Обмен веществ пластический и энергетический обмен таблица: Пластический и энергетический обмен – процессы и их отличия в таблице

Обмен веществ. Пластический и энергетический обмен — урок. Биология, 8 класс.

Живой организм связан с окружающей средой постоянным обменом веществ и энергии.

Обмен веществ (метаболизм) — это все превращения веществ в организме, начинающиеся с их поступления извне и заканчивающиеся выведением образовавшихся ненужных и вредных продуктов.

В организм из окружающей среды поступает вода и пищевые продукты. Сложные органические соединения из продуктов питания расщепляются в органах пищеварения под действием ферментов до простых веществ, которые поступают в кровь и транспортируются ко всем тканям. В клетках вещества участвуют в химических реакциях, обеспечивающих организм энергией и строительным материалом для построения и обновления тканей и органов. Непереваренные остатки пищи и продукты обмена выводятся из организма с мочой, калом, потом и выдыхаемым воздухом.

 

Рис. \(1\). Этапы обмена веществ

Пластический и энергетический обмен

Обмен веществ — это вся совокупность химических процессов, происходящих в организме для поддержания его существования. Все реакции, протекающие в живом организме, можно разделить на две группы и отнести к пластическому обмену или к энергетическому.

 

Рис. \(2\). Две стороны метаболизма

Пластический обмен (ассимиляция, или анаболизм) — реакции образования сложных органических веществ из простых, протекающие с использованием энергии.

Энергетический обмен (диссимиляция, или катаболизм) — процессы расщепления и окисления сложных органических веществ до простых, идущие с высвобождением энергии, запасённой в веществах пищи.

В организме ассимиляция и диссимиляция уравновешены. 

 

Рис. \(3\). Взаимосвязь ассимиляции и диссимиляции

Обмен веществ (метаболизм) — это набор химических реакций, протекающих в живом организме.

Можно отдельно рассматривать водно-солевой обмен, а также обмены белков, углеводов и жиров.

Источники:

Рис. 1. Этапы обмена веществ. © ЯКласс.

Рис. 2. Две стороны метаболизма. © ЯКласс.

Рис. 3. Взаимосвязь ассимиляции и диссимиляции. © ЯКласс.

Сравнительная характеристика пластического и энергетического обмена

ОТЛИЧИТЕЛЬНЫЕ ПРИЗНАКИ ПЛАСТИЧНЫЙ ОБМЕН (АНАБОЛИЗМ, АССИМИЛЯЦИЯ) ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ОБМЕН (КАТАБОЛИЗМ, ДИССИМИЛЯЦИЯ)
1 Происхождение названия Греч. anabole — подъем, лат. assimіlatio — слияние Греч. katabole-разрушение, лат. dissimilis — непохожий
2 Объединяет процессы Синтеза более сложных соединений из простых Расщепление сложных органических соединений на более простые
3 Преобладает В период роста организма (вызывает накопление веществ и рост организма) В возрасте (обуславливает некоторое уменьшение массы тела организма стареет)
4 Реакции сопровождаются Поглощением энергии Выделением энергии
5 Реакции сопровождаются Расщеплением АТФ Синтезом АТФ
6 Конечные продукты Белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты Вода, углекислый газ, аммиак
7 Конечные продукты Необходимые животным и растениям для нормальной жизнедеятельности, роста и развития У животных выводятся из организма, а у растений является исходным материалом для процессов ассимиляции
8 Формы Биосинтез белков, фотосинтез, хемосинтез Дыхание, брожение
9 Функции Синтез структурных компонентов клетки, ферментов и гормонов, обновление структурных компонентов клеток и тканей, отложение запасных веществ (жир, гликоген) Расщепление питательных веществ пищи, старых структурных компонентов клеток и тканей; образования тепловой энергии, мобилизация запасных веществ (жир, гликоген)

Биология Пластический и энергетический обмен

Организму для построения новых структур и получения энергии постоянно необходимы питательные вещества, вода, кислород и минеральные соли. В процессе жизнедеятельности образуются конечные продукты метаболизма, которые зачастую оказываются токсичными и удаляются из организма. Совокупность всех этих химических реакций называется обменом веществ. Он состоит из двух взаимосвязанных  одновременно протекающих процессов: пластического и энергетического обмена.

В ходе пластического обмена, или ассимиляции в организм поступают вещества, из которых образуются новые структуры, то есть происходит биосинтез. При энергетическом обмене, или диссимиляции происходит распад и окисление органических веществ, получение из них энергии. Энергия частично рассеивается по организму в виде тепла, но основная часть идёт на синтез АТФ. Если клетка нуждается в энергии, АТФ разрушается и высвободившаяся энергия расходуется на протекание процессов жизнедеятельности.

Суточные затраты энергии каждого человека индивидуальны и зависят от характера деятельности, массы, возраста, условий жизни и т.д. Энергия расходуется даже при полном физиологическом покое, а при мышечных нагрузках расход повышается.

Согласно современной теории сбалансированного питания, количество потребляемой пищи должно соответствовать энергетическим затратам организма. Установлено, что при сжигании 1 г углеводов и 1 г белков освобождается 17220 Дж, а 1 г жира — 39060 Дж.

 

Для получения энергии все питательные вещества должны расщепиться до более простых соединений: белки — до аминокислот, углеводы — до глюкозы, жиры — до глицерина и жирных кислот. Эти процессы происходят под действием ферментов и определяют подготовительный этап обмена веществ.

Белки под действием пищеварительных ферментов распадаются до аминокислот, которые всасываются в тонком кишечнике и с током крови разносятся по всему организму. В особых структурах клетки — рибосомах, происходит синтез новых белков, необходимых организму.

При распаде аминокислоты образуют воду, углекислый газ и аммиак, который в печени превращается в мочевину, а затем выводится из организма в составе мочи. Углекислый газ выводится в процессе дыхания.

Углеводы под действием ферментов желудочно-кишечного тракта распадаются до глюкозы, которая, всосавшись через ворсинки тонкого кишечника, с током крови разносится по всему организму. При распаде глюкозы образуются углекислый газ и вода, а также выделяется энергия. Пройдя через печень, глюкоза откладывается там в виде гликогена. Когда в организме наблюдается нехватка глюкозы, гликоген снова превращается в глюкозу, тем самым восполняя её недостаток.

Жиры в кишечнике расщепляются до глицерина и жирных кислот и всасываются в лимфатические капилляры ворсинок тонкой кишки и далее с током лимфы поступают в кровь. В виде мельчайших капелек жиры разносятся по всему организму и откладываются в подкожной жировой клетчатке и прослойке между органами, а часть служит для получения энергии. Так, большая часть энергетических потребностей мышц, печени, почек покрывается за счёт окисления жиров. Продукты распада жиров (углекислый газ и вода) выводятся таким же путём, как продукты расщепления углеводов.

Организму нужны не только белки, жиры и углеводы, но и минеральные соли, микроэлементы, содержащиеся в организме в ничтожно малых количествах (долях миллиграмма). В теле человека содержатся почти все элементы периодической системы, но, к сожалению, роль многих из них до сих пор не изучена. В организме находятся разные макроэлементы. В сутки в организм должно поступать: 4,4 г натрия, 5 г хлора, 2 г калия, 1 г кальция, 1 г фосфора, 0,2 г железа.

Попадая в организм, минеральные вещества не расщепляются в кишечнике, а сразу всасываются и разносятся с кровью к различным органам и тканям.

Важнейшее место в обмене веществ организма занимает вода. Взрослый человек на 65 % состоит из воды, а человеческий зародыш содержит около 90 % воды. Без воды человек в состоянии прожить 5-6 дней, в то время как без еды люди могут обходиться около 50 дней. В результате обмена веществ в сутки расходуется 2 — 2,5 л воды. Часть этого объёма человек восполняет пищей, но около 1,5 л организм должен получать в виде жидкости.

Итак, в нашем организме непрерывно происходят сложные биохимические процессы, сопровождающиеся превращением энергии. Эти процессы и составляют обмен веществ.

обмен веществ и энергии в клетке кратко, процессы (Таблица, схема)

Метаболизм — это обмен веществ и превращение энергии в клетке, сложная цепь превращений веществ в организме начиная с момента их поступления из внешней среды и кончая удалением продуктов распада. В процессе обмена организм получает вещества для построения клеток и энергию для жизненных процессов. Поэтому выделяются два вида обмена: пластический и энергетический.

Пластическим обменом (анаболизм или ассимиляция) — это совокупность реакций, способствующих построению клетки и обновлению ее состава.

Энергетический обмен (катаболизм, диссимиляция) — совокупность реакций, обеспечивающих клетку энергией.

Метаболизм его процессы катаболизм и анаболизм таблица

Признаки

Катаболизм (диссимиляция)

Анаболизм (ассимиляция)

Определение

Катаболизм — это совокупность ферментативных реакций в живом организме, направленных на расщепление сложных органических веществ (белков, липидов, углеводов, нуклеиновых кислот), поступающих с пищей или запасенных в самом организме. Метаболические процессы, которые разрушают простые вещества в сложные молекулы. Конечные продукты распада CO2 и H2O.

Анаболизм — это совокупность химических процессов в живом организме, направленных на образование и обновление структурных частей клеток и тканей. При этом идет синтез сложных молекул (белков, жиров, углеводов) из более простых с накоплением энергии.

Вид обмена

Энергетический обмен

Пластический обмен

Энергии

— Освобождает энергию АТФ

— Потенциальная энергия, превращенная в кинетическую энергию

— Требуется энергия от распада АТФ, окисления неорганических веществ, солнечного света

— Кинетическая энергия, превращенная в потенциальную энергию

АТФ

образуется, накапливается

расходуется

Тип реакции

экзэргонических

эндергонических

Гормоны

Адреналин, глюкагон, цитокины, кортизол

Эстроген, тестостерон, гормон роста, инсулин

Значение

— Обеспечивает энергию для анаболизма

— нагревает тело

— Позволяет сокращать мышцы

— Поддерживает новый рост клеток

— Поддерживает хранение энергии

— Техобслуживание тканей

Кислород

Использует кислород

Не использует кислород

Процессы (примеры)

К катаболическим процессам относятся реакции биологического окисления:

— Дыхание клеток

— Гликолиз

— Брожение

— Пищеварение

— Экскреция

К анаболическим процессам относятся:

— Биосинтез белка

— Хемосинтез

— Фотосинтез растений

— Ассимиляция у животных

Схема обмен веществ и энергии в клетке — метаболизм

 

Схема метаболизма (вариант 2)

 

_______________

Источник информации:  Биология в таблицах и схемах / Спб. — 2004.

Обмен веществ. Пластический и энергетический обмен — две стороны единого процесса обмена веществ. Витамины и их значение для организма — ЧЕЛОВЕК И ЕГО ЗДОРОВЬЕ

Обмен веществ заключается в поступлении в организм из внешней среды различных веществ, усвоении и изменении этих веществ и в выделении образовавшихся продуктов распада. При всех этих процессах наблюдается множество химических, механических, термических и электрических явлений, непрерывно происходит превращение энергии: потенциальная энергия сложных органических соединений при их расщеплении освобождается и превращается в тепловую, механическую, электрическую энергию. Преимущественно в организме освобождается тепловая и механическая энергия. Электрической энергии освобождается очень мало, но эта энергия имеет важнейшее значение для функционирования нервной и мышечной систем. За счет освобождающейся энергии поддерживается определенная постоянная температура тела у теплокровных животных и совершается внешняя работа. Освобождение энергии необходимо также для поддержания структур клеток и для синтеза сложных органических соединений. Обмен веществ и превращение энергии неотделимы друг от друга. Процессы обмена веществ и энергии в живом организме протекают согласно единому закону — закону сохранения материи и энергии. В живом организме материя и энергия не создаются и не исчезают, происходит лишь их изменение, поглощение и выделение.

Обмен веществ в организме состоит из процессов ассимиляции (построения веществ) и диссимиляции (распада веществ). В процессе ассимиляции (или пластического обмена) образуются сложные органические вещества, которые входят в состав различных структур организма. В процессе диссимиляции (или энергетического обмена) происходят распад сложных органических веществ, превращение их в более простые. При этом выделяется энергия, необходимая для нормальной жизнедеятельности организма. Обмен веществ в организме — это единый процесс: обмен одного вещества связан с обменом других веществ. Так, например, белки в процессе обмена веществ могут превращаться в жиры и углеводы, а жиры — в углеводы.

Вода — наиболее распространенное вещество в организме. Взрослый человек состоит из воды приблизительно на 65%, а человеческий эмбрион содержит около 90% воды. В сутки организм человека теряет около 2,0-2,5 л воды. Столько же он получает в сумме с питьем и пищей. Вода и растворенные в ней минеральные соли всасываются по всему желудочно-кишечному тракту, но больше всего через ворсинки тонкого кишечника. Обезвоживание организма приводит к быстрой гибели, и без воды человек может жить до 5-6 дней, тогда как без пищи он может обходиться более месяца. Вода — это та среда, в которой в организме проходят все химические реакции. Она является транспортным средством и переносит растворы веществ (плазма крови, лимфа, межклеточная жидкость). Вода необходима для поддержания постоянной температуры тела. Она удаляется из организма через почки (около 1 л в сутки), кожу (до 0,8 л в сутки), в виде пара через легкие (0,5 л в сутки), с калом.

Набор минеральных солей, необходимых организму человека, очень разнообразен. В сутки мы должны получать с пищей и питьем не менее 5-8 г натрия, столько же хлора, 3-5 г калия, по 1 г кальция и фосфора, около 0,5 г магния. Перечисленные вещества называют макроэлементами, поскольку их количество в организме исчисляется десятками и сотнями граммов. Функции макроэлементов весьма многочисленны. Так, ионы натрия, калия и хлора являются основными ионами межклеточной среды и цитоплазмы, а фосфаты кальция и магния входят в состав костей. Калий, натрий, кальций и хлор необходимы для нормальной работы нервной и мышечной систем, кальций является одним из факторов свертывания крови, фосфор входит в состав нуклеиновых кислот и т.д. Кроме макроэлементов нам необходимы микроэлементы — вещества, суточная потребность в которых исчисляется миллиграммами, но в их отсутствие нормальная жизнедеятельность организма невозможна. К микроэлементам относят железо, медь, йод, цинк, фтор и ряд других элементов (всего около 30). Все они входят в состав ферментов и транспортных белков (например, гемоглобина) либо являются структурными составляющими молекул небелковой природы (например, йод — молекул тироксина, фтор — эмали зубов).

Органические вещества, необходимые организму, делятся на заменимые (клетки могут синтезировать их самостоятельно) и незаменимые (их можно получить только с пищей). Наличие в пище незаменимых органических соединений является обязательным условием нормального течения пластического обмена.

Белки поступают в организм с пищей, в пищеварительном канале под воздействием ферментов расщепляются до аминокислот, которые в тонком кишечнике всасываются в кровь. Затем в клетках из аминокислот синтезируются собственные белки, свойственные данному организму. Однако часть аминокислот подвергается распаду, при этом выделяется энергия (при распаде 1 г белка выделяется 4,1 ккал, или 17,6 кДж энергии). Конечные продукты распада белков — вода, углекислый газ, аммиак, мочевина и некоторые другие. Аммиак (в виде сульфата аммония) и мочевина выводятся из организма через мочевыделительную систему. Если функции почек нарушены, то эти азотистые вещества будут накапливаться в крови и отравлять организм. Белки в организме не откладываются, «белковых депо» в организме нет. У взрослых людей синтез и распад белков уравновешены, а в детском возрасте преобладает синтез.

Функции белков в организме разнообразны: пластическая (в составе клеток примерно 50% белков), регуляторная (многие гормоны — белки), ферментативная (ферменты — это биологические катализаторы белковой природы, они значительно увеличивают скорость биохимических реакций), энергетическая (белки представляют собой энергетический резерв в организме, который используется при нехватке углеводов и жиров), транспортная (например, белок гемоглобин транспортирует кислород), сократительная (белки актин и миозин в мышечной ткани).

Белки являются полимерами, состоящими в основном из 20 разных мономеров — аминокислот. Аминокислоты подразделяются на заменимые и незаменимые. К заменимым относятся глицин, серии и др. Однако 10 (у новорожденных — 12) аминокислот в наших клетках не синтезируются и обязательно должны присутствовать в пище. Часть из них встречается практически в любых белках, но часть — весьма дефицитна. Наиболее часто в пищевых белках обнаруживается недостаток лизина, триптофана и метионина. Тем не менее некоторые пищевые белки в достаточном количестве содержат все необходимые человеку аминокислоты. Такие белки, представляющие наибольшую пищевую ценность, являются белками животного происхождения — молочными, яичными, мясными, рыбными. Белки растительного происхождения содержат существенно меньше незаменимых аминокислот. Это относится прежде всего к белкам злаков. Белки бобовых (особенно сои) и орехов занимают промежуточное положение между животными белками и белками злаков. Минимальную пищевую ценность представляют белки, которые содержатся в грибах.

Подсчитано, что за сутки в нашем теле распадается около 400 г белков. При этом две трети образовавшихся аминокислот не выводится из организма, а используется вновь. Остальные аминокислоты, окисляясь, образуют воду, углекислый газ и аммиак. В клетках печени аммиак превращается в мочевину, выводимую в составе мочи. Суточная потребность человека в белках составляет примерно 100-118 г, из них не менее половины — животного происхождения.

Углеводы являются главным источником энергии в организме. Глюкоза особенно необходима для нормальной работы мозга. Содержание глюкозы в крови поддерживается на постоянном уровне (0,12%). Снижение ее содержания в плазме крови до 0,05% приводит к быстрой потере сознания, судорогам и гибели человека. В организм углеводы попадают в виде полисахаридов (прежде всего крахмала), дисахаридов (сахарозы) или моносахаридов. Всасываются они в виде моносахаридов в ворсинки тонкого кишечника и далее попадают в кровь. При большом количестве углеводов в пище их избыток превращается в печени и мышцах в гликоген, откладываясь про запас. Всего в организме человека может откладываться до 400 г гликогена. Расщепление 1 г глюкозы до углекислого газа и воды сопровождается выделением 17,6 кДж. Исходя из средних энергозатрат, взрослому человеку необходимо получать с пищей 400-500 г глюкозы в сутки. Помимо энергетической углеводы выполняют также пластическую функцию, входя, например, в состав нуклеиновых кислот.

Значение жиров для организма заключается в том, что они являются одним из важнейших источников энергии (при распаде 1 г жира выделяется 9,3 ккал, или 38,9 кДж энергии). Кроме того, жиры выполняют в организме защитную, амортизационную, пластическую функции, являются источником воды, так как при окислении жира образуется много воды (конечные продукты распада жиров — СО2 и Н2О). Значительная часть энергетических потребностей печени, мышц, почек (но не мозга) покрывается за счет окисления жиров. В организм человека жиры поступают как с животной, так и с растительной пищей. Распадаясь под действием ферментов на глицерин и жирные кислоты, жиры уже в клетках кишечного эпителия вновь восстанавливают свою структуру и затем переносятся в лимфатические сосуды. Незаменимым компонентом жиров являются жирные кислоты, содержащие ненасыщенные ОС связи (по 2 и более; линолевая кислота, арахидоновая кислота и др.). Эти соединения присутствуют в жирах растительного происхождения и необходимы для построения клеточных мембран, определяя их текучесть, проницаемость, активность встроенных в мембраны ферментов и др. Потребность в жирах составляет в среднем 80-100 г в сутки (из них не менее трети должны быть растительными). Избыток жира откладывается в подкожной жировой клетчатке, причем могут образовываться жировые депо, покрывающие затраты энергии в течение многих суток.

Обмен веществ невозможен без участия витаминов. Витамины — органические вещества, жизненно необходимые для существования организма человека. Витамины или совсем не вырабатываются в человеческом организме, или вырабатываются в недостаточных количествах. Так как чаще всего витамины являются небелковой частью молекул ферментов (коферментами) и определяют интенсивность множества физиологических процессов в организме человека, то необходимо их постоянное поступление в организм. Исключения до некоторой степени составляют витамины Вп и А, способные в небольших количествах накапливаться в печени. Кроме того, некоторые витамины (В1, В2, К, Е) синтезируются бактериями, обитающими в толстом кишечнике, откуда и всасываются в кровь человека. При недостатке витаминов в пище или заболеваниях желудочно-кишечного тракта поступление витаминов в кровь уменьшается и возникают заболевания, имеющие общее название гиповитаминозов. При полном отсутствии какого-либо витамина возникает более тяжелое расстройство, получившее название авитаминоза. Витамины подразделяются на водорастворимые и жирорастворимые. Водорастворимые витамины усваиваются в водном растворе, а при их избытке в организме легко выводятся с мочой.

Жирорастворимые витамины усваиваются вместе с жирами, поэтому нарушение переваривания и всасывания жиров сопровождается нехваткой ряда витаминов (A, D, К). Значительное увеличение содержания жирорастворимых витаминов в пище может вызвать ряд нарушений обмена веществ, так как эти витамины плохо выводятся из организма. В настоящее время насчитывается не менее двух десятков веществ, относящихся к витаминам.

Сведения о потребности в основных витаминах, содержании в пище, а также о проявлениях авитаминозов приведены в таблице.

Основные витамины


Витамин

Суточная потребность

Источник

Проявления авитаминозов

ВОДОРАСТВОРИМЫЕ ВИТАМИНЫ

С — аскорбиновая кислота

50-100 мг

Клюква, шиповник, цитрусовые, черная смородина, чеснок, лук

Цинга — нарушение образования соединительных тканей: кровоточивость слизистых и десен, ломкость сосудов, выпадение зубов, распухание суставов, выпадение волос, мышечные боли, понижение сопротивляемости организма к инфекционным заболеваниям

В1 — тиамин

2-3 мг

Зерна злаковых, бобовые, грецкие орехи, яичный желток, печень

Полиневрит (бери-бери) — нарушение проведения импульсов по нервным волокнам: мышечные судороги, атрофия мышц, параличи конечностей

В2 — рибофлавин

2 мг

Бобовые, гречневая крупа, молоко, яичный белок, мясо, печень

Задержка роста, нарушение зрения, воспаление слизистой ротовой полости

В3 — никотиновая кислота

15-25 мг

Хлеб грубого помола, бобовые, картофель, мясо, печень

Пеллагра (от итал. «шершавая кожа»), фотодерматиты

В5 — пантотеновая кислота

5-10 мг

Встречается во всех пищевых продуктах

Нарушение нервно-мышечной координации, утомляемость, вялость, сонливость, апатия, мышечные судороги

В6 — пиридоксин

1,5-3 мг

Хлеб, горох, дрожжи, картофель, мясо, рыба, яичный желток, молоко

Неврологические нарушения: депрессия, раздражительность. Дерматиты. Анемия

В12 — цианокоболамин

2-3 мг

Молоко, творог, яйца, печень, почки; вырабатывается кишечной микрофлорой

Злокачественное малокровие. нарушение роста нервной ткани

В6 — фолиевая кислота

0,2 мг

Зеленые овощи, печень, рыба

Анемия, особенно выраженная у женщин во время беременности

Н — биотин

0,1-0,2 мг

Дрожжи, печень, почки, яичный желток, бобовые, орехи: выделяется кишечной микрофлорой

Дерматиты, мышечные боли, вялость, сонливость, тошнота, потеря аппетита

ЖИРОРАСТВОРИМЫЕ ВИТАМИНЫ

А — ретинол

1-3 мг

Красноокрашенные овощи и фрукты: морковь, помидоры, перец, тыква, рябина, абрикосы, смородина; сливочное масло, яичный желток, печень, рыбий жир, молочные продукты

Куриная слепота: развивается сухость роговицы глаза и дегенерация слизистых оболочек. в результате ухудшается адаптация глаза к темноте. Поражения кожи и дыхательных путей

D — кальциферол

0,002- 0,005 мг

Рыбий жир, яичный желток, печень; образуется в коже под действием ультрафиолета

Нарушение образования костной ткани из-за недостатка в костях кальция. У детей — рахит: замедление роста, деформация костей; у взрослых — остеопороз: боли в костях, спонтанные переломы, кариес

Е — токоферол

10-15 мг

Зеленые овощи, растительное масло, яичный желток, печень; выделяется кишечной микрофлорой

Анемия из-за снижения числа эритроцитов и нарушения периферического кровообращения. Мышечная слабость. Бесплодие

К — филлохинон

0,2-0,3 мг

Томаты, картофель, шпинат, капуста; синтезируется кишечной микрофлорой

Замедление свертывания крови: кровоточивость, ломкость сосудов

Витамины не всегда хорошо сохраняются в пищевых продуктах. Например, витамин А разрушается при длительном хранении и высыхании моркови. Кроме того, следует учитывать, что большинство водорастворимых витаминов разрушаются при нагревании: около 60% витаминов из группы В, около 50% витамина С. Поэтому для сохранения витаминов овощи следует чистить и резать непосредственно перед приготовлением, варить их надо недолго и в закрытой кастрюле. Очень важно часто употреблять в пищу салаты из сырых овощей: капусты, моркови и т. п. Сохранять на зиму ягоды лучше в протертом с сахаром виде, так в них сохраняется больше витаминов.

Таким образом, пластический и энергетический обмен взаимосвязаны. В процессе обмена веществ непрерывно образуется энергия, которая также непрерывно расходуется на совершение работы, на обеспечение нервной деятельности, на синтез веществ. Источник энергии для человека — это питательные вещества, поэтому важно, чтобы в пище были все необходимые для нормального обмена веществ органические и неорганические соединения. Образующиеся конечные продукты обмена должны выводиться из организма через легкие, кишечник, кожу и почки. Главная роль в выведении из организма продуктов распада принадлежит почкам, через которые удаляются мочевина, мочевая кислота, соли аммония, выводится избыток воды, солей.

Нормальный обмен веществ — основа здоровья. Нарушения обмена приводят к тяжелым заболеваниям (диабет, подагра, ожирение или, наоборот, потеря веса и т. д.). Часто нарушения обмена веществ связаны с недостаточным питанием. Недостаточное питание ведет к недополучению человеком энергии. В результате организм обращается к резервным запасам сначала гликогена, а потом жиров. При продолжающемся голодании может начаться разрушение мышц и многих внутренних органов. Однако пища должна обеспечивать человека не только энергией, но и материалом для пластического обмена. Недостаток незаменимых аминокислот ведет к так называемому белковому голоданию, при котором снижается скорость роста организма, нарушается развитие многих его систем. Недостаток незаменимых жирных кислот отражается прежде всего на состоянии тех органов, в которых идут процессы активного клеточного деления (кожа, слизистые, кроветворные ткани и др.).

Урок «Обмен веществ»

Урок биологии в 10 классе.

900igr.net

Основные понятия

  • Метаболизм;
  • Пластический обмен;
  • Энергетический обмен;
  • Гомеостаз;
  • Фермент.

Метаболизм

(обмен веществ и энергии)

Внешний обмен

Внутренний обмен

(поглощение и выделение веществ клеткой)

(химические превращения веществ в клетке)

Пластический обмен (ассимиляция или анаболизм)

Энергетический обмен (диссимиляция или катаболизм)

Сравнительная таблица

признаки

пластический обмен

1.Значение в клетке

энергетический обмен

Для построения клетки

2.Энергия

Запасается

Выработка энергии

3.Органические вещества

Освобождается

Синтезируются

4. АТФ

Расходуется

Распадаются

Образуется

Обмен веществ (метаболизм) = ассимиляции + диссимиляции

Органические вещества пищи являются основным источником не только материи , но и энергии для жизнедеятельности клеток организма. При образовании сложных органических молекул была затрачена энергия, потенциально она находится в форме образованных химических связей. В результате реакций энергетического обмена происходит окисление сложных молекул до более простых и разрушение химических связей, при этом происходит высвобождение энергии.

АТФ + Н 2 О = АДФ + Н 3 РО 4 + 40 кДж (гидролиз)

Содержание АТФ в клетках в среднем составляет от 0,05% до 0,5% от массы. Все биохимические реакции требуют затрат энергии молекул АТФ, поэтому запас АТФ должен постоянно пополняться:

АДФ + Н 3 РО 4 + 40 кДж = АТФ + Н 2 О

I. С3Н4О3  СО2 + СН3СОН (уксусный альдегид)

II. СН3СОН + НАД·Н2  С2Н5ОН + НАД+

У животных и некоторых бактерий при недостатке О2 происходит молочнокислое брожение с образованием молочной кислоты:

С3Н4О3 + НАД·Н2  С3Н6О3 + НАД+

Третий этап энергетического обмена — кислородное окисление , или дыхание , происходит в митохондриях. Пировиноградная кислота проникает в митохондрии, происходит ее дегидрирование (отщепление водорода) и декарбоксилирование (отщепление углекислого газа) с образованием двухуглеродной ацетильной группы, которая вступает в цикл реакций, получивших название реакций цикла Кребса (рис. 299). Здесь происходит дальнейшее окисление, связанное с дегидрированием и декарбоксилированием. В результате на каждую разрушенную моль ПВК из митохондрии удаляется 3 моль СО2, образуется 5 пар атомов водорода, связанных с переносчиками (4 НАДН2, ФАДН2), а также моль АТФ.

Суммарная реакция гликолиза и разрушения ПВК в митохондриях до водорода и углекислого газа выглядит следующим образом:

С6Н12О6 + 6Н2О  6СО2 + 4АТФ + 12Н2

2АТФ образуются при гликолизе, две — в цикле Кребса; 2 пары атомов (2НАД·Н2)образовались при гликолизе, 10 пар — в цикле Кребса.

Рис.299. Цикл Кребса.

Последним этапом является окисление пар атомов водорода с участием О2 до Н2О с одновременным фосфорилированием АДФ до АТФ. Этот процесс происходит на внутренней мембране митохондрий. Водород передается по трем большим ферментным комплексам дыхательной цепи (флавопротеин, кофермент Q , цитохромы), расположенным во внутренней мембране митохондрий. У водорода отбираются электроны, а протоны закачиваются в межмембранное пространство митохондрий, в «протонный резервуар». Внутренняя мембрана непроницаема для ионов водорода. Электроны передаются по ферментам дыхательной цепи на цитохромоксидазу . Когда разность потенциалов на внешней и внутренней стороне внутренней мембраны достигает 200 мВ, протоны (12Н2) проходят через канал фермента АТФ-синтетазы и с помощью цитохромоксидазы происходит восстановление кислорода до воды (12Н2О) с выделением энергии, часть которой (55%) запасается в форме 34АТФ (рис. 300).

Рис. 300. Дыхательная цепь и АТФ-синтетаза.

Суммарная реакция энергетического обмена выглядит так:

С6Н12О6 + 6О2  6СО2 + 6Н2О + 38АТФ + Qт

Если внутренняя мембрана повреждена, то окисление НАДН2 продолжается, но не работает АТФ-синтетаза и образования АТФ не происходит, вся энергия выделяется в форме тепла.

Тема: Энергетический обмен в клетке.

Подготовительный этап.

Под действием ферментов пищеварительного тракта или ферментов лизосом

Сложные органические молекулы расщепляются:

белки — до аминокислот

жиры — до глицерина и жирных кислот

углеводы — до глюкозы

нуклеиновые кислоты — нуклеотидов

Вся энергия при этом рассеивается в виде тепла.

Процесс энергетического обмена можно разделить на три этапа: на первом этапе происходит пищеварение, то есть сложные органические молекулы расщепляются до мономеров, на втором происходит бескислородное окисление этих мономеров — гликолиз, и на последнем этапе происходит окисление с участием кислорода в митохондриях.

Подготовительный этап. Под действием ферментов пищеварительного тракта или ферментов лизосом белковые молекулы расщепляются до аминокислот, жиры — до глицерина и карбоновых кислот, углеводы — до глюкозы, нуклеиновые кислоты — до нуклеотидов. Вся энергия при этом рассеивается в виде тепла.

Гликолиз, или бескислородное окисление. Окисление глюкозы в клетках без участия кислорода происходит путем дегидрирования, акцептором Н служит кофермент НАД+. Реакции протекают в цитоплазме , глюкоза с помощью 10 ферментативных реакций превращается в 2 молекулы ПВК — пировиноградной кислоты и образуется восстановленная форма переносчика водорода НАД·Н2 никотинамидаденин-динуклеотида. При этом образуется 200 кДж энергии, 120 рассеивается в форме тепла, 80 кДж запасается в форме 2 моль АТФ:

С6Н12О6 + 2АДФ + 2Н3РО4 + 2НАД+ 

2 С3Н4О3 + 2АТФ + 2Н2О + 2НАД·Н2

Дальнейшая судьба ПВК зависит от присутствия О2 в клетке, если О2 нет, происходит анаэробное дыхание , причем у дрожжей и растений происходит спиртовое брожение , при котором сначала происходит образование уксусного альдегида, а затем этилового спирта:

I. С3Н4О3  СО2 + СН3СОН (уксусный альдегид)

II. СН3СОН + НАД·Н2  С2Н5ОН + НАД+

У животных и некоторых бактерий при недостатке О2 происходит молочнокислое брожение с образованием молочной кислоты:

С3Н4О3 + НАД·Н2  С3Н6О3 + НАД+

Третий этап энергетического обмена — кислородное окисление , или дыхание , происходит в митохондриях. Пировиноградная кислота проникает в митохондрии, происходит ее дегидрирование (отщепление водорода) и декарбоксилирование (отщепление углекислого газа) с образованием двухуглеродной ацетильной группы, которая вступает в цикл реакций, получивших название реакций цикла Кребса (рис. 299). Здесь происходит дальнейшее окисление, связанное с дегидрированием и декарбоксилированием. В результате на каждую разрушенную моль ПВК из митохондрии удаляется 3 моль СО2, образуется 5 пар атомов водорода, связанных с переносчиками (4 НАДН2, ФАДН2), а также моль АТФ.

Суммарная реакция гликолиза и разрушения ПВК в митохондриях до водорода и углекислого газа выглядит следующим образом:

С6Н12О6 + 6Н2О  6СО2 + 4АТФ + 12Н2

2АТФ образуются при гликолизе, две — в цикле Кребса; 2 пары атомов (2НАД·Н2)образовались при гликолизе, 10 пар — в цикле Кребса.

Рис.299. Цикл Кребса.

Последним этапом является окисление пар атомов водорода с участием О2 до Н2О с одновременным фосфорилированием АДФ до АТФ. Этот процесс происходит на внутренней мембране митохондрий. Водород передается по трем большим ферментным комплексам дыхательной цепи (флавопротеин, кофермент Q , цитохромы), расположенным во внутренней мембране митохондрий. У водорода отбираются электроны, а протоны закачиваются в межмембранное пространство митохондрий, в «протонный резервуар». Внутренняя мембрана непроницаема для ионов водорода. Электроны передаются по ферментам дыхательной цепи на цитохромоксидазу . Когда разность потенциалов на внешней и внутренней стороне внутренней мембраны достигает 200 мВ, протоны (12Н2) проходят через канал фермента АТФ-синтетазы и с помощью цитохромоксидазы происходит восстановление кислорода до воды (12Н2О) с выделением энергии, часть которой (55%) запасается в форме 34АТФ (рис. 300).

Рис. 300. Дыхательная цепь и АТФ-синтетаза.

Суммарная реакция энергетического обмена выглядит так:

С6Н12О6 + 6О2  6СО2 + 6Н2О + 38АТФ + Qт

Если внутренняя мембрана повреждена, то окисление НАДН2 продолжается, но не работает АТФ-синтетаза и образования АТФ не происходит, вся энергия выделяется в форме тепла.

Внутриклеточное расщепление

Процесс энергетического обмена можно разделить на три этапа: на первом этапе происходит пищеварение, то есть сложные органические молекулы расщепляются до мономеров, на втором происходит бескислородное окисление этих мономеров — гликолиз, и на последнем этапе происходит окисление с участием кислорода в митохондриях.

Подготовительный этап. Под действием ферментов пищеварительного тракта или ферментов лизосом белковые молекулы расщепляются до аминокислот, жиры — до глицерина и карбоновых кислот, углеводы — до глюкозы, нуклеиновые кислоты — до нуклеотидов. Вся энергия при этом рассеивается в виде тепла.

Гликолиз, или бескислородное окисление. Окисление глюкозы в клетках без участия кислорода происходит путем дегидрирования, акцептором Н служит кофермент НАД+. Реакции протекают в цитоплазме , глюкоза с помощью 10 ферментативных реакций превращается в 2 молекулы ПВК — пировиноградной кислоты и образуется восстановленная форма переносчика водорода НАД·Н2 никотинамидаденин-динуклеотида. При этом образуется 200 кДж энергии, 120 рассеивается в форме тепла, 80 кДж запасается в форме 2 моль АТФ:

С6Н12О6 + 2АДФ + 2Н3РО4 + 2НАД+ 

2 С3Н4О3 + 2АТФ + 2Н2О + 2НАД·Н2

Дальнейшая судьба ПВК зависит от присутствия О2 в клетке, если О2 нет, происходит анаэробное дыхание , причем у дрожжей и растений происходит спиртовое брожение , при котором сначала происходит образование уксусного альдегида, а затем этилового спирта:

I. С3Н4О3  СО2 + СН3СОН (уксусный альдегид)

II. СН3СОН + НАД·Н2  С2Н5ОН + НАД+

У животных и некоторых бактерий при недостатке О2 происходит молочнокислое брожение с образованием молочной кислоты:

С3Н4О3 + НАД·Н2  С3Н6О3 + НАД+

Третий этап энергетического обмена — кислородное окисление , или дыхание , происходит в митохондриях. Пировиноградная кислота проникает в митохондрии, происходит ее дегидрирование (отщепление водорода) и декарбоксилирование (отщепление углекислого газа) с образованием двухуглеродной ацетильной группы, которая вступает в цикл реакций, получивших название реакций цикла Кребса (рис. 299). Здесь происходит дальнейшее окисление, связанное с дегидрированием и декарбоксилированием. В результате на каждую разрушенную моль ПВК из митохондрии удаляется 3 моль СО2, образуется 5 пар атомов водорода, связанных с переносчиками (4 НАДН2, ФАДН2), а также моль АТФ.

Суммарная реакция гликолиза и разрушения ПВК в митохондриях до водорода и углекислого газа выглядит следующим образом:

С6Н12О6 + 6Н2О  6СО2 + 4АТФ + 12Н2

2АТФ образуются при гликолизе, две — в цикле Кребса; 2 пары атомов (2НАД·Н2)образовались при гликолизе, 10 пар — в цикле Кребса.

Рис.299. Цикл Кребса.

Последним этапом является окисление пар атомов водорода с участием О2 до Н2О с одновременным фосфорилированием АДФ до АТФ. Этот процесс происходит на внутренней мембране митохондрий. Водород передается по трем большим ферментным комплексам дыхательной цепи (флавопротеин, кофермент Q , цитохромы), расположенным во внутренней мембране митохондрий. У водорода отбираются электроны, а протоны закачиваются в межмембранное пространство митохондрий, в «протонный резервуар». Внутренняя мембрана непроницаема для ионов водорода. Электроны передаются по ферментам дыхательной цепи на цитохромоксидазу . Когда разность потенциалов на внешней и внутренней стороне внутренней мембраны достигает 200 мВ, протоны (12Н2) проходят через канал фермента АТФ-синтетазы и с помощью цитохромоксидазы происходит восстановление кислорода до воды (12Н2О) с выделением энергии, часть которой (55%) запасается в форме 34АТФ (рис. 300).

Рис. 300. Дыхательная цепь и АТФ-синтетаза.

Суммарная реакция энергетического обмена выглядит так:

С6Н12О6 + 6О2  6СО2 + 6Н2О + 38АТФ + Qт

Если внутренняя мембрана повреждена, то окисление НАДН2 продолжается, но не работает АТФ-синтетаза и образования АТФ не происходит, вся энергия выделяется в форме тепла.

Анаэробный этап (бескислородный)

Гликолиз – ферментативное расщепление глюкозы.

Окисление глюкозы в клетках происходит без кислорода с участием ферментов. Реакции протекают в цитоплазме, глюкоза с помощью 9 ферментативных реакций распадается на 2 молекулы ПВК — пировиноградной кислоты С 3 Н 4 О 3 , которая во многих клетках превращается в молочную кислоту С 3 Н 6 О 3 и при этом суммарно образуются 2 молекулы АТФ .

При этом образуется 200 кДж энергии, 120 рассеивается в форме тепла, 80 кДж запасается в форме 2 моль АТФ:

С 6 Н 12 О 6 + 2АДФ + 2Н 3 РО 4 2 С 3 Н 6 О 3 + 2АТФ + 2Н 2 О

Процесс энергетического обмена можно разделить на три этапа: на первом этапе происходит пищеварение, то есть сложные органические молекулы расщепляются до мономеров, на втором происходит бескислородное окисление этих мономеров — гликолиз, и на последнем этапе происходит окисление с участием кислорода в митохондриях.

Подготовительный этап. Под действием ферментов пищеварительного тракта или ферментов лизосом белковые молекулы расщепляются до аминокислот, жиры — до глицерина и карбоновых кислот, углеводы — до глюкозы, нуклеиновые кислоты — до нуклеотидов. Вся энергия при этом рассеивается в виде тепла.

Гликолиз, или бескислородное окисление. Окисление глюкозы в клетках без участия кислорода происходит путем дегидрирования, акцептором Н служит кофермент НАД+. Реакции протекают в цитоплазме , глюкоза с помощью 10 ферментативных реакций превращается в 2 молекулы ПВК — пировиноградной кислоты и образуется восстановленная форма переносчика водорода НАД·Н2 никотинамидаденин-динуклеотида. При этом образуется 200 кДж энергии, 120 рассеивается в форме тепла, 80 кДж запасается в форме 2 моль АТФ:

С6Н12О6 + 2АДФ + 2Н3РО4 + 2НАД+ 

2 С3Н4О3 + 2АТФ + 2Н2О + 2НАД·Н2

Дальнейшая судьба ПВК зависит от присутствия О2 в клетке, если О2 нет, происходит анаэробное дыхание , причем у дрожжей и растений происходит спиртовое брожение , при котором сначала происходит образование уксусного альдегида, а затем этилового спирта:

I. С3Н4О3  СО2 + СН3СОН (уксусный альдегид)

II. СН3СОН + НАД·Н2  С2Н5ОН + НАД+

У животных и некоторых бактерий при недостатке О2 происходит молочнокислое брожение с образованием молочной кислоты:

С3Н4О3 + НАД·Н2  С3Н6О3 + НАД+

Третий этап энергетического обмена — кислородное окисление , или дыхание , происходит в митохондриях. Пировиноградная кислота проникает в митохондрии, происходит ее дегидрирование (отщепление водорода) и декарбоксилирование (отщепление углекислого газа) с образованием двухуглеродной ацетильной группы, которая вступает в цикл реакций, получивших название реакций цикла Кребса (рис. 299). Здесь происходит дальнейшее окисление, связанное с дегидрированием и декарбоксилированием. В результате на каждую разрушенную моль ПВК из митохондрии удаляется 3 моль СО2, образуется 5 пар атомов водорода, связанных с переносчиками (4 НАДН2, ФАДН2), а также моль АТФ.

Суммарная реакция гликолиза и разрушения ПВК в митохондриях до водорода и углекислого газа выглядит следующим образом:

С6Н12О6 + 6Н2О  6СО2 + 4АТФ + 12Н2

2АТФ образуются при гликолизе, две — в цикле Кребса; 2 пары атомов (2НАД·Н2)образовались при гликолизе, 10 пар — в цикле Кребса.

Рис.299. Цикл Кребса.

Последним этапом является окисление пар атомов водорода с участием О2 до Н2О с одновременным фосфорилированием АДФ до АТФ. Этот процесс происходит на внутренней мембране митохондрий. Водород передается по трем большим ферментным комплексам дыхательной цепи (флавопротеин, кофермент Q , цитохромы), расположенным во внутренней мембране митохондрий. У водорода отбираются электроны, а протоны закачиваются в межмембранное пространство митохондрий, в «протонный резервуар». Внутренняя мембрана непроницаема для ионов водорода. Электроны передаются по ферментам дыхательной цепи на цитохромоксидазу . Когда разность потенциалов на внешней и внутренней стороне внутренней мембраны достигает 200 мВ, протоны (12Н2) проходят через канал фермента АТФ-синтетазы и с помощью цитохромоксидазы происходит восстановление кислорода до воды (12Н2О) с выделением энергии, часть которой (55%) запасается в форме 34АТФ (рис. 300).

Рис. 300. Дыхательная цепь и АТФ-синтетаза.

Суммарная реакция энергетического обмена выглядит так:

С6Н12О6 + 6О2  6СО2 + 6Н2О + 38АТФ + Qт

Если внутренняя мембрана повреждена, то окисление НАДН2 продолжается, но не работает АТФ-синтетаза и образования АТФ не происходит, вся энергия выделяется в форме тепла.

Спиртовое брожение

Дальнейшая судьба ПВК зависит от присутствия О 2 в клетке.

Если О 2 нет, происходит анаэробное брожение , причем у дрожжей и растений происходит спиртовое брожение , при котором сначала происходит образование уксусного альдегида, а затем этилового спирта.

У животных и некоторых бактерий при недостатке О2 происходит молочнокислое брожение с образованием молочной кислоты:

С3Н4О3 + НАД·Н2  С3Н6О3 + НАД+

Третий этап энергетического обмена — кислородное окисление , или дыхание , происходит в митохондриях. Пировиноградная кислота проникает в митохондрии, происходит ее дегидрирование (отщепление водорода) и декарбоксилирование (отщепление углекислого газа) с образованием двухуглеродной ацетильной группы, которая вступает в цикл реакций, получивших название реакций цикла Кребса (рис. 299). Здесь происходит дальнейшее окисление, связанное с дегидрированием и декарбоксилированием. В результате на каждую разрушенную моль ПВК из митохондрии удаляется 3 моль СО2, образуется 5 пар атомов водорода, связанных с переносчиками (4 НАДН2, ФАДН2), а также моль АТФ.

Суммарная реакция гликолиза и разрушения ПВК в митохондриях до водорода и углекислого газа выглядит следующим образом:

С6Н12О6 + 6Н2О  6СО2 + 4АТФ + 12Н2

2АТФ образуются при гликолизе, две — в цикле Кребса; 2 пары атомов (2НАД·Н2)образовались при гликолизе, 10 пар — в цикле Кребса.

Рис.299. Цикл Кребса.

Последним этапом является окисление пар атомов водорода с участием О2 до Н2О с одновременным фосфорилированием АДФ до АТФ. Этот процесс происходит на внутренней мембране митохондрий. Водород передается по трем большим ферментным комплексам дыхательной цепи (флавопротеин, кофермент Q , цитохромы), расположенным во внутренней мембране митохондрий. У водорода отбираются электроны, а протоны закачиваются в межмембранное пространство митохондрий, в «протонный резервуар». Внутренняя мембрана непроницаема для ионов водорода. Электроны передаются по ферментам дыхательной цепи на цитохромоксидазу . Когда разность потенциалов на внешней и внутренней стороне внутренней мембраны достигает 200 мВ, протоны (12Н2) проходят через канал фермента АТФ-синтетазы и с помощью цитохромоксидазы происходит восстановление кислорода до воды (12Н2О) с выделением энергии, часть которой (55%) запасается в форме 34АТФ (рис. 300).

Рис. 300. Дыхательная цепь и АТФ-синтетаза.

Суммарная реакция энергетического обмена выглядит так:

С6Н12О6 + 6О2  6СО2 + 6Н2О + 38АТФ + Qт

Если внутренняя мембрана повреждена, то окисление НАДН2 продолжается, но не работает АТФ-синтетаза и образования АТФ не происходит, вся энергия выделяется в форме тепла.

С 6 Н 12 О 6 +2АДФ+2Н 3 РО 4 =2С 2 Н 5 ОН+2СО 2 + 2АТФ +2Н 2 О

Неполное расщепление

В результате гликолиза 40% выделившейся энергии запасается в виде АТФ, 60% — рассеивается в виде тепла.

**Тест 1. На подготовительном этапе энергетического обмена происходит:

Гидролиз белков до аминокислот.

Гидролиз жиров до глицерина и карбоновых кислот.

Гидролиз углеводов до моносахаридов.

Гидролиз нуклеиновых кислот до нуклеотидов.

Тест 2. Обеспечивают гликолиз:

Ферменты пищеварительного тракта и лизосом.

Ферменты цитоплазмы.

Ферменты цикла Кребса.

Ферменты дыхательной цепи.

Тест 3. В результате бескислородного окисления в клетках у животных при недостатке О2 образуется:

ПВК.

Молочная кислота.

Этиловый спирт.

Ацетил-КоА.

Тест 4. В результате бескислородного окисления в клетках у растений при недостатке О2 образуется:

ПВК.

Молочная кислота.

Этиловый спирт.

Ацетил-КоА.

Тест 5. При гликолизе моль глюкозы образуется всего энергии:

200 кДж.

400 кДж.

600 кДж.

800 кДж.

Тест 6. Три моль глюкозы подверглось гликолизу в животных клетках при недостатке кислорода. При этом углекислого газа выделилось:

3 моль.

6 моль.

12 моль.

Углекислый газ в животных клетках при гликолизе не выделяется.

***Тест 7. К биологическому окислению относятся:

Окисление вещества А в реакции: А + О2  АО2.

Дегидрирование вещества А в реакции: АН2 + В  А + ВН2.

Потеря электронов ( Fe 2+ в реакции Fe 2+  Fe 3+ + е- ).

Приобретение электронов ( Fe 3+ в реакции Fe 2+  Fe 3+ + е- ).

**Тест 8. Реакции подготовительного этапа происходят:

В пищеварительном тракте.

В митохондриях.

В цитоплазме.

В лизосомах.

Тест 9. Энергия, которая выделяется в реакциях подготовительного этапа:

Рассеивается в форме тепла.

Запасается в форме АТФ.

Большая часть рассеивается в форме тепла, меньшая — запасется в форме АТФ.

Меньшая часть рассеивается в форме тепла, большая — запасется в форме АТФ.

Тест 10. Энергия, которая выделяется в реакциях гликолиза:

Рассеивается в форме тепла.

Запасается в форме АТФ.

120 кДж рассеивается в форме тепла, 80 кДж — запасется в форме АТФ.

80 кДж рассеивается в форме тепла, 120 кДж — запасется в форме АТФ.

Аэробный этап (кислородный)

Третий этап энергетического обмена — кислородное окисление , или дыхание , происходит в митохондриях.

Вспомним, как устроены митохондрии?

Каковы функции митохондрий?

Каково происхождение митохондрий?

Полное окисление

Органические вещества, образовавшиеся на II этапе (например, С 3 Н 6 О 3 ), поступают на ферментативный «конвейер» и расщепляются с участием кислорода до конечных продуктов:

3 Н 6 О 3 + 6О 2 + 36АДФ + 36Н 3 РО 4 = 6СО 2 + 42Н 2 О + 36АТФ

В результате полного окисления органических веществ 60% энергии запасается в виде молекул АТФ, 40% — рассеивается в виде тепла.

Биологическое окисление и горение

Процесс окисления глюкозы в клетке сходен с процессом горения. Как и при горении, так и при дыхании глюкоза окисляется при участии молекулярного кислорода до конечных продуктов – углекислого газа и воды с выделением энергии. Объясните, чем же отличаются эти процессы, если их можно выразить общим уравнением:

С 6 Н 12 О 6 + 6О 2 = 6СО 2 + 6Н 2 О + Q ?

Обмен веществ и превращение энергии. Энергетический обмен.

Обмен веществ или метаболизм

  • Метаболизм = Анаболизм + Катаболизм

диссимиляция

ассимиляция

  • Пластический обмен (ассимиляция, анаболизм, биосинтез) – это совокупность всех процессов биосинтеза, протекающих в живых организмах.
  • Т.е. когда из простых веществ с затратой энергии  образуются (синтезируются)  более сложные.
  • Например: фотосинтез, биосинтез белка, хемосинтез.

Энергетический обмен (диссимиляция, катаболизм, дыхание)это совокупность реакций расщепления высокомолекулярных соединений , которые происходят с выделением и запасанием энергии.

  • Т. е когда сложные вещества  распадаются (окисляются)  до более простых, и при этом  выделяется энергия , необходимая для жизнедеятельности. 

АТФ — аденозинтрифосфорная кислота

АТФ – универсальное энергетическое вещество клетки (универсальный аккумулятор энергии).

Образуется в процессе энергетического обмена (окисления органических веществ).

  • АТФ гидролизуется до АДФ (аденозиндифосфорная кислота),
  • а затем и до АМФ (аденозинмонофосфорная кислота) .
  • Гидролиз АТФ сопровождается выделением энергии (E) на каждом этапе и может быть представлен такой схемой:
  • АТФ + H 2 O = АДФ + H 3 PO 4  + E
  • АДФ + H 2 O = АМФ + H 3 PO 4  + E
  • АМФ + H 2 O = аденин + рибоза + H 3 PO 4  + E

Взаимосвязь пластического и энергетического обмена

  • Пластический обмен обеспечивает клетку сложными органическими веществами (белками, жирами, углеводами, нуклеиновыми кислотами), в том числе белками-ферментами для энергетического обмена.
  • Энергетический обмен обеспечивает клетку энергией . При выполнении работы (умственной, мышечной и т.п.) энергетический обмен усиливается.
  • При энергетическом обмене все вещества распадаются, а АТФ – синтезируется . При этом энергия химических связей распавшихся сложных веществ переходит в энергию АТФ,  энергия запасается в АТФ.
  • При пластическом обмене все вещества синтезируются, а АТФ – распадается . При этом  расходуется энергия АТФ  (энергия АТФ переходит в энергию химических связей сложных веществ, запасается в этих веществах).

Этапы энергетического обмена Возможно три этапа диссимиляции : подготовительный, анаэробный и аэробный.

Среда обитания определяет количество этапов диссимиляции.

Их может быть три, если организм обитает в кислородной среде,

и два, если речь идет об организме, обитающем в бескислородной среде (к примеру, в кишечнике).

Подготовительный этап

  • Место протекания: органы пищеварения, лизосомы.
  • Осуществляется пищеварительными ферментами , в результате действия которых, сложные вещества превращаются в более простые: полимеры распадаются на мономеры .
  • белки расщепляются на аминокислоты , жиры — на глицерин и жирные кислоты , сложные углеводы — до простых сахаров(глюкозы) .
  • Выделяется энергия , большая часть которой рассеивается в виде тепла .

Бескислородный этап (анаэробный) – гликолиз- процесс бескислородного расщепления глюкозы

Этот этап является последним для организмов-анаэробов, обитающих в условиях, где кислород отсутствует.

Образуется энергия: 60%-в виде тепла, 40%-для синтеза 2 молекул АТФ.

Образуется ещё один продукт: 2 молекулы пировиноградной кислоты (ПВК).

6 Н 12 О 6(глюкоза) С 3 Н 4 О 3(ПВК) )

Происходит данный этап в цитоплазме клеток .

ПВК( при отсутствии кислорода) происходит брожение(анаэробное дыхание) .

  • спиртовое брожение(у дрожжей).

ПВК превращается в этиловый спирт+ СО 2

2. молочнокислое брожение(у молочнокислых бактерий, в мышечных клетках)

ПВК превращается в молочную кислоту.

Кислородный этап (аэробный)

Этот этап доступен только для аэробов — организмов, живущих в кислородной среде.

Из каждой молекулы ПВК , образовавшейся на этапе гликолиза, синтезируется 18 молекул АТФ — в сумме с двух ПВК выход составляет 36 молекул АТФ 2 О+СО 2

Таким образом, суммарно с одной молекулы глюкозы можно получить 38 АТФ (гликолиз + кислородный этап ).

Кислородный этап п ротекает на кристах митохондрий (складках внутренней мембраны), где наибольшая концентрация окислительных ферментов.

Главную роль в этом процессе играет так называемый цикл Кребса, который подробно изучает биохимия.

Все перечисленные ниже признаки, кроме двух , описывают реакции, происходящие в ходе энергетического обмена у человека .

1)образование кислорода из воды 2) синтез 38 молекул АТФ 3) расщепление глюкозы до двух молекул пировиноградной кислоты

4) восстановление углекислого газа до глюкозы 5) образование углекислого газа и воды в клетках

  • Все перечисленные ниже процессы, кроме двух, относятся к энергетическому обмену.

1) дыхание

2) фотосинтез

3) синтез белка

4) гликолиз

5) брожение

Какие утверждения об этапах энергетического обмена верны?

1) Анаэробный этап энергетического обмена протекает в кишечнике. 2) Анаэробный этап энергетического обмена протекает без участия кислорода. 3) Подготовительный этап энергетического обмена – это расщепление макромолекул до мономеров. 4) Аэробный этап энергетического обмена протекает без участия кислорода. 5) Аэробный этап энергетического обмена протекает до образования конечных продуктов СО2 и Н2О.

Реакции подготовительного этапа энергетического обмена происходят в

1) хлоропластах растений

2) каналах эндоплазматической сети 3) лизосомах клеток животных

4) органах пищеварения человека

5) аппарате Гольджи эукариот 6) пищеварительных вакуолях простейших

Что характерно для кислородного этапа энергетического процесса?

1) протекает в цитоплазме клетки

2) образуются молекулы ПВК 3) встречается у всех известных организмов 4) протекает процесс в матриксе митохондрий 5) наблюдается высокий выход молекул АТФ 6) имеются циклические реакции

Какие из указанных признаков относятся к аэробному обмену веществ?

1)белки расщепляются до аминокислот 2) протекает в митохондриях 3) завершается образованием пировиноградной кислоты или этилового спирта

4) протекает в цитоплазме клеток 5) завершается образованием АТФ, двуокиси углерода и воды 6) энергетический эффект — 36 молекул АТФ

Все перечисленные ниже признаки, кроме двух , можно использовать для описания процесса кислородного дыхания.

1)аэробный процесс 2) молекула глюкозы распадается на две молекулы молочной кислоты

3) образуется 36 молекул АТФ 4) осуществляется в митохондриях 5) энергия аккумулируется в двух молекулах АТФ

Метаболический потенциал пластмасс как биотехнологических источников углерода. Обзор и цели на будущее

Доступно в Интернете 21 декабря 2021 г.

https://doi.org/10.1016/j.ymben.2021.12.006Получить права и содержание •

Пластиковые отходы могут быть ресурсом для производства ценных химикатов.

Биологическая переработка пластиковых отходов может заменить пути синтеза на основе ископаемых видов топлива.

GWI некоторых схем синтеза нечувствителен к исходному пластиковому отходу.

Неэффективность хемокаталитического процесса определяет биотехнологический потенциал вторичного использования.

Abstract

Пластиковый кризис требует решительных мер, особенно в связи с окончанием срока службы пластика. Смешанные пластиковые фракции в настоящее время трудно перерабатывать, но микробный метаболизм может открыть новые пути. Благодаря новым технологиям разложения пластмасс до олиго- и мономеров эти источники углерода можно использовать в биотехнологии для вторичной переработки пластиковых отходов в ценные продукты, такие как биопластики и биосурфактанты.Мы кратко суммируем известные пути деградации мономеров и вычисляем их теоретические выходы для продуктов, представляющих интерес для промышленности. Имея эту информацию, мы рассчитали сценарии замены существующих маршрутов синтеза на основе ископаемых для тех же продуктов. Таким образом, мы выделяем продукты на основе ископаемого топлива, для которых пластиковые мономеры могут быть привлекательными альтернативными источниками углерода. Примечательно, что не самый высокий выход продукта на субстрат биохимического пути, а скорее (не-)эффективность нефтехимического пути ( i.е. , углерод, использование энергии) определяет потенциал биохимической переработки пластика. Наши результаты могут послужить руководством для будущих усилий по метаболической инженерии, направленных на устойчивую пластиковую экономику.

Ключевые слова

Пластмассы

Биотехнологический апсайклинг

Метаболические пути

Теоретический выход

Влияние глобального потепления

Рекомендуемые статьиСсылки на статьи (0)

© 2000 Опубликовано Elsevier Inc. от имени Международного общества метаболической инженерии.

Рекомендуемые статьи

Ссылки на статьи

Полистирольные нанопластики нарушают метаболизм глюкозы и уровень кортизола с возможной связью с поведенческими изменениями у личинок рыбок данио

  • Jahnke, A. et al. Снижение неопределенности и противодействие незнанию возможных последствий выветривания пластика в морской среде. Окружающая среда. науч. Технол. лат. 4 , 85–90 (2017).

    Артикул КАС Google ученый

  • тер Халле, А.и другие. Нанопластик в субтропическом круговороте Северной Атлантики. Окружающая среда. науч. Технол. 51 , 13689–13697 (2017).

    Артикул КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Жиго, Дж., Педроно, Б., Максит, Б. и тер Халле, А. Морской пластиковый мусор: неанализированная нанофракция. Окружающая среда. науч. Нано 3 , 346–350 (2016).

    Артикул КАС Google ученый

  • Доусон, А.Л. и др. Превращение микропластика в нанопластик путем пищеварительной фрагментации антарктическим крилем. Нац. коммун. 9 , 1001 (2018).

    Артикул КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • van Pomeren, M., Brun, N.R., Peijnenburg, WJGM и Vijver, M.G. Изучение поглощения и биораспределения полистирольных (нано)частиц в эмбрионах рыбок данио на разных стадиях развития. Аква. Токсикол. 190 , 40–45 (2017).

    Артикул КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Брун, Н. Р. и др. Наночастицы вызывают кожные и кишечные реакции врожденной иммунной системы у эмбрионов рыбок данио. Окружающая среда. науч. Нано 5 , 904–916 (2018).

    Артикул КАС Google ученый

  • Питт Дж.А. и др. Поглощение, распределение в тканях и токсичность наночастиц полистирола у развивающихся рыбок данио ( Danio rerio ). Аква. Токсикол. 194 , 185–194 (2017).

    Артикул КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Skjolding, L.M. et al. Оценка важности пути воздействия для поглощения и внутренней локализации флуоресцентных наночастиц у рыбок данио ( Danio rerio ) с помощью световой микроскопии. Нанотоксикология 11 , 351–359 (2017).

    Артикул КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Mattsson, K. et al. Повреждения головного мозга и нарушения поведения у рыб, вызванные пластиковыми наночастицами, доставляемыми по пищевой цепи. науч. Респ. 7 , 11452 (2017).

    Артикул КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Маттссон, К.и другие. Изменение поведения, физиологии и обмена веществ у рыб, подвергшихся воздействию наночастиц полистирола. Конверт. науч. Технол. 49 , 553–561 (2014).

    Артикул КАС Google ученый

  • Greven, A.C. et al. Частицы нанопластика из поликарбоната и полистирола действуют как стрессоры на врожденную иммунную систему толстоголового гольяна ( Pimephales promelas ). Окружающая среда. Токсикол. хим. 35 , 3093–3100 (2016).

    Артикул КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Cedervall, T., Hansson, L.A., Lard, M., Frohm, B. & Linse, S. Транспорт наночастиц в пищевой цепи влияет на поведение и жировой обмен у рыб. PLoS ONE 7 , 1–6 (2012).

    Артикул КАС Google ученый

  • Лу, Ю. и др. Поглощение и накопление полистироловых микропластиков рыбками данио ( Danio rerio ) и токсическое воздействие на печень. Окружающая среда. науч. Технол. 50 , 4054–4060 (2016).

    Артикул КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Че, Ю., Ким, Д., Ким, С. В. и Ан, Ю. Дж. Трофический перенос и индивидуальное воздействие наноразмерного полистирола в четырехвидовой пресноводной пищевой цепи. науч. 8 , 1–11 (2018).

    Артикул КАС Google ученый

  • Росси, Г., Barnoud, J. & Monticelli, L. Наночастицы полистирола нарушают липидные мембраны. J. Phys. хим. лат. 5 , 241–246 (2014).

    Артикул КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Chen, Q. et al. Количественное исследование механизмов воздействия микропластика и нанопластика на двигательную активность личинок рыбок данио. науч. Общая окружающая среда. 584–585 , 1022–1031 (2017).

    Артикул КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Gerlai, R. Социальное поведение рыбок данио: от синтетических образов к биологическим механизмам мелководья. J. Neurosci. Методы 234 , 59–65 (2014).

    Артикул пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Биро, П. А. и Стэмпс, Дж. А. Способствуют ли постоянные индивидуальные различия в скорости метаболизма постоянным индивидуальным различиям в поведении? Тренды Экол.Эвол. 25 , 653–659 (2010).

    Артикул пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Wendelaar Bonga, S. E. Реакция рыб на стресс. Физиол. 77 , 591–625 (1997).

    Артикул КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Винберг С. и Торнквист П. О. Роль серотонина мозга в модулировании поведения рыб. Курс. Зоол. 62 , 317–323 (2016).

    Артикул пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Tudorache, C., ter Braake, A., Tromp, M., Slabbekoorn, H. & Schaaf, MJM. Поведенческие и физиологические показатели способов преодоления стресса у личинок данио. Стресс 18 , 121–128 (2015).

    Артикул КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Гросс, К.Л. и Сидловски, Дж. А. Тканеспецифическое действие глюкокортикоидов: семейное дело. Тенденции Эндокринол. Метаб. 19 , 331–9 (2008).

    Артикул КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Факчинелло, Н. и др. Нуль-мутантные рыбки данио Nr3c1 являются жизнеспособными и демонстрируют независимую от ДНК активность глюкокортикоидного рецептора. науч. 7 , 1–13 (2017).

    Артикул КАС Google ученый

  • Griffiths, B.B. et al. Модель резистентности к глюкокортикоидам у рыбок данио демонстрирует серотонинергическую модуляцию реакции на стресс. Перед. Поведение Неврологи. 6 , 1–10 (2012).

    Артикул КАС Google ученый

  • ван ден Бос, Р. и др. Дальнейшая характеристика различий между TL и AB рыбками данио ( Danio rerio ): экспрессия генов, физиология и поведение на 5-й день личиночной стадии. PLoS ONE 12 , 1–15 (2017).

    Артикул КАС Google ученый

  • Chatzopoulou, A. et al. Транскрипционные и метаболические эффекты передачи сигналов глюкокортикоидных рецепторов α и β у рыбок данио. Эндокринология 156 , 1757–1769 (2015).

    Артикул КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Фотт, Э.и Виджаян, М.М. Рецептор минералокортикоидов необходим для регуляции оси стресса у личинок рыбок данио. науч. Реп . 8 , 1–11 (2018).

  • де Клоет, Э. Р., Мейер, О. К., де Никола, А. Ф., де Райк, Р. Х. и Джоэльс, М. Важность баланса рецепторов кортикостероидов в головном мозге для метапластичности, когнитивных функций и нейровоспаления. Перед. Нейроэндокринол. 49 , 124–145 (2018).

    Артикул КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Бест, К., Kurrasch, DM & Vijayan, MM Материнский кортизол стимулирует нейрогенез и влияет на поведение личинок у рыбок данио. науч. Респ. 7 , 40905 (2017).

    Артикул КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Стинберген, П. Дж., Бардин, Н. и Шариф, Ф. Кинетика воздействия глюкокортикоидов на развивающихся рыбок данио: исследование индикаторов. Хемосфера 183 , 147–155 (2017).

    Артикул КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • де Марко, Р. Дж., Гронеберг, А. Х., Йе, К.-М., Кастильо Рамирес, Л. А. и Рю, С. Оптогенетическое повышение эндогенного уровня глюкокортикоидов у личинок рыбок данио. Перед. Нейронные цепи 7 , 82 (2013).

    Артикул пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Олсоп Д.и Виджаян М.М. Развитие оси кортикостероидного стресса и экспрессия рецепторов у рыбок данио. утра. Дж. Физиол. Регул. интегр. Комп. Физиол. 294 , R711–R719 (2008 г.).

    Артикул КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Лин, Х. В. и Акчили, Д. Гормональная регуляция выработки глюкозы в печени в норме и при патологии. Сотовый метаб. 14 , 9–19 (2011).

    Артикул КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Пауэрс, Дж. В., Мазилу, Дж. К., Лин, С. и Маккейб, Э. Р. Б. Влияние гипергликемии на функцию коры надпочечников и стероидогенез у рыбок данио. Мол. Жене. Метаб. 101 , 421–422 (2010).

    Артикул КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • де Клоет, Э.Р., Жоэлс М. и Холсбур Ф. Стресс и мозг: от адаптации к болезни. Нац. Преподобный Нейроски. 6 , 463–475 (2005).

    Артикул КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Джоэлс, М., Анжела Сарабджитсингх, Р. и Карст, Х. Распутывание временных областей влияния кортикостероидных гормонов на активность мозга: быстрые, медленные и хронические режимы. Фармакол. Ред. 64 , 901–938 (2012).

    Артикул КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Joëls, M. Кортикостероиды и головной мозг. Дж. Эндокринол. 238 , Р121–Р130 (2018).

    Артикул пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Campbell, F. et al. Направление биораспределения наночастиц путем уклонения и использования Stab2-зависимого поглощения наночастиц. ACS Nano 12 , 2138–2150 (2018).

    Артикул КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Йи, Н.С., Лорент, К. и Пак, М. Развитие экзокринной поджелудочной железы у рыбок данио. Дев. биол. 284 , 84–101 (2005).

    Артикул КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Круг, Р.Г. и др. Модель трансгенных рыбок данио для мониторинга активности глюкокортикоидных рецепторов. Гены Поведение мозга. 13 , 478–487 (2014).

    Артикул КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Blom, S., Andersson, T. & Förlin, L. Влияние голодания и стресса, связанного с обращением, на активность 17-альфа-гидроксипрогестерон-21-гидроксилазы в головных почках, кортизол в плазме и активность ферментов детоксикации печени у радужной форели. Аква. Токсикол. 48 , 265–274 (2000).

    Артикул КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • van der Boon, J., van den Tillart, G.E.E.J. & Addink, A.D. Влияние введения кортизола на промежуточный метаболизм у костистых рыб. Комп. Биохим. Физиол. Физиол. 100 , 47–53 (1991).

    Артикул Google ученый

  • де Марко, Р.J., Groneberg, AH, Yeh, C.-M., Trevino, M. & Ryu, S. Поведение личинок данио показывает анорексию, опосредованную стрессором, на раннем этапе развития позвоночных. Перед. Поведение Неврологи. 8 , 1–12 (2014).

    Артикул Google ученый

  • Уилкинсон, П. О. и Гудьер, И. М. Невзгоды детства и аллостатическая перегрузка гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковой оси: модель уязвимости при депрессивных расстройствах. Дев. Психопат. 23 , 1017–1037 (2011).

    Артикул пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Hartig, E. I., Zhu, S., King, B. L. & Coffman, J. A. Эмбрионы рыбок данио, обработанные кортизолом, развиваются во взрослых провоспалительных особей с аберрантной регуляцией иммунных генов. Биол. Открыть 5 , 1134–1141 (2016).

    Артикул КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Бест, К.и Виджаян, М. М. Повышение уровня кортизола после вылупления влияет на поведенческие характеристики личинок рыбок данио. Ген. комп. Эндокринол. 257 , 220–226 (2017).

    Артикул КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Карпентер, Р. Э. и др. Рилизинг-фактор кортикотропина индуцирует анксиогенную локомоцию у форели и изменяет серотонинергическую и дофаминергическую активность. Горм. Поведение 52 , 600–611 (2007).

    Артикул КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Мельник-Ламонт, Н., Бест, К., Гесто, М. и Виджаян, М. М. Антидепрессант венлафаксин нарушает уровень моноаминов в мозге и нейроэндокринные реакции на стресс у радужной форели. Окружающая среда. науч. Технол. 48 , 13434–13442 (2014).

    Артикул КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Сакамото Т.и Сакамото, Х. «Центральное» действие передачи сигналов кортикостероидов, предполагаемое конститутивным нокаутом рецепторов кортикостероидов у мелких рыб. Питательные вещества 11 , 1–9 (2019).

    Артикул КАС Google ученый

  • Эло Б., Виллано С. М., Говорко Д. и Уайт Л. А. Личинки рыбок данио как модель метаболизма глюкозы: экспрессия фосфоенолпируваткарбоксикиназы в качестве маркера воздействия антидиабетических соединений. Дж. Мол. Эндокринол. 38 , 433–440 (2007).

    Артикул КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Olsvik, P. A. et al. Связь между поведенческими эффектами бисфенола А и метилированием ДНК у эмбрионов рыбок данио. Перед. Жене. 10 , 1–18 (2019).

    Артикул КАС Google ученый

  • ван Померен, М., Peijnenburg, WJGM, Vlieg, RC, van Noort, SJT и Vijver, MG. Биораспределение и иммунные реакции немодифицированных золотых частиц различной формы у эмбрионов рыбок данио. Нанотоксикология 13 , 558–571 (2019).

  • Телес, М., Соарес, А. М. В. М., Торт, Л., Гимарайнш, Л. и Оливейра, М. Связь реакции кортизола с экспрессией генов у рыб, подвергшихся воздействию наночастиц золота. науч. Общая окружающая среда. 584–585 , 1004–1011 (2017).

    Артикул КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Рандл А. и др. Наночастицы оксида церия проявляют минимальную сердечную и цитотоксичность у пресноводных рыб Catostomus commersonii . Комп. Биохим. Физиол. С Токсикол. Фармакол. 181–182 , 19–26 (2016).

    Артикул КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Мюррей, Л., Rennie, MD, Enders, E.C., Pleskach, K. & Martin, JD. Влияние наносеребра на высвобождение кортизола и морфометрию у радужной форели ( Oncorhynchus mykiss ). Окружающая среда. Токсикол. хим. 36 , 1606–1613 (2017).

    Артикул КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Массарский А. и др. Острое воздействие наносеребра или ионов серебра на эмбрион не нарушает стрессовую реакцию у личинок данио рерио ( Danio rerio ) и взрослых особей. науч. Общая окружающая среда. 478 , 133–140 (2014).

    Артикул КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Гут, П. и др. Скрининг всего организма на глюконеогенез выявляет активаторы метаболизма натощак. Нац. хим. биол. 9 , 97–104 (2013).

    Артикул КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Фент, К., Weisbrod, CJ, Wirth-Heller, A. & Pieles, U. Оценка поглощения и токсичности флуоресцентных наночастиц кремнезема у рыбок данио ( Danio rerio ) на ранних стадиях жизни. Аква. Токсикол. 100 , 218–228 (2010).

    Артикул КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Абрамофф, М. Д., Магальяйнс, П. Дж. и Рам, С. Дж. Обработка изображений с помощью ImageJ. Биофотоника, Интерн. 11 , 36–42 (2004).

    Google ученый

  • Thisse, C. & Thisse, B. Гибридизация in situ с высоким разрешением для цельных эмбрионов рыбок данио. Нац. протокол 3 , 59–69 (2008).

    Артикул КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Marín-Juez, R. et al. Опосредованное GLUT2 поглощение и доступность глюкозы необходимы для эмбрионального развития мозга у рыбок данио. Дж. Цереб. Кровоток Метаб. 35 , 74–85 (2015).

  • Брун Н. Р., Ленц М., Верли Б. и Фент К. Сравнительное воздействие наночастиц оксида цинка и растворенного цинка на эмбрионы рыбок данио и эмбрионы элеутерококка: важность ионов цинка. науч. Общая окружающая среда. 476–477 , 657–666 (2014).

    Артикул КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Эмран, Ф., Rihel, J. & Dowling, J.E. Поведенческий анализ для измерения реакции рыбок данио на изменения интенсивности света. Дж. Вис. Опыт . 20 , e923 (2008 г.).

  • MacPhail, R.C. et al. Передвижение личинок данио: влияние времени суток, освещения и этанола. Нейротоксикология 30 , 52–58 (2009).

    Артикул КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Удельная скорость метаболизма основных органов и тканей в зрелом возрасте: оценка с помощью механистической модели расхода энергии в покое 1

    · d −1 ) основных органов и тканей у взрослых были предложены Элиа (в энергетическом метаболизме: тканевые детерминанты и клеточные следствия.New York, NY: Raven Press, 1992) следующим образом: 200 для печени, 240 для головного мозга, 440 для сердца и почек, 13 для скелетных мышц, 4,5 для жировой ткани и 12 для остаточных органов и тканей. Однако значения K i Элии никогда полностью не оценивались.

    Цели: Цели настоящего исследования состояли в том, чтобы оценить применимость значений Элии K i во взрослом возрасте и изучить потенциальное влияние возраста на значения K i .

    Дизайн: Разработан новый подход к оценке K i показателей основных органов и тканей на основе механистической модели: REE = Σ( K i × T

  • 16 i 6 6 ), где REE — расход энергии всего тела в состоянии покоя, измеренный с помощью непрямой калориметрии, а T i — масса отдельных органов и тканей, измеренная с помощью магнитно-резонансной томографии. С измеренными РЗЭ и T i предельные 95% ДИ для значений K i были рассчитаны с помощью пошагового однофакторного регрессионного анализа.Существующая база данных здоровых взрослых людей без ожирения [ n = 131; индекс массы тела (в кг/м 2 ) <30] был разделен на 3 возрастные группы: 21–30 лет (молодые, n = 43), 31–50 лет (средний возраст, n = 51). ) и >50 лет ( n = 37).

    Результаты: Значения K i Элии находились в пределах 95% ДИ в группах молодого и среднего возраста. Однако значения K i Элии были за пределами правых границ 95% ДИ в группе старше 50 лет, что указывало на то, что в исследовании Элиа значения K i были завышены на 3% в этой группе.Скорректированные по возрасту значения K i для взрослых старше 50 лет составили 194 для печени, 233 для головного мозга, 426 для сердца и почек, 12,6 для скелетных мышц, 4,4 для жировой ткани и 11,6 для остатков.

    Вывод: Общая применимость значений Elia K i была подтверждена во взрослом возрасте, хотя корректировка по возрасту подходит для конкретных приложений.

    ВВЕДЕНИЕ

    Одной из основных целей исследования энергетического метаболизма человека является изучение удельной скорости метаболизма (значение K i ) для отдельных органов и тканей в условиях покоя.Оценка значений K i формирует основу для изучения взаимосвязи между расходом энергии в покое (REE) и составом тела, а также для понимания ежедневных потребностей человека в энергии (1–3). Для оценки значений K i отдельных органов и тканей использовались различные подходы, в том числе методы in vitro и in vivo. При использовании изолированных срезов органов и тканей метод in vitro обычно занижает значения K i (4), тогда как метод in vivo остается технически сложным (5–7).

    На основе опубликованных результатов экспериментов на людях и других млекопитающих Элиа (1) представила обзор значений K i (в ккал · кг −1 · d −1 ) для 7 органов. и ткани у взрослых: печень (200), головной мозг (240), сердце (440), почки (440), скелетные мышцы (13), жировая ткань (4,5) и остаточная масса (12). Остаточная масса включает другие органы и ткани, такие как кожа, кишечник, кости и легкие. Согласно Элиа, сердце и почки имеют самые высокие значения K i , вдвое больше, чем печень и мозг.Напротив, значение K i скелетных мышц составляет лишь 1/35 от значения сердца и почек, а жировая ткань имеет самое низкое значение K i из 7 органов и тканей.

    В течение последнего десятилетия был применен другой подход, который измеряет массы основных органов и тканей с помощью магнитно-резонансной томографии, а затем рассчитывает REE всего тела на основе значений Элии K i (8, 9). Опубликованные исследования показали, что предсказанное РЗЭ хорошо соответствует измеренному РЗЭ у молодых людей, что подтверждает применимость значений Элии K i .Однако предсказанное РЗЭ было значительно выше, чем измеренное РЗЭ у пожилых людей, что указывает на то, что значение K i может снижаться от молодого возраста к пожилому возрасту (3, 9, 10). Цели настоящего исследования состояли в том, чтобы критически оценить применимость значений K i Элии во взрослом возрасте и изучить потенциальное влияние возраста на значения K i .

    МЕТОДЫ

    Разработка подхода

    Был разработан новый подход путем объединения механистической модели РЗЭ с пошаговым одномерным регрессионным анализом для оценки применимости значений Элии K и .

    Механистическая модель РЗЭ

    Эта модель основана на представлении о том, что РЗЭ всего тела отражает сумму потребления энергии в состоянии покоя всеми органами и тканями человеческого организма. Была разработана механистическая модель, которая представляет РЗЭ как сумму произведений масс отдельных органов и тканей и соответствующих им удельных скоростей метаболизма в покое (11): номер органа/ткани (i = 1, 2, …, n), а K i — удельная скорость метаболизма отдельных органов и тканей в покое.

    Поскольку 4 органа (т. е. печень, мозг, сердце и почки) имеют особенно высокую базальную удельную скорость метаболизма, а 2 ткани (т. е. скелетные мышцы и жировая ткань) имеют особенно большие массы, следующая модель состава тела в органе — уровень ткани применялся в настоящем исследовании:

    , где BM — масса тела, а SM и AT — скелетные мышцы и жировая ткань соответственно. Остаточная масса включает другие ткани и органы, такие как скелет, кровь, кожа, желудочно-кишечный тракт, легкие и селезенка.Остаточная масса в нашем исследовании рассчитывалась как МТ минус сумма печени, головного мозга, сердца, почек, скелетных мышц и жировой ткани.

    На основе значений K i , предложенных Элиа, рабочая модель РЗЭ была выражена следующим образом: каждый орган и ткань отдельно. Мы построили отдельные предельные 95% ДИ для каждого из 7 K i значений с помощью одномерного линейного регрессионного анализа (12).

    Сначала мы оценили удельную скорость метаболизма печени ( К печень ) со статистической гипотезой К печени = 200, предложенной Элиа (1). В соответствии с уравнением 3 мы подобрали модель линейной регрессии:

    Другими словами, мы рассмотрели следующую одномерную линейную регрессию:

    , где

    Оценка с SE (95% ДИ) для K печень была полученный методом наименьших квадратов.Затем мы сравнили 95% ДИ с гипотетическим значением K печени , предложенным Элиа. Проверка статистической гипотезы K печень = 200 при уровне значимости 0,05 была равносильна проверке того, попадает ли K печень = 200 в 95%-й доверительный интервал.

    Во-вторых, мы оценили удельную скорость метаболизма мозга ( K мозг ) и подогнали модель линейной регрессии в соответствии с уравнением было получено методом наименьших квадратов.Затем мы сравнили его с гипотетическим значением K мозга = 240, предложенным Элиа (1). Тот же процесс повторяли для каждого из оставшихся коэффициентов, т. Е. K K K

    1 K

    K

    1 SM

    , K , K на и K Остаток 2.

    Стратифицированная по возрасту механистическая модель REE

    Рабочая модель REE (т. е. уравнение 3 ) была основана на предположении, что значение K i каждого органа и ткани остается стабильным в зрелом возрасте.Однако предыдущие наблюдения показали, что значение K i может снижаться от молодого возраста к пожилому возрасту (3). В настоящем исследовании группа взрослых субъектов была разделена на 3 возрастные группы для оценки потенциального влияния возраста на показатели основных органов и тканей. Была применена стратифицированная по возрасту механистическая модель расхода энергии в состоянии покоя:

    , где A i — скорректированный по возрасту коэффициент для значения Элии K i для каждой возрастной группы.В настоящем исследовании было сделано предположение, что скорректированные по возрасту A i одинаковы для всех органов и тканей каждой возрастной группы, или A i = A . Таким образом, была применена упрощенная стратифицированная по возрасту модель REE:

    Значения A основных органов и тканей были предсказаны в различных возрастных группах соответственно. Скорректированные по возрасту значения K i могут быть затем рассчитаны для каждой возрастной группы как , Германия.Институциональный наблюдательный совет Университета Кристиана-Альбрехта одобрил оригинальные исследования, и субъект подписал форму информированного согласия. Испытуемых набирали с 2000 г. Здоровые взрослые испытуемые без ожирения ( n = 131) были разделены на 3 возрастные группы: 21–30 лет (молодые), 31–50 лет (средний возраст) и старше 50 лет. Субъекты с ожирением [индекс массы тела (ИМТ; в кг/м 2 ) ≥ 30] были исключены из этого исследования. Субъекты настоящего исследования участвовали в других исследованиях (9, 13).

    Измерения

    Существующая база данных содержит антропометрические измерения; измеренные РЗЭ; измеренные массы органов и тканей, включая печень, мозг, сердце, почки, скелетные мышцы и жировую ткань; и процент массы тела в виде жира.

    Антропометрические измерения

    Антропометрические измерения проводились опытными наблюдателями с использованием стандартных процедур, как сообщалось Lohman et al (14). Массу тела измеряли с точностью до 0,1 кг у голодающих испытуемых в минимальной одежде.Рост измеряли ростомером с точностью до 0,1 см.

    РЗЭ

    Косвенная калориметрия применялась для оценки РЗЭ у участников в постабсорбционном состоянии. Никакая еда или напитки, содержащие калории, не употреблялись после 1900 года, пока не были завершены REE и все тесты состава тела. Испытуемые не пили воду перед измерением. Все испытуемые были исследованы в метаболическом отделении при постоянной комнатной температуре и влажности. РЗЭ измеряли между 07:00 и 09:00, когда испытуемые удобно отдыхали на кровати с надетым на голову пластиковым прозрачным вентилируемым капюшоном в течение 30 минут.Были проведены непрерывные измерения газообмена для анализа скорости потребления O 2 и производства CO 2 с использованием калориметра SensorMedics (Vmax Spectra 29n; SensorMedics, Билтховен, Нидерланды). Все данные газообмена собирали рано утром после пробуждения, в состоянии покоя через 8 ч после физической нагрузки, при температуре окружающей среды ≈ 25°С и в постабсорбционном состоянии через 10–12 ч после кормления (2).

    Масса органов и тканей

    Массы органов и тканей были получены путем суммирования пикселей изображений, полученных с коэффициентом 1.Сканер 5-Т Magnetom Vision (Siemens, Эрланген, Германия). Детали протокола магнитно-резонансной томографии (МРТ) были описаны ранее (13).

    Вкратце, для головного мозга была выполнена Т1-взвешенная последовательность задержки дыхания с быстрым выстрелом под малым углом (FLASH) с временем повторения 174,9 мс, временем эха 4,1 мс и углом поворота 80°. Для сердца были сделаны ультракороткие сканирования с помощью запускаемых электрокардиограммой, T2-взвешенных полуодиночных турбо-спин-эхо (HASTE) последовательностей (задержка дыхания, время повторения 800 мс, время эхо-сигнала 43).0 мс и время сбора данных 20 мс). Изображения печени и почек были получены с использованием последовательности аксиального Т1-взвешенного спинового эха. Были оценены объемы всего тела SM и AT, которые включали получение ≈40 аксиальных изображений всего тела.

    Все изображения МРТ были вручную сегментированы с помощью программного обеспечения (программное обеспечение TomoVision 4.3; Slice-O-Matic, Монреаль, Канада). Каждый орган и ткань анализировались одним и тем же наблюдателем, который не знал момента времени и личности субъекта. Видимые области AT в пределах площади поперечного сечения органа/ткани были удалены, включая небольшое количество видимого AT в пучках скелетных мышц.CV внутри наблюдателя, основанные на сравнении повторных сегментаций, составили 0,07% для печени, 1,8% для мозга, 1,7% для сердца и 1,0% для почек. Технические погрешности измерения одного и того же сканирования в два разных дня одним и тем же наблюдателем объемов скелетных мышц и жировой ткани составили 0,7 ± 0,1% и 1,1 ± 1,2% (среднее значение ± стандартное отклонение) соответственно.

    Массу каждого органа и ткани определяли из суммы всех площадей поперечного сечения, умноженной на толщину среза, промежутки между срезами и плотность каждого органа и ткани (15):

    , где S равно площадь поперечного сечения каждого изображения органа/ткани, i — номер изображения, t — толщина каждого изображения, g — промежуток (расстояние) между последовательными изображениями, а d — плотность органа /ткань.Значения t , g и d основных органов и тканей суммированы в .

    Таблица 1

    Толщина и разрыв магнитных резонансных визуализации (МРТ) для основных органов и тканей 1

    4

    Liver мозга Сердце почек SM
    т (см) 0,8 0.6 0,7 0,8 1,0 1,0
    г (см) 0,24 0,12 0,21 0,24 4,0 4,0
    д (г / cm 3 ) 1.06 1.06 1.06 1.06 1.05 1.04 1.04 0,92

    Двухэнергетическая рентгеновская абсорбциотиометрия

    Общий объем жира и минерал костей был измерен с двойным -энергетический рентгеновский абсорбциометрический сканер (версия программного обеспечения V8.26а:3, модель QDR 4500A; Hologic, Уолтем, Массачусетс). Субъекты лежали на спине с руками и ногами по бокам во время 10-минутного сканирования. Техническая ошибка между измерениями жира у одного и того же человека составляет 1,2% (16). Затем рассчитывали процент массы тела в виде жира. У некоторых субъектов массы скелетных мышц и жировой ткани рассчитывали по двухэнергетической рентгеновской абсорбциометрии, как описано ранее (13). Массу скелетных мышц прогнозировали по аппендикулярной мышечной ткани (17), а массу жировой ткани прогнозировали по массе жира, предполагая содержание жира 80% (18).

    Статистический анализ

    Описательная статистика данных была выражена как групповое среднее ± стандартное отклонение. Статистический анализ был выполнен с использованием SPSS для Windows 13.0 (SPSS Inc, Чикаго, Иллинойс). Различия в составе тела и REE между 3 возрастными группами были проанализированы с помощью дисперсионного анализа (ANOVA) и попарных сравнений с поправкой Бонферрони. Статистическая значимость была установлена ​​на уровне P <0,05. Значения Элии K i для 7 органов и тканей были применены для прогнозирования РЗЭ и изучения связи между измеренным РЗЭ (РЗЭм) и прогнозируемым РЗЭ (РЗЭп) с использованием простого линейного регрессионного анализа.Затем мы исследовали систематическую ошибку в отношении REEm и REEp, используя метод, описанный Бландом и Альтманом (19). Предельные 95% ДИ для значений 7 K i были предсказаны с помощью простого метода одномерной линейной регрессии (12). База данных была проанализирована с помощью программирования R версии 2.10.1, программного обеспечения для статистических вычислений и графики, первоначально написанного Робертом Джентльменом и Россом Ихакой, Статистический факультет Оклендского университета.

    РЕЗУЛЬТАТЫ

    Физические характеристики

    В это исследование вторичного анализа был включен 131 (67 мужчин, 64 женщины) здоровых взрослых людей без ожирения, которые были разделены на 3 возрастные группы: 43 молодых взрослых в возрасте 21–30 лет, 51 взрослый человек среднего возраста 31–50 лет и 37 взрослых в возрасте 51–73 лет.Исходные характеристики и состав тела всех испытуемых и трех возрастных групп представлены на рис. Различий в росте, жировой массе и минеральном содержании костей не наблюдалось между 3 возрастными группами (как тест ANOVA, так и парные сравнения с корректировкой Бонферрони, все P > 0,1). Однако масса тела и ИМТ значительно различались между группами молодого, среднего возраста и старше 50 лет (ANOVA, P = 0,034 для массы тела, P = 0,001 для ИМТ). Попарные сравнения с поправкой Бонферрони показали, что различия в массе тела и ИМТ были значимы только между молодыми группами и группами старше 50 лет ( P = 0.04 для массы тела, P <0,001 для ИМТ). Безжировая масса в группе старше 50 лет (58,4 ± 11,0 кг) была больше, чем в группе молодых (53,3 ± 10,0 кг), на 5,1 кг (1). Основной причиной был дисбаланс в количестве субъектов между мужчинами и женщинами (26 мужчин и 11 женщин в группе старше 50 лет по сравнению с 16 мужчинами и 27 женщинами в группе молодых). Однако это различие не было статистически значимым (попарные сравнения с поправкой Бонферрони, P > 0,1).

    Таблица 2

    Тема Характеристики и композиции тела по возрасту групповой 1

    Мужчины
    Все предметы 21-30 Y (молодой) 31-50 лет (средний возраст) 51-73 у Р 2
    Субъекты (п) 131 43 51 37
    67 16 25 26 26 1
    27 26 11
    Age (Y) 41.8 ± 14.8

    3 3

    25,9 ± 2.0 40,5 ± 5.1 62,0 ± 53
    Масса тела (кг) 73,7 ± 12.4 70,0 ± 11.3 74.8 ± 12,5 76,7 ± 12,7 0,034 4
    Высота (м) 1,74 ± 0,08 1,74 ± 0,06 1,75 ± 0,09 1,73 ± 0,08 0,594 5
    ИМТ (кг/м 2 ) 24.2 ± 2.9 23,0 ± 2.7 23.0 ± 2.7 24,4 ± 2.8 241102 25,4 ± 2.7 0,001 6
    3
    3
    2 17,9 ± 6,79 16,6 ± 6,79 18,6 ± 6.6 18,3 ± 6,7 0,324 5
    Жир (%) 25,0 ± 8,3 24,3 ± 8,7 25,8 ± 8,2 24,6 ± 8,1 0,661 5
    FFM (кг) 55.9 ± 11,4 53,3 ± 10,0 56,2 ± 12,3 58,4 ± 11,0 0,122 5
    ВМС (кг) 2,58 ± 0,46 2,53 ± 0,40 2,61 ± 0.46 2.62 ± 0.54 0.603 5
    9087

    Массовые расходы на электроэнергию органа и ткани и цельноупотребление энергией (REE) 1

    4
    Все предметы 21-30 y (молодой) 31-50 y (средний возраст) 51-73 y P 2
    печень (кг) 1.39 ± 0,25 3 1,35 ± 0,23 1,41 ± 0,25 1,41 ± 0,28 0,513 4
    мозга (кг) 1,33 ± 0,11 1.33 ± 0,11 1,34 ± 0,10 1,32 ± 0,12 0,766 4
    сердца (кг) 0,31 ± 0,08 0,31 ± 0,09 0,30 ± 0,08 0.33 ± 0,07 0,327 4
    Почки (кг) 0,29 ± 0,06 0,28 ± 0,06 0,28 ± 0,05 0,31 ± 0,06 0,042 5
    см (кг) 26,3 ± 6.3 25,0 ± 5.9 26.9 ± 6.6 26,9 ± 61103 26,9 ± 6.4 0.532 4
    AT (KG) 19 .4 ± 6.4 18.4 ± 6.4 19,9 ± 6.3 19.9 ± 6.3 19,9 ± 6.5 4
    Остаточная масса (кг) 24,7 ± 5.2 22,8 ± 3,9 24.9 ± 6,0 26,5 ± 4,6 0,004 6
    РЗМ (ккал / г) 1575 ± 241 1 547 ± 241 1590 ± 248 тысячу пятьсот восемьдесят-шесть ± 234 0,649

    3 4

    REEP (KCAL / D) 1588 ± 234 1535 ± 220 1596 ± 239 1636 ± 236 0.147 4
    Reem — Reep (Kcal / d) 7 -13 ± 80 (0,068) 11 ± 80 (0.36) -6 ± 79 (0,59) −50 ± 67 (<0,001)

    Массы органов и тканей и РЗЭ ) и 3 ткани с низкой скоростью метаболизма (т. е. скелетные мышцы, жировая ткань и остаточная масса) для всех субъектов и 3 возрастных групп представлены на .Никаких существенных различий в печени, головном мозге, сердце, скелетных мышцах и массе жировой ткани между 3 группами не наблюдалось (как ANOVA, так и парные сравнения с корректировкой Бонферрони, все

    P > 0,1). Для почек между 3 группами наблюдалась значительная разница (ANOVA, P = 0,042). Попарные сравнения с поправкой Бонферрони показали, что различия в почках не были значимыми, хотя они были почти значимы между молодыми группами и группами старше 50 лет ( P = 0.06). Для остаточной массы наблюдалась значительная разница между 3 группами (ANOVA, P = 0,004). Попарные сравнения с поправкой Бонферрони показали, что разница в остаточной массе была значимой только между молодыми группами и группами старше 50 лет ( P < 0,01).

    REEM по всем предметам и 3 возрастным группам представлены в . Не было существенной разницы в REEm между 3 группами (как ANOVA, так и парные сравнения с поправкой Бонферрони, все P > 0.1).

    Оценка значений Eliarsquos Ki у всех испытуемых

    В соответствии с уравнением 3 REEp был рассчитан для всех испытуемых. РЗЭм и РЗЭп (среднее значение ± стандартное отклонение) составляли 1575 ± 241 и 1588 ± 234 ккал/сут соответственно (1). Не наблюдалось существенной разницы между REEm и REEp для всех испытуемых (парный критерий Стьюдента t , P = 0,068) со средней разницей (т.е. REEm — REEp) -13 ± 80 ккал/сутки. График Бланда-Альтмана показал, что никакой значимой тенденции ( r = 0.09, P > 0,20) наблюдалась разница между РЗЭм и РЗЭп по сравнению со средним значением РЗЭм и РЗЭп ().

    Разница между измеренным и прогнозируемым расходом энергии в состоянии покоя (т.е. REEm – REEp) по сравнению со средним значением REEm и REEp для всех испытуемых. (REEm – REEp) = 0,0306 × среднее значение – 61,2; r = 0,09, P > 0,20; n = 131. REEp рассчитывали, используя значения K i , предложенные Элиа (1), согласно уравнению 3 .Показаны линия регрессии, линия нулевой разницы и линии, представляющие 2 стандартных отклонения для различий (146, -172 ккал/сутки; обозначены верхней и нижней линиями).

    Метод пошагового однофакторного анализа был использован для расчета 95% ДИ для каждого значения органов и тканей для всех субъектов (). Как показано на рисунке, значения K i Элии находились в пределах, но близко к правой границе 95% ДИ для 7 органов и тканей.

    Таблица 4

    95% СНГ конкретных метаболических темпов основных органов и тканей 3 1

    21 I K I Value 9100 +
    Все предметы 21- 30 y (молодой) 31-50 y (средний возраст) 51-73 y
    печень (200 ккал · кг минус1 · D минус1 )
    95% СНГ для соответствующего K I Значения (182, 201) (191, 227) (181, 212) (150, 181)
    p t испытание H0 2 0.087 0,31 0,67 <0,001
    Маргинальный 2 значение 3 0,92 (0,92) 0,93 (0,93) 0,93 (0,93) 0,93 (0,89)
    Мозг (240 ккал · кг минус1 · D минус1 )
    95% CIS для соответствующих K I Значения (220, 241 ) (230, 267) (219, 252) (186, 219)
    P Значение из T Тест H0 2 0.073 0,34 0,57 <0,001
    Маргинальный 2 значение 3 0,94 (0,94) 0,95 (0,95) 0,94 (0,94) 0,94 (0,91)
    Сердце (440 ккал · кг минус1 · D минус1 )
    1
    95% CIS для соответствующих K I Значения (348, 434 ) (402, 554) (338, 479) (213, 338)
    P Значение из T Тест H0 2 0.024 0,32 0,37 <0,001
    Маргинальный 2 значение 3 0,72 (0,71) 0,79 (0,79) 0,73 (0,72) 0.68 (0.44)
    почек (440 ккал · кг минус1 · D минус1 )
    95% CIS для соответствующих K I Значения (336, 430 ) (396, 568) (328, 481) (200, 332)
    P Значение из T Тест H0 2 0.016 0,34 0,35 <0,001
    Маргинальный 2 значение 3 0,68 (0,66) 0,75 (0,74) 0,69 (0,69) 0,65 (0.37)
    SM (13 ккал · кг минус1 · D минус1 ) 1 1 1
    95% CIS для соответствующих K I Значения (12.0, 13.0) (12.5, 14.4) (12.0, 13.6) (10.3, 11.9)
    P Значение от T Тест H0 2 0,051 0,35 0,59 <0,001
    Маргинальный 2 значение 3 0,95 (0,95) 0,95 (0,95) 0,95 (0,95) 0.96 (0,93)
    AT (4,5 ккал · кг минус1 · D минус1 )
    95% CIS для соответствующих K I Значения (3.21, 4.57) (3.85, 6,37) (3.14, 5.26) (1.16, 3.34)
    P Значение от T Тест H0 2 0.077 0.34 0.58 <0.001
    2 Value 3 0,5024 0.50 (0,49) 0.61 (0.60) 0.56 (0.55) 0,32 (0,00)
    RES (12 ккал · кг минус1 · D минус1 )
    95% CIS для соответствующих K I Значения (10.9, 12.0) (11.5, 13.6) (10.9, 12.6) (9.3, 11.0)
    P Тест от T Тест H0 2 0.051 0.32 0.59 <0,001
    Маргинальный 2 значение 3 0,93 (0,93) 0,93 (0,93) 0,94 (0,94) 0,94 (0,91)

    95% предельные доверительные интервалы для K i значений основных органов и тканей, подобранные с помощью пошагового однофакторного анализа и представленные в логарифмической шкале для всех взрослых субъектов.Xs представляют значения K i , предложенные Элиа (1). AT, жировая ткань; Res, остаточная масса; СМ, скелетные мышцы.

    Оценка значений Eliarsquos Ki в 3 возрастных группах

    График между REEm – REEp и возрастом для всех испытуемых показал, что разница REEm и REEp была значимо связана с возрастом ( r = −0,27, P < 0,01; ). Таким образом, мы дополнительно оценили значения K i Элии в разных возрастных группах.

    Разница между измеренным и прогнозируемым расходом энергии в состоянии покоя (т.е. REEm – REEp) по сравнению с возрастом для всех субъектов. (РЗЭм – РЗЭп) = 47,7 – 1,45 × возраст; r = -0,27, P < 0,01; n = 131. REEp рассчитывали, используя значения K i , предложенные Элиа (1), согласно уравнению 3 . Показана линия нулевой разницы.

    Согласно уравнению 3 РЗЭп, а также различия между РЗЭм и РЗЭп были рассчитаны для 3 возрастных групп ().Достоверных различий между РЗЭм и РЗЭп не наблюдалось в группах молодого (11 ± 80 ккал/сут; P = 0,36) и среднего возраста (–6 ± 79 ккал/сут; P = 0,59). Однако значения REEm – REEp были значительными в группе старше 50 лет (-50 ± 67 ккал/сутки, P <0,001).

    Метод пошагового однофакторного анализа был использован для расчета 95% ДИ значений K i для 3 возрастных групп (). Для молодых и взрослых людей среднего возраста значения K i Элии находились в пределах 95% ДИ для 7 органов и тканей.Однако для группы старше 50 лет значения K i Элии были за пределами правой границы 95% ДИ для 7 органов и тканей (). Это наблюдение показало, что в исследовании Элиа были завышены значения K i у взрослых в возрасте >50 лет.

    95% предельные ДИ для K i значений основных органов и тканей, подобранные с помощью пошагового однофакторного анализа и представленные в логарифмической шкале, для молодых (верхняя линия), среднего возраста (средняя линия) и >50-й (нижняя линия) группы.Xs представляют значения K i , предложенные Элиа (1). AT, жировая ткань; Res, остаточная масса; СМ, скелетные мышцы.

    Модификация значений Eliarsquos Ki в группе gt50-y

    Согласно уравнению 7 были получены скорректированные по возрасту коэффициенты: A = 1,008 ( P = 0,30) для молодых взрослых, 0,996 ( P = 0,54) для взрослых среднего возраста и A = 0,969 ( P < 0.001) для взрослых старше 50 лет. В соответствии с уравнением 8 были рассчитаны скорректированные по возрасту значения K i (в ккал · кг −1 · d −1 ) и их 95% ДИ для группы старше 50 лет () : 194 для печени, 233 для головного мозга, 426 для сердца и почек, 12,6 для скелетных мышц, 4,4 для жировой ткани и 11,6 для остаточной массы.

    Таблица 5

    Age-Reducted K K K K I Значения (и их 95% CI) конкретных метаболических темпов основных органов и тканей 1

    орган / ткани 2 ELIA K K I Value 21-30 Y (Young) 31-50 Y (средний возраст) 51-73 y
    2
    KCal · KG -1 · D -1 Kcal · KG -1 · D -1 · D -1 · D -1 Kcal · KG -1 · D -1 KCal · KG -1 · D -1
    9114
    200 202 (199, 205) 199 (197, 202) 194 (191, 197)
    мозг 240 242 ( 238, 245) 239 (236, 242) 233 (229, 236)
    Сердце 2 440 443 (437, 450) 438 (432, 444) 426 (420, 433)
    почек 440 443 (437, 450) 438 ( 432, 444) 426 (420, 433)
    СМ 13 13.1 (12.9, 13.3) 12.9 (12.8, 13.1) 12.6 (12.4, 12.8)
    по 4.5 4.54 (4.47, 4.60) 4.48 (4.42, 4.54) 4.36 ( 4,29, 4.43)
    RES 2 12 12 12.1 (11.9, 12.3) 12.0 (11.8, 12.1) 12.0 (11.8, 12.1) 11.6 (11.4, 11.8)

    Обсуждение

    Обсуждение конкретных метаболических ставок отдельных органов и тканей является одной из основных задач исследования энергетического обмена.Для оценки значений K i у людей и нескольких видов млекопитающих применялось несколько подходов. Инновация настоящего исследования заключалась в разработке и применении нового подхода для критической оценки применимости значений Элии K i во взрослой жизни.

    Подходы in vitro и in vivo к оценке значений Ki у человека

    С 1920-х годов были предприняты значительные усилия для оценки значений K i в изолированных срезах органов и тканей у нескольких видов млекопитающих путем варьирования субстратов и условия оценивания (20, 21).Тем не менее, критический вопрос, возникающий в связи с методом in vitro, заключается в том, сопоставимы ли расчетные значения K i из изолированных срезов органов и тканей с удельной скоростью метаболизма in vivo в том же органе и ткани у интактного живого животного. В целом полученные in vitro значения K i занижены (4).

    Исследования in vivo были затем разработаны таким образом, чтобы значение K i органа или ткани можно было оценить путем измерения артериовенозной разницы концентраций кислорода в органе в сочетании с оценкой кровотока, перфузирующего орган (6 , 7).Совсем недавно значения K i отдельных органов были оценены с помощью позитронно-эмиссионной томографии с маркерами 13 C, 15 O, 18 F или 31 P, такими как 2-дезокси- 2[ 18 F]фтор-d-глюкоза (5, 22). Однако оценка K i с помощью позитронно-эмиссионной томографии имеет ограниченное значение в зависимости от используемого индикатора, поскольку наиболее часто используемый индикатор глюкозы не специфичен для энергетического метаболизма.Кроме того, методы in vivo являются дорогостоящими и остаются технически сложными для человека.

    Подход REEm минус REEp для оценки значений Eliarsquos Ki у людей

    Другой подход был применен для оценки применимости значений Элиа K i , которые сравнивают REEp с REEm (8). Предсказанный РЗЭ рассчитывается по уравнению 3 со значениями K i , предложенными Элиа. Если разница REEm – REEp близка к нулю, мы можем считать, что значения Элии K i должны быть применимы в целом.

    Этот подход зависит от одновременных измерений РЗЭ и органов и тканей у одних и тех же субъектов. В настоящее время только 2 лаборатории измеряли РЗЭ и органы и ткани с помощью магнитно-резонансной томографии: Университет Кристиана-Альбрехта, Киль, Германия и Госпиталь Святого Луки-Рузвельта, Колумбийский университет, Нью-Йорк, штат Нью-Йорк (8, 23, 24). Различия между REEm и REEp, о которых сообщалось в предыдущих и настоящих исследованиях, суммированы в .

    Таблица 6

    Различия между измеренными и предсказанными расходами на отдых (REE) для разных возрастных групп 1

    2,11008 ± 2.4
    группа AGE (ассортимент) BMI N РЗМ — Reep ( Р значение) Лаборатория Ссылка
    у кг / м 2
    Дети 9.3 ± 1.7 2 (6-12) 16,3 ± 3.6 15 (8 м, 7 f) 299 ± 121 (<0,001) NY (25)
    подростковый возраст 14,7 ± 0,6 20,5 ± 3,5 20 м 118 ± 165 (<0,01) NY (26)
    молодой 22,9 ± 2,5 (18-50) 22,9 ± 2,5 13 (8 М, 5 Ж) 19,9 ± 126 (>0,05) НЙ (8)
    Янг 21,8 ± 2.2 13 F 13 F -10 ± 72 Kiel (9)
    молодой 25,9 ± 2.0 (21-30) 23,0 ± 2,7 43 ( 16 м, 27 е) 11 ± 80 (> 0,05) Kiel Текущее исследование
    молодой 26,2 ± 2.1 22,5 ± 1,8 13 м 24 ± 120 Kiel (9)
    Средний возраст 40.5 ± 5.1 (31-50) 24,4 ± 2.8 51 (25 м, 26 е) -6 ± 79 (> 0,05) Kiel Текущее исследование
    > 50 y 62,0 ± 5.3 (51-73) 25,4 ± 2.7 25,4 ± 2.7 37 (26 м, 11 f) -50 ± 67 (<0,001) Kiel Текущее исследование
    Пожилые люди 64,9 ± 2.7 25,0 ± 3,0 7 М −79 ± 96 Киль (9)
    Пожилые 76.5 ± 5.5 (> 70) 24.5 ± 3.9 6 м -144 ± 64 (<0,01) NY (10)
    Пожилые люди 80,3 ± 7,5 (> 70) 23.1 ± 3.6 7 F -146 ± 78 (<0,001) NY (10)

    Научно-исследовательская группа Святого Луки сообщила о том, что уравнение 3 несовершеннолетних детей у детей и подростков, которые указали что значения K i выше во время роста и развития, чем во взрослом возрасте (25, 26).

    Напротив, настоящее исследование показало, что REEm – REEp был <0 в группе старше 50 лет и был отрицательно связан с возрастом ( r = -0,27, P < 0,01; ). Исследовательская группа Святого Луки также показала, что уравнение 3 завышает РЗЭ у пожилых людей, хотя хорошо предсказывает РЗЭ у молодых людей и взрослых среднего возраста (3, 10). Следует соблюдать осторожность, так как возрастные диапазоны в предыдущих исследованиях пожилых людей находились на верхнем пределе или даже превышали диапазон субъектов в настоящем исследовании.Это может объяснить еще большую разницу REEm – REEp, наблюдаемую в предыдущих исследованиях (9, 10).

    Новый подход к оценке значений Eliarsquos Ki у взрослых людей

    Чтобы критически оценить применимость значений Элиа K i во взрослом возрасте, был разработан новый подход, сочетающий механистическую модель REE с методом пошагового одномерного анализа. Наши результаты показали, что значения K i Элии были близки к правой границе 95% CI для 7 органов и тканей у всех субъектов ().Это наблюдение подтвердило применимость значений Элии K i во взрослом возрасте. Кроме того, значения Элии K i находились в пределах 95% ДИ для 7 органов и тканей у взрослых молодого и среднего возраста (). Скорректированные по возрасту коэффициенты были близки к 1 и незначимы: А = 1,008 ( Р = 0,30) для молодой группы и А = 0,996 ( Р = 0,54) для группы среднего возраста. Это наблюдение подтверждает применимость значений Элии K i для молодых и взрослых людей среднего возраста.

    Для группы старше 50 лет значения K и Элии были за пределами правой границы 95% ДИ для 7 органов и тканей (). Для этой группы взрослых следует применять значительно скорректированный по возрасту коэффициент A = 0,969 ( P < 0,001). На основе предсказанного коэффициента, скорректированного по возрасту, были предложены модифицированные по возрасту значения K i ().

    Наши результаты показали, что значения K i были значительно ниже на 3% у взрослых в возрасте старше 50 лет, чем у взрослых молодого и среднего возраста.Есть 3 возможных объяснения наблюдениям. Во-первых, клеточная фракция органов и тканей у пожилых людей ниже, чем у людей молодого и среднего возраста. В поддержку этого объяснения хорошо зарекомендовавшие себя изменения во всем теле и печени показали расширение внеклеточных компартментов и относительную потерю клеточности (3, 27, 28). Следует также учитывать влияние органного жира, которое может различаться в разных возрастных группах, на значения K i . Во-вторых, удельная скорость метаболизма отдельных категорий клеток может быть ниже у пожилых людей, чем у молодых людей.Другими словами, пожилые люди могут иметь более низкую энергию покоя на единицу массы клетки, чем молодые люди. В-третьих, более низкие значения K и у лиц пожилого возраста могут быть обусловлены сочетанием как меньшей клеточности органов и тканей, так и меньшей удельной скорости метаболизма отдельных категорий клеток. Необходимы дальнейшие исследования, чтобы найти фактическую причину снижения значений K i во взрослом возрасте.

    Связь между REE и массами органов и тканей (т.е. уравнение 1 ) кажется естественным кандидатом на использование множественной линейной регрессии (MLR) с 7 независимыми переменными.Применение метода MLR не требует предварительных знаний о значениях K i основных органов и тканей. Однако из-за высокой коллинеарности некоторых органов и тканей подход MLR дал нестабильные результаты в базе данных, используемой в текущем исследовании. В частности, SE для полученных оценок коэффициентов регрессии были исключительно большими; следовательно, полученные ДИ давали мало информации по сравнению с истинными значениями. Например, 95% ДИ для K сердца были такими же широкими, как (-185, 643) от соответствия модели MLR.

    Наш новый подход, сочетающий механистическую модель REE с пошаговым одномерным регрессионным анализом, позволяет избежать ограничений метода MLR. Существование модели REE Элии (т. е. уравнение 3 ) позволяет нам оценивать каждое значение K i отдельно, удерживая оставшиеся значения K i в предложенных Элией значениях. Таким образом, новый подход обеспечивает эффективный способ оценки значений Elia K i . В частности, мы смогли построить плотные доверительные интервалы, которые можно использовать для оценки значений Элии K i и для прогнозирования направления любого отклонения от их коэффициентов.Введя общий коэффициент масштабирования, мы также смогли количественно определить корректировку, необходимую для разных возрастных групп, чтобы лучше предсказать их соответствующий REE.

    В заключение, текущее исследование подтвердило применимость значений Элии K i во взрослом возрасте. Несмотря на правильную оценку для молодых и взрослых людей среднего возраста, исследование Элии завышало значения K i в группе старше 50 лет; поэтому для пожилых людей следует применять значения K i с поправкой на возраст.Таким образом, это исследование может помочь понять неотъемлемую связь между REE и составом тела на уровне органов и тканей.

    Журнал исследований силы и физической подготовки

    Эйгендорф, Дж., Маассен, М., Апитиус, Д., и Маассен, Н. Энергетический обмен в непрерывных, высокоинтенсивных и спринтерских интервальных тренировочных протоколах с согласованной средней интенсивностью. J Strength Cond Res 35(11): 3104–3110, 2021 — Для оценки острых физиологических реакций и энергетического обмена с 3 различными режимами тренировок 7 испытуемых выполнили высокоинтенсивную интервальную тренировку (ВИТ), спринтерскую интервальную тренировку (СИТ). ) и непрерывное обучение (CT) в перекрестном дизайне.Все тренировочные занятия были сопоставимы по относительной средней интенсивности (50% Pmax). Соотношение стресс-пауза было выбрано как 6–24 секунды (SIT) и 30–30 секунд (HIT) для интервальных протоколов. Не было обнаружено существенных различий (уровень значимости p ≤ 0,05) для потребления кислорода (Vo 2 ), коэффициента дыхательного обмена (RER), наклона RER (RER , наклон ) и частоты сердечных сокращений между различными режимами тренировок. Концентрации лактата ([Lac]) в CT были значительно ниже ( p < 0.01) по сравнению с HIT и SIT. Не было обнаружено существенных различий в уровнях свободных жирных кислот ([FFA], p = 0,41) и глицерина ([GLY], p = 0,26) во время всех 3 тренировочных протоколов (CT 0,27 ммоль·л −1 , SIT 0,22 ммоль·л -1 и HIT 0,22 ммоль·л -1 ). Уровни аммиака (NH 3 , p > 0,05) не показали существенных различий между тремя тренировочными протоколами во время фазы упражнений. Сопоставимые физиологические реакции [FFA], [GLY] и RER показывают, что активация метаболизма жиров не различается между режимами тренировок с разным соотношением стресс-пауза.Более того, средняя интенсивность и время упражнений влияют на активацию жирового обмена. Увеличение [NH 3 ] указывает на сходные источники между 3 тренировочными протоколами и необходимость дальнейших исследований дезаминирования аминокислот. Лучшее понимание острых реакций и изменения энергетического обмена во время тренировочных занятий поможет спортсменам более эффективно и точно планировать и проводить свои тренировочные занятия в контексте периодизации.

    Энергетический обмен во время Анкоридж-Индепенденс.Индукция остеопонтином-с

    Abstract

    Отслоение эпителиальных клеток, но не раковых клеток, вызывает аноикис из-за снижения выработки энергии. Инвазивные опухолевые клетки генерируют три варианта сплайсинга гена метастазирования остеопонтина, самый короткий из которых (остеопонтин-с) поддерживает независимость от якоря. Передача сигналов остеопонтина-с активирует три взаимозависимых пути энергетического метаболизма. Глутатион, глутамин и глутамат поддерживают шунтирование гексозомонофосфата и гликолиз и могут участвовать в цикле трикарбоновых кислот, что приводит к митохондриальной продукции АТФ.Активация глицеролфосфатного челнока также поддерживает митохондриальную дыхательную цепь. Получая субстраты из глютамина и гликолиза, повышенный уровень креатина может быть синтезирован из серина через глицин и поддерживает энергетический обмен за счет увеличения образования АТФ. Метаболическое исследование с помощью N-ацетил-L-цистеина, L-глутамата или глицерина выявило дифференциальную регуляцию компонентов пути, при этом митохондриальная активность зависит от окислительно-восстановительного потенциала, а креатиновый путь зависит от глютамина.Многочисленные перекосы в клеточном метаболизме синергируют в направлении двух механизмов образования АТФ, через креатин и дыхательную цепь. Это согласуется со стимуляцией энергетического метаболизма, который поддерживает анти-анокис. Наши результаты предполагают слияние в раковых клетках остеопонтина-а, который повышает уровень глюкозы в клетках, и остеопонтина-с, который использует эту глюкозу для выработки энергии.

    Образец цитирования: Ши З., Ван Б., Чиханга Т., Кеннеди М.А., Вебер Г.Ф. (2014) Энергетический обмен во время Анкориджа-Независимости.Индукция остеопонтином-c. ПЛОС ОДИН 9(8): е105675. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0105675

    Редактор: Wing-Kin Syn, Институт гепатологии, Фонд исследований печени, Соединенное Королевство

    Получено: 8 апреля 2014 г.; Принято: 22 июля 2014 г.; Опубликовано: 26 августа 2014 г.

    Авторские права: © 2014 Shi et al. Это статья с открытым доступом, распространяемая в соответствии с лицензией Creative Commons Attribution License, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии указания оригинального автора и источника.

    Доступность данных: Авторы подтверждают, что все данные, лежащие в основе выводов, полностью доступны без ограничений. Данные RNASeq доступны в GEO (инвентарный номер GSE55193).

    Финансирование: Это исследование было поддержано грантами Министерства обороны PR094070 и BC095225 для GFW. MAK признает поддержку в виде гранта от Национальных институтов здравоохранения / Национального института рака (1R15CA152985). Приборы, используемые в этой работе, были получены при поддержке Университета Майами и Попечительского совета штата Огайо на средства, использованные для создания Лаборатории выдающихся ученых штата Огайо, где выполнялась работа.Спонсоры не участвовали в разработке исследования, сборе и анализе данных, принятии решения о публикации или подготовке рукописи.

    Конкурирующие интересы: Авторы заявили об отсутствии конкурирующих интересов.

    Введение

    Независимость от прикрепления является важной характеристикой метастазирующих клеток. В то время как нетрансформированные некроветворные клетки подвергаются запрограммированной клеточной гибели (аноикис) вследствие потери контакта со своим субстратом, раковые клетки могут выживать в кровообращении в течение продолжительных периодов времени.Фактически основным лимитирующим фактором в процессе метастазирования является гибель опухолевых клеток до их имплантации в органы-мишени [1]–[3]. Следовательно, независимое от привязки выживание может быть более важным для процесса метастазирования рака, чем органоспецифический хоуминг. Молекулярные механизмы, лежащие в основе независимости от якоря, плохо изучены. Цитокин остеопонтин может действовать как ген метастазирования, в частности, через его вариант сплайсинга остеопонтин-с, который имеет делецию экзона 4.Остеопонтин-с однозначно экспрессируется при раке молочной железы, но не в нормальной груди [4]. Он очень эффективно поддерживает независимое от анкеровки выживание и расширение [5].

    Остеопонтин-с, но не остеопонтин-а, передает сигналы через активацию экспрессии гена оксидоредуктазы [5], связанной с митохондриальной дыхательной цепью (NDUFV1, NDUFS4, NDUFS7, NDUFS8, NDUFA9, NDUFB9, цитохром с-оксидаза), гексозомонофосфатным шунтом (PGDH) или регуляция гексозомонофосфатного шунта (GPX-4) [5]–[7].Индукция оксидоредуктазы может приводить к образованию в опухолевых клетках интермедиатов реактивного кислорода. Фактически, сообщалось, что уход от аноикиса может быть опосредован продукцией активных форм кислорода, которые вызывают окисление и активацию тирозинкиназы SRC [8], что приводит к передаче сигнала выживания.

    Отслоение эпителиальных клеток молочных желез приводит к дефициту АТФ, частично из-за потери транспорта глюкозы. Следовательно, снижение выработки энергии является особенностью аноикиса, которую необходимо преодолеть при прогрессировании рака [9].Соответственно, повышенная инвазивность рака в изолированных условиях связана с более высокой митохондриальной активностью, повышенным производством АТФ, поглощением пирувата и потреблением кислорода [10]. Мы обнаружили, что остеопонтин-а повышает уровень глюкозы в мертвых опухолевых клетках молочной железы [11], что может обеспечивать биохимическое топливо для образования АТФ. В сочетании с наблюдением (упомянутым выше) о том, что остеопонтин-с индуцирует оксидоредуктазы, связанные с энергетическим метаболизмом [5], мы исследуем гипотезу о том, что остеопонтин-с поддерживает независимость раковых клеток от якоря, активируя их энергетический метаболизм посредством передачи окислительно-восстановительных сигналов.

    Материалы и методы

    Реагенты, клеточные линии, конструкции ДНК и трансфекция

    Поли(2-гидроксиэтилметакрилат) (Poly-HEMA), N-ацетил-L-цистеин (NAC), глутатион (GSH), H 2 O 2 и маннит были получены от Sigma-Aldrich. Клетки MCF-7 и их трансфектанты выращивали в среде альфа-МЕМ с инсулином и 10% фетальной бычьей сывороткой. Ранее были описаны клетки MCF-7, стабильно трансфицированные остеопонтином-а, остеопонтином-с или векторным контролем [5].Клетки ZR-75 выращивали в среде RPMI-1640 с 10% эмбриональной бычьей сывороткой. Их стабильно трансфицировали остеопонтином-с или векторным контролем в pCR3.1 (выбранным в G418). Конструкция для экспрессии каталазы, нацеленной на митохондрии, была получена от DR. Дж.А. Мелендес [12]. Клетки MCF-7 трансфицировали реагентом FuGENE (Roche) и отбирали стабильные клоны в зеоцине.

    Иммуноблоттинг

    Для анализа секретируемого остеопонтина из каждого трансфектанта собирали бессывороточный супернатант клеточной культуры.40 мкл супернатанта на образец подвергали электрофорезу в 10% SDS-полиакриламидном мини-геле с невосстанавливающим буфером для образца. Для анализа внутриклеточного остеопонтина клетки лизировали в буфере RIPA (50 мМ Tris-HCl pH 7,5, 150 мМ NaCl, 1% NP-40, 0,5% Na-дезоксихолата, 0,1% додецилсульфата натрия). Клеточные лизаты при равных количествах белка (20 мкг/дорожка) подвергали электрофорезу в восстанавливающих 10% SDS-полиакриламидных гелях. Разделенные белки переносили на мембраны PVDF и зондировали антителом О-17 (Assay Designs Inc.) к остеопонтину. Уровни экспрессии всех трансфицированных генов подтверждали каждый раз после оттаивания клеток и инициации культивирования.

    Анализ темпов роста

    Для исследования скорости роста клеток каждую клеточную линию высевали по 5000 клеток/лунку в 24-луночные планшеты. Ежедневно пять лунок на группу собирали путем трипсинизации и количество клеток определяли на счетчике Coulter™ Z-Series. В каждый момент времени количество клеток из пяти лунок различных групп трансфектантов анализировали на наличие статистически значимых различий с помощью критерия Уилкоксона-Манна-Уитни и t-критерия, допуская вероятность ошибки менее 5%.

    Формирование колонии на мягком агаре

    1×10 5 клеток на 60-мм чашку высевали в трех повторностях с верхним слоем 0,3% агара (BACTO Agar, Difco, Detroit, MI) и нижним слоем 0,5% агара (оба в alpha-MEM) . Через день добавляли 0,4 мл среды и планшеты исследовали под микроскопом на предмет роста. Через одну неделю были сделаны фотографии с большим и малым увеличением, и площадь поверхности всех клонов в пяти полях была измерена с помощью программного обеспечения для обработки изображений Metamorph (http://www.atomicdevices.com/products/software/meta-imaging-series/metamorph.html).

    Герметичность в поли-НЕМА

    Для оценки защиты, индуцированной сплайс-вариантом остеопонтина, от гибели клеток или остановки клеточного цикла посредством мертвогезии, мы высевали клетки на 0,4 мкг/мм 2 poly-HEMA в течение 2 дней [13], [14]. Затем мы собирали их для анализа экспрессии генов с помощью RNASeq или метабономического анализа с помощью ЯМР.

    Метабономический анализ

    Мы посеяли трансфектанты остеопонтина-с, остеопонтина-а и вектора MCF-7 на поли-НЕМА.Клетки собирали (из-за мертвой гезии трипсин не требовался), центрифугировали и осадок замораживали. Экстракцию для метабономического анализа проводили, как описано [17]. Спектры ЯМР были объединены в ведра с ручной структурой (после удаления областей, подверженных несовершенному подавлению воды). Нормализация общей интенсивности применялась после биннинга. Первоначально неконтролируемый анализ основных компонентов (PCA) выполнялся без учета информации о классе. Анализ статистической значимости данных о нагрузках был выполнен с использованием Amix (Bruker Biospin, Billerica, MA) на основе опубликованной процедуры [15], [16], за исключением того, что вместо U-критерия Манна-Уитни использовался критерий Крускала-Уоллиса. непараметрический анализ наборов данных, не имеющих нормального распределения.Параметры группирования идентичны тем, которые используются для PCA. Этот подход ранее успешно применялся для выявления изменений лактата, пирувата и родственных им метаболитов в раковых клетках [17].

    Анализ АТФ

    6-луночные чашки были покрыты поли-НЕМА. Клетки, трансфицированные MCF-7 вектором, остеопонтином-а, остеопонтином-с или остеопонтином-а плюс остеопонтин-с, высевали по 4×10 5 клеток на лунку в полной среде и выдерживали в течение двух дней в стандартных условиях культивирования.Клетки собирали и гомогенизировали в 100 мкл буфера для анализа, и уровни АТФ измеряли с помощью колориметрического анализа в соответствии с протоколом набора для анализа АТФ (Abcam).

    РНКSeq

    Систему Ovation RNA-Seq (NuGen) использовали для инициации амплификации как на 3′-конце, так и случайным образом по всему транскриптому в образце. 100 нг тотальной РНК с RIN<5,0 преобразовывали в библиотеку матричных молекул, подходящую для последующего создания кластеров и секвенирования с помощью Illumina HiSeq.Тотальную РНК подвергали обратной транскрипции и превращали в двухцепочечную кДНК с уникальным гетеродуплексом ДНК/РНК на одном конце. Технология Nugen Ribo-SPIA использовалась для изотермической амплификации, что приводило к быстрому получению кДНК с последовательностью, комплементарной исходной мРНК. Затем кДНК была двухцепочечной, фрагментирована до 200 п.н. с использованием Covaris S2 и создана библиотека секвенирования с использованием набора Illumina TruSeq DNA Sample Prep Kit V2 в соответствии со стандартными протоколами. Библиотека кДНК была обогащена с помощью ограниченного числа 10 циклов ПЦР, проверена с использованием биоанализатора Agilent 2100 и количественно определена с использованием набора Quant-iT dsDNA HS Kit (Invitrogen).Две индивидуально проиндексированные библиотеки кДНК были объединены и секвенированы на Illumina HiSeq, чтобы получить как минимум 90 миллионов прочтений. Библиотеки были кластеризованы на проточной кювете с использованием набора TruSeq SR Cluster Kit v2.5 от Illumina и секвенированы в течение 50 циклов с использованием набора TruSeq SBS Kit-HS на HiSeq. Полученные прочтения последовательностей были сопоставлены с геномом с использованием стандартного конвейера анализа последовательностей Illumina.

    Микрочиповый анализ и подтверждение ОТ-ПЦР

    клетки MCF-7 высевали на мягкий агар в присутствии или в отсутствие перекиси водорода.Через 7 дней роста в мягком агаре измеряли размеры клонов и экстрагировали РНК 2 мл TriReagent LS. После линейной амплификации и флуоресцентного мечения образцы подвергали микрочиповому анализу, как описано [5] (см. также http://microarray.uc.edu) с использованием библиотеки человеческих 70-мерных олигонуклеотидов версии 2.0 (21 329 оптимизированных олигонуклеотидов) (Qiagen, Аламеда, Калифорния), напечатанные на предметных стеклах, покрытых аминосиланом (Cel Associates, Inc., Перлэнд, Техас). Данные, представляющие интенсивности пятен за вычетом фона, были проанализированы после логарифмического преобразования и центрирования данных.Статистическую значимость дифференциальной экспрессии оценивали в соответствии с p-значениями и корректировкой для проверки нескольких гипотез путем расчета частоты ложных открытий (FDR). Оценки кратности изменения были рассчитаны, и пороговое значение, используемое для значимости, представляло собой кратность изменения >2, интенсивность >100 и FDR<0,05. Значительно измененные стенограммы были проверены на соответствие функциональным назначениям с помощью базы данных для аннотаций, визуализации и интегрированного обнаружения (DAVID). Точная вероятность Фишера с использованием корректировки FDR Бенджамини была рассчитана для каждой категории генов.

    Результаты микрочипа были подтверждены ПЦР в реальном времени [18], которая была проведена с использованием Cepheid Smart Cycler и формата обнаружения SYBR Green. Первую цепь кДНК, праймированную олиго-dT, синтезировали с использованием Invitrogen SuperScript в соответствии с протоколом производителя. Реакция ПЦР содержала 0,5× SYBR Green (Roche Diagnostics), MgCl 2 , а концентрация праймеров была оптимизирована для каждого гена. Протокол ПЦР из 40 циклов состоял из плавления при 94°C в течение 15 с, специфического отжига в течение 30 с и удлинения в течение 20 с при 72°C.Кривые плавления давали один пик во всех случаях без димеров праймеров. Контроль без матрицы был включен во все реакции. Уровни β-актина использовали для нормализации для равных количеств РНК.

    Анализ опухоли человека

    Эксперименты проводились с одобрения IRB (24-1-29-1, исключение 4) Медицинского центра Институционального наблюдательного совета Университета Цинциннати. Обратная транскрипция-ПЦР в реальном времени была проведена на кДНК из 22 тканей рака молочной железы человека [4]. Праймеры были разработаны с использованием Primer3 (http://biotools.umassmed.edu/bioapps/primer3_www.cgi) и состоял из NDUFV1, прямого 5′-GACTCCCTGTGGGAGATCAG-3′ и обратного 5′-CGAAAGTGGCGGATCAGA-3′ (размер продукта 167 п.н.), NDUFS7, прямого 5′-TGCCCGTGGACATCTACATC-3′ и обратного 5′ -CTCCCGCTTGATCTTCCTCT-3′ (размер продукта 152 п.н.), GPX4 прямой 5′-CTTCCCGTGTAACCAGTTCG-3′ и обратный 5′-CGGCGAACTCTTTGATCTCT-3′ (размер продукта 125 п.н.), PGDH прямой 5′-TCTCAATTATGGTGGCATCG-3′ и обратный 5′ -GGTTTCGATCAAATGCATCC-3′ (размер продукта 155 п.н.). Амплификацию начинали при 95°С в течение 1 мин, затем проводили 40 циклов при 95°С в течение 15 с, 53°С в течение 30 с, 68°С в течение 30 с и заканчивали при 68°С в течение 5 мин, 4°С. держать.

    Корреляционный анализ момента продукта Пирсона был применен для оценки корреляции между остеопонтином-с ткани молочной железы и специфическими оксидоредуктазами. Корреляция Пирсона — это параметрический тест, который оценивает линейную связь между двумя непрерывными переменными. Значения коэффициента корреляции могут находиться в диапазоне от -1 до 1, при этом корреляция 0 означает отсутствие корреляции между парой переменных. Коэффициент -1 представляет собой идеальную косвенную (отрицательную) корреляцию.Коэффициент 1 представляет собой идеальную прямую (положительную) корреляцию. Согласно стандарту, установленному Коэном, руководящими принципами интерпретации силы величины коэффициента корреляции являются: малое  =  абсолютное значение коэффициента корреляции от 0,10 до 0,29, среднее  =  от 0,30 до 0,49 и большое  =  от 0,50 до 1,0.

    Результаты

    Передача сигналов пероксида поддерживает независимость от якоря

    Остеопонтин оказывает сильное влияние на окислительно-восстановительный статус различных клеток и предотвращает запрограммированную гибель клеток в ответ на различные раздражители [6], [19], [20].Основываясь на этих наблюдениях, мы ранее предположили, что индукция оксидоредуктаз остеопонтином-с отражает антиоксидантный механизм, защищающий клетки от аноикиса в мягком агаре [5]. Однако, в очевидном противоречии с этим представлением, в литературе есть сообщения, указывающие на то, что передача сигналов пероксида индуцирует независимость от якоря [21]-[24] и что пероксид водорода важен для метастазирования [25], [26]. Мы подтвердили, что активные формы кислорода действительно поддерживают образование колоний на мягком агаре клетками MCF-7 (Приложение S1).

    Остеопонтин-с и передача сигналов пероксида сходятся на общих промежуточных соединениях

    Поскольку остеопонтин-с и перекись водорода индуцируют образование независимых от привязки колоний, мы пришли к выводу, что они, вероятно, сходятся на конечном общем пути, который также имеет решающее значение для метастазирования рака. Чтобы определить общие механизмы между индуцированным остеопонтином-с и индуцированным перекисью водорода образованием клонов мягкого агара, мы оценили данные микрочипа клонов мягкого агара клеток MCF-7, обработанных перекисью водорода (по сравнению с необработанными контролями) или трансфицированных остеопонтином-с ( по сравнению с векторными трансфектантами) и спросили, были ли какие-либо оксидоредуктазы, индуцированные остеопонтином-с, также значительно активизированы перекисью водорода.Было идентифицировано пять генов (рис. 1А). В частности, мы обнаружили, что GPX-4 активируется обоими стимулами. Мы дополнительно исследовали уровни РНК GPX-4, индуцированные остеопонтином-с, с использованием ОТ-ПЦР в реальном времени. Трансфицированный остеопонтин-с индуцирует экспрессию этого гена в мягком агаре, а также в клетках, выращенных на пластиковых чашках. Добавления супернатанта из клеток MCF-7 OPNc (но не супернатанта из клеток MCF-7 pCR3.1) было достаточно, чтобы вызвать некоторую индукцию экспрессии GPX-4 в клетках MCF-7 (рис. 1В). Ранее полученные результаты микрочипов [5] были подтверждены RT-PCR в реальном времени четырех генов-мишеней (Приложение S2).

    Рисунок 1. Передача сигналов пероксида активируется остеопонтином-с.

    A) Гены оксидоредуктазы, обычно индуцируемые остеопонтином-с и перекисью водорода в мягком агаре. Микроматричный анализ после выращивания клеток MCF-7 на мягком агаре в течение 7 дней с обработкой перекисью водорода или без нее. Результаты сравнивают с генами оксидоредуктазы, индуцированными остеопонтином-с. T,Trt  =  обработанный перекисью водорода; C, Ctrl  =  необработанные клетки MCF-7; p  =  p-значение; avgint  =  средняя интенсивность.Обратите внимание, что GPX-4 был представлен в массиве дважды. B ) Индукция мРНК GPX-4 под действием остеопонтина-c. РНК экстрагировали из трансфицированных клеток MCF-7 после 7 дней формирования клона в мягком агаре, из клеток MCF-7, высеянных на пластиковые чашки и обработанных супернатантом, из клеток MCF-7 OPNc или из трансфицированных клеток MCF-7, выращенных в пластиковых чашках. Уровни мРНК GPX-4 измеряли по сравнению с актином. Клетки MDA-MB-435 служили эталоном и рассчитывали относительную численность [18]. * указывает р<0.05, ** указывает p<0,01 по сравнению с соответствующим контролем (в мягком агаре значимое различие между MCF-7 OPNa и MCF-7 OPNc также составляет p<0,01).

    https://doi.org/10.1371/journal.pone.0105675.g001

    Поскольку клетки не могут быть чисто извлечены из мягкого агара, мы использовали посев на поли-HEMA в качестве альтернативного анализа на независимость от привязки. Мы впервые подтвердили с помощью RNASeq эквивалентность культуры поли-HEMA (инвентарный номер GEO GSE55193) культуре мягкого агара [5].Как и ожидалось, анализ генной онтологии выявил повышенную регуляцию многочисленных окислительно-восстановительных регуляторов остеопонтином-с (по сравнению с клетками MCF-7, трансфицированными вектором) (таблица 1, дополнение S3), но не остеопонтином-а (не показано), подтверждая, что метаболический эффекты сравнимы с таковыми в мягком агаре.

    Остеопонтин-с увеличивает выработку клеточной энергии

    Остеопонтин-с никогда не экспрессируется без остеопонтина-а. Мы показали, что остеопонтин-а повышает уровень клеточной глюкозы, что предполагает модель, согласно которой остеопонтин-а мобилизует глюкозу, которая затем используется остеопонтином-с для выработки клеточной энергии в форме АТФ [11].Поэтому мы измерили АТФ в мертвых клетках MCF-7, однократно трансфицированных либо одной формой остеопонтина, либо дважды трансфицированных остеопонтином-а плюс-с. Уровни АТФ были значительно выше в клетках остеопонтина-с, чем в клетках остеопонтина-а, и выше в клетках остеопонтина-а, чем в контрольных векторах. Клетки, дважды трансфицированные, имели самые высокие уровни АТФ (рис. 2), что подтверждает гипотезу о синергии между передачей сигналов остеопонтина-а и остеопонтина-с.

    Рисунок 2. Уровни АТФ в независимых от якоря клетках индуцируются остеопонтином.

    Клетки MCF-7, трансфицированные вектором, остеопонтином-а, остеопонтином-с или остеопонтином-а плюс-с, высевали на поли-НЕМА перед колориметрическим измерением клеточных уровней АТФ. На графике представлены средние значения (по 3–5 повторам) + стандартная ошибка. Значения р рассчитывали с помощью однофакторного дисперсионного анализа (ANOVA). Данные представляют один эксперимент из двух.

    https://doi.org/10.1371/journal.pone.0105675.g002

    Остеопонтин-с индуцирует редокс-чувствительные и редокс-нечувствительные метаболические изменения

    Многие из оксидоредуктаз, индуцируемых остеопонтином-с [5], относятся к митохондриальной дыхательной цепи или к гексозомонофосфатному шунту или регулируют гексозомонофосфатный шунт.Таким образом, биохимические процессы, связанные с промежуточным метаболизмом для выработки энергии, вероятно, являются важными медиаторами эффектов остеопонтина-с на клетки опухоли молочной железы, которые потеряли контакт с субстратом (подтверждающие данные см. в Приложении S4). Профиль метаболитов мертвых трансфектантов MCF-7, полученный в результате ЯМР-анализа, идентифицировал глутатион, глутамин, глутамат, креатин, глицин, O-фосфохолин и O-фосфоэтаноламин, которые индуцируются остеопонтином-с (рис. 3).Аспартат и аланин умеренно повышены (не показано). Таурин подавляется остеопонтином-с и остеопонтином-а, что отражается в явной положительной регуляции вектора по сравнению с обеими формами остеопонтина. Таурин может действовать как антиоксидант [27] и как рН-буфер митохондриального матрикса [28]. Его снижение может отражать потребление таурина повышенной окислительно-восстановительной активностью митохондрий. Аналогичные результаты были получены с клетками ZR-75 (табл. 2).

    Рис. 3. Остеопонтин-с поддерживает независимость анкеровки за счет определенных метаболических изменений.

    A) Попарное сравнение метаболических профилей, индуцированных остеопонтином-с, по сравнению с контрольным переносчиком. Графики зависимости остеопонтина-с от остеопонтина-а см. в [11]. На графике слева показан график оценки анализа основных компонентов с образцами остеопонтина-с, выделенными черным цветом, и образцами остеопонтина-а, выделенными синим цветом. Звездочками отмечены центры соответствующих кластеров одного цвета. Черная линия, соединяющая звездочки, представляет собой групповое расстояние (расстояние Махаланобиса = 1,98).Расстояние Махаланобиса рассчитывается с использованием метода, о котором сообщалось ранее [16]. График справа — график нагрузки. Цвета обозначают значительные сегменты после статистического анализа. Красные квадраты отфильтрованы с помощью поправки Бонферрони, а зеленые треугольники скорректированы с помощью коэффициента ложных открытий Бенджамини-Хохберга. B ) Пример следов ключевых метаболитов для клеток MCF-7 OPNc (синие) по сравнению с векторными клетками MCF-7 (черные). О-фосфоэт  =  О-фосфоэтаноламин, О-фосфохол  =  О-фосфохолин (стрелка указывает на пик метаболита). C ) Сводка метаболитов, измененных остеопонтином-с по сравнению с контрольным переносчиком. В таблице показаны значения ppm (с указанием центральных значений пиков), оценки концентрации в виде средних значений для 6 повторов, стандартные отклонения для шести повторов остеопонтина-с (C) или вектора (V) и -кратное изменение для сравнение между остеопонтином-с и контролем переносчика. Отрицательные числа указывают на то, что метаболит выше в контрольных векторах, чем в клетках, трансфицированных остеопонтином-с.Поправка Бонферрони выделена курсивом, а частота ложных открытий Бенджамини/Хохберга не выделена курсивом. D ) Сводка метаболитов, измененных остеопонтином-с по сравнению с остеопонтином-а (об остеопонтине-а по сравнению с вектором см. [11]). -кратное изменение рассчитывается для сравнения между остеопонтином-с (С) и остеопонтином-а (А). Отрицательные числа указывают на то, что уровень метаболита выше в клетках, трансфицированных остеопонтином-а, чем в клетках, трансфицированных остеопонтином-с. Поправка Бонферрони выделена курсивом, а частота ложных открытий Бенджамини/Хохберга не выделена курсивом.

    https://doi.org/10.1371/journal.pone.0105675.g003

    Чтобы оценить специфичность метаболических эффектов остеопонтина-с, мы проверили вклад аминокислотной последовательности вокруг соединения сплайсинга OPN-c. С помощью сайт-направленного мутагенеза мы получили мутант OPNcM3 с внутренней последовательностью SGSSAAAAAAASSEET (измененной по сравнению с соединением сплайсинга SGSSEEKQNAVSSEET). В OPNcM3 все аминокислоты вокруг соединения сплайсинга между проксимальными N-концевыми и C-концевыми серинами представляют собой аланины.Если соединение сплайсинга имело решающее значение для метабономических изменений, зависящих от остеопонтина-с, ожидалось, что профиль метаболитов мертвых клеток MCF-7 OPNcM3 будет напоминать векторные клетки MCF-7. Действительно, кратность изменений трансфектантов остеопонтина-с в трансфектанты остеопонтина-с М3 (таблица 3) равна сравнению остеопонтина-с с вектором (см. фигуру 3), что подтверждает потерю функции в результате сайт-направленного мутагенеза. Неожиданно один метаболит (глутамат) оказался невосприимчивым к мутации остеопонтина-с (не показано).Причина такого сопротивления неизвестна.

    Для дальнейшей оценки значимости окислительно-восстановительных процессов в метаболических изменениях, зависящих от остеопонтина-с, мы повторили измерения ЯМР для клеток MCF-7 OPNc по сравнению с векторными клетками MCF-7 на поли-HEMA и включили образец клеток MCF-7 OPNc, обработанных 4 мМ N-ацетил-L-цистеин (NAC). В то время как NAC не влиял на активацию креатина, О-фосфоэтаноламина и О-фосфохолина, он частично снижал зависимую от остеопонтина-с активацию глутамина и понижающую регуляцию таурина.Примечательно, что повышение уровня глутамата, аспартата и аланина, опосредованное остеопонтином-с, подавлялось NAC ниже исходного уровня, определяемого вектором MCF-7 (таблица 4). Это согласуется с необходимостью некоторой окислительно-восстановительной активности во всех случаях независимого от якоря выживания (сравните Приложение S1). Тем не менее, результаты также подтверждают уникальную связь некоторых окислительно-восстановительных промежуточных продуктов метаболизма, специфически связанных с митохондриальной активностью, с зависимыми от остеопонтина-с путями.

    Глутамин является медиатором эффекта остеопонтина-с

    Остеопонтин-с повышает уровень глутамина в мертвых клетках (сравните с рис. 3).Стандартная среда для культивирования клеток содержит 2 мМ L-глутамина. Для исследования зависимых от глютамина метаболических путей, связанных с эффектом остеопонтина-с, мы изменили уровни L-глютамина в среде на том основании, что его снижение будет частично подавлять метаболизм в мертвых клетках MCF-7 OPNc, в то время как его повышение будет имитируют некоторые эффекты остеопонтина-с в мертвых векторных клетках MCF-7. Сравнение метаболических профилей клеток MCF-7 OPNc в 2 мМ L-глутамина (стандарт) с клетками MCF-7 OPNc в 0.5 мМ L-глютамина (низкий), к векторным клеткам MCF-7 в 2 мМ L-глютамина (стандартный), к векторным клеткам MCF-7 в 4 мМ L-глутамина (высокий) показали, что L-глутамин необходим для модуляции уровня таурина и необходим, но недостаточен для пути креатин/О-фосфоэтаноламин/О-фосфохолин. Поскольку глутамин может превращаться в глутамат (катализируется глутаминсинтазой, GS) и аспартат (реакция трансаминирования, катализируемая аспартатаминотрансферазой, AST), его уровни коррелируют с уровнями этих продуктов (таблица 5).

    Транспорт глицерина способствует эффекту остеопонтина-с

    Глицерин играет важную роль в регуляции клеточного энергетического метаболизма. Он может транспортироваться в клетки через аквапорин-3. Хотя этот аквапорин экспрессируется на низких уровнях, этот аквапорин является единственным, который значительно активируется остеопонтином-с и индуцируется обработкой H 2 O 2 в мягком агаре (рис. 4А). Поэтому мы проверили влияние глицерина на образование клонов мягкого агара. Добавление автоклавированного глицерина к мягкому агару при анализе посева вызывало увеличение размера клона на 7-й день в клетках MCF-7 OPNc и MCF-7 OPNa+OPNc (не показано), но не в векторе MCF-7 или MCF-7 OPNa. клетки.Аналогичные результаты были получены с трансфицированными клетками ZR-75 (рис. 4В), что свидетельствует о том, что глицерин может усиливать передачу сигналов остеопонтина-с.

    Рисунок 4. Модуляция глицерином эффекта остеопонтина-с в раковых клетках.

    А) Индукция аквапоринов остеопонтином или перекисью водорода. Анализ микрочипов проводили после экстракции РНК клеток вектора MCF-7, MCF-7 OPNa и MCF-7 OPNc или необработанных и обработанных перекисью водорода клеток MCF-7 из мягкого агара на 7-й день после посева.Результаты исследовали на предмет изменения экспрессии аквапоринов. B ) Формирование клона мягкого агара трансфектантами MCF-7 (левая панель) или трансфектантами ZR-75 [44] (правая панель) в присутствии или в отсутствие глицерина. Анализы на мягком агаре проводили с добавлением 0,1% (об./об.) автоклавированного глицерина (20 мкл при посеве для клеток MCF-7, 5 мкл при посеве для клеток ZR-75) с поддерживающей дозой 0,2 мкл в 400 мкл. средний через день. Глицерин индуцировал размер клона клетками MCF-7 OPNc, но не векторными клетками MCF-7 в 3 дополнительных экспериментах (цифры указывают относительные размеры клонов).Вызванное глицерином увеличение размера клона клеток OPNc является значительным (по сравнению с необработанными клетками OPNc) при p<0,05. Каждый символ представляет среднее значение 12–23 точек данных для клеток MCF-7 и 11–25 точек данных для клеток ZR-75. gly  =  глицерин.

    https://doi.org/10.1371/journal.pone.0105675.g004

    Обилие остеопонтина-с коррелирует с экспрессией оксидоредуктазы в образцах пациентов

    Приведенные выше результаты показывают, что остеопонтин-с индуцирует оксидоредуктазы в клетках рака молочной железы.Чтобы подтвердить наши результаты экспериментов с клеточными линиями, мы спросили, коррелируют ли уровни экспрессии РНК остеопонтина-с со специфическими оксидоредуктазами (ранее было обнаружено, что они активируются при анализе микрочипов из мягкого агара) в тканях пациентов с раком молочной железы. Действительно, была сильная корреляция для остеопонтина-с с NDUFV1, NDUFS7 и GPX-4 и умеренная корреляция с PGDH (рис. 5).

    Рисунок 5. Уровни РНК генов остеопонтина-с и оксидоредуктазы в ткани рака молочной железы.

    кДНК из 22 образцов рака молочной железы человека [4] анализировали с помощью ОТ-ПЦР в реальном времени на предмет уровней экспрессии остеопонтина-с (ось x на всех графиках) по сравнению с NDUFV1 (вверху слева), NDUFS7 (вверху справа) , GPX-4 (внизу слева) и PGDH (внизу справа). Линии тренда на двойных логарифмических графиках показывают линейную корреляцию между двумя генными продуктами, коэффициентом корреляции R 2  = . Относительную численность рассчитывали по отношению к кДНК из эталонной клеточной линии (MCF-7 OPNc в мягком агаре) [18].

    https://doi.org/10.1371/journal.pone.0105675.g005

    Обсуждение

    Ранее мы описали поддержку независимости якоря в раковых клетках с помощью остеопонтина-с. Мы обнаружили, что это явление связано с активацией генов оксидоредуктазы [5]. Здесь мы получили механистическое представление об эффекте остеопонтина-с. Депривация АТФ связана с мертвогезией и приводит к аноикису [9]. Раковые клетки, отделившиеся от первичной опухоли, должны преодолеть дефицит энергии, чтобы выжить и образовать метастазы.Передача сигналов остеопонтина-с защищает мертвые клетки от гибели путем увеличения образования АТФ. Это отражается в повышенных уровнях генных продуктов и метаболитов, связанных с гексозомонофосфатным шунтом, гликолизом и митохондриальными комплексами, которые совместно способствуют активации дыхательной цепи. Цикл глутатиона играет регулирующую роль среди этих путей, что отражается в усилении субстрата глутатиона и индукции фермента GPX-4 (рис. 6А).Глицерин напрямую активирует митохондриальную дыхательную цепь посредством индукции глицерол-фосфатного челнока (рис. 6В). В редокс-нечувствительном компоненте пути, который требует глютамина, креатин синтезируется из серина через глицин и поддерживает энергетический метаболизм, увеличивая образование АТФ. Промежуточный продукт гликолиза 3-фосфоглицерат, вероятно, обеспечивает субстрат для синтеза серина. Повышенный поток серинового пути и использование глицина были выявлены при раке молочной железы [29], [30].Наши результаты показывают, что большая часть синтезированного серина может быть использована для производства креатина. Истощение доступного серина в пути образования АТФ может блокировать пути этаноламина и холина, что приводит к наблюдаемому накоплению фосфоэтаноламина и фосфохолина (рис. 6С). Компоненты пути, обрисованные в общих чертах на рисунках 4A и 4B, оба сходятся в митохондриальной дыхательной цепи. Компоненты пути на рисунках 4A и 4C связаны посредством гликолиза и глутаминолиза.Глутамин и глутамат могут входить в цикл глутатиона или цикл трикарбоновых кислот. Глутаминолиз может потенциально генерировать 12 молекул АТФ на молекулу глутамина, или его избыток может влиять на уровни глутамата и аспартата. Следует отметить, что, хотя настоящее исследование сосредоточено на селективных эффектах остеопонтина-с, этот вариант сплайсинга никогда не экспрессируется без полноразмерного варианта остеопонтина-а (нетрансформированные эпителиальные клетки молочной железы могут не экспрессировать остеопонтин или только остеопонтин-а, 75–80). % случаев рака молочной железы экспрессируют остеопонтин-а плюс остеопонтин-с).Наши исследования эффекта остеопонтина-а показали, что эта форма повышает уровень глюкозы в клетках, что, вероятно, поддерживает и усиливает эффект остеопонтина-с [11]. Результаты показывают, что выживаемость, независимая от привязки, достигается в раковых клетках, когда гены метастазирования синергируют для поддержания метаболического профиля, связанного с быстро растущими первичными опухолевыми клетками.

    Рисунок 6. Метаболические пути, на которые влияет остеопонтин-с.

    A) На схеме показаны связи между биохимическими путями глутатионового цикла, гексозомонофосфатного шунта (ГМФ), гликолиза, цикла трикарбоновых кислот (ЦТК) и дыхательной цепи.Ферменты (PGDH, GPX4, LDH), транспортеры (продукты гена SLC), метаболиты (глутамин, глутамат) и комплексы (I и IV дыхательной цепи), активируемые остеопонтином-с, согласуются с метаболическим сдвигом в сторону увеличения активности митохондриальной дыхательной цепи. . Гены и комплексы, активируемые остеопонтином-с, выделены красными прямоугольниками. Доказательства взяты из этого исследования [5] и поиска в Oncomine. кетоглута  =  кетоглутарат. B ) Путь показывает способ утилизации глицерина через глицеролфосфатный челнок, который поддерживается биологическими эффектами экзогенного глицерина и активацией фермента (G3PDH) и транспортера (аквапорина).Подобно пути А), глицеролфосфатный челнок активирует митохондриальную дыхательную цепь. C ) Активация креатина необходима для регуляции АТФ. Креатин производится из серина через глицин. Истощение доступного серина в этом процессе блокирует пути этаноламина (Etn) и холина (Cho) (пунктирные стрелки), что приводит к накоплению фосфоэтаноламина и фосфохолина (серые стрелки). Метаболиты с повышенной активностью в соответствии с ЯМР-анализом выделены красными прямоугольниками.Ptd  =  фосфатидил.

    https://doi.org/10.1371/journal.pone.0105675.g006

    Недавнее возрождение интереса к метаболизму раковых клеток, отчасти вызванное инновационными техническими возможностями, такими как масс-спектрометрия и ядерно-магнитный резонанс, позволило сделать некоторые выводы. в до сих пор загадочные аспекты канцерогенеза. Большое внимание было уделено пониманию эффекта Варбурга, и были предложены различные объяснения его молекулярных причин [31], [32].Напротив, телеологические объяснения того, почему и как метаболические изменения в раковых клетках могут способствовать их пролиферации и распространению, были ограничены и в значительной степени неудовлетворительны. Две известные теории предполагают, что митохондриальная гиперполяризация приводит к антиапоптозу, поскольку низкий уровень H 2 O 2 и высокий уровень NF-AT подавляют Kv-каналы [33] или что анаболические потребности удовлетворяются, если метаболизм глутамина генерирует НАДФН, который восстанавливает оксалоацетат для Цикл ТСА и поддерживает синтез белков и нуклеотидов [34].Оба объяснения предполагают метаболический вклад в ранние стадии трансформации. Остеопонтин-с действует на более поздних стадиях, способствуя прогрессированию опухоли. Он поддерживает независимость от якоря (необходимое условие для диссеминации) и вызывает метаболические изменения, которые приводят к выработке энергии, что проявляется в повышенных уровнях АТФ. Наши результаты показывают, что активация энергетического метаболизма важна для прогрессирования опухоли, и обеспечивает метаболическое объяснение независимой от привязки экспансии трансформированных, но не нетрансформированных клеток (последние не продуцируют остеопонтин-с).

    Роль активных форм кислорода в онкогенезе до конца не ясна. Фактически, они могут отрицательно или положительно влиять на трансформацию. Реактивные метаболиты кислорода могут оказывать защитное действие на хозяина благодаря своей способности убивать трансформированные клетки. По сути, это механизм действия различных противораковых препаратов. Количество супероксидов и пероксидов липидов в клетках увеличивается во время апоптоза, независимо от типа запускающего стимула [35], [36], а повышенные уровни гидроксильного радикала (ОН) обычно вызывают запрограммированную гибель клеток [37].Кроме того, окислительное повреждение увеличивается во всех тканях с возрастом и может привести к клеточному старению. Связанная со старением потеря функциональной способности происходит из-за молекулярных дефектов, вызванных накоплением активных промежуточных соединений кислорода, которые избегают элиминации из клетки защитными ферментными системами, такими как каталаза [38], [39]. На скорость укорочения теломер могут влиять (в дополнение к истории удвоения популяции) одноцепочечные разрывы, возникающие в результате окислительного стресса [40]. Гипероксия сокращает продолжительность репликативной жизни, в то время как низкое напряжение кислорода приводит к увеличению продолжительности репликативной жизни [41], [42].С другой стороны, считается, что активные формы кислорода представляют риск развития рака из-за их окислительных модификаций ДНК, которые могут активировать протоонкогены или инактивировать гены-супрессоры опухолей, что в любом случае приводит к чрезмерному прогрессированию клеточного цикла. Кроме того, окислительное повреждение ДНК, ведущее к потере функции генов репарации ДНК, вызывает геномную и генетическую нестабильность, что способствует изменению генов, связанных с трансформацией. Наконец, диссеминация опухолевых клеток является неотъемлемым признаком поздних стадий трансформации.Повышенные уровни перекиси водорода опосредуют метаболические изменения, которые обеспечивают независимое от адгезии выживание и последующее метастатическое распространение [25], [26]. Ген метастазирования остеопонтин-с действует как аутокринный индуктор.

    Различное воздействие остеопонтина-с и полноразмерной формы остеопонтина-а на независимость от крепления может отражать количественные различия в передаче сигналов, индуцированных двумя формами остеопонтина из-за разного сродства к одним и тем же рецепторам. В качестве альтернативы, это может отражать потерю функции остеопонтина-с из-за отсутствия экзона 4, усиление функции остеопонтина-с из-за образования уникального домена в соединении сплайсинга или и то, и другое.Экзон 4, утраченный в остеопонтине-с, содержит сайт трансглутаминирования и может отвечать за кальций-зависимую агрегацию остеопонтина-а, но не остеопонтина-с. Это означает, что остеопонтин-с остается растворимым даже в условиях, в которых остеопонтин-а сшит. Усиление функции, передающееся через последовательность вокруг сайта сплайсинга остеопонтина-с, подразумевается мутантом М3 (см. эффекты остеопонтина-с.Дальнейшие исследования будут посвящены рецепторным взаимодействиям остеопонтина-с и остеопонтина-а выше различных внутриклеточных сигнальных путей, задействованных этими формами.

    Хотя клетки MCF-7 и клетки ZR-75 являются ER-позитивными, мы ранее показали, что экспрессия OPN-c не зависит от гистологического типа рака молочной железы [4], и поэтому у нас есть основания полагать, что описанное наблюдение является общим для всех подтипов рака молочной железы. Это также согласуется с нашим мета-анализом, который обнаружил, что (общая) экспрессия остеопонтина не зависит от подтипов рака молочной железы, классифицированных по статусу рецептора [45].

    Авторские взносы

    Задумал и спроектировал эксперименты: MAK GFW. Выполнены опыты: ЗС BW TC. Проанализированы данные: ZS BW TC MAK GFW. Предоставленные реагенты/материалы/инструменты для анализа: MAK GFW. В написании рукописи участвовали: ZS BW TC MAK GFW.

    Каталожные номера

    1. 1. Глинский Г.В., Глинский В.В. (1996) Апоптоз и метастазирование: превосходная устойчивость метастатических раковых клеток к запрограммированной гибели клеток. Рак Летт 101: 43–51.
    2. 2. Такаока А., Адачи М., Окуда Х., Сато С., Явата А. и др. (1997)Активность против гибели клеток способствует легочному метастазированию клеток меланомы. Онкоген 14: 2971–2977.
    3. 3. Wong CW, Lee A, Shientag L, Yu J, Dong Y и др. (2001)Апоптоз: раннее событие метастатической неэффективности. Рак Рез. 61: 333–338.
    4. 4. Мирза М., Шонесси Э., Херли Дж. К., Ванпаттен К. А., Пестано Г. А. и др. (2008)Остеопонтин-с является высокоселективным маркером рака молочной железы.Int J Рак 122: 889–897.
    5. 5. He B, Mirza M, Weber GF (2006)Вариант сплайсинга остеопонтина индуцирует независимость привязки в клетках рака молочной железы человека. Онкоген 25: 2192–2202.
    6. 6. Вебер Г.Ф., Адлер Б., Ашкар С. (1999)Остеопонтин в реакциях на окислительный стресс. В: Ruffolo RR Jr, Feuerstein GZ, Hunter AJ, Poste G, Metcalf BW (Eds). Воспалительные клетки и медиаторы при заболеваниях ЦНС. Амстердам (Harwood Academic Publishers) 97–112.
    7. 7. Weber GF (2008) Молекулярные механизмы метастазирования.Рак Летт 270: 181–190.
    8. 8. Джаннони Э., Бурикки Ф., Гримальди Г., Парри М., Чалдай Ф. и др. (2008) Редокс-регуляция аноикиса: активные формы кислорода как важные медиаторы выживания клеток. Cell Death Differ 15: 867–878.
    9. 9. Шафер З.Т., Грассиан А.Р., Сонг Л., Цзян З., Герхарт-Хайнс З. и др. (2009)Антиоксидантное и онкогенное восстановление метаболических дефектов, вызванных потерей прикрепления к матрице. Природа 461: 109–113.
    10. 10. Канеба Калифорния.Bellance N, Yang L, Pabst L, Nagrath D (2012)Поглощение пирувата увеличивается в высокоинвазивных раковых клетках яичников в условиях аноикиса для анаплероза, митохондриальной функции и миграции. Am J Physiol Endocrinol Metab 303: E1036–E1052.
    11. 11. Ши З., Мирза М., Ван Б., Кеннеди М.А., Вебер Г.Ф. (2014)Остеопонтин-а изменяет гомеостаз глюкозы в независимых от привязки клетках рака молочной железы. Рак Летт. 344: 47–53.
    12. 12. Bai J, Rodriguez AM, Melendez JA, Cederbaum AI (1999)Сверхэкспрессия каталазы в цитозольном или митохондриальном отделе защищает клетки HepG2 от окислительного повреждения.J Biol Chem 274: 26217–26224.
    13. 13. Folkman J, Moscona A (1978)Роль формы клеток в контроле роста. Природа 273: 345–349.
    14. 14. Валентинис Б., Моррионе А., Перуцци Ф., Приско М., Рейсс К. и др. (1999)Антиапоптотическая передача сигналов рецептора IGF-I в фибробластах после потери адгезии к матрице. Онкоген 18: 1827–1836.
    15. 15. Гудпастер А., Ромик-Розендейл Л., Кеннеди М.А. (2010)Анализ статистической значимости данных метабономики на основе ядерного магнитного резонанса.Анальный биохим 401: 134–143.
    16. 16. Гудпастер А.М., Кеннеди М.А. (2011)Количественная оценка и анализ статистической значимости разделения групп в метабономических исследованиях на основе ЯМР. Хемометрика Intel Lab Sys 109: 162–170.
    17. 17. Ватанабэ М., Шериф С., Льюис К.Б., Тинч С.Л., Чо Дж. и др. (2012)Нацеленные на HMGA фосфоротиоатные ДНК-аптамеры повышают чувствительность к химиотерапии гемцитабином в клеточных линиях рака поджелудочной железы человека. Рак Летт 315: 18-27.
    18. 18.Pfaffl MW (2001) Новая математическая модель для относительного количественного определения в ОТ-ПЦР в реальном времени. Нуклеиновые кислоты Рез. 29: e45.
    19. 19. Хван С.М., Лопес К.А., Хек Д.Э., Гарднер К.Р., Ласкин Д.Л. и соавт. (1994) Остеопонтин ингибирует индукцию экспрессии гена синтазы оксида азота медиаторами воспаления в эпителиальных клетках почек мышей. J Biol Chem 269: 711–715.
    20. 20. Денхардт Д.Т., Лопес К.А., Ролло Э.Е., Хван С.М., Ан XR и др. (1995)Остеопонтин-индуцированные модификации клеточных функций.Анна. NY Acad Sci 760: 127–142.
    21. 21. Чу С., Хуанг К., Альварес К., Йелданди А.В., Рао М.С. и др. (1995)Трансформация клеток млекопитающих путем сверхэкспрессии H 2 O 2 -генерирующей пероксисомальной жирной ацил-КоА-оксидазы. Proc Natl Acad Sci USA 92: 7080–7084.
    22. 22. Timblin CR, Janssen YW, Mossman BT (1995) Активация транскрипции протоонкогена c-jun асбестом и h3O2 напрямую связана с повышенной пролиферацией и трансформацией эпителиальных клеток трахеи.Рак Рез. 55: 2723–2726.
    23. 23. Дадрас С.С., Торгейрссон С.С., Рао М.С., Редди Дж.К. (1998)Влияние образования перекиси водорода и апоптоза на неопластическую трансформацию мышиных фибробластов, сверхэкспрессирующих пероксисомальную жирную ацил-КоА-оксидазу. Int J Oncol 12: 37–44.
    24. 24. Йелданди А.В., Рао М.С., Редди Дж.К. (2000)Генерация перекиси водорода в онкогенезе, индуцированном пролиферацией пероксисом. Мутат Рез 448: 159–177.
    25. 25. Нельсон К.К., Ранганатан А.С., Мансури Дж., Родригес А.М., Провиденс К.М. и соавт.(2003) Повышенная активность sod2 увеличивает экспрессию матриксной металлопротеиназы: свидетельство участия эндогенной перекиси водорода в регуляции метастазирования. Clin Cancer Res 9: 424–432.
    26. 26. Коннор К.М., Хемпель Н., Нельсон К.К., Дабири Г., Гамарра А. и соавт. (2007)Супероксиддисмутаза марганца усиливает инвазивную и миграционную активность опухолевых клеток. Рак Res 67: 10260–10267.
    27. 27. Green TR, Fellman JH, Eicher AL, Pratt KL (1991) Антиоксидантная роль и субклеточное расположение гипотаурина и таурина в нейтрофилах человека.Биохим Биофиз Акта 1073: 91–97.
    28. 28. Hansen SH, Grunnet N (2013)Таурин, глутатион и биоэнергетика. Adv Exp Med Biol 776: 3–12.
    29. 29. Поссемато Р., Маркс К.М., Шауль Ю.Д., Паколд М.Е., Ким Д. и др. (2011) Функциональная геномика показывает, что путь синтеза серина важен при раке молочной железы. Природа 476: 346–350.
    30. 30. Джайн М., Нильссон Р., Шарма С., Мадхусудхан Н., Китами Т. и др. (2012) Профилирование метаболитов определяет ключевую роль глицина в быстрой пролиферации раковых клеток.Наука 336: 1040–1044.
    31. 31. Pan JG, Mak TW (2007) Метаболический таргетинг как противораковая стратегия: заря новой эры? Sci STKE 381: pe14.
    32. 32. McKnight SL (2010) Как добраться отсюда. Наука 330: 1338–1339.
    33. 33. Бонне С., Арчер С.Л., Аллалунис-Тернер Дж., Хароми А., Болье С. и др. (2007) Ось канала митохондрий-K + подавляется при раке, и ее нормализация способствует апоптозу и подавляет рост рака.Раковая ячейка 11: 37–51.
    34. 34. Деберардинис Р.Дж., Сайед Н., Дитсворт Д., Томпсон С.Б. (2008)По кирпичикам: метаболизм и рост опухолевых клеток. Curr Opin Genet Dev 18: 54–61.
    35. 35. Шютце С., Поттхофф К., Махлейдт Т., Беркович Д., Вигманн К. и др. (1992) TNF активирует NF-κB посредством фосфатидилхолин-специфической фосфолипазы C, индуцированной «кислым» распадом сфингомиелина. Ячейка 71: 765–776.
    36. 36. Обейд Л.М., Линардик С.М., Каролак Л.А., Ханнун Ю.А. (1993)Запрограммированная гибель клеток, индуцированная церамидом.Наука 259: 1769–1771.
    37. 37. Weber GF, Abromson-Leeman S, Cantor H (1995)Сигнальный путь, связанный с лигированием Т-клеточного рецептора суперантигеном MMTV, приводящий к временной активации и запрограммированной гибели клеток. Иммунитет 2: 363–372.
    38. 38. Харман Д. (1956) Старение: теория, основанная на свободных радикалах и радиационной химии. Дж Геронтол 11: 298–300.
    39. 39. Харман Д. (1987) Свободнорадикальная теория старения. В: Warner HR, Butler RN, Sprott RL, Schneider EL (eds).Современные биологические теории старения. Нью-Йорк (Raven Press) 81–87.
    40. 40. Sitte N, Saretzki G, von Zglinicki T (1998)Ускоренное укорачивание теломер в фибробластах после длительных периодов слияния. Free Rad Biol Med 24: 885–893.
    41. 41. von Zglinicki T, Saretzki G, Docke W, Lotze C (1995)Умеренная гипероксия укорачивает теломеры и ингибирует пролиферацию фибробластов: модель старения? Разрешение ячейки опыта 220: 186–193.
    42. 42. Chen Q, Fisher A, Reagan JD, Yan LJ, Ames BN (1995)Окислительное повреждение ДНК и старение диплоидных фибробластных клеток человека.Proc Natl Acad Sci USA 92: 4337–4341.
    43. 43. Родс Д.Р., Ю Дж., Шанкер К., Дешпанде Н., Варамбалли Р. и соавт. (2004) ONCOMINE: база данных раковых микрочипов и интегрированная платформа для сбора данных. Неоплазия 6: 1–6.
    44. 44. Shen H, Weber GF (2014)Соединение сплайсинга Osteopontin-c важно для функции. Молекулярный канцерогенез 53: 480–487.
    45. 45. Weber GF, Lett GS, Haubein NC (2011) Метаанализ остеопонтина как клинического маркера рака.Отчеты Oncol 25: 433–441.

    Метаболизм (для подростков) — Nemours KidsHealth

    Что такое метаболизм?

    Метаболизм (произносится: мех-ТАБ-э-лиз-ум) — это химические реакции в клетках организма, которые превращают пищу в энергию. Наше тело нуждается в этой энергии, чтобы делать все, от движения до мышления и роста.

    Специфические белки в организме контролируют химические реакции метаболизма. Одновременно происходят тысячи метаболических реакций, и все они регулируются организмом, чтобы наши клетки оставались здоровыми и работали.

    Как работает метаболизм?

    После того, как мы едим пищу, пищеварительная система использует ферменты для:

    • расщепляет белки до аминокислот
    • превращают жиры в жирные кислоты
    • превращают углеводы в простые сахара (например, глюкозу)

    При необходимости организм может использовать сахар, аминокислоты и жирные кислоты в качестве источников энергии. Эти соединения всасываются в кровь, которая разносит их к клеткам.

    После того, как они попадают в клетки, другие ферменты ускоряют или регулируют химические реакции, связанные с «метаболизмом» этих соединений.Во время этих процессов энергия этих соединений может быть высвобождена для использования организмом или сохранена в тканях организма, особенно в печени, мышцах и жировых отложениях.

    Метаболизм — это уравновешивание двух видов деятельности, происходящих одновременно:

    • создание тканей тела и запасов энергии (так называемый анаболизм)
    • разрушение тканей тела и запасов энергии для получения большего количества топлива для функций организма (так называемый катаболизм)

    Анаболизм (произносится: э-наб-э-лиз-ум), или конструктивный метаболизм, связан со строительством и хранением.Он поддерживает рост новых клеток, поддержание тканей организма и накопление энергии для будущего использования. При анаболизме маленькие молекулы превращаются в более крупные и сложные молекулы углеводов, белков и жиров.

    Катаболизм (произносится: kuh-TAB-uh-liz-um), или деструктивный метаболизм, — это процесс, производящий энергию, необходимую для всей деятельности клеток. Клетки расщепляют большие молекулы (в основном углеводы и жиры) для высвобождения энергии. Это обеспечивает топливо для анаболизма, нагревает тело и позволяет мышцам сокращаться, а телу двигаться.

    По мере того, как сложные химические единицы распадаются на более простые вещества, организм выбрасывает продукты жизнедеятельности через кожу, почки, легкие и кишечник.

    Что контролирует обмен веществ?

    Некоторые гормоны эндокринной системы помогают контролировать скорость и направление метаболизма. Тироксин, гормон, вырабатываемый и выделяемый щитовидной железой, играет ключевую роль в определении того, насколько быстро или медленно протекают химические реакции метаболизма в организме человека.

    Другая железа, поджелудочная железа, выделяет гормоны, которые помогают определить, является ли основная метаболическая активность организма в любой момент времени анаболической (произносится: ан-э-БОЛ-ик) или катаболической (произносится: кат-э-БОЛ-ик).Например, большая анаболическая активность обычно происходит после еды. Это потому, что прием пищи повышает уровень глюкозы в крови — самого важного топлива для организма. Поджелудочная железа чувствует этот повышенный уровень глюкозы и выделяет гормон инсулин, который сигнализирует клеткам об увеличении их анаболической активности.

    Метаболизм — сложный химический процесс. Поэтому неудивительно, что многие люди думают об этом в самом простом смысле: как о чем-то, что влияет на то, насколько легко наше тело набирает или теряет вес.Вот тут-то и появляются калории. Калория — это единица измерения количества энергии, которую та или иная пища дает организму. Шоколадный батончик содержит больше калорий, чем яблоко, поэтому он дает организму больше энергии, и иногда это может быть слишком хорошо. Подобно тому, как автомобиль хранит бензин в бензобаке до тех пор, пока он не понадобится для работы двигателя, тело сохраняет калории — в основном в виде жира. Если переполнить бензобак автомобиля, он выльется на тротуар. Точно так же, если человек потребляет слишком много калорий, они «перетекают» в виде избыточного жира в организме.

    Количество калорий, которое кто-то сжигает за день, зависит от того, сколько человек тренируется, количества жира и мышц в его или ее теле и основного обмена веществ (BMR) человека . BMR — это показатель скорости, с которой тело человека «сжигает» энергию в виде калорий в состоянии покоя.

    BMR может влиять на склонность человека к набору веса. Например, человек с низким BMR (который, следовательно, сжигает меньше калорий во время отдыха или сна) со временем будет набирать больше килограммов жира, чем человек аналогичного телосложения со средним BMR, который ест такое же количество пищи и получает одинаковое количество упражнений.

    На BMR

    могут влиять гены человека и некоторые проблемы со здоровьем. На это также влияет состав тела — люди с большим количеством мышц и меньшим количеством жира обычно имеют более высокий BMR. Но люди могут изменить свой BMR определенным образом. Например, человек, который больше тренируется, не только сжигает больше калорий, но и становится лучше физически, что увеличивает его или ее BMR.

    Половые различия в энергетическом метаболизме необходимо учитывать при изменении образа жизни у людей

    Женщины имеют более высокую долю жира в организме по сравнению с мужчинами.Тем не менее, женщины потребляют меньше килоджоулей на килограмм мышечной массы и сжигают жир более предпочтительно во время упражнений по сравнению с мужчинами. Во время беременности женщины откладывают еще большее количество жира, что нельзя объяснить исключительно повышенным потреблением энергии. Эти наблюдения показывают, что взаимосвязь между потребленными килоджоулями и использованными килоджоулями различна у мужчин и женщин. Причина этих половых различий в энергетическом обмене неизвестна; однако это может быть связано с половыми стероидами, различиями в резистентности к инсулину или метаболическими эффектами других гормонов, таких как лептин.При рассмотрении изменений образа жизни следует учитывать половые различия в энергетическом обмене. Кроме того, выяснение регулирующей роли гормонов в энергетическом гомеостазе важно для понимания патогенеза ожирения и, возможно, в будущем может привести к способам уменьшения жировых отложений с меньшим ограничением энергии.

    1. Введение

    Прибавка жира всегда считается результатом долгосрочного положительного энергетического баланса, при котором ежедневное потребление энергии превышает расход.С начала полового созревания до менопаузы у женщин поддерживается более высокий процент жировой массы тела (ЖМ), чем у мужчин, несмотря на меньшее потребление энергии на кг мышечной массы [1] и преимущественное использование жира в качестве топлива во время физических упражнений по сравнению с мужчинами [2]. Потенциальная причина этих результатов заключается в том, что более высокая FM у женщин связана с более эффективным накоплением жира в периоды без тренировок, особенно в постпрандиальные периоды [3]. Во время беременности женщины откладывают от 2,4 до 5,9 кг жира в организме, даже при недоедании [4].У хорошо питающихся женщин энергетические затраты на беременность составляют примерно 370 МДж [5]. То, как удовлетворяется эта потребность в энергии, не объясняется исключительно увеличением потребления энергии, так как предыдущие исследования не продемонстрировали этого в первой половине беременности [6, 7]. Репродуктивный период и период беременности характеризуются повышенным уровнем гормонов яичников. Имеющиеся данные указывают на то, что эстрогены способствуют гендерным различиям в ФМ и гестационным изменениям состава тела [3]. В исследованиях на людях и животных изучались возможные механизмы действия этих гормонов [8, 9].При рассмотрении изменений образа жизни необходимо учитывать половые различия в энергетическом обмене.

    Первая половина этой статьи посвящена различиям между мужчинами и женщинами: описываются гендерные различия в FM, обсуждаются аспекты энергетического метаболизма, которые могут объяснить эти различия, и обсуждаются ключевые метаболические роли гормонов яичников. На этом фоне вторая половина статьи посвящена составу тела и энергетическому балансу во время беременности.

    2. Гендерные различия в составе тела на протяжении всей жизни

    Как и у многих млекопитающих, у людей наблюдаются значительные различия в безжировой массе (МЖМ) и ЖМ между полами. Национальное обследование состояния здоровья и питания III (NHANES III), в котором приняли участие 15 912 человек, показало, что белые женщины неиспаноязычного происхождения в возрасте от 12 до 80 лет имеют более высокий процент FM, чем мужчины, начиная с полового созревания и варьируя от 6% до 11. % выше за каждое изучаемое десятилетие (см. табл. 1 и рис. 1) [10].Другие исследования также подтверждают мнение о том, что значительное половое расхождение в составе тела начинается с полового созревания [3]. Это половое различие сохраняется во всех этнических группах и наблюдается во всех популяциях, хотя на его величину влияют этнические, генетические и экологические факторы [11]. Существует не только разница в процентах FM между полами, но и общеизвестная разница в распределении жира в организме.

    3

    Возрастная диапазона (лет) мужчины (%) женщины (%) Разница (%) Разница (%)
    12-13.9 18,4 24,8 6,4
    20-29.9 21,8 31,0 8,2
    30-39.9 23,6 33,0 9,4
    40-49.9 24,2 35,4 11,2
    50-59.9 25,1 37,3 12,2
    60-69.9 26,2 36,9 10,7
    70-79.9 25.1103 25.1 35.9 10.8


    3. Гендерные разницы в энергетическом метаболизме

    Это может быть постулируется, что женщины хранят больше жира, потому что они потребляют больше энергии, чем они тратятся или что они хранят потребляемый жир более эффективно. Однако при сравнении ежедневного потребления энергии в когорте субъектов из NHANES III мужчины потребляли больше энергии, даже после поправки на безжировую массу (187 кДжкг -1 против 170 кДжкг -1) [1, 10]. .Одно из возможных объяснений заключается в том, что женщины более эффективно сохраняют энергию и откладывают ее в виде жира. Поддержкой этой точки зрения является признание того, что женщины должны сократить потребление пищи в большей степени, чтобы достичь такой же степени потери веса, как и мужчины [12]. Другое наблюдение состоит в том, что в первой половине беременности женщины увеличивают свой FM без явного увеличения потребления энергии или снижения ее расхода. Эта способность повышать FM без существенного увеличения потребления энергии указывает на существование метаболических адаптаций, которые могут способствовать гендерным различиям в FM.

    3.1. Метаболизм при физических нагрузках

    Различия в скорости окисления глюкозы и жиров во время физических упражнений, по-видимому, не объясняют половые различия в ФМ. Женщины преимущественно сжигают топливную смесь с более высоким содержанием жира и глюкозы во время упражнений [13]. Несмотря на это, женщины теряют меньше жира, чем мужчины, при одинаковом дефиците энергии [14–17]. Это может быть связано с более эффективным накоплением жира в периоды без тренировок [18, 19], учитывая, что у большинства здоровых людей менее 5% дня тратится на тренировки.Более высокая жировая масса у женщин может позволить им предпочтительно использовать этот источник энергии в качестве топлива во время тренировок, тогда как в свободное от тренировок время женщины откладывают жир более эффективно, чем мужчины.

    3.2. Постпрандиальный метаболизм

    Поскольку женщины не потребляют больше энергии по сравнению с мужчинами, но преимущественно окисляют жир во время упражнений, кажется логичным предположить, что их более высокий FM связан с повышенным накоплением жира в периоды без тренировок. Действительно, было обнаружено, что женщины возвращаются к состоянию пониженного окисления жирных кислот сразу после тренировки, которое сохраняется в течение нескольких часов [21].Кроме того, сообщалось, что постпрандиальное высвобождение свободных жирных кислот из жировой ткани у женщин ниже, чем у мужчин [22, 23]. Несколько поперечных исследований, сравнивающих мужчин и женщин, показали, что мужчины окисляют больший процент проглоченного жира [24, 25]. Используя радиофармпрепараты, эти авторы также показали, что постпрандиальное поглощение жирных кислот подкожной тканью верхней части тела и жировой тканью нижней части тела было выше у женщин, чем у мужчин. Поскольку количество энергии, затрачиваемое в постабсорбтивном и постпрандиальном состояниях, больше, чем во время упражнений, это будет иметь большое влияние на общее накопление жира и FM.

    Считается, что эстроген частично отвечает за это снижение постпрандиального окисления жирных кислот. В проспективных исследованиях с использованием пероральной терапии эстрогенами сообщалось о снижении постпрандиального окисления жирных кислот. В одном исследовании было обнаружено значительное снижение постпрандиального окисления жирных кислот, связанное с небольшим увеличением FM [27]. Аналогичные изменения были обнаружены у женщин с дефицитом гормона роста при пероральной терапии эстрогенами [28]. В другом исследовании сообщалось о большем снижении постпрандиального окисления жирных кислот при пероральном приеме эстрогена по сравнению с трансдермальной терапией, связанной со значительным увеличением ФМ [29].Это наблюдение, зависящее от пути, повышает вероятность того, что пероральная терапия эстрогенами оказывает влияние на печень во время метаболизма первого прохождения. Таким образом, исследования с использованием экзогенных эстрогенов показали, что эффективное накопление жира у женщин было опосредовано снижением постпрандиального окисления жирных кислот, скорее всего, из-за эстрогенного влияния на печеночную переработку пищевых жиров.

    Однако метаболический эффект лечения экзогенными эстрогенами может отличаться от такового эндогенных эстрогенов по нескольким причинам.Экзогенные синтетические эстрогены, как правило, более активны [30] и имеют другие фармакокинетические характеристики [31]. Существует несколько типов эндогенных эстрогенов, и каждый из них может иметь несколько разные или синергетические действия [30]. Проспективные исследования во время гиперэстрогенного состояния беременности идеально подходят для изучения влияния эндогенных эстрогенов на постпрандиальное окисление жирных кислот. Тем не менее, логистические трудности изучения беременных женщин до беременности означают, что на сегодняшний день было проведено ограниченное количество проспективных исследований достаточного размера выборки энергетического обмена во время беременности.Спаай и др. [32] изучали 27 женщин в период от до беременности до родов. Они обнаружили, что постпрандиальное окисление жира не отличалось от показателей до беременности в течение первых 13 недель, а затем фактически увеличилось. В перекрестных исследованиях Nagy и King [33] не обнаружили различий в постпрандиальном окислении жирных кислот между 6 небеременными и 10 беременными субъектами, в то время как более крупное исследование (2) выявило значительное снижение окисления жирных кислот в группе беременных [34]. Однако из-за значительных межсубъектных различий результаты перекрестных исследований следует интерпретировать с осторожностью.

    В заключение, было показано, что снижение постпрандиального окисления жирных кислот способствует увеличению FM. Лечение экзогенными эстрогенами, по-видимому, вызывает это снижение, возможно, за счет подавления переработки пищевых жиров в печени во время метаболизма первого прохождения. Однако из-за сложного действия эндогенных эстрогенов, небольшого числа исследований и несоответствий в дизайне исследований влияние эндогенных эстрогенов на метаболизм требует дальнейших исследований.

    4. Регуляция метаболизма и состава тела половыми гормонами

    Более высокая доля ФМ у женщин и увеличение ФМ в первой половине беременности может быть связано с влиянием половых гормонов на метаболические процессы, такие как липолиз и накопление жирных кислот .В рассмотренной литературе есть данные, позволяющие предположить, что эти эффекты могут быть опосредованы через печеночные мишени, мишени адипоцитов и адипокины, такие как лептин. Однако то, как эти пути взаимодействуют, сложно и, как правило, плохо изучено.

    4.1. Печеночные мишени

    Эстроген может оказывать ингибирующее действие на окисление жирных кислот в печени, основном участке метаболизма жирных кислот. Несколько исследований in vitro на мышиных гепатоцитах показали, что фармакологические концентрации эстрогена снижают кетогенез (продукт окисления жирных кислот) и увеличивают включение жирных кислот в триглицериды [9, 35].Аналогичные результаты были получены у людей, где пероральная терапия эстрогенами, назначаемая женщинам с гипогонадизмом и постменопаузой, снижала постпрандиальное окисление жиров и повышала уровень триглицеридов [29, 36–38]. Это указывает на то, что экзогенный эстроген направляет внутрипеченочные жирные кислоты от окислительных путей к липогенным путям.

    Напротив, эффекты эндогенных эстрогенов объяснить гораздо труднее. Исследования, сравнивающие женщин в фолликулярную и лютеиновую фазы менструального цикла, не выявили различий в энергетическом обмене, возможно, из-за различий в изменении уровня эстрогенов и влияния прогестерона [24, 39].Исследования, связывающие концентрацию эстрогена и постпрандиальное окисление жирных кислот у беременных и небеременных, рассматривали метаболизм жира в организме, а не изолировали влияние на печень. Кроме того, в этом контексте не изучался прогестерон, у которого было показано синергическое и антагонистическое действие в зависимости от системы органов с эстрогеном [8].

    4.2. Адипоциты-мишени

    Рецепторы эстрогенов, прогестерона и андрогенов присутствуют в жировых тканях [26].Как видно из таблицы 2, экспрессия этих рецепторов зависит от депо и пола [40, 41]. Рецепторы эстрогена выше в подкожных отложениях у женщин, что может объяснить, почему у женщин больше подкожных ягодичных и бедренных отложений жира [40, 41]. Генетические мужчины с нечувствительностью к андрогенам имеют женский габитус тела [42], в то время как женщины, получающие экзогенные андрогены или страдающие вирилизирующими расстройствами, разовьют мужской габитус тела [40, 43-45]. У женщин в постменопаузе наблюдается увеличение соотношения талии и бедер и количества депо висцеральной жировой ткани [32, 46, 47], что частично устраняется введением эстрогенов [48].Все эти данные указывают на то, что связывание половых гормонов с их рецепторами жировой ткани, возможно, способствует адипогенезу в некоторых областях тела. Хотя известно, что транскрипция многих генов адипоцитов регулируется половыми гормонами [26], точные клеточные механизмы до конца не выяснены.

    +

    Receptor висцерального жира Подкожный жир
    Женский Мужской Женский Мужской

    ИЛИ- α + + + ++ + +
    или β + + +++ +++
    Pr-A +
    PR-B + ++ —
    AR ++ ++ +

    ИЛИ рецептор эстрогена; рецептор прогестерона PR; Рецептор андрогена АР.
    4.3. Лептин

    Лептин представляет собой гормон жировой ткани, который ингибирует набор жира, способствуя гипофагии и гиперметаболизму [49]. Таким образом, лептин играет важную роль в том, чтобы помочь FM оставаться относительно постоянной во взрослом возрасте. Существуют гендерные различия в уровнях лептина, которые развиваются в период полового созревания и, как полагают, индуцируются половыми гормонами.

    Концентрация лептина на килограмм массы тела у женщин выше, чем у мужчин. Эта разница устраняется после поправки на циркулирующие концентрации половых гормонов [50].Исследования показали, что выработка лептина ингибируется андрогенами и стимулируется эстрогенами [26, 50]. Эстроген оказывает прямое влияние на FM, поскольку он повышает экспрессию лептина в адипоцитах [51]. Центральные эффекты также могут присутствовать, поскольку рецепторы эстрогена были обнаружены в ядрах гипоталамуса, контролирующих энергетический гомеостаз. Предполагается, что циркулирующие эстрогены связываются с этими рецепторами и изменяют чувствительность гипоталамуса к сигналам, опосредованным лептином, тем самым влияя на секрецию лептина и, возможно, на метаболизм и даже фертильность [52–54].

    Однако взаимосвязь между лептином, эстрогеном и составом тела сложна, поскольку при менопаузе или при заместительной терапии эстрогенами лептин не изменяется [26]. Потеря веса связана со снижением уровня лептина и гипогонадизмом [55]. Кроме того, гиперандрогенизм и снижение выброса эстрогенов при поликистозе яичников не влияют на уровень лептина [56, 57]. Таким образом, на роль лептина в регуляции ФМ потенциально влияет эстроген, однако механизм действия до конца не ясен.

    5. Энергетический баланс во время беременности

    Женская репродукция требует повышенного количества энергии. Тем не менее, на протяжении всей истории женщины вынашивали свое зачатие в самых разных условиях питания. Это свидетельствует о наличии мощных метаболических адаптаций [3]. Во время беременности энергия требуется для роста тканей зачатия и размножения, поддержания этих тканей и подготовки к лактации. Бьютт и Кинг [58] обнаружили, что средняя прибавка в весе составляет 13.8 кг, включая 4,3 кг жира, представляют собой потребность в энергии во время беременности. Основываясь на этой модели, Продовольственная и сельскохозяйственная организация, Всемирная организация здравоохранения и Университет Организации Объединенных Наций подсчитали, что потребность в энергии во время беременности составляет 360–370 МДж. Это эквивалентно дополнительным 1300 кДж/день, что на 15% превышает потребности небеременных женщин. Однако было показано, что гестационные потребности колеблются от 30 МДж до 520 МДж у женщин с недоеданием и перееданием [59]. Эта изменчивость указывает на наличие метаболических приспособлений для поддержания беременности в различных условиях питания.

    Теоретически этот дополнительный спрос может быть удовлетворен либо за счет увеличения потребления энергии, снижения ее расходов и/или мобилизации жировых запасов. Вопреки ожиданиям, многочисленные проспективные и перекрестные исследования показали, что первая половина беременности связана с небольшим увеличением потребления энергии или без него [6, 60–62]. Одно исследование проспективно наблюдало за женщинами на протяжении всей беременности и сообщило, что потребление энергии в первом триместре беременности идентично до беременности [63]. Вместо снижения энергозатраты во время беременности прогрессивно возрастали [4, 64, 65].Точно так же об изменениях термогенеза, вызванного диетой, во время беременности не сообщалось, поэтому снижение термогенеза, вызванного диетой, может не объяснять положительный энергетический баланс [4, 33, 66–70].

    Приведенные выше наблюдения позволяют предположить, что затраты энергии во время беременности компенсируются за счет снижения общего расхода энергии. Тем не менее, убедительные доказательства не показывают, что значительное увеличение потребления энергии или снижение расхода энергии являются основными причинами увеличения ФМ в первой половине беременности.Также важно отметить, что беременность является очень пластичным метаболическим состоянием, поскольку даже у женщин с недостаточным питанием может поддерживаться ФМ [59]. Таким образом, причина увеличения гестационного жира может быть в основном связана с изменениями в метаболических путях, регулирующих окисление или накопление определенных видов топлива, особенно жира.

    6. Заключение

    На протяжении всей репродуктивной жизни женщины сохраняют более высокую долю жира в организме по сравнению с мужчинами, и эта разница усиливается во время гиперэстрогенного состояния беременности.Однако исследования не смогли продемонстрировать избыток энергии во всех отношениях. Возможно, женщины недооценивают потребление пищи; однако в некоторых исследованиях сообщается, что мужчины недооценивают потребление пищи по сравнению с женщинами [71]. Также необходимо учитывать различия в физической активности между полами. Женщины имеют более высокий процент телесного жира, и вполне возможно, что гормоны яичников, особенно эстроген, могут объяснить эти наблюдения, способствуя постпрандиальному превращению пищевой энергии в жир.Эта теория должна быть подтверждена более крупными проспективными исследованиями и исследованиями во время естественных гиперэстрогенных состояний, таких как беременность. Действие эстрогенов может быть опосредовано через гепатоциты и адипоциты-мишени, а также через регуляцию гормонов, таких как лептин.

  • 0 comments on “Обмен веществ пластический и энергетический обмен таблица: Пластический и энергетический обмен – процессы и их отличия в таблице

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.