| 1 2 3 4 5 6 7 8 Глава 6 взаимосвязь обмена углеводов, липидов и белков Процессы, протекающие в организме животных не хаотичны, а взаимосвязаны и регулируются нейрогуморальными механизмами, придающими химическим процессам нужное направление. В организме не существует самостоятельного обмена углеводов, липидов, белков, нуклеиновых кислот. Все превращения объединены в целостный процесс метаболизма (рис.23). Эти взаимопревращения диктуются физиологическими потребностями организма. Взаимосвязь различных метаболических путей и циклов осуществляется на уровне узловых метаболитов, важнейшими из которых являются ацетил-КоА, пируват, глюкозо-6-фосфат, фруктозо-6-фосфат, оксалоацетат, аспартат, α-кетоглутарат. Связь углеводного и липидного обмена происходит на уровне дигидроксиацетонфосфата (ДАФ) и ацетил-КоА. ДАФ, образующийся при гликолизе далее восстанавливается в глицеролфосфат, который в свою очередь вовлекается в синтез триглицеридов. Ацетил-КоА образуется при окислительном декарбоксилирования пирувата и далее в зависимости от нужд организма используется для образования жирных кислот, кетоновых тел, холестерина, желчных кислот, стероидных гормонов. В ходе большинства из этих синтетических процессов используется НАДФН(Н+), основным поставщиком которого является окислительная ветвь пентозофосфатного пути превращения углеводов. ПФП поставляет также рибозо-5-фосфат, используемый для биосинтеза нулеиновых кислот. Таким образом на уровне данного метаболита прослеживается взаимосвязь углеводного и нуклеинового обмена. В тоже время следует, однако, указать, что превращение липидов в углеводы носит ограниченный характер и возможно только через ДАФ, который вовлекается в глюконеогенез при недостатке углеводов в организме животных. Рис. 23. Взаимосвязь различных путей обмена углеводов, липидов и белков в организме животных.
1. Какие соединения называются узловыми метаболитами? Приведите примеры. От чего зависит вовлечение этих метаболитов в тот или иной обменный процесс и как осуществляется эта регуляция? 2. На уровне каких соединений взаимосвязаны между собой углеводный и липидный обмены? Ответ поясните конкретными примерами. 3. Укажите соединения, связывающие между собой углеводный и белковый обмены. 4. Почему превращение липидов и белков в углеводы в организме животных носит ограниченный характер? Ответ аргументированно поясните. 5. Приведите примеры соединений на уровне который связаны белковый и липидный обмены. СЛОВАРЬ ОСНОВНЫХ БИОХИМИЧЕСКИХ ТЕРМИНОВ Биологическое окисление – совокупность реакций окисления субстратов в живых клетках Гликолиз – метаболический процесс распада глюкозы до пирувата Гликогенолиз – распад гликогена Глюконеогенез – синтез глюкозы из веществ неуглеводной природы Гликогенез – синтез гликогена Катаболизм — составная часть общего процесса обмена веществ, в ходе которой осущесвляется распад сложных веществ на более простые Кетогенез – синтез кетоновых тел Липолиз – распад липидов Липогенез – синтез липидов Метаболизм – совокупность процессов биосинтеза и распада веществ, протекающих в тканях организма Метилмалонатный путь – превращение пропионовой кислоты в метилмалонил-КоА Микросомальное окисление— окисление субстратов, протекающее в микросомах печени Окислительное фосфорилирование – окисление восстановленных коферментов НАДН(Н+) и ФАДН2 в дыхательной цепи, сопряженное с синтезом АТФ Свободное окисление – окисление субстратов, несопряженное с образованием АТФ Субстратное фосфорилирование – образование АТФ при переносе фосфатного остатка на АДФ, сопряженное с разрывом макроэргической связи на уровне субстрата Транскрипция – синтез РНК на ДНК-матрице Трансляция – синтез полипептидной цепи белка, аминокислотная последовательность которой определяется последовательностью кодонов иРНК ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Минск: Книжный Дом, 2004. – 416 с.
1998. – 702 с.
школа, 1982. – 511 с.
бург: Уральский рабочий, 1994. – 384 с.
ронеж: Изд-во Воронеж. гос. ун-та, 2002. – 696 с.
Киев: Вища школа, 1980. – 432 с.
М.: Мир, 1985. – Т. 2. — 312 с.
тов / Е.А.Строев. – М.: Высшая школа, 1986. – 479 с.
2003. – 312 с.
Минск: Ураджай, 1988. — 168 с. Учебное издание Котович Игорь Викторович Баран Владимир Петрович Румянцева Наталья Викторовна Основы динамической биохимии медицины, зооинженерного факультета и факультета заочного обучения Усл.п.л. 5,1 Тираж 500 экз. Заказ № 187 210026 г.Витебск, ул.1-ая Доватора 7/11 Отпечатано на ризографе УО ВГАВМ Лицензия ЛП № 02330/0133019 от 30.04.2004 г. 1 2 3 4 5 6 7 8 |
перейти в каталог файловУзловые метаболиты это
1 2 3 4 5 6 7 8 Глава 6
взаимосвязь обмена углеводов, липидов и белков
Процессы, протекающие в организме животных не хаотичны, а взаимосвязаны и регулируются нейрогуморальными механизмами, придающими химическим процессам нужное направление. В организме не существует самостоятельного обмена углеводов, липидов, белков, нуклеиновых кислот. Все превращения объединены в целостный процесс метаболизма (рис.23). Эти взаимопревращения диктуются физиологическими потребностями организма.
Взаимосвязь различных метаболических путей и циклов осуществляется на уровне узловых метаболитов, важнейшими из которых являются ацетил-КоА, пируват, глюкозо-6-фосфат, фруктозо-6-фосфат, оксалоацетат, аспартат, α-кетоглутарат.
Связь углеводного и липидного обмена происходит на уровне дигидроксиацетонфосфата (ДАФ) и ацетил-КоА. ДАФ, образующийся при гликолизе далее восстанавливается в глицеролфосфат, который в свою очередь вовлекается в синтез триглицеридов. Ацетил-КоА образуется при окислительном декарбоксилирования пирувата и далее в зависимости от нужд организма используется для образования жирных кислот, кетоновых тел, холестерина, желчных кислот, стероидных гормонов. В ходе большинства из этих синтетических процессов используется НАДФН(Н+), основным поставщиком которого является окислительная ветвь пентозофосфатного пути превращения углеводов.
ПФП поставляет также рибозо-5-фосфат, используемый для биосинтеза нулеиновых кислот. Таким образом на уровне данного метаболита прослеживается взаимосвязь углеводного и нуклеинового обмена.
В тоже время следует, однако, указать, что превращение липидов в углеводы носит ограниченный характер и возможно только через ДАФ, который вовлекается в глюконеогенез при недостатке углеводов в организме животных.
Рис. 23. Взаимосвязь различных путей обмена углеводов, липидов и белков в организме
животных.
Связь углеводного и белкового обмена осуществляется на уровне таких метаболитов, как пируват и оксалоацетат. Образовавшиеся в процессе обмена углеводов данные соединения в реакциях трансаминирования превращаются соответственно в аминокислоты α-аланин и аспартат, которые далее могут вовлекаться в синтез белка. Возможен и обратный процесс превращения аминокислот в глюкозу. Те, аминокислоты, которые превращаются в глюкозу, получили название глюкогенных. К ним относятся глицин, α-аланин, серин, цистеин, треонин, метионин, валин, аспарагиновая кислота, аспарагин, глутаминовая кислота, глутамин, аргинин, гистидин, пролин. Первоначально их безазотистые остатки превращаюся в один из следующих метаболитов – пируват, кетоглутарат, сукцинил-КоА, фумарат, оксалоацетат. Далее они через пируват и оксалоацетат включаются в глюконеогенез. Но, как и при превращениии липидов в углеводы, эти процессы также носят ограниченный характер.
- КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ПО ТЕМЕ: «ВЗАИМОСВЯЗЬ ОБМЕНА УГЛЕВОДОВ, ЛИПИДОВ И БЕЛКОВ»
1. Какие соединения называются узловыми метаболитами? Приведите примеры. От чего зависит вовлечение этих метаболитов в тот или иной обменный процесс и как осуществляется эта регуляция?
2. На уровне каких соединений взаимосвязаны между собой углеводный и липидный обмены? Ответ поясните конкретными примерами.
3. Укажите соединения, связывающие между собой углеводный и белковый обмены.
4. Почему превращение липидов и белков в углеводы в организме животных носит ограниченный характер? Ответ аргументированно поясните.
5. Приведите примеры соединений на уровне который связаны белковый и липидный обмены.
СЛОВАРЬ ОСНОВНЫХ БИОХИМИЧЕСКИХ ТЕРМИНОВ
Анаболизм – составная часть общего процесса обмена веществ, в ходе которой осущесвляется синтез сложных веществ из более простых
Биологическое окисление – совокупность реакций окисления субстратов в живых клетках
Гликолиз – метаболический процесс распада глюкозы до пирувата
Гликогенолиз – распад гликогена
Глюконеогенез – синтез глюкозы из веществ неуглеводной природы
Гликогенез – синтез гликогена
Катаболизм — составная часть общего процесса обмена веществ, в ходе которой осущесвляется распад сложных веществ на более простые
Кетогенез – синтез кетоновых тел
Липолиз – распад липидов
Липогенез – синтез липидов
Метаболизм – совокупность процессов биосинтеза и распада веществ, протекающих в тканях организма
Метилмалонатный путь – превращение пропионовой кислоты в метилмалонил-КоА
Микросомальное окисление— окисление субстратов, протекающее в микросомах печени
Окислительное фосфорилирование – окисление восстановленных коферментов НАДН(Н+) и ФАДН2 в дыхательной цепи, сопряженное с синтезом АТФ
Свободное окисление – окисление субстратов, несопряженное с образованием АТФ
Субстратное фосфорилирование – образование АТФ при переносе фосфатного остатка на АДФ, сопряженное с разрывом макроэргической связи на уровне субстрата
Транскрипция – синтез РНК на ДНК-матрице
Трансляция – синтез по
Взаимосвязь метаболизма — Студопедия
Аллостерическая регуляция метаболических путей
Аллостерические регуляторы бывают, как правило, двух типов:
1. Конечные продукты цепей последовательных реакций, регулирующие свой синтез по принципу обратной связи.
2. АТФ, АДФ, АМФ, НАД+ и НАДН·+Н+. Эти соединения хотя и не являются конечными продуктами самих метаболических путей, но образуются в результате их протекания и оказывают регуляторное влияние на поточную скорость. АТФ служит активатором ферментов, действующих в направлении синтеза биополимеров и аккумуляции энергии и является ингибитором реакций катаболизма. АДФ, а иногда и АМФ играют обратную роль – они активируют пути катаболизма, обеспечивающие их превращение в АТФ, ингибируют процессы анаболизма, связанные с потреблением АТФ, в котором клетки испытывают недостаток. НАД+ в этом смысле ведет себя подобно АМФ, НАДН+Н+ выступает в том же качестве, что и АТФ.
Как правило, аллостерические ферменты занимают место в начале мультиферментной последовательности реакций и катализируют ту её стадию, которая лимитирует скорость всего процесса в целом. Обычно роль такой стадии играет практически необратимая реакция. В некоторых случаях аллостерический фермент одного метаболического пути специфическим образом реагирует на промежуточные или конечные продукты другого. Благодаря этому достигается необходимая координация различных метаболических путей, направленная на обеспечение конкретных функций или процессов. Например, при мышечном сокращении возрастает скорость утилизации АТФ, необходимой для его энергообеспечения. При этом компенсаторно увеличивается скорость гликолиза с помощью регуляторных механизмов в соответствии с понижением уровня АТФ. В результате активации гликолиза увеличивается скорость наработки ацетил-КоА, являющегося субстратом цикла трикарбоновых кислот. Активация цикла трикарбоновых кислот приводит к наработке повышенных количеств НАДН+Н+, который вовлекается в цепь тканевого дыхания, активность которой при этом также увеличивается. Это приводит к ресинтезу АТФ и пополнению её пула, сниженного в результате мышечного сокращения.
Метаболизм в целом не следует понимать как сумму обменов белков, нуклеиновых кислот, углеводов и липидов. В результате взаимодействия обменов отдельных классов органических соединений возникает единая система метаболических процессов, представляющая собой качественно новое образование. Обмены важнейших структурных мономеров живых систем – аминокислот, моносахаридов (глюкозы), жирных кислот, мононуклеотидов тесно взаимосвязан. Эта взаимосвязь осуществляется через так называемые ключевые метаболиты, которые служат общим звеном на путях распада или синтеза мономеров. Взаимосвязь обменов отдельных классов органических соединений особенно хорошо выражена в процессах их взаимного превращения, хотя и не сводится только к этому. Примером такого взаимопревращения может являться прирост массы тела за счет отложения подкожного жирового слоя при избыточном потреблении углеводной пищи. К ключевым метаболитам, которые служат узловыми моментами взаимосвязи метаболизма относятся пируват, глицерофосфат, ацетил-КоА, некоторые метаболиты цикла трикарбоновых кислот (Рис. 27.1).
Рис. 27.1. Взаимосвязь метаболизма различных классов органических соединений.
Рис. 27.2. Энергетические взаимосвязи между катаболическими и анаболическими путями.
ГЛАВА 28
БИОХИМИЯ ПЕЧЕНИ
Печень занимает центральное место в обмене веществ и выполняет многообразные функции:
1. Гомеостатическая — регулирует содержание в крови веществ, поступающих в организм с пищей, что обеспечивает постоянство внутренней среды организма.
2. Биосинтетическая –осуществляет биосинтез веществ «на экспорт» (белки плазмы крови, глюкоза, липиды, кетоновые тела и др.).
3. Обезвреживающая – в печени происходит обезвреживание токсических продуктов метаболизма (аммиак, продукты гниения белков в кишечнике, билирубина и др.), чужеродных соединений и лекарственных веществ.
4. Пищеварительная — связана с синтезом желчных кислот, образованием и секрецией желчи.
5. Выделительная (экскреторная) –обеспечивает выделение некоторых продуктов метаболизма (холестерол, желчные пигменты) с желчью в кишечник.
Метаболизм как интегрированная система метаболических путей. Уровни взаимосвязи. Система центральных метаболических путей, ее биологическая роль.
В реальных клетках, органах и тканях все процессы интегрированы в единую систему, в которой нарушение работы одного из метаболических путей неизбежно сопровождается в качестве компенсаторной реакции перестройкой работы всей системы.
Можно выделить несколько уровней взаимосвязей обменных процессов: информационный, структурный, энергетический, уровень восстановительных эквивалентов или же уровень потока метаболитов
.Информационный уровень взаимосвязи
Говоря об информационном уровне взаимосвязи, имеют в виду, что в геноме клеток заложена информация о структуре, а следовательно, и о функциональной активности различных белков, принимающих участие в структурной и динамической организации живых систем.Принципиальная важность эффективного и правильного функционирования этого уровня взаимосвязи наглядно демонстрируется нарушениями метаболизма при том или ином генетическом дефекте возникает или то или иное наследственное заболевание, или врожденная предрасположенность к той или иной патологии.Структурный уровень взаимосвязи
Нормальное существование живых объектов, возможно лишь при определенном уровне их структурной организации. Интегрирующие функции присущи различным элементам клеточной структуры. Например мембраны выполняют разделительную функцию. Однако, всегда следует иметь ввиду, что мембранному аппарату клеток принадлежит важная роль в интеграции метаболизма, поскольку именно мембраны за счет контролируемой клеткой их избирательной проницаемости направляют поток веществ из одного компартмента в другой, связывая тем самым метаболические процессы, протекающие в разных отделах клетки. Более того, за счет изменения проницаемости мембран одно и тоже соединение может использоваться по разным направлениям, в зависимости от того, в каком компартменте клетки оно окажется
Энергетический уровень взаимосвязи и уровень восстановительных эквивалентов
Важная роль в интеграции клеточного метаболизма принадлежит соединениям с высоким термодинамическим потенциалом переноса атомов или атомных группировок. К ним, во-первых, относятся соединениям называемым макроэргами ( АТФ, ГТФ, креатинфосфат и др.), во-вторых, восстановленные формы коферментов НАД, НАДФ, тиоредоксин, адренодоксин и др.
Функционирование первой группы соединений связано с накоплением и переносом свободной энергии из цепей реакций, где она выделяется, в цепи реакций, где она используется. За счет этого переноса свободной энергии параллельно или последовательно идущие цепи реакции оказываются тесно связанными друг с другом. Соединения второй группы выступают в клетках в качестве переносчиков восстановительных эквивалентов, связывая в единое целое как последовательно, так и параллельно идущие метаболические процессы.
за счет наличия общих метаболитов и может осуществляться переключение потока вещества из одного метаболического пути в другой. Поскольку, с одной стороны, одно и то же соединение может быть узловым метаболитом для нескольких метаболических путей, а с другой стороны, в один и тот же метаболический путь может быть включено несколько узловых соединений, в клетках и в организме в целом создаются условия для формирования единой сети метаболических процессов
Если сопоставить все схемы взаимных превращений соединений различных классов, то становится достаточно очевидным, что в основе этих взаимных превращений лежит довольно узкий круг реакций, обеспечивающий переход углевод в липиды, аминокислот в углеводы и т.д. В этих реакциях преимущественно участвуют соединения, которые мы ранее назвали узловыми метаболитами или узловыми пунктами метаболизма. Набор этих реакций или система взаимных превращений узловых метаболитов известна под названием центральных метаболических путей. В систему центральных метаболических путей входят: превращение фосфотриоз в пируват, переход пирувата в оксалоацетат, окислительное декарбоксилирование пирувата в ацетилКоА, цикл трикарбоновых кислот Кребса, превращение оксалоацетата в фосфоенолпируват, а также три реакции связывания аммиака с образованием аланина, аспартата и глутамата, из которых лишь реакция образования глутамата играет существенную роль в клетках млекопитающих.
Эта группа метаболических путей составляет как бы стержень или остов метаболизма, на который надстраиваются все остальные обменные процессы. Наличие центральных метаболических путей в совокупности с конвергентным принципом организации катаболических процессов обеспечивает легкость перехода организма с одного типа питания на другой, увеличивая тем самым адаптационные возможности организма к изменяющимся условиям существования.
.
61. Ацетил-КоА как один из ключевых метаболитов клетки. Пути его образования и использования.
Ацетил-КоА, образующийся в процессе обмена углеводов, жиров и ряда аминокислот, служит пусковым субстратом как для синтеза жирных кислот, так и для ЦТК. Для окисления ацетил-КоА в этом цикле требуется оксалоацетат, который является вторым ключевым субстратом в ЦТК. Оксалоацетат может синтезироваться из пировиноградной кислоты и углекислого газа благодаря реакции карбоксилирования или образовываться из аспарагиновой кислоты путем трансаминирования. Две молекулы ацетил-коА конденсируясь образовывают ацетоуксусную кислоту, которая является источником бля кетоновых тел.
Эти же реакции конденсирования двух молекул ацетил-коА составляют начальные этапы синтеза холестерина, в свою очередь являющимся предшественником гормонов стероидной природы. Витамина Д3 и желчных кислот.
МЕТАБОЛИТЫ — Большая Медицинская Энциклопедия
МЕТАБОЛИТЫ (греч, metabole перемена, превращение) — вещества, подвергающиеся хим. превращениям в организме в процессе промежуточного обмена веществ (метаболизма) .
За счет действия разного рода регуляторных механизмов динамические концентрации М. в здоровом организме поддерживаются на постоянном уровне, характерном для каждого М. Средние величины этих концентраций (с указанием пределов колебаний) служат одной из характеристик нормы. При патол, состояниях концентрации М. изменяются, причем эти изменения часто бывают специфичными для той или иной болезни. На этом основаны многие биохим, методы лаб. диагностики болезней.
Многие М. поступают в организм извне в составе пищи и являются предшественниками других М., образующихся в организме. Вещества в живой клетке последовательно превращаются сначала в один М., из к-рого образуется другой, и т. д. Такие последовательности превращений называют метаболическими путями. Напр., метаболический путь распада глюкозы до молочной кислоты включает такую последовательность М.: глюкоза —> глюкозо-6-фосфат —> фруктозо-6-фосфат —> фруктозо-1,6-дифосфат —> фосфоглицериновый альдегид 1,3-дифосфоглицериновая к-та —> фосфоенолпировиноградная к-та —> Пировиноградная к-та —> молочная к-та. Каждый метаболит образуется из своего предшественника в результате действия специфического фермента и, в свою очередь, служит субстратом для другого фермента (см. Ферменты). На этом основано избирательное прерывание метаболических цепей с помощью антиметаболитов (см.) — структурных аналогов метаболитов, к-рые используются в качестве лекарственных средств, а также в экспериментальных исследованиях.
В процессе метаболизма образуются М., являющиеся структурно-функциональными компонентами клетки, напр, такие, как коферменты, гормоны и другие регуляторные вещества, белки, нуклеиновые к-ты, структурные полисахариды и т. д. Следует, однако, отметить, что термин «метаболиты» к высокомолекулярным веществам применяют редко. М. могут превращаться в конечные продукты обмена веществ (конечные М.), выводимые из организма. Основными конечными М. для многих животных и человека являются углекислота (CO2), вода, мочевина (у рептилий и птиц вместо мочевины образуется мочевая к-та). Ряд конечных М., в т. ч. М. чужеродных соединений, выводится в форме глюкуронидов, сульфатов, продуктов микросомного окисления.
Клетки разных видов животных имеют как сходство, так и различия по составу М. Напр., аминокислоты, нуклеотиды, многие коферменты и др. являются универсальными для всех форм жизни. Напротив, М., являющиеся предшественниками незаменимых пищевых факторов человека — витаминов, незаменимых аминокислот, незаменимых жирных к-т и т. п., отсутствуют в организме человека, но имеются у многих микроорганизмов, растений и нек-рых животных, способных синтезировать эти вещества,
См. также Обмен веществ и энергии.
А. Я. Николаев.
Взаимосвязь метаболизма. Биологическая химия
Взаимосвязь метаболизма
Метаболизм в целом не следует понимать как сумму обменов белков, нуклеиновых кислот, углеводов и липидов. В результате взаимодействия обменов отдельных классов органических соединений возникает единая система метаболических процессов, представляющая собой качественно новое образование. Обмены важнейших структурных мономеров живых систем – аминокислот, моносахаридов (глюкозы), жирных кислот, мононуклеотидов тесно взаимосвязан. Эта взаимосвязь осуществляется через так называемые ключевые метаболиты, которые служат общим звеном на путях распада или синтеза мономеров. Взаимосвязь обменов отдельных классов органических соединений особенно хорошо выражена в процессах их взаимного превращения, хотя и не сводится только к этому. Примером такого взаимопревращения может являться прирост массы тела за счет отложения подкожного жирового слоя при избыточном потреблении углеводной пищи. К ключевым метаболитам, которые служат узловыми моментами взаимосвязи метаболизма относятся пируват, глицерофосфат, ацетил-КоА, некоторые метаболиты цикла трикарбоновых кислот (Рис. 27.1).
Рис. 27.1. Взаимосвязь метаболизма различных классов органических соединений.
Рис. 27.2. Энергетические взаимосвязи между катаболическими и анаболическими путями.
Данный текст является ознакомительным фрагментом.
Читать книгу целиком
Поделитесь на страничке
Центральные метаболические пути — Студопедия
Если сопоставить приведенные схемы взаимных превращений соединений различных классов, то становится достаточно очевидным, что в основе этих взаимных превращений лежит довольно узкий круг реакций, обеспечивающий переход углеводов в липиды, аминокислот в углеводы и т.д. В этих реакциях преимущественно участвуют соединения, которые мы ранее назвали узловыми метаболитами или узловыми пунктами метаболизма. Набор этих реакций или система взаимных превращений узловых метаболитов известна под названием центральных метаболических путей:
|
В систему центральных метаболических путей входят: превращение фосфотриоз в пируват, переход пирувата в оксалоацетат, окислительное декарбоксилирование пирувата в ацетил-СоА, цикл трикарбоновых кислот Кребса, превращение оксалоацетата в фосфоенолпируват, а также три реакции связывания аммиака с образованием аланина, аспартата и глутамата, из которых лишь реакция образования глутамата играет существенную роль в клетках млекопитающих.
Эта группа метаболических путей составляет как бы стержень или остов метаболизма, на который надстраиваются все остальные обменные процессы. Важность центральных метаболических путей подчеркивает и то обстоятельство, что они с незначительными вариациями едины для большинства живых организмов. Наличие центральных метаболических путей в совокупности с конвергентным принципом организации катаболических процессов обеспечивает легкость перехода организма с одного типа питания на другой, увеличивая тем самым адаптационные возможности организма к изменяющимся условиям существования.
В центральные метаболические пути включены три необратимых по термодинамическим причинам реакции: переход ФЕП в пируват, превращение пирувата в ацетил-СоА и переход 2-оксоглутарата в сукцинил-СоА. Эта необратимость перечисленных реакций поддерживает систему в состоянии, далеком от равновесия, что позволяет живой системе в конечном итоге извлекать энергию из поступающих в нее экзогенных питательных веществ.
Вводная глава: Вторичные метаболиты
1. Введение
Метаболизм можно определить как сумму всех биохимических реакций, проводимых организмом. Метаболиты являются промежуточными продуктами и продуктами метаболизма и обычно ограничиваются небольшими молекулами. Термин «вторичный», введенный А. Косселем в 1891 году, означает, что, хотя первичные метаболиты присутствуют в каждой живой клетке, способной к делению, вторичные метаболиты присутствуют лишь случайно и не имеют первостепенного значения для жизни организма.Хотя вторичные метаболиты происходят из первичного метаболизма, они не составляют основной молекулярный скелет организма. Его отсутствие не приводит к немедленному сокращению жизни организма, что противоречит первичному метаболиту, но выживание организма ухудшается в большей степени. Его наличие и синтез наблюдаются у экологически неблагополучных видов филогенетической группы [1].
Разница между первичным и вторичным метаболитами неоднозначна, поскольку многие из промежуточных продуктов первичного метаболизма перекрываются с промежуточными продуктами вторичных метаболитов [2].Аминокислоты, хотя и считаются продуктом первичного метаболита, безусловно, также являются вторичным метаболитом. Вопреки наблюдению, что стерины являются вторичными метаболитами, которые являются неотъемлемой частью многих структурных структур клетки. Мозаичный характер интермедиата указывает на общий биохимический путь, разделяемый первичным и вторичным метаболизмом [3]. Вторичные метаболиты служат буферной зоной, в которую можно переместить избыток C и N, чтобы сформировать неактивную часть первичного метаболизма.Сохраненные C и N могут вернуться обратно в первичный метаболит путем метаболического распада вторичного метаболита, когда это необходимо. Существует динамизм и тонкий баланс между активностями первичного и вторичного метаболизма (рис. 1), на которые влияют рост, дифференциация тканей и развитие клетки или тела, а также внешнее давление [4].
Рисунок 1.
Схематическая диаграмма, представляющая интеграцию первичного и вторичного метаболизма.
Следовательно, вторичные метаболиты или натуральные продукты могут быть определены как гетерогенная группа естественных продуктов метаболизма, которые не являются необходимыми для вегетативного роста продуцирующих организмов, но считаются соединениями дифференциации, выполняющими адаптивные функции, например, действуя как защитные соединения. или сигнальные молекулы в экологических взаимодействиях, симбиозе, переносе металлов, конкуренции и так далее [5].Множество секреции вторичных метаболитов собираются людьми для улучшения своего здоровья (антибиотики, ингибиторы ферментов, иммуномодуляторы, противоопухолевые средства и стимуляторы роста животных и растений), расширения пирамиды здорового питания (пигменты и нутрицевтики), повышения продуктивности сельского хозяйства (пестициды, инсектициды, факторы экологической конкуренции и симбиоза и феромоны) и, следовательно, оказывают определенное положительное влияние на экономику нашего общества. Они являются источником антибиотиков.
2. Классификация вторичных метаболитов
Известно более 2 140 000 вторичных метаболитов, которые обычно классифицируются в соответствии с их огромным разнообразием по структуре, функциям и биосинтезу. Существует пять основных классов вторичных метаболитов, таких как терпеноиды и стероиды, вещества, производные жирных кислот, и поликетиды, алкалоиды, нерибосомные полипептиды и кофакторы ферментов [6].
2.1. Терпеноиды и стероиды
Это основная группа веществ, биосинтетически полученных из изопентенилдифосфата.В настоящее время идентифицировано более 35 000 известных терпеноидных и стероидных соединений. Терпеноиды имеют различное разнообразие неродственных структур, в то время как стероиды имеют общий тетрациклический углеродный скелет и представляют собой модифицированные терпеноиды, которые биосинтезируются из тритерпенового ланостерина.
2.2. Алкалоиды
Известно более 12 000 соединений алкалоидов, и их основные структуры состоят из основной аминогруппы и биосинтетически получены из аминокислот.
2.3. Вещества и поликетиды на основе жирных кислот
Идентифицировано около 10 000 соединений, которые биосинтезируются из простых предшественников ацила, таких как пропионил-КоА, ацетил-КоА и метилмалонил-КоА.
2.4. Нерибосомные полипептиды
Эти соединения, производные от аминокислот, синтезируются биологическим путем с помощью многофункционального ферментного комплекса без прямой транскрипции РНК.
2,5. Кофакторы ферментов
Кофакторы ферментов — небелковые низкомолекулярные компоненты ферментов [6].
3. Функции вторичных метаболитов
Основными функциями вторичных метаболитов, включая антибиотики, являются:
-
конкурентное оружие против других видов жизни, таких как животные, растения, насекомые и микроорганизмы
-
агенты транспортировки металлов
-
агентов для симбиотических отношений с другими организмами
-
репродуктивных агентов и
-
эффекторов дифференциации
-
агентов связи между организмами
Другие функции включают вмешательство в образование спор (не обязательно) и прорастание [5 ].Преимущественно вторичные метаболиты используются для различных видов биологической активности, таких как противомикробные и противопаразитарные средства, ингибиторы ферментов и противоопухолевые средства, иммунодепрессанты и т. Д. [7].
4. Источники вторичных метаболитов
Основными источниками вторичных метаболитов являются растения (80% вторичного метаболита), бактерии, грибы и многие морские организмы (губки, оболочники, кораллы и улитки) (Таблица 1) [8 ].
4.1. Вторичные метаболиты растений
Вторичные метаболиты растений представляют собой высокоэкономически ценные продукты.Они используются в качестве ценных химикатов, таких как лекарства, ароматизаторы, ароматизаторы, инсектициды, красители и т. Д. Растения богаты широким спектром вторичных метаболитов, таких как дубильные вещества, терпеноиды, алкалоиды и флавоноиды, которые, как было установлено, содержат in vitro антимикробные свойства. Растения обладают практически безграничной способностью синтезировать ароматические вещества, большинство из которых представляют собой фенолы или их кислородзамещенные производные [9]. Около 25000 терпеноидов известны как вторичные соединения и являются производными пятиуглеродного предшественника изопентенилдифосфата (IPP).Всего идентифицировано около 12000 известных алкалоидов, которые содержат один или несколько атомов азота, которые биосинтезируются из аминокислот. 8000 известных фенольных соединений синтезируются либо через путь шикимовой кислоты, либо через путь малонат / ацетат [10].
Многие алкалоиды используются в медицине, обычно в виде солей. Некоторые примеры включают винбластин, обладающий противоопухолевыми свойствами [11]; хинин, обладающий жаропонижающими и противомалярийными свойствами [12]; и резерпин, который можно использовать для лечения высокого кровяного давления.Алкалоиды рассматриваются как резервные материалы для синтеза белка, как защитные вещества, препятствующие нападениям животных или насекомых, как стимуляторы или регуляторы растений или просто как продукты детоксикации. Алкалоиды, которые в настоящее время используются в клинической практике, включают анальгетики морфин и кодеин, противоопухолевый агент винбластин, подавляющий подагру колхицин, миорелаксант тубокурарин, антиаритмический аджмалицин, антибиотик сангвинарин и седативный скополамин.
Исследования in vitro показали, что природные фенолы обладают антимикробным [13], противовирусным [14], противовоспалительным [15] и сосудорасширяющим действием [16].Он защищает растение от неблагоприятных факторов, которые угрожают его выживанию в неблагоприятной окружающей среде, таких как засуха, физический ущерб или инфекции. Устойчивость растений к УФ-излучению обусловлена фенольными соединениями, особенно содержащимися в них фенилпропаноидами [17]. Фенольные соединения действуют как антиоксиданты, защищая клетки от окислительного стресса, улавливая свободные радикалы за счет пожертвования атомов водорода. Действие фенольных соединений как нейропротекторных [18], фунгицидных [19], бактерицидных [20] и их противоатеросклерозное [21], а также противораковое [22] действие хорошо задокументировано.
Терпеноиды являются коммерчески важными ароматизаторами и ароматизаторами [23]. Пренол и α-бисаболол используются в ароматизаторах из-за фруктового запаха и сладкого цветочного аромата соответственно. Моно- и сескви-терпены являются основой натуральных духов, а также пряностей и ароматизаторов в пищевой промышленности. Роль терпеноидов как фармацевтических агентов с антибактериальной и противоопухолевой активностью все еще исследуется. Существуют примеры дитерпенов, которые проявляли in vitro, цитотоксическую, противоопухолевую и антимикробную активность.Терпены жизненно важны для жизни большинства организмов, осуществляющих метаболический контроль и опосредующих межвидовые и внутривидовые взаимодействия, например, производят соединения в ответ на травоядные или стрессовые факторы, а также было показано, что цветы могут выделять терпеноиды для привлечения опыляющих насекомых и даже привлечения полезные клещи, питающиеся травоядными насекомыми. Cheng et al. [24] сообщили, что терпены могут действовать как химические посредники, влияющие на экспрессию генов, участвующих в защитных функциях растений, или на экспрессию генов соседних растений.Другие вторичные метаболиты растительного происхождения и их функции приведены в таблице 2 [25].
| Источник | Все известные соединения | Биоактивные вещества | Антибиотики | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Натуральные продукты | Более миллиона | 200 000–250 000 | 25 000–30 000 | Царство | 600 000–700 000 | 150 000–200 000 | ~ 25 000 |
| Микробы | Более 50 000 | 22 000–23 000 | ~ 17 000 | ||||
| Водоросли, лишайники 3000–109 | ~ 1000 | ||||||
| Высшие растения | 500,000–600,000 | ~ 100,000 | 10,000–12,000 | ||||
| Царство животных | 300,000–400,000 | 50,000–100,000 | 10 ~ 5000109 | 10 ~ 50001096zoa Несколько сотен | 100–200 | ~ 50 | |
| I беспозвоночные | ~ 100,000 | NA | ~ 500 | ||||
| Морские животные | 20,000–25,000 | 7000–8000 | 3000–4000 | ||||
| Насекомые / черви / и т. д. | 8000–10 000 | 800–1000 | 150–200 | ||||
| Позвоночные (млекопитающие, рыбы, земноводные, и т. Д. ) | 200 000–250 000 | 50 000–70 000 | ~ 1000 |
Таблица 1.
Приблизительное количество известных природных метаболитов.
NA — Данных нет.
Источник: Bérdy [8].
| S. No. | Вторичные метаболиты | Биологическая активность | |||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1. | Пиретрины | Инсектицидные | |||||||||||
| 2. | Никотин | Инсектицидные | |||||||||||
| 3. | Ротиноиды | Инсектицидные | |||||||||||
| Инсектицидные | |||||||||||||
| 4. Фитоэкдизоны | Инсектицидный | ||||||||||||
| 6. | Бакарин | Противоопухолевый | |||||||||||
| 7. | Брюцеантин | Противоопухолевый | |||||||||||
| 8. | Gsaline | Противоопухолевое средство | |||||||||||
| 9. | 3-Доксиколхицин | Противоопухолевое средство | |||||||||||
| 10. | Эллиптицин |
5 | Антинеопластическое | Противоопухолевое средство | 9109 | Антинеопластическое | 12. | Fagaronive | Противоопухолевый | ||||
| 13. | Тларрингтовинл | Противоопухолевый | |||||||||||
| 14. | Джандицин N-оксид | Противоопухолевый | |||||||||||
| 15. | Майтансив | Противоопухолевый | |||||||||||
| 16. | Подофиллотоксин | 0 | Таксол | . | Таликарпин | Противоопухолевый | |||||||
| 19. | Трипдиолид | Противоопухолевый | |||||||||||
| 20. | Винбластин | Противоопухолевый | |||||||||||
| 21. | Хинин | Противомалярийный | |||||||||||
| 22. | Дигоксин | Сердечный тонизирующий | Сердечный тоник | ||||||||||
| Морфин | Анальгетик | ||||||||||||
| 25. | Тебаин | Источник кодеина | |||||||||||
| 26. | Суолполанин | Антигипертензия | |||||||||||
| 27. | Алропин | Миорелаксант | |||||||||||
| 28. | Кодеин | Анальгетик | |||||||||||
| 29. | Шиконин | Краситель фармацевтический | |||||||||||
| Лакокраситель | |||||||||||||
| 30. | 31. | Розамариновая кислота | Специи, антиоксиданты, отдушки | ||||||||||
| 32. | Jasmini | Sweetner | |||||||||||
| 33. | Стевиозид | Шафран | |||||||||||
| 34. | Краун | Чили | |||||||||||
| 35. | Капсацин | Ваниль | |||||||||||
| Ваниль | |||||||||||||
| Каучук Гутлаперча | Эфирные масла | ||||||||||||
| 38. | Терпендиды | Спазмолитические | |||||||||||
| 39. | Папаверив | Гипертензивные | |||||||||||
| 40. | Ajmalicive | Stimulant | |||||||||||
| 41. | Caffeine | Antispasmadic | |||||||||||
| 42. | Birberine | NA | |||||||||||
| Название вторичных метаболитов | Источник вторичных метаболитов | Биологическая активность | Литература |
|---|---|---|---|
| Вторичные метаболиты актинобактерий | |||
| Resistomycinii | Ингибитор протеазы ВИЧ-1 | Shiono et al.[39] | |
| Гималомицины А и В | Streptomyces sp. B6921 | Противомикробный | Maskey et al. [40] |
| Бонактин | Streptomyces sp. BD21–2 | Антибактериальный | Schumacher et al. [41] |
| Триоксакарцины | S. ochraceus и S. Bottropensis | Противоопухолевое и противомалярийное средство | Maskey et al. [42] |
| Хиникомицины А и В | Streptomyces sp. | Противоопухолевые и противовирусные | Li et al. [43] |
| Daryamides | Streptomyces sp. CNQ-085 | Цитотоксические поликетиды | Asolkar et al. [44] |
| Резистофлавин | S. chibaensis | Антибактериальный | Gorajana et al. [45] |
| Халкомицин А и терпены | Streptomyces sp. M491 | Антибактериальный | Wu et al.[46] |
| Напирадиомицин (стереоизомеры C-16) | S. antimycoticus | Антибактериальный | Motohashi et al. [47] |
| Оксогексаен и цефалаксин | Streptomyces sp. RM17 ; Streptomyces sp. RM42 | Антибактериальный | Ремья и Виджаякумар [48] |
| Цитреамицин θ A, цитреамицин θ B и цитреагликон A | S. caelestis | Антибактериальный | Liu.[49] |
| Спирамицин | Streptomyces sp. RMS6 | Антибактериальный | Виджаякумар и Малати [50] |
| N-изопентилтридеканамид | Streptomyces labedae ECR 77 | Антибактериальный | Thirumurugan et al. [51] |
| Стауроспорин | Streptomyces champavatii KV2 | Противомикробное средство | Чолараджан и Виджаякумар [52] |
| Вторичные метаболиты Bacillus spp. | |||
| Коагулин | B.coagulans | Бактерицидное, бактериолитическое | Le Marrec et al. [53] |
| Бактуруцин f4 | B. thuringenesis sp. | Fungicidal sub sp., kurstaki BUPM4 | Kamoun et al. [54] |
| Cerein | B. cereus | Бактерицидное, бактериолитическое | Bizani et al. [55] |
| Мегацин | B.megaterium | , | Lisboa et al. [56] |
| Турицин S | B. thuringenesis | , | Chehimi et al. [57] |
| Турицин CD 19 | B. thuringenesis DPC6431 B. anthracis |
, | Rea et al. [58] |
| Галобациллин 5b | B. licheniformis | Гемолитический, цитотоксический | Калиновская и др.[59] |
| Бацилломицин | B. amyloliquefacins FZB42, B. subtilis |
Противогрибковое гемолитическое средство | Ramarathnam et al. [60] |
| Бацилизоцин | B. subtilis | Фунгицидное антибактериальное действие | Tamehiro et al. [61] |
| Бацилизин 1 | B. subtilis 168 , B. pumilus B. amyloliquefaciens GSB272 |
Противогрибковое, антибактериальное средство | Steinborn et al.[62] |
| Вторичные метаболиты Pseudomonas spp. | |||
| Псевдомонин | P. stutzeri KC | Конкурентное ингибирование фитопатогенов | Lewis et al. [63] |
| Цианистый водород | P. pseudoalcaligenes P4 | Противогрибковое | Ayyadurai et al. [64] |
| Вторичные метаболиты грибов | |||
| Ловастатин | Monascus ruber; Aspergillus terreus |
Ингибитор ферментов | Дьюик [65] |
| Лимонен и гвайол | Trichoderma viride | Противомикробное средство | Awad et al.[66] |
| Tuberculariols | Tubercularia sp. TF5 | Противораковое средство | Xu et al. [67] |
| Оксалин | Penicillium raistricki | Анти-клеточная пролиферация | Sumarah et al. [68] |
| Benzomalvin C | Penicillium raistrickii , Penicillium sp. SC67 | Противомалярийное средство | Stierle et al. [69] |
| Рокефортин C | P.рокфорти; P. crustosum | Нейротоксин | Kim et al. [70]; Xu et al. [67] |
| Правастатин | Penicillium citrinum | Антихолестеринемические средства | Gonzalez et al. [71] |
Таблица 3.
Вторичные метаболиты, продуцируемые микроорганизмами.
Фармацевтический продукт, особенно противоинфекционные производные, содержат 62% антибактериальных препаратов, 13% сывороток, иммуноглобулинов и вакцин, 12% противовирусных препаратов против ВИЧ, 7% противогрибковых средств и 6% противовирусных препаратов, не являющихся вирусами ВИЧ.Существует более 160 антибиотиков. Streptomyces hygroscopicus с более чем 200 антибиотиками, Streptomyces griseus с 40 антибиотиками и Bacillus subtilis с более чем 60 соединениями являются основными участниками рынка антибиотиков [7].
4.4.2. Противоопухолевые средства
Натуральный продукт и его производные составляют более 60% противоопухолевых препаратов. В настоящее время используются противоопухолевые молекулы, происходящие от актинобактерий, — это актиномицин D, антрациклины (даунорубицин, доксорубицин, эпирубицин, пирарубицин и валрубицин), блеомицин, митозаны (митомицин C), антраценоны (митозан, стрептогестицин) и энтрациклины (пенто-гестицин) и и эпотилоны [37].
Таксол представляет собой неактинобактериальную молекулу, полученную из растения Taxus brevifolia и эндофитных грибов Taxomyces andreanae и Nodulisporium sylviforme. Он препятствует распаду микротрубочек, важному событию, ведущему к делению клеток, тем самым подавляя быстро делящиеся раковые клетки. Он эффективен против груди и на поздних стадиях саркомы Капоши. Также обнаружено, что он проявляет противогрибковую активность против Pythium , Phytophthora, и Aphanomyces .
4.4.3. Фармакологические и нутрицевтические агенты
Огромным успехом стало открытие грибковых статинов, включая компактин, ловастатин, правастатин и другие, которые действуют как агенты, снижающие уровень холестерина. Ловастатин производится A. terreus. Большое значение в медицине имеют иммунодепрессанты, такие как циклоспорин А, сиролимус (рапамицин), такролимус и микофенолят мофетил. Они используются для трансплантации сердца, печени и почек и были ответственны за создание области трансплантации органов.Циклоспорин А вырабатывается грибком Tolypocladium niveum . Микофенолятмофетил — это полусинтетический продукт самого старого известного антибиотика, микофеноловой кислоты, который также вырабатывается грибком. Сиролимус и такролимус являются продуктами стрептомицетов [7]. Метаболиты пробиотических бактерий рассматриваются как средство для контроля набора веса, предотвращения ожирения, увеличения сытости, продления насыщения, уменьшения потребления пищи, уменьшения отложения жира, улучшения энергетического обмена, лечения и повышения чувствительности к инсулину и лечения ожирения. Firmicutes и Bacteroidetes являются доминирующими полезными бактериями, присутствующими в нормальном желудочно-кишечном тракте человека, и о последних в меньшем количестве сообщалось у пациентов с синдромом раздраженного кишечника с преобладанием запора [38]. Каротиноиды микробного происхождения используются в качестве пищевых красителей, кормов для рыб, нутрицевтиков, косметики и антиоксидантов. Широко используемым пищевым красителем является каротин, полученный из Blakeslea trispora , Dunaliella salina и ликопин из B.trispora и Streptomyces chrestomyceticus, subsp . rubescens. Астаксантин, полученный из Xanthophyllomyces dendrorhous , является одобренным кормом для рыб. Астаксантин, лютеин, β-каротин, зеаксантин и кантаксантин используются в качестве нутрицевтиков из-за их превосходных антиоксидантных свойств. Докозагексаеновая кислота (ДГК), используемая в детских смесях в качестве пищевых добавок, получена из микроводорослей Schizochytrium spp. [7].
4.4.4. Ферменты и ингибиторы ферментов
Ферменты, произведенные из микроорганизмов, ежегодно продаются в размере 2 долларов США.3 миллиарда ферментов, которые находят применение в моющих средствах (34%), пищевых продуктах (27%), сельском хозяйстве и кормах (16%), текстиле (10%) и коже, химикатах и целлюлозно-бумажной промышленности (10%). Ежегодная продажа протеазы субтилизина, используемой в моющих средствах, составляет 200 миллионов долларов. Другие основные ферменты включают глюкозоизомеразу (100 000 тонн) и пенициллин амидазу (60 000 тонн). Стоимость производства нитрилазы (30 000 тонн) и фитазы составляет 135 миллионов долларов. Streptomyces глюкозоизомераза используется для изомеризации D-глюкозы в D-фруктозу для производства 15 миллионов тонн кукурузного сиропа с высоким содержанием фруктозы в год стоимостью 1 миллиард долларов [7].
Наиболее важными ингибиторами ферментов является клавулановая кислота, синтезируемая Streptomyces clavuligerus , ингибитором β-лактамаз. Некоторые из общих мишеней для других ингибиторов — это глюкозидазы, амилазы, липазы, протеазы и ксантиноксидаза. Ингибиторы амилазы предотвращают всасывание диетического крахмала в организм и, следовательно, могут использоваться для похудания [38].
4.4.5. Продукты для сельского хозяйства и здоровья животных
Вторичные метаболиты находят широкое применение в области сельского хозяйства и здоровья животных: касугамицин и полиоксины используются в качестве биопестицидов; Bacillus thuringiensis кристаллов, никкомицин и спинозины используются в качестве биоинсектицидов; биогербициды (биалафос) находят применение в качестве биогербицидов; ивермектин и дорамектин в качестве антигельминтных средств и эндектоцидов против глистов, вшей, клещей и клещей; стимуляторы роста жвачных животных в виде кокцидиостатов; гормоны растений, такие как гиббереллины, в качестве регуляторов роста являются наиболее распространенным применением [7].
4.5. Производство вторичных метаболитов из микроорганизмов
Вторичные метаболиты ответвляются от путей первичного метаболизма. Коммерчески важные вторичные и первичные метаболические пути приведены в таблице 4.
| S. No. | Промежуточные продукты первичного метаболического пути | Вторичные метаболиты, полученные | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1. | Шикимовая кислота | Алкалоиды спорыньи, антибиотики: кандицидин и хлорамфеникол | ||||||
| 2. | Аминокислоты | Антибиотики: пенициллин, цефалоспорины и цефамицины, а также грамицидин, иммунодепрессивный циклоспорин | ||||||
| 3. | Ацетил-КоА и другие промежуточные соединения цикла Креба, антипаразиты антипаразита | , антипаразитарные препараты | , антипаразитарные препараты | , антипарабицин | 4. | Сахара | Антибиотики: стрептомицин и канамицин. |
Таблица 4.
Промежуточные продукты первичного метаболизма и их вторичные производные метаболитов.
4.5.1. Жидкая ферментация
Периодическая или периодическая культура с подпиткой при глубокой ферментации используется для производства вторичных метаболитов. Инокулят создается после тщательной доработки штамма организма-продуцента. Первоначально используют культуру во встряхиваемых колбах, и культуру, которая находится в активной фазе роста, переносят в небольшой ферментер, а затем в более крупный ферментер с производственной средой. Контролируются некоторые параметры, такие как состав среды, pH, температура, скорость перемешивания и аэрации.Индуктор, такой как метионин, добавляется к ферментации цефалоспоринов, фосфат ограничивается при ферментации хлортетрациклина, а глюкоза избегается при ферментации пенициллина или эритромицина.
4.5.2. Твердотельная ферментация
Твердотельная ферментация, определяемая как микробная культура, которая развивается на поверхности и внутри твердого матрикса и в отсутствие свободной воды, имеет важный потенциал для производства вторичных метаболитов. В зависимости от природы используемой твердой фазы можно выделить два типа SSF [7]: (а) твердая культура одной твердой фазы фазы подложка-подложка и (b) твердая культура твердой фазы двух фаз подложки-подложки.Преимущества твердофазной ферментации по сравнению с погруженной ферментацией включают в себя: энергетические потребности процесса относительно низкие, поскольку кислород передается непосредственно микроорганизмам. Вторичные метаболиты часто производятся с гораздо более высокими выходами, часто в более короткие сроки, и часто стерильные условия не требуются [7].
Здесь важно отметить наш собственный опыт получения вторичного метаболита актинобактерий. Актинобактерии из наземных и морских местообитаний были проверены на их антимикробную активность.Биоактивные метаболиты экстрагировали и очищали с помощью тонкослойной и колоночной хроматографии, а структура метаболита была выяснена с помощью УФ-спектрометрии, FT-IR, масс-спектрального анализа и ЯМР. Производные метаболиты стауроспорин, окта-валиномицин, метил-4,8-диметилундеканат и N-изопентилтридеканамид известны своей биологической активностью (рис. 2).
Рисунок 2.
Химическая структура вторичных метаболитов актинобактерий. (а) стауроспорин, (б) окта-валиномицин, (в) метил-4,8-диметилундеканат и (г) N-изопентилтридеканамид из актинобактерий.Источник: Чолараджан и Виджаякумар [52]; Чолараджан [72]; Thirumurugan et al. [73].
5. Заключение
В этом обзоре подчеркивается важность вторичных метаболитов из различных источников, таких как растения, микроорганизмы, включая бактерии, актинобактерии и грибы, а также их классификация, производство и применение в различных областях. Поскольку существует постоянная и критическая потребность в новых фармацевтических средствах для борьбы с раком, сердечными заболеваниями, вредителями, цитотоксическими средствами, комарами, инфекционными заболеваниями и аутоиммунными заболеваниями как животных, так и растений, изменения климата создают условия, благоприятные для повторных вспышек этих явлений.Битва против любого заболевания — это яркая симметрия между достижениями в химиотерапии и естественным отбором инфекционных или инвазивных агентов. Если научное сообщество должно уделять постоянное внимание этим нескончаемым усилиям, необходимо найти новые источники биоактивных вторичных метаболитов с новой активностью. Вторичные метаболиты являются одним из основных средств их роста и защиты, и эти метаболиты легко доступны для обнаружения. Вторичные метаболиты с заметной биологической активностью рассматриваются как альтернатива большинству синтетических лекарств и других коммерчески ценных соединений.
.
Разница между первичными и вторичными метаболитами (со сравнительной таблицей)
Метаболиты, необходимые для роста и поддержания клеточной функции, называются первичными метаболитами , тогда как такие метаболиты, которые не требуются для роста и поддержания клеточных функций и являются конечными продуктами первичного метаболизма, называются вторичные метаболиты .
Продукты микробного метаболизма — это низкомолекулярное соединение , необходимое для процессов метаболизма клеток или организма.Эти продукты классифицируются как первичные и вторичные метаболиты.
Первичные метаболиты состоят из витаминов, аминокислот, нуклеозидов и органических кислот, которые необходимы во время логарифмической фазы роста микробов. Но такие продукты, как алкалоиды, стероиды, антибиотики, гиббереллины, токсины, являются вторичным метаболитом, вырабатываемым во время стационарной фазы роста клеток.
Микроорганизмы обладают огромной способностью синтезировать различные коммерчески используемые продукты.Ниже обсуждаются существенные различия между первичными и вторичными метаболитами, а также их важность в микробиологии.
Содержание: первичные и вторичные метаболиты
- Таблица сравнения
- Определение
- Ключевые отличия
- Заключение
Сравнительная таблица
| Основа для сравнения | Первичные метаболиты | Вторичные метаболиты |
|---|---|---|
| Значение | Продукты метаболизма, которые вырабатываются во время фазы роста организмов для выполнения физиологических функций и поддержки общего развития клетки, называются первичными метаболитами. | Конечные продукты первичного метаболизма, которые синтезируются после завершения фазы роста и играют важную роль в экологической и другой деятельности клетки, известны как вторичные метаболиты. |
| Также известен как | Трофофаза. | Идиофаза. |
| Это происходит в фазе роста | . | Стационарная фаза. |
| Производство | Они производятся в больших количествах, и их легко добыть. | Они производятся в небольших количествах, и их добыча затруднена. |
| Возникновение | То же самое для всех видов, что означает, что они производят одни и те же продукты. | Различается у разных видов. |
| Значение | 1. Эти продукты используются в различных отраслях промышленности. 2. Первичные продукты играют важную роль в росте, воспроизводстве и развитии клеток. |
1. Вторичные метаболиты, такие как антибиотики, гиббереллины, также важны. 2. Они также косвенно поддерживают клетку, поддерживая ее жизнь в течение длительного времени. |
| Примеры | Витамины, углеводы, белки и липиды являются одними из примеров. | Фенолы, стероиды, эфирные масла, алкалоиды, стероиды — несколько примеров. |
Определение первичных метаболитов
Первичные метаболиты — это соединения, вырабатываемые во время фазы роста . Процесс называется первичным метаболизмом или трофофаза.Он начинается, когда в среде присутствуют все необходимые питательные вещества для роста организма. Важность первичного метаболизма заключается в росте, воспроизводстве и развитии клетки. На этом этапе в клетке минимальная концентрация всех молекул (ДНК, РНК и т. Д.)
В период трофофазы начинается экспоненциальный рост микроорганизмов. Существуют различные продукты метаболизма, которые вместе составляют основные метаболиты. Это витамины, нуклеозиды, аминокислоты и др.Основные метаболиты делятся на две категории:
1. Основные основные метаболиты.
2. Первичные конечные продукты метаболизма.
1. Основные основные метаболиты — Это важные соединения, необходимые для поддержания процесса роста клеток, и, следовательно, они вырабатываются в достаточном количестве. Витамины, нуклеозиды, аминокислоты являются примерами незаменимых метаболитов.
2. Первичные конечные продукты метаболизма — Такие соединения, как этанол, ацетон, молочная кислота, бутанол, являются нормальными конечными продуктами процесса ферментации первичного метаболизма.
Хотя эти продукты не важны, иногда они имеют промышленное значение. Например, углекислый газ является конечным продуктом метаболизма Saccharomyces cerevisiae , но он (СО2) важен в хлебопекарной промышленности для разрыхления теста.
Важность первичных метаболитов
Чрезмерное производство первичных метаболитов очень важно и полезно в крупномасштабных промышленных целях. Даже ферменты, обнаруженные в процессе, находят множество применений в пищевом производстве, отделке текстиля и других отраслях промышленности.
Определение вторичных метаболитов
После трофофазы или сразу после окончания экспоненциальной фазы процесс переходит в другую фазу, называемую идиофазой или вторичным метаболизмом . Эти продукты называются вторичными метаболитами (идиолитами), которые образуются в конце процесса. Эта фаза происходит в период ограниченного количества питательных веществ или когда происходит накопление продуктов жизнедеятельности.
Хотя такие соединения, как антибиотики, алкалоиды, стероиды, гиббереллины, токсины и т. Д.не имеют прямого отношения к синтезу клеточных материалов и их росту, а производятся в небольшом количестве. Следовательно, вторичные метаболиты рассматриваются как конечные продукты первичных метаболитов.
Значение вторичных метаболитов
Вторичные метаболиты продуцируются только очень специфическими микроорганизмами, в основном используются антибиотики и другие продукты. Обычно микроорганизмы синтезируют многочисленные группы соединений вторичных метаболитов вместо одного, например, штамм Streptomyces продуцирует 35 антрациклинов за раз вместо одного.Они не требуются для роста, размножения и развития клетки.
Как указано выше, вторичные метаболиты не оказывают непосредственного воздействия на рост и развитие клеток, но они выполняют некоторую неизвестную функцию, которая поддерживает выживание клеток.
Ключевые различия между первичными и вторичными метаболитами
Ниже приведены примечательные моменты, которые отличают первичные метаболиты от вторичных метаболитов:
- Первичные метаболиты считаются продуктами, которые вырабатываются во время фазы роста организмов и в первую очередь участвуют в росте и развитии организма.С другой стороны, вторичных метаболитов считаются конечными продуктами первичных метаболитов, участвующих в стационарной фазе во время роста микроорганизма и играющих роль в экологических функциях.
- Первичный путь метаболизма происходит в фазе роста и также известен как трофофаза , в то время как вторичный путь метаболизма происходит в стационарной фазе и также известен как идиофаза .
- Первичные метаболиты производятся в больших количествах , и их извлечение легко, фактически, продукты одинаковы для всех видов, тогда как вторичные метаболиты производятся в небольших количествах , и их извлечение затруднено, даже их продукты различны для разных видов.
- Продукты, производимые в процессе первичного метаболизма, используются в различных отраслях промышленности для различных целей, а также играют очень важную роль в росте, воспроизводстве и развитии клеток. В то время как вторичные метаболиты, такие как антибиотики, гиббереллины, также важны и косвенно поддерживают клетки, в их выживании на долгое время.
- Примеры первичных метаболитов представляют собой витамины, углеводы, белки и липиды, тогда как примерами вторичных метаболитов являются фенольные соединения, стероиды, эфирные масла, алкалоиды, стероиды — несколько примеров.
Заключение
Микроорганизмы обладают огромной способностью производить множество продуктов в течение своего жизненного цикла. Некоторые из этих продуктов имеют большое значение, а некоторые считаются отходами.
Хотя из приведенного выше описания мы заключаем, что два типа продуктов, продуцируемых во время роста клеток, классифицируются как первичные метаболиты и вторичные метаболиты. Эти продукты классифицируются по их важности для роста клеток.
.
Антиметаболит | биохимия | Britannica
Антиметаболит , вещество, которое конкурирует с, заменяет или ингибирует конкретный метаболит клетки и тем самым препятствует нормальному метаболическому функционированию клетки. Антиметаболит аналогичен по структуре метаболиту или ферментативному субстрату, который обычно распознается ферментом и воздействует на него с образованием вещества, необходимого клетке. Из-за их структурного сходства с этими соединениями антиметаболиты легко включаются в ДНК или РНК (пуриновые и пиримидиновые нуклеотиды) и нарушают клеточную функцию.Хотя антиметаболит может напоминать субстрат в достаточной степени, чтобы быть поглощенным клеткой, он не реагирует таким же образом с ферментом — либо ферментативная реакция ингибируется, либо антиметаболит превращается ферментом в аберрантный компонент.
Многие антиметаболиты используются в терапевтических целях. Сульфаниламиды, например, представляют собой антиметаболиты, которые нарушают метаболизм бактерий, но не человека, и используются для искоренения бактериальных инфекций у людей. Другие примеры включают антагонисты пуринов (азатиоприн, меркаптопурин и тиогуанин) и антагонисты пиримидина (фторурацил и флоксуридин).Цитарабин, который также обладает противовирусными свойствами, препятствует действию дигидрофолатредуктазы, которая необходима для синтеза тетрагидрофолата и, следовательно, для синтеза фолиевой кислоты, необходимой для образования ДНК. Метотрексат, который чаще всего используется при лечении острого лейкоза, рака груди, рака легких и остеогенной саркомы (остеосаркомы), также использовался в низких дозах для лечения ревматоидного артрита.
Поскольку антиметаболиты действуют в первую очередь на клетки, подвергающиеся синтезу новой ДНК для образования новых клеток, из этого следует, что большая часть токсичности, связанной с этими лекарствами, наблюдается в клетках, которые быстро растут и делятся.Известно, что они вызывают серьезные повреждения слизистой оболочки рта и других частей желудочно-кишечного тракта, а также вызывают кожные заболевания и выпадение волос. Может возникнуть анемия вместе с уменьшением количества белых кровяных телец, необходимых для предотвращения инфекций.
.
Metabolit — Wikipedia
Der Metabolit (griechisch μεταβολίτης метаболиты, deutsch ‚der Umgewandelte‘, множественное число: Metaboliten ) ist ein Zwischenwech bioshemeselmine. [1]
Metaboliten sind die Produkte aus fermentkatalysierten Reaktionen, die natürlicherweise in den Zellen vorkommen. Um als Metabolit eingestuft zu werden, muss eine Verbindung folgende Kriterien erfüllen: [1]
- Die Metaboliten sind chemische Verbindungen, die sich innerhalb von Zellen befinden.
- Metaboliten entstehen durch den Einfluss von Enzymen.
- Metaboliten müssen in der Lage sein, in Folgereaktionen einzutreten
- Die Metaboliten haben einerogrenzte Halbwertszeit; sie reichern sich nicht в Зеллен ан.
- Viele Metaboliten sind Regulatoren, die die Einzelschritte des Stoffwechsels steuern.
- Metaboliten müssen nützliche biologische Funktionen in der Zelle erfüllen.
Der Stoffwechsel (auch Metabolismus ) besteht aus vielen einzelnen Serien Ensematischer Umsetzungen, die spezifische Produkte liefern.Diese Zwischenprodukte (jedem Reaktionsschritt kommen mindestens ein Substrat sowie mindestens ein Produkt zu) werden als Metaboliten bezeichnet. Die Gesamtheit der Metaboliten einer Zelle zu einem Definierten Zeitpunkt wird als Metabolom bezeichnet. Durch verschiedene Nebenreaktionen können Metabolitenschäden entstehen.
Beispiele [Bearbeiten | Quelltext Bearbeiten]
Sekundärmetaboliten sind chemische Verbindungen, die von bestimmten Lebewesen (Bakterien, Pilze, Pflanzen) synthetisiert werden.Im Gegensatz zu Primärmetaboliten wie beispielsweise Zucker oder Aminosäuren sind diese Substanzen für den produzierenden Organismus nicht lebensnotwendig.
Beispiele [Bearbeiten | Quelltext Bearbeiten]
- Джереми М. Берг, Джон Л. Тимочко, Луберт Страйер: Biochemie. 6. Auflage, Spektrum Akademischer Verlag, Гейдельберг 2007, ISBN 978-3-8274-1800-5.
- Дональд Воет, Джудит Г. Воет: Биохимия. 4. Auflage. John Wiley & Sons, Нью-Йорк 2011, ISBN 978-1-118-13992-9.
- Брюс Альбертс, Александр Джонсон, Питер Уолтер, Джулиан Льюис, Мартин Рафф, Кейт Робертс: Молекулярная биология клетки. 4. Auflage. Тейлор и Фрэнсис, 2002, ISBN 978-0-8153-3218-3.
- ↑ a b Эдвард Д. Харрис, Биохимические факты, лежащие в основе определения и свойств метаболитов (английский). Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA). Абгеруфен, 2 мая 2016 г.
.