Бесполезный цикл , также известный как субстратный цикл , возникает, когда два метаболических пути протекают одновременно в противоположных направлениях и не имеют никакого общего эффекта, кроме рассеивания энергии в виде тепла . [1] [2] Причина, по которой этот цикл был назван «бесполезным» циклом, заключалась в том, что оказалось, что этот цикл не приносит никакой чистой пользы для организма. Таким образом, это считалось особенностью метаболизма и поэтому было названо бесполезным циклом. После дальнейших исследований было видно, что бесполезные циклы очень важны для регулирования концентрации метаболитов. [3] Например, если бы гликолиз и глюконеогенез были активны одновременно, глюкоза была бы преобразована в пируват посредством гликолиза, а затем снова преобразована в глюкозу посредством глюконеогенеза с общим потреблением АТФ . [4] Бесполезные циклы могут играть роль в метаболической регуляции, где бесполезный цикл представляет собой систему, колеблющуюся между двумя состояниями и очень чувствительную к небольшим изменениям в активности любого из задействованных ферментов . [5] Цикл действительно генерирует тепло и может использоваться для поддержания теплового гомеостаза , например, в бурой жировой ткани молодых млекопитающих , или для быстрого генерирования тепла, например, в летающих мышцах насекомых и у животных, находящихся в спячке, во время периодического пробуждения от оцепенения. . Сообщалось, что субстратный цикл метаболизма глюкозы является не бесполезным циклом, а регуляторным процессом. Например, когда внезапно требуется энергия, АТФ заменяется АМФ, гораздо более реактивным аденином.
Одновременное осуществление гликолиза и глюконеогенеза является примером бесполезного цикла, представленного следующим уравнением:
Например, во время гликолиза фруктозо-6-фосфат превращается во фруктозо-1,6-бисфосфат в реакции, катализируемой ферментом фосфофруктокиназой 1 ( PFK-1).
Но во время глюконеогенеза (т.е. синтеза глюкозы из пирувата и других соединений) имеет место обратная реакция, катализируемая фруктозо-1,6-бисфосфатазой (FBPase-1).
Давая общую реакцию:
То есть гидролиз АТФ без выполнения какой-либо полезной метаболической работы . Очевидно, что если бы эти две реакции могли протекать одновременно с высокой скоростью в одной и той же ячейке, большое количество химической энергии было бы рассеяно в виде тепла. Поэтому этот неэкономичный процесс получил название бесполезного цикла. [6]
Существует не так много лекарств, которые могут эффективно лечить или обращать вспять ожирение. Ожирение может увеличить риск заболеваний, в первую очередь связанных с проблемами со здоровьем, таких как диабет, гипертония, сердечно-сосудистые заболевания и даже некоторые виды рака. Исследование, посвященное лечению и профилактике ожирения с использованием трансгенных мышей для экспериментов, сообщает о положительных отзывах, которые предполагают, что миР-378, несомненно, может быть многообещающим агентом для предотвращения и лечения ожирения у людей. Результаты исследования показывают, что активация бесполезного цикла пируват-ПЭП в скелетных мышцах посредством миР-378 является основной причиной повышенного липолиза в жировых тканях трансгенных мышей с миР-378 и помогает организовать перекрестные помехи между мышцами и жиром для контроля энергии. гомеостаз у мышей. [7]
Наше общее понимание бесполезного цикла — это субстратный цикл, возникающий, когда два перекрывающихся метаболических пути идут в противоположных направлениях, и, если его оставить без регулирования, он будет продолжаться бесконтрольно без какого-либо фактического производства до тех пор, пока вся энергия клеток не будет истощена. Однако идея, лежащая в основе исследования, указывает на то, что бесполезный цикл пируват-фосфоенолпируват, активированный миР-378, имеет регуляторное преимущество. [7] Мало того, что миР-378 приводит к снижению жировой массы тела из-за усиленного липолиза, также предполагается, что бесполезные циклы регулируют метаболизм для поддержания энергетического гомеостаза. миР-378 обладает уникальной функцией регуляции метаболической связи между мышечной и жировой тканями для контроля энергетического гомеостаза на уровне всего тела. [7]
Чтобы понять, как наличие бесполезного цикла помогает поддерживать низкие уровни АТФ и выработку тепла у некоторых видов, мы рассмотрим метаболические пути, связанные с реципрокной регуляцией гликолиза и глюконеогенеза .
Плавательный пузырь многих рыб; такие как рыбки данио, например, — это орган, внутренне заполненный газом, который способствует их плавучести . Эти клетки газовых желез расположены там, где находятся капилляры и нервы. Анализ метаболических ферментов показал, что фермент глюконеогенеза фруктозо-1,6-бисфосфатаза (Fbp1) и гликолитический фермент глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа (Gapdh) высоко экспрессируются в клетках газовых желез. [8] Исследование показало, что характеристики плавательного пузыря рыбок данио не должны содержать экспрессирующего гена фруктозо-1,6-бисфосфатазы. Известно, что ткань плавательного пузыря обладает очень высокой гликогенной активностью и лишена глюконеогенеза, однако обнаружено, что в ней экспрессируется преобладающее количество Fbp. Это открытие предполагает, что в клетках газовых желез Fbp образует АТФ-зависимый метаболический бесполезный цикл. Выделение тепла критически важно для клеток газовых желез для синтеза молочной кислоты , поскольку этот процесс сильно ингибируется при накоплении АТФ.
Другой пример предполагает, что выделение тепла в плавательном пузыре фугу будет переноситься из места образования, однако оно все равно может постоянно возвращаться обратно через сетчатую сеть , чтобы поддерживать температуру газовой железы выше, чем в других областях тела.
Общая чистая реакция бесполезного цикла включает потребление АТФ и выделение тепла следующим образом:
Другой пример бесполезного цикла, способствующего выработке тепла, можно найти у шмелей . Бесполезный цикл с участием Fbp и Pfk используется шмелями для выработки тепла в летательных мышцах и значительного разогрева своего тела при низких температурах окружающей среды. [8]
{{cite book}}
: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ) CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )