов и прогнозируемыми потоками. Наконец, объективное значение (obj 2 ) используется в качестве ограничения для нахождения решения для потоков, которое минимизирует сумму абсолютных потоков. Чтобы найти полный диапазон возможных значений потока ( v ( t )) мы использовали анализ изменчивости потока 70 . В частности, мы минимизируем и максимизируем поток через каждую метаболическую реакцию при условии, что решения должны лежать в 99,9% от оптимального решения (дополнительный рис. 6). Результаты анализа изменчивости потока представлены в дополнительных данных 1 и на рис. 2с и 3 как серые области. Активность белка рецептора цАМФ (CRP) Культивирование штамма E. coli , несущего транскрипционную репортерную плазмиду, для мониторинга активности Crp, а также расчет активности промотора как OD 600 нормализованной скорости продукции GFP. выполняется с использованием ранее описанного протокола 71,72 . Стационарную промоторную активность в минимальной среде М9 с различным внешним аминокислотным составом определяли в течение первого окна фазы быстрого роста, в течение которого культуры демонстрировали максимальную скорость роста. Ферментный анализ PtsI Ферментный анализ PtsI проводили, как описано ранее Doucette et al. 5 . PtsI (фермент I), содержащий N-концевую гистидиновую метку, был очищен из штамма библиотеки ASKA b2416 73 , и его идентичность была подтверждена с помощью SDS page. Очищенный PtsI предварительно инкубировали в течение 5 мин при 37°С со смесью 1:4 2 мМ фосфоенолпирувата натрия (Sigma-Aldrich, ≥ 97%) и пирувата натрия (Sigma-Aldrich, ≥ 99%), в буфере, содержащем 25 мМ фосфата натрия, доведенного до pH 7, и 2,5 мМ MgCl 2 . Реакцию начинали добавлением 13 C-меченого пирувата натрия (Cambridge Isotope Laboratories, ≥ 98%), эквивалентного количеству, включенному в смесь для предварительной инкубации, с получением конечного соотношения PEP/пируват 1:8. . В каждой реакции использовали приблизительно 1 мкг очищенного белка, а общий объем реакции составлял 300 мкл. Предполагаемые ингибиторы были включены в преинкубационную смесь в концентрации 2 мМ. В каждый интересующий момент времени 20-мкл образцы одновременно гасили и разводили пипеткой до 9{kt})$$ (3) к среднему и с.с.м. из трех повторов эксперимента. L представляет собой 13 C-меченую фракцию пула PEP во время t , а k представляет собой подобранный параметр, представляющий константу скорости реакции мечения; 0,45 — это 13 C-меченая доля общего углерода. Расчетные значения k- для каждого анализа затем сравнивали с использованием анализа t для выявления соединений со значительным ингибирующим эффектом (рис. 5e). Сводка отчета Дополнительную информацию о дизайне исследования можно найти в Сводке отчета об исследовании природы, связанной с этой статьей. Ссылки Арнольдини, М., Мостоуи, Р., Бонхеффер, С. и Акерманн, М. Эволюция реакции на стресс в условиях ненадежных сигналов окружающей среды. PLoS вычисл. биол. 8 , e1002627 (2012 г.). ОБЪЯВЛЕНИЕ MathSciNet КАС Статья Google ученый Cremer, J. et al. Влияние потока и перистальтического перемешивания на рост бактерий в кишечно-подобном канале. Проц. Натл акад. науч. 113 , 11414–11419 (2016). ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС Статья Google ученый Шютц Р., Замбони Н., Зампиери М., Хайнеманн М. и Зауэр У. Многомерная оптимальность микробного метаболизма. Наука 336 , 601–604 (2012). ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС Статья Google ученый Линк Х., Кохановски К. и Зауэр У. Систематическая идентификация аллостерических взаимодействий белок-метаболит, которые контролируют активность ферментов in vivo. Нац. Биотехнолог. 31 , 357–361 (2013). КАС Статья Google ученый Doucette, C.D., Schwab, D.J., Wingreen, N.S. & Rabinowitz, J.D. α-Кетоглутарат координирует использование углерода и азота посредством ингибирования фермента I. Нац. хим. биол. 7 , 894–901 (2011). КАС Статья Google ученый McCloskey, D., Young, J.D., Xu, S., Palsson, B.O. & Feist, A.M. MID max: метод ЖХ–МС/МС для измерения массовых распределений изотопомеров предшественников и продуктов промежуточных продуктов метаболизма и кофакторов для метаболических приложения для анализа потоков. Анал. хим. 88 , 1362–1370 (2016). КАС Статья Google ученый Ан, Э., Кумар, П., Муха, Д., Цур, А. и Шломи, Т. Временная флюксомика выявляет колебания потока цикла ТСА на протяжении клеточного цикла млекопитающих. Мол. Сист. биол. 13 , 953 (2017). Артикул Google ученый Махадеван, Р., Эдвардс, Дж. С. и Дойл, Ф. Дж. Анализ баланса динамических потоков диоксиального роста Escherichia coli. Биофиз. Дж. 83 , 1331–1340 (2002). ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС Статья Google ученый Хёрль, М., Шниддер, Дж., Зауэр, У. и Замбони, Н. Анализ отношения нестационарных (13)C-метаболических потоков. Биотехнология. биоинж. 110 , 3164–3176 (2013). Артикул Google ученый «> Теппер, Н. и Шломи, Т. Интегрированный вычислительный подход к анализу метаболических потоков в сочетании с выводом фрагментов столкновений тандем-МС. Биоинформа. Оксф. англ. 29 , 3045–3052 (2013). КАС Статья Google ученый Юань Дж., Беннетт Б.Д. и Рабиновиц Дж.Д. Профилирование кинетического потока для количественного определения клеточных метаболических потоков. Нац. протокол 3 , 1328–1340 (2008). КАС Статья Google ученый Zamboni, N., Fendt, S.-M., Ruhl, M. & Sauer, U. Анализ метаболических потоков на основе 13C. Нац. протокол 4 , 878–892 (2009). КАС Статья Google ученый Schuetz, R., Kuepfer, L. & Sauer, U. Систематическая оценка целевых функций для прогнозирования внутриклеточных потоков в Escherichia coli . Мол. Сист. биол. 3 , 119 (2007). Артикул Google ученый Бордбар А., Монк Дж. М., Кинг З. А. и Палссон Б. О. Модели на основе ограничений предсказывают метаболические и связанные с ними клеточные функции. Нац. Преподобный Жене. 15 , 107–120 (2014). КАС Статья Google ученый Beg, Q.K. et al. Обнаружение триггеров транскрипции в динамике микробного роста: приложение к респираторно универсальной бактерии Shewanella oneidensis. Рез. нуклеиновых кислот . gks467 (2012). https://doi.org/10.1093/nar/gks467 КАС Статья Google ученый Teusink, B. et al. Анализ роста Lactobacillus plantarum WCFS1 на сложной среде с использованием метаболической модели в масштабе генома. J. Biol. хим. 281 , 40041–40048 (2006 г.). КАС Статья Google ученый Beg, Q.K. et al. Внутриклеточная скученность определяет способ и последовательность поглощения субстрата Escherichia coli и ограничивает ее метаболическую активность. Проц. Натл акад. науч. США 104 , 12663–12668 (2007). ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС Статья Google ученый Wortel, M. T., Noor, E., Ferris, M., Bruggeman, F. J. & Liebermeister, W. Стоимость метаболических ферментов объясняет различные компромиссы между скоростью микробного роста и выходом. PLoS вычисл. биол. 14 , e1006010 (2018). ОБЪЯВЛЕНИЕ Статья Google ученый Зампиери, М., Секар, К., Замбони, Н. и Зауэр, У. Границы высокопроизводительной метаболомики. Курс. мнение хим. биол. 36 , 15–23 (2017). КАС Статья Google ученый Вулф, Б. Э., Баттон, Дж. Э., Сантарелли, М. и Даттон, Р. Дж. Сообщества сырной корки обеспечивают удобные системы для исследований микробного разнообразия in situ и in vitro. Сотовый 158 , 422–433 (2014). КАС Статья Google ученый Фюрер, Т., Хир, Д., Бегеманн, Б. и Замбони, Н. Высокопроизводительное и точное профилирование масс-метаболомов клеточных экстрактов с помощью масс-спектрометрии с проточной инъекцией и временем пролета. Анал. хим. 83 , 7074–7080 (2011). КАС Статья Google ученый Циммерманн, М. и др. Анализ динамического экзометаболома выявляет активные метаболические пути у нереплицирующихся микобактерий. Окружающая среда. микробиол. 17 , 4802–4815 (2015). КАС Статья Google ученый Ван Дж., Су Ю., Цзя Ф. и Джин Х. Характеристика гидролизатов казеина, полученных в результате ферментативного гидролиза. Хим. цент. J. 7 , 62 (2013). Артикул Google ученый Линк, Х., Фюрер, Т., Джероса, Л., Замбони, Н. и Зауэр, У. Метаболомное профилирование в реальном времени метаболического переключения между голоданием и ростом. Нац. Методы 12 , 1091–1097 (2015). КАС Статья Google ученый Orth, J.D. et al. Комплексная реконструкция метаболизма кишечной палочки в масштабе генома–2011. Мол. Сист. биол. 7 , 535 (2011). Артикул Google ученый «> Basan, M. et al. Избыточный метаболизм в Escherichia coli является результатом эффективного распределения протеома. Природа 528 , 99–104 (2015). ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС Статья Google ученый Пачия, Н. и др. Обширный анализ экзометаболома выявляет расширенный избыточный метаболизм у различных микроорганизмов. Микроб. Клеточный фактор. 11 , 122 (2012). КАС Статья Google ученый Reaves, M.L., Young, B.D., Hosios, A.M., Xu, Y.-F. & Rabinowitz, J.D. Пиримидиновый гомеостаз достигается за счет направленного избыточного метаболизма. Природа 500 , 237–241 (2013). ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС Статья Google ученый Ян Л., Эбрахим А., Ллойд С.Дж., Сондерс М.А. и Палссон Б.О. DynamicME: динамическое моделирование и уточнение интегрированных моделей метаболизма и экспрессии белков. BMC Сист. Биол . 13 , 2 (2019). Коэн, С.А. и Де Антонис, К.М. Применение дериватизации аминокислот с помощью 6-аминохинолил-N-гидроксисукцинимидилкарбамата. Анал. фуражное зерно, Интравен. Раствор. гликопротеины. Ж. Хроматогр. А 661 , 25–34 (1994). КАС Google ученый Фридман, Дж. Х. Многомерные адаптивные регрессионные сплайны. Энн. Стат. 19 , 1–67 (1991). MathSciNet Статья Google ученый Гомес Дж. А., Хёффнер К. и Бартон П. И. DFBAlab: быстрый и надежный код MATLAB для динамического анализа баланса потоков. БМС Биоинформа. 15 , 409 (2014). Артикул Google ученый Harcombe, W. R. et al. Распределение метаболических ресурсов у отдельных микробов определяет экосистемные взаимодействия и пространственную динамику. Cell Rep. 7 , 1104–1115 (2014). КАС Статья Google ученый Gerosa, L. et al. Анализ псевдопереходов идентифицирует ключевые регуляторы динамической метаболической адаптации по данным стационарного состояния. Сист. 1 , 270–282 (2015). КАС Статья Google ученый Yamaguchi, M., Tokushige, M., Takeo, K. & Katsuki, H. Исследования регуляторных функций яблочных ферментов III. Регуляторные эффекты L-аспартата, кофермента А и ионов двухвалентного металла на NAD-связанный яблочный фермент из Escherichia coli . J. Biochem. (Токио) 76 , 1259–1268 (1974). КАС Статья Google ученый Болонья, Ф. П., Андрео, К. С. и Дринкович, М. Ф. Яблочные ферменты Escherichia coli : две изоформы со значительными различиями в кинетических свойствах, регуляции метаболизма и структуре. J. Бактериол. 189 , 5937–5946 (2007). КАС Статья Google ученый Лу, П. и др. L-глютамин обеспечивает кислотоустойчивость Escherichia coli за счет ферментативного высвобождения аммиака. Сотовый Res. 23 , 635–644 (2013). ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС Статья Google ученый Каднер, Р. Дж. Регуляция транспортной активности метионина в Escherichia coli . J. Бактериол. 122 , 110–119 (1975). КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый Де Феличе, М. и др. Ингибирование роста Escherichia coli K-12 по L-валину: следствие регуляторной модели. Мол. Генерал Жене. MGG 156 , 1–7 (1977). Артикул Google ученый «> Кремлинг А., Гейзельманн Дж., Роперс Д. и де Йонг Х. Понимание репрессии углеродного катаболита в Escherichia coli с использованием количественных моделей. Тенденции микробиол. 23 , 99–109 (2015). КАС Статья Google ученый Akashi, H. & Gojobori, T. Метаболическая эффективность и состав аминокислот в протеомах Escherichia coli и Bacillus subtilis. Проц. Натл акад. науч. 99 , 3695–3700 (2002). ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС Статья Google ученый Ми, М. Т., Коллинз, Дж. Дж., Черч, Г. М. и Ван, Х. Х. Синтрофический обмен в синтетических микробных сообществах. Проц. Натл акад. науч. 111 , E2149–E2156 (2014). ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС Статья Google ученый Li, G.-W., Burkhardt, D. , Gross, C. & Weissman, J.S. Количественная оценка абсолютной скорости синтеза белка раскрывает принципы, лежащие в основе распределения клеточных ресурсов. Cell 157 , 624–635 (2014). КАС Статья Google ученый You, C. et al. Координация бактериального протеома с метаболизмом посредством передачи сигналов циклического АМФ. Природа 500 , 301–306 (2013). ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС Статья Google ученый Инада, Т., Кимата, К. и Айба, Х. Механизм, ответственный за диаоксию глюкозы и лактозы в Escherichia coli : вызов модели цАМФ. Genes Cells 1 , 293–301 (1996). КАС Статья Google ученый Брен, А. и др. Глюкоза становится одним из худших источников углерода для E. coli при бедных источниках азота из-за субоптимального уровня цАМФ. науч. Респ. 6 , 24834 (2016). ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС Статья Google ученый Tuite, N.L., Fraser, K.R. & O’Byrne, C.P. Токсичность гомоцистеина у Escherichia coli вызвана нарушением биосинтеза аминокислот с разветвленной цепью. Дж. Бактериол. 187 , 4362–4371 (2005). КАС Статья Google ученый Данчин А., Дондон Л. и Даниэль Дж. Метаболические изменения, опосредованные 2-кетобутиратом в Escherichia coli K12. Мол. Генерал Жене. MGG 193 , 473–478 (1984). КАС Статья Google ученый Hogema, B.M. et al. Выключение индуктора в Escherichia coli не-PTS субстратами: роль отношения PEP к пирувату в определении состояния фосфорилирования фермента IIAGlc. мол. микробиол. 30 , 487–498 (1998). КАС Статья Google ученый Циммерманн, М., Зауэр, У. и Замбони, Н. Количественное определение и массовый изотопомерный анализ α-кетокислот в центральном углеродном метаболизме. Анал. хим. 86 , 3232–3237 (2014). КАС Статья Google ученый Zampieri, M. et al. Высокопроизводительный метаболомный анализ предсказывает механизм действия неохарактеризованных противомикробных соединений. науч. Перевод Мед. 10 , eaal3973 (2018). Артикул Google ученый Исии, Н. и др. Многочисленные высокопроизводительные анализы отслеживают реакцию E. coli на возмущения. Наука 316 , 593–597 (2007). ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС Статья Google ученый «> Вемури, Г. Н., Альтман, Э., Сангурдекар, Д. П., Ходурский, А. Б. и Эйтман, М. А. Метаболизм переполнения в Escherichia coli во время стационарного роста: регуляция транскрипции и влияние окислительно-восстановительного отношения. заявл. Окружающая среда. микробиол. 72 , 3653–3661 (2006). КАС Статья Google ученый Кампос-Бермудес, В. А., Болонья, Ф. П., Андрео, К. С. и Дринкович, М. Ф. Функциональное рассечение структурных доменов фосфотрансацетилазы Escherichia coli и анализ ключевых соединений, участвующих в регуляции активности. фев. J. 277 , 1957–1966 (2010). КАС Статья Google ученый Кентнер, Д. и др. Shigella перенаправляет центральный метаболизм клетки-хозяина, чтобы получить быстрое снабжение питательными веществами для энергичного внутриклеточного роста. Проц. Натл акад. науч. 111 , 9929–9934 (2014). ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС Статья Google ученый Вендитти, В., Гирландо, Р. и Клор, Г. М. Структурная основа ингибирования фермента I α-кетоглутаратом. ACS Хим. биол. 8 , 1232–1240 (2013). КАС Статья Google ученый Piazza, I. et al. Карта взаимодействий белков и метаболитов раскрывает принципы химической связи. Cell 172 , 358–372.e23 (2018). КАС Статья Google ученый Wang, Y.P. et al. CRP взаимодействует со связанной с промотором сигма54 РНК-полимеразой и блокирует транскрипционную активацию промотора dctA. EMBO J. 17 , 786–796 (1998). КАС Статья Google ученый «> Zampar, G.G. et al. Временная системная организация переключения от гликолитической к глюконеогенной работе у дрожжей. Мол. Сист. биол. 9 , 651 (2013). Артикул Google ученый Yang, Y. T., Bennett, G. N. & San, K. Y. Влияние уровня корма и внутриклеточного пирувата на перераспределение метаболических потоков у Кишечная палочка . Метаб. англ. 3 , 115–123 (2001). КАС Статья Google ученый Фюрер, Т., Зампиери, М., Севин, Д.К., Зауэр, У. и Замбони, Н. Полногеномный ландшафт ассоциаций генов и метаболомов в Escherichia coli . Мол. Сист. биол. 13 , 907 (2017). Артикул Google ученый Бюшер, Дж. М., Моко, С., Зауэр, У. и Замбони, Н. Метод сверхвысокоэффективной жидкостной хроматографии и тандемной масс-спектрометрии для быстрого и надежного количественного определения анионных и ароматических метаболитов. Анал. хим. 82 , 4403–4412 (2010). КАС Статья Google ученый Маркли, Дж. Л. и др. Будущее метаболомики на основе ЯМР. Курс. мнение Биотехнолог. 43 , 34–40 (2017). КАС Статья Google ученый Volkmer, B. & Heinemann, M. Зависящий от состояния объем клеток и концентрация Escherichia coli для облегчения преобразования данных для моделирования системной биологии. PLoS ONE 6 , e23126 (2011). ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС Статья Google ученый Cinquemani, E., Laroute, V., Cocaign-Bousquet, M., de Jong, H. & Ropers, D. Оценка изменяющихся во времени темпов роста, поглощения и экскреции на основе данных динамической метаболомики. Биоинформа. Оксф. англ. 33 , i301–i310 (2017 г. ). КАС Статья Google ученый Ву, Л. и др. Количественный анализ микробного метаболома с помощью масс-спектрометрии с изотопным разбавлением с использованием однородно меченных 13C клеточных экстрактов в качестве внутренних стандартов. Анал. Биохим. 336 , 164–171 (2005). КАС Статья Google ученый Lewis, N. E. et al. Омические данные из эволюционировавшей E. coli согласуются с рассчитанным оптимальным ростом из моделей в масштабе генома. Мол. Сист. биол. 6 , 390 (2010). Харкомб, В. Р., Делани, Н. Ф., Лейби, Н., Клитгорд, Н. и Маркс, С. Дж. Способность анализа баланса потоков прогнозировать эволюцию масштабов центрального метаболизма с начальным расстоянием до оптимума. PLoS вычисл. биол. 9 , е1003091 (2013). ОБЪЯВЛЕНИЕ MathSciNet КАС Статья Google ученый Стюарт, Б. Дж., Навид, А., Туртелтауб, К. В. и Бенч, Г. Измерение динамического метаболического потока дрожжей в среде, богатой питательными веществами, с помощью ВЭЖХ и ускорительной масс-спектрометрии. Анал. хим. 82 , 9812–9817 (2010). КАС Статья Google ученый Махадеван, Р. и Шиллинг, К. Х. Эффекты альтернативных оптимальных решений в метаболических моделях в масштабе генома, основанных на ограничениях. Метаб. англ. 5 , 264–276 (2003). КАС Статья Google ученый Героза Л., Кохановски К., Хайнеманн М. и Зауэр У. Анализ специфической и глобальной транскрипционной регуляции экспрессии бактериальных генов. Мол. Сист. биол. Leave a Reply Cancel Reply Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены * You may use these HTML tags and attributes: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong> Имя * Email * Сайт