Метаболизм
Метаболи́зм (от греч. μεταβολή – поворот, перемена, переход, превращение), в узком смысле это промежуточный обмен – вся совокупность протекающих в клетках реакций, в ходе которых происходит как расщепление соединений, так и их синтез и взаимопревращение (без учёта превращения энергии); в широком смысле то же, что обмен веществ.
Внутриклеточные реакции составляют метаболические пути – ряд последовательно протекающих химических превращений, следующих друг за другом в определённом порядке. На каждой стадии метаболического пути исходная молекула претерпевает небольшие изменения: удаление, перемещение или добавление атома либо группы атомов. Исходные, конечные и все промежуточные продукты этих реакций называются метаболитами, а наука, изучающая их, – метаболомика. Исследование отдельных стадий метаболизма у разных организмов (от микроорганизмов до человека) показало принципиальное сходство путей биохимических превращений в живой природе, но для каждого вида характерен особый, генетически закреплённый тип метаболизма, определяемый условиями его существования.
Основные функции метаболизма:
извлечение энергии из окружающей среды (световая энергия солнца или энергия химических связей органических и неорганических соединений) и преобразование её в энергию высокоэргических соединений;
превращение полученных извне молекул в соединения, характерные для данной клетки, в том числе предшественники макромолекул;
сборка биополимеров (белков, нуклеиновых кислот и углеводов) из низкомолекулярных предшественников;
синтез и разрушение специальных биомолекул, образование и распад которых связаны с выполнением различных специфических функций данной клетки (липиды мембран, внутриклеточные мессенджеры, пигменты и др.).
Метаболические процессы
Реакции метаболизма делятся на анаболические – накопление запасов энергии в организме и катаболические – расщепление сложных веществ на простые.
Катаболизм объединяет процессы деградации, в ходе которых сложные органические молекулы пищи (белки, жиры и углеводы) превращаются в более простые вещества (например, углекислый газ, лактат, мочевина). Катаболические реакции сопровождаются высвобождением энергии, которая запасается в виде аденозинтрифосфата (АТФ) и восстановленных форм переносчиков водорода (NADH, NAHPH, FADH2). Остаток энергии рассеивается в виде тепла. Катаболические превращения протекают как в отсутствие кислорода (анаэробный путь – гликолиз, брожение), так и при его участии (аэробный путь – дыхание). Разнообразные органические соединения в ходе катаболических процессов превращаются в ограниченное число небольших молекул, в том числе СО2, Н2О, аммиак, мочевину.
Анаболизм – биосинтез более крупных и сложных молекул (белки, жиры, полисахариды и нуклеиновые кислоты) из более мелких и простых. Большинство анаболических реакций протекают с потреблением энергии, обычно получаемой при расщеплении АТФ и окислении NADH, NADPH и FADH2.
Зелёные растения (фототрофы) осуществляют первичный синтез органических соединений из СО2 с использованием энергии солнечного света (фотосинтез). Гетеротрофы синтезируют органические соединения только за счёт энергии и продуктов, образующихся в результате катаболических превращений. Реакции синтеза не являются простым обращением реакций распада и в ряде случаев протекают с участием специфических ферментов.
Метаболические реакции приурочены к определённым участкам клетки. Например, процессы биосинтеза белка осуществляются в рибосомах, а образование липидов происходит в эндоплазматической сети; ферменты, участвующие в окислении жирных кислот, локализованы в митохондриях, а ответственные за их синтез – в цитоплазме.
В процессе эволюции организмы выработали тонкие регуляторные системы, обеспечивающие высокую степень упорядоченности и согласованности реакций и позволяющие приспособиться к изменениям условий окружающей среды. Регуляция метаболизма на клеточном уровне у всех организмов осуществляется через изменение активности ферментов, проницаемость биологических мембран, функциональное состояние органелл и др. У высокоорганизованных организмов метаболизм регулируется с помощью гормонов и координируется центральной нервной системой.
Методы изучения метаболизма
Методы изучения метаболизма можно разделить на четыре группы.
1. Изучение отдельных метаболических путей с помощью введения в организм молекул, содержащих меченые атомы (нестандартные стабильные или радиоактивные изотопы обычных атомов). Например, в качестве метки могут использоваться стабильные изотопы 13C, 15N, 18O или дейтерий, а также радиоактивные – тритий, 14C, 13N или 11O. Наличие в молекулах стабильных изотопов детектируют с использованием масс-спектрометрии или спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР), а включение радиоактивных атомов определяют с помощью сцинтилляционного счётчика. В результате такого анализа можно установить, в какие молекулы (и в какие положения в этих молекулах) попали введённые изотопные метки, таким образом, проследить весь метаболический путь от ввода молекулы в организм до формы, в которой он выводится. Метаболизм можно исследовать в реальном времени – по наблюдению за превращениями метаболитов в питательной среде, содержащей живые клетки.
2. Метаболомный метод заключается в определении метаболомного профиля – концентрации всей совокупности низкомолекулярных веществ в клетке, ткани, органе или целом организме. На основании сравнения метаболомных профилей выявляют влияние различных условий на исследуемый объект.
3. Изучение ферментов, управляющих метаболизмом. Ферменты выделяют в чистом виде, а затем проводят кинетические исследования и определяют влияние на них различных ингибиторов.
4. Математическое моделирование метаболизма – компьютерный анализ и моделирование потоков метаболитов, образующихся в ходе работы ферментативной сети. В основе моделирования лежат известные данные о метаболических путях и ферментах метаболизма. Например, создана модель метаболизма человека, призванная служить ориентиром для будущих фармакологических и биохимических исследований.
Скорость (уровень) метаболизма
Скорость (уровень) метаболизма описывает быстроту окисления организмом органических питательных веществ, сопровождающегося образованием энергии (в виде АТФ).
Основная единица измерения скорости метаболизма – показатель базового метаболизма (ПБМ; basal metabolic rate, BMR) – количество энергии, необходимой организму для обеспечения собственных процессов в состоянии покоя в течение дня (для переваривания пищи, доставки кислорода и питательных веществ, кровоснабжения и дыхания). В эту категорию попадают все процессы, происходящие с потреблением энергии, за исключением физической активности.
Скорость метаболизма в значительной степени наследуется. Она изменяется в ходе развития организма, а также в ответ на ряд внешних и внутренних факторов (диета, температура окружающей среды, масса тела и доля мышечной массы в общей массе тела).
Высказываются предположения, что скорость метаболизма обратно пропорционально определяет продолжительность жизни. Это наблюдение основано на том, что виды животных с более высокой скоростью метаболизма имеют меньшую продолжительность жизни, однако на данный момент это утверждение остаётся спорным.
Существует множество формул для расчёта базового метаболизма. Одна из первых – формула Харриса – Бенедикта (Harris – Benedict standards, 1918–1919):
для мужчин:
66,3730 + (13,7516 × вес в килограммах) + (5,0033 × рост в сантиметрах) – (6,775 × возраст в годах);
для женщин:
655,0955 + (9,5634 × вес в килограммах) + (1,8496 × рост в сантиметрах) – (4,6766 × возраст в годах).
Более современная формула – формула Миффлина – Сан-Жеора (Mifflin – St Jeor equation, 1990):
для мужчин:
(9,99 × вес в килограммах) + (6,25 × рост в сантиметрах) – (4,92 × возраст в годах) + 5;
для женщин:
(9,99 × вес в килограммах) + (6,25 × рост в сантиметрах) – (4,92 × возраст в годах) – 161.
Онлайн-калькулятор метаболизма позволяет рассчитать базовый уровень метаболизма по весу, росту, возрасту и полу человека по трём формулам (включая формулу Харриса – Бенедикта и Миффлина – Сан-Жеора).
Метаболический атлас
Метаболический атлас (англ. Metabolic atlas) – одна из самых больших и постоянно обновляемых баз данных о метаболизме, объединяющая тщательно отобранные данные, получаемые с помощью различных омиксных технологий (метаболомики, протеомики, геномики).
Метаболический атлас содержит три раздела: