Metaboliske pathways

Biosynteseveje

Celler udfører konstant tusindvis af kemiske reaktioner der både nedbryder og opbygger molekyler, der er nødvendige for at cellen kan leve. Metabolisme henviser til stofomsætningen af alle de kemiske reaktioner, der finder sted i alle celler. Både encellede og multicellulære organismer bliver nødt til at kontrollere deres metabolisme for at overleve. Det betyder at når der skal opbygges og nedbrydes molekyler, sker det ikke i ét trin, men i mange små trin. De adskillige trin det tager et molekyle (kaldet substrat) at gå igennem en række af enzym-katalyserede reaktioner, hvorved det omdannes til et produkt, kaldes en metabolisk pathway. Der findes to hovedtyper af disse: kataboliske og anabolske pathways. En Katabolisk pathway nedbryder et substrat og derved frigiver energi, f.eks. ved cellulær respiration. En anabolsk pathway opbygger et molekyle og det kræver energi f.eks. fotosyntese. Der findes tusindvis af metaboliske pathways og de kan involvere et eller flere hundrede trin, som kan være reversible eller irreversible.

Disse pathways eksisterer ikke i isolation, men interagerer i stort omfang med hinanden, hvor hver reaktion i hver pathway er katalyseret af et bestemt enzym. Det er tilstedeværelsen og aktiviteten af enzymerne der afgør hvordan substratet løber gennem pathwayen. Enzymaktiviteten er kontrolleret af genregulerings- og signal transduktion pathways. Som tidligere nævnt behandler disse pathways signaler, hvilket ændrer aktiviteten for transskriptionen af generne, som påvirker produktionen af de proteiner som enzymerne består af. De pathways afgør hvornår generne er aktive eller inaktive. Hvis et enzym i en metabolisk pathway er til stede betyder det ikke, at det er aktivt. Hvis det er inaktivt, er trinet og alle efterfølgende lukket ned, medmindre de får substratet en anden vej fra. Substratet kan nemlig stimuleres til at tage en anden metabolisk pathway, der stadig ender med det samme slutprodukt, men det vil tage længere tid at producere (se figur 7). Denne måde at aktivere/inaktivere generne muliggør forskellige pathways og det udnytter cellen. Det gør den ved at kontrollere hvilken pathway, der er aktiv på et bestemt tidspunkt, ved også at aktivere eller inaktivere de eksisterende enzymer. Tilsammen udgør alle metaboliske pathways et komplekst netværk, der gør at alle vores celler kan kommunikere med hinanden, producere de nødvendige produkter, eller metabolitter og derved opretholde livet. Disse pathways kan i praksis visualiseres og analyseres ved brug af platformen KEGG.

 

regnskov_metabolisme_regulering

Figur 7. Eksempel på en metabolisk pathway. Et substrat omdannes ved hjælp af enzym A B og C til et produkt. Som mellemprodukter dannes metabolitterne 1 og 2. Ved modtagelse af et signal, kan enzym A ændre funktion, og i stedet danne stof 5, der hæmmer aktiviteten af enzym B. På denne måde hæmmes reaktionsvejen. Det tilbageblevne stof 1 kan omdannes ved at tage en anden reaktionsvej ved hjælp af enzymerne D E og F. 

 

KEGG

KEGG er en database over centrale biologiske pathways og indeholder al nødvendig information (funktion, kemisk struktur, type, m.m.) for ethvert element i de pathways. Databasen kan tilgås igennem linket https://www.genome.jp/kegg/kegg2.html. I det følgende eksempel vil en gennemgang af undersiden https://www.genome.jp/kegg-bin/show_pathway?map00910 bruges.

KEGG oversigter (maps) er beskrevet ud fra forskellige elementer:

  • Enzymer eller andre genprodukter er markeret med en firkant. Hvis de er markeret med grønt, betyder det de er tilstede i pathwayen for den undersøgte organisme.
  • Pathway maps er markeret med en oval ring.
  • Kemiske forbindelse (stoffer), DNA eller andre molekyler er markeret med små cirkler.
  • Hvis der sker en aktivering, er dette markeret med en fuldoptrukken pil
  • Hvis der sker en indirekte effekt eller en tilstandsændring er dette markeret med en striplet pil
  • Hvis pilen fører til en cirkel og så videre til en firkant betyder det at et gen udtrykkes.

 

Da KEGG’s pathway maps kan virke uoverskuelige ved første blik, forklares de nemmest ud fra et eksempel, se figur 8. I et KEGG pathway map vises de forskellige metabolitter som cirkler, og metabolitterne forbindes til hinanden med pile. Over/under pilene står navne eller EC numre (Enzyme Commission number) for de enzymer, der omdanner metabolitterne, i kasser. Et EC nummer tildeles et enzym, afhængigt af hvilken type reaktion det katalyserer. Enzymer fra forskellige organismer kan altså have det samme EC nummer, såfremt de katalyserer den samme reaktion.

Nedenstående KEGG pathway viser nitrogenmetabolismen for rhizobia bakterier (de bakterier der danner rodknolde hos planter fra ærteblomstfamilien og hjælper dem med at optage nitrogen). Dette vises ved, at de proteiner rhizobia bakterier besidder er markeret med grønt.

Trykker man på et enzym finder man yderligere information om enzymet. Trykker man for eksempel på NrtABCD, vil man få information om enzymets funktion, hvilke gener der koder for enzymet, samt hvilke pathways enzymet er involveret i. Funktionen af NrtABCD fremstår også af pathway map’et: enzymet tager extracellulært Nitrat, og transporterer det ind i cellen. Følger man kæden af reaktioner, som rhizobacteren kan udføre (de enzymer den har, er som nævnt markeret med grønt), kan det ses at Nitrat (NO3–) omdannes af 1.7.99 til Nitrit (NO2–), som så enten kan danne Nitric Oxide (NO) eller ammoniak (ammonia på engelsk, NH3). Det ses endvidere at bakterien kan omdanne Nitrogen (N2) til ammoniak. Planter er i stand til at optage ammoniak, men ikke nitrogen, så rhizobacterne kan på denne måde “fodre” planterne med brugbart nitrogen. Til gengæld giver planterne brugbare kulstofkilder tilbage til bakterierne, og arterne indgår på denne måde i en symbiose.

Tekst omringet af en oval ring f.eks. Methane metabolisme er andre pathway maps som er forbundet til pathwayen for nitrogenmetabolismen. Altså bliver stoffet Formate (markeret med en lille cirkel) f.eks. ført videre og brugt i andre pathways, i dette tilfælde Methane metabolismen og Glyoxylate metabolismen.

Figur 8. Den metaboliske pathway brugt til at fixere nitrogen fra atmosfæren, samt til omdannelse af nitrat til ammoniak. Se brødtekst for detaljer.
Denne pathway figur er taget fra KEGG’s hjemmeside: https://www.genome.jp/kegg/