معلومة

7.20: المسارات الأيضية - علم الأحياء


نتائج التعلم

تحديد أنواع مختلفة من مسارات التمثيل الغذائي

ضع في اعتبارك عملية التمثيل الغذائي للسكر. هذا مثال كلاسيكي لواحدة من العديد من العمليات الخلوية التي تستخدم وتنتج الطاقة. تستهلك الكائنات الحية السكريات كمصدر رئيسي للطاقة ، لأن جزيئات السكر تحتوي على قدر كبير من الطاقة المخزنة في روابطها. بالنسبة للجزء الأكبر ، تنتج الكائنات الحية مثل النباتات هذه السكريات. أثناء عملية التمثيل الضوئي ، تستخدم النباتات الطاقة (في الأصل من ضوء الشمس) لتحويل غاز ثاني أكسيد الكربون (CO2) في جزيئات السكر (مثل الجلوكوز: ج6ح12ا6). يستهلكون ثاني أكسيد الكربون وينتجون الأكسجين كمنتج نفايات. يتم تلخيص رد الفعل هذا على النحو التالي:

نظرًا لأن هذه العملية تنطوي على توليف جزيء لتخزين الطاقة ، فإنها تتطلب إدخال طاقة للمضي قدمًا. أثناء التفاعلات الخفيفة لعملية التمثيل الضوئي ، يتم توفير الطاقة بواسطة جزيء يسمى أدينوزين ثلاثي الفوسفات (ATP) ، وهو عملة الطاقة الأولية لجميع الخلايا. مثلما يتم استخدام الدولار كعملة لشراء السلع ، تستخدم الخلايا جزيئات ATP كعملة للطاقة لأداء عمل فوري. في المقابل ، يتم استهلاك جزيئات تخزين الطاقة مثل الجلوكوز فقط ليتم تفتيتها لاستخدام طاقتها. يمكن تلخيص التفاعل الذي يحصد طاقة جزيء السكر في الخلايا التي تتطلب الأكسجين للبقاء على قيد الحياة من خلال رد الفعل العكسي لعملية التمثيل الضوئي. في هذا التفاعل ، يتم استهلاك الأكسجين ويتم إطلاق ثاني أكسيد الكربون كمنتج نفايات. يتم تلخيص رد الفعل على النحو التالي:

كل من ردود الفعل هذه تنطوي على العديد من الخطوات.

توضح عمليات صنع وتحطيم جزيئات السكر مثالين على مسارات التمثيل الغذائي. المسار الأيضي عبارة عن سلسلة من التفاعلات الكيميائية التي تأخذ جزيء البدء وتعديله ، خطوة بخطوة ، من خلال سلسلة من الوسائط الأيضية ، مما ينتج عنه في النهاية منتج نهائي. في مثال استقلاب السكر ، أول مسار استقلابي يصنع السكر من جزيئات أصغر ، والمسار الآخر يقسم السكر إلى جزيئات أصغر. يشار إلى هاتين العمليتين المتعارضتين - الأولى تتطلب طاقة والثانية منتجة للطاقة - بالمسارات الابتنائية (بناء البوليمرات) والمسارات التقويضية (تحطيم البوليمرات إلى مونومراتها) ، على التوالي. وبالتالي ، فإن التمثيل الغذائي يتكون من التوليف (الابتنائية) والتدهور (الهدم) (الشكل 1).

من المهم معرفة أن التفاعلات الكيميائية لمسارات التمثيل الغذائي لا تحدث من تلقاء نفسها. يتم تسهيل أو تحفيز كل خطوة من خطوات التفاعل بواسطة بروتين يسمى الإنزيم. الإنزيمات مهمة لتحفيز جميع أنواع التفاعلات البيولوجية - تلك التي تتطلب طاقة بالإضافة إلى تلك التي تطلق الطاقة.


نظرة ثاقبة على المسارات الأيضية الخلوية لاستجابات السمية المجمعة لخلايا Caco-2 المعرضة لديوكسينيفالينول وزيرالينون وأفلاتوكسين ب1

تمت دراسة التنميط الأيضي في خلايا Caco-2 للتأثيرات السامة المجمعة للسموم الفطرية.

العلاج المشترك DON + AFB1 و DON + ZEN + AFB1 له "تأثير تآزري" واضح.

تعمل السموم الفطرية المجمعة على تنظيم جينات Bcl-2 وتنظم جينات Bax و p53 و caspase-3 و caspase-8 و caspase- 9.

تؤثر السموم الفطرية المشتركة بشكل خطير على استقلاب الجلايسين والسيرين والثريونين ، وأيض البيروفات.


تحسين مسارات تثبيت الكربون

كان الدافع وراء عودة ظهور الأبحاث الأساسية والتطبيقية حول التمثيل الضوئي جزئيًا هو الاعتراف بأن تلبية متطلبات الغذاء والطاقة في المستقبل سوف تتطلب تحسينات في كفاءة تثبيت الكربون في المحاصيل. تتم إعادة فحص التمثيل الضوئي في المحاصيل الأرضية التقليدية في ضوء الاستراتيجيات الجزيئية التي تستخدمها ميكروبات التمثيل الضوئي لتعزيز نشاط دورة كالفين. تتمتع البيولوجيا التركيبية بموقع جيد لتوفير مناهج أصلية لتقسيم تفاعلات التمثيل الضوئي وتعزيزها بطريقة مستقلة عن الأنواع. علاوة على ذلك ، فإن توضيح طرق تثبيت الكربون البديلة المتميزة عن دورة كالفين يزيد من احتمالات إمكانية استخدام مسارات وكائنات جديدة لإصلاح ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي إلى مواد مفيدة.

يسلط الضوء

يعد التثبيت البيولوجي للكربون جزءًا مهمًا من جهود استدامة الطاقة. ينشأ تحسين دورة كالفين عن طريق هندسة مسارات مهملة لتحديد المعدل. تقدم البيولوجيا التركيبية مناهج جديدة لتحسين كفاءة التمثيل الضوئي. طرق تثبيت الكربون البديلة / الاصطناعية آخذة في الظهور باعتبارها ذات صلة صناعية.


المواد والأساليب

مزارع الخلايا

الخلايا الليفية الجلدية الأساسية الطبيعية (NHDF) من الذكور حديثي الولادة (Camprex # CC-2509 المشروح NHDF-1 و ATCC # CRL-2429 المشروح NHDF-2) ، تم زراعتها عند 37 درجة مئوية و 5 ٪ (ت / ت) CO2 في وسط RPMI 1640 (BioWhittaker) يحتوي على 10٪ (حجم / حجم) مصل عجل الجنين (BioWhittaker). تم استخدام خلايا التجارب بين الممر 9 و 13. بعد الزراعة المسبقة ، تم نقل الثقافات إلى قوارير بحجم 150 سم 2 وحصدت عند التقاء فرعي بعد حوالي 72 ساعة في وسط RPMI 1640 (مع 2 جم / لتر جلوكوز) ، أو خالية من الجلوكوز متوسط ​​RPMI 1640 مكمل بـ 2 جم / لتر من الجالاكتوز ، وكلاهما مكمل بـ 10٪ من مصل العجل الجنيني.

تخصيب الميتوكوندريا

تم تعليق خلايا من أربع قوارير بحجم 150 سم 2 في محلول MOPS سعة 10 مل (10 ملي مولار ، درجة الحموضة 7.2) يحتوي على السكروز (200 ملي مولار) ، EDTA (0.1 ملي مولار) ومثبط البروتياز (مكتمل من روش). تم تعطيل الخلايا على الجليد بمقدار 30 ضربة في الخالط Dounce. تمت إزالة حطام الخلية بخطوتين للطرد المركزي عند 600 × جم لمدة 7 دقائق ، حيث تم التخلص من الكريات وطرد الطاف الناتج عند 10000 × جم لمدة 15 دقيقة. تم غسل الحبيبات المحتوية على الميتوكوندريا في المخزن المؤقت MOPS (الرقم الهيدروجيني 7.2) بدون مثبط البروتياز ، وطرده عند 10000 × جم لمدة 15 دقيقة وتخزينه عند -80 درجة مئوية. بعد إضافة عينة عازلة من مجموعة iTRAQ (Applied Biosystems ، Foster City ، كاليفورنيا ، الولايات المتحدة الأمريكية) تتكون من 0.5 متر من محلول بيكربونات ثلاثي إيثيل الأمونيوم (pH 8.5) مع 0.1 ٪ SDS ، تمت معالجة العينات بالموجات فوق الصوتية (Branson Sonifier 250 ، Branson Ultrasonics corp . ، دانبري ، الولايات المتحدة الأمريكية) عند التحكم في الإخراج 3 ودورة عمل 30٪ لثلاث جولات من 10 ثوانٍ مع دقيقة واحدة على الجليد بين كل جولة.

تحليل لطخة غربية

تم فصل عينات بروتين الميتوكوندريا ، 6 ميكروغرام لكل بئر ، على 12 ٪ هلام بولي أكريلاميد SDS-bis-Tris (BioRad). تم تحميل كل عينة في ثلاث نسخ ، وتم تحميل سلسلة تخفيف قياسية بخمسة تراكيز في نسختين على كل هلام للأغراض الكمية. تم إجراء النشاف على غشاء PVDF على خلية نقل شبه جافة (BioRad). تم إجراء الكشف وفقًا لتعليمات الشركة المصنعة لكواشف الكشف عن النشاف الغربي ECL Plus (GE Healthcare). تم تحضين الغشاء طوال الليل بأجسام مضادة أولية ضد NDUFA9 (MitoSciences ، Eugene ، Oregon ، الولايات المتحدة الأمريكية) و VDAC1 / porin (Abcam ، Cambridge ، Massachusetts ، USA). تم فحص البقع على ChemiDoc (UVP ، Upland ، كاليفورنيا ، الولايات المتحدة الأمريكية) وتم إجراء قياس الكثافة في برنامج ImageQuant 5.0 (Molecular Dynamics ، Sunnyvale ، كاليفورنيا ، الولايات المتحدة الأمريكية). تم حساب النسبة بين كمية البروتين في NDUFA9 والتحكم في التحميل VDAC1 لكل حارة وتمت مقارنة القيم الثلاثة الناتجة من عينات الجلوكوز والجلاكتوز.

وضع العلامات على نظام iTRAQ وفصل IEF وتنقية الببتيدات

تم قياس تركيزات البروتين في العينات المخصبة للميتوكوندريا بواسطة مقايسة برادفورد (مختبرات Bio-Rad) وتمت معالجة 100 ميكروغرام من كل عينة بروتين وفقًا لتعليمات الشركة الصانعة iTRAQ (النظم البيولوجية التطبيقية). تم هضم كل عينة بروتين مع 2 ميكروغرام من التربسين (Trypsin Gold من Promega ، Madison ، Wisconsin ، الولايات المتحدة الأمريكية) طوال الليل عند 30 درجة مئوية في المخزن المؤقت لعينة iTRAQ. تم استخدام مجموعات مختلفة من ملصقات iTRAQ المكونة من 4 صفحات ، واثنين من الملصقات لكل تشغيل LC-MS / MS ، في أربع تجارب مختلفة لتقليل مخاطر الأخطاء المنهجية. بعد وضع العلامات على iTRAQ ، تم دمج عينات الببتيد وتنقيتها لاحقًا باستخدام التبادل الكاتيوني القوي (SCX) - خرطوشة Strata من Phenomenex (Torrence ، كاليفورنيا ، الولايات المتحدة الأمريكية). قبل التحميل ، تم تعديل العينات إلى الرقم الهيدروجيني 3.0 عن طريق التخفيف على الأقل بعامل عشرة في 10 ملي مولار من حامض الفوسفوريك مع 25٪ أسيتونيتريل (AcN) ودرجة الحموضة 3.0 ، والتي كانت أيضًا بمثابة محلول غسيل. تمت التصفية التتابعية للببتيدات بمزيج من 5٪ من الأمونيا و 30٪ ميثانول وتجفيفها بعد ذلك بالفراغ. تم فصل الببتيدات عن طريق التركيز الكهربي (IEF) على وحدة Multiphor II (Pharmacia Biotech AB ، أوبسالا ، السويد) باستخدام درجة الحموضة المتدرجة البلورية (IPG) درجة الحموضة 3.5-4.5 هلام (GE Healthcare ، Uppsala ، السويد) ، نطاق الأس الهيدروجيني سابقًا يظهر أنه يعطي تغطية عالية للبروتينات [23]. تمت إذابة العينة في محلول معالجة الجفاف ، وتحتوي على 8 م يوريا ، و 0.5٪ محلول IPG 3.5-5 (GE Healthcare) و 0.002٪ بروموفينول أزرق ، وتم ترطيب 18 سم بالتنقيط طوال الليل. تم تشغيل IEF لمدة 59 كيلو فولت في الساعة باستخدام البرنامج التالي: 1 دقيقة من التدرج من 0-500 فولت ، 1.5 ساعة من التدرج من 500-3500 فولت متبوعًا بـ 16 ساعة عند 3500 فولت. تم مسح شريط الجل بورق الترشيح لإزالة فائض زيت الغطاء من IEF ومقطع إلى عشر قطع متساوية الحجم. تم استخلاص الببتيدات من الهلام على خطوتين ، كل منهما ساعة واحدة ، مع 100 ميكرولتر 5٪ AcN ، 0.5٪ حمض ثلاثي فلوراسيتيك (TFA) ، وتنقيته على أعمدة PepClean C-18 Spin (بيرس ، روكفورد ، إلينوي ، الولايات المتحدة الأمريكية) وفقًا لـ بروتوكول الشركة المصنعة.

تحليل الكروماتوغرافيا السائلة النانوية وتحليل الطيف الكتلي (MS)

تم فصل مخاليط الببتيد بواسطة كروماتوجرافيا سائلة (Easy nLC من Proxeon ، Odense ، الدنمارك) مقترنة بمطياف الكتلة (LTQ-Orbitrap ، Thermo Fisher Scientific ، Waltham ، الولايات المتحدة الأمريكية) من خلال مصدر رش كهربائي نانوي مع باعث فولاذي مقاوم للصدأ (Proxeon). تم فصل الببتيدات على عمود طور عكسي ، بقطر 75 ميكرومتر وطول 100 مم ، معبأة بجزيئات 3.5 ميكرومتر Kromasil C18 (Eka Chemicals ، Bohus ، السويد) بتدفق 300 nL / دقيقة باستخدام تدرج 100 دقيقة من AcN في حمض أسيتيك 0.4٪ يبدأ بـ 5٪ وينتهي بـ 35٪ AcN. يتكون الكشف عن قياس الطيف الكتلي من مسح كامل (m / z 400-2000) مع اكتشاف Orbitrap بدقة R = 60،000 (عند m / z 400) متبوعًا بما يصل إلى أربعة عمليات مسح MS / MS تعتمد على البيانات ، مع مصيدة أيونات خطية (LTQ) الكشف عن أقوى الأيونات. تم استخدام الاستبعاد الديناميكي لـ 25 ثانية بالإضافة إلى رفض حالة الشحن +1 وإعادة المعايرة في الوقت الفعلي [24] بواسطة كتلة القفل على m / z 445.120025. تم إجراء تجزئة التفكك النبضي Q (PQD) بوقت تنشيط قدره 0.1 ثانية وتفعيل Q قدره 0.7. للتجزئة الفعالة والكشف عن أيونات مراسل iTRAQ ، تم استخدام طاقة الاصطدام الطبيعية البالغة 33 منذ أن أظهرت تجارب التحسين أنها أعطت أكبر عدد من الببتيدات المحددة بإشارة iTRAQ. تم تصميم مراقبة الأيونات المختارة (SIM) كمسح يعتمد على البيانات ويستهدف قيم m / z للببتيدات النمطية (عادةً ببتيدان لكل بروتين) ، والتي تم تحديدها في العمليات التجريبية السابقة. تم إجراء تحليلات بطاقة SIM باستخدام المسح الكامل في LTQ ، متبوعًا ببطاقة SIM في Orbitrap (مع نافذة عرض كتلة تبلغ ± 3 m / z) و MS / MS في LTQ. وهكذا تم إجراء عمليات مسح التجزئة والحصول على إشارة iTRAQ في تحليلات SIM بنفس الطريقة كما في العمليات التجريبية القياسية السابقة. كان هناك ما يقرب من 35 ببتيدًا في قائمة التضمين لكل شوط ، مع حد زمني للاحتفاظ بـ ± 5 دقائق.

عمليات البحث والإحصاءات في قاعدة البيانات

تمت معالجة ملفات البيانات الأولية باستخدام extract_msn.exe (Thermo Fischer Scientific) لتوليد قوائم الذروة من الأطياف الترادفية. تم البحث في البيانات المعالجة باستخدام Mascot http://www.matrixscience.com الإصدار 2.2.04 (Matrix Science ، لندن ، المملكة المتحدة) ، والذي تم استخدامه لتحديد البروتين وتقدير مراسل iTRAQ. كان تحمل المسح الكامل 5 جزء في المليون ، وكان تحمل MS / MS 0.9 Da ، وتم قبول ما يصل إلى شقين مفقودين. كانت التعديلات الثابتة هي تلك التي نشأت من بروتوكول iTRAQ: تم تعيين iTRAQ-4plex من lysine و N-terminal وتعديل methylthio للسيستين ، في حين تم تعيين أكسدة الميثيونين و iTRAQ-4plex من التيروزين كتعديلات متغيرة. تم تعيين عتبة الأهمية على 0.001 ، مما أدى إلى تكرار اكتشاف خاطئ أقل من 0.003 عند البحث في Mascot مقابل قاعدة بيانات شرك للتسلسلات العشوائية. في كل دراسة ، تم دمج جميع قوائم الذروة التي تم إنشاؤها ، من التحليلات القياسية وكذلك من تحليلات SIM ، لعشرة أجزاء مختلفة من الببتيدات معًا. تم البحث في الملفات المدمجة مقابل الإصدار 3.45 من قاعدة البيانات البشرية IPI (71983 تسلسلًا ، تم إصداره في 6/10/2008) باستخدام خوارزمية MudPIT الخاصة بـ Mascot. يمكن العثور على بيانات تعريف البروتين في ملفات إضافية [انظر الملفات الإضافية 1 و 2 و 3 و 4]. في جميع أنحاء المخطوطة ، تم استخدام رمز HGNC http://www.genenames.org/ الذي تم الحصول عليه من قاعدة بيانات IPI للإشارة إلى زيارات البروتين. تم الإبلاغ عن قيم iTRAQ للبروتينات التي تحتوي على ثلاثة أو أكثر من قيم iTRAQ المقاسة ، حيث يجب أن يكون لكل ببتيد قيمة توقع تبلغ 0.02 أو أقل. تم إجراء تقدير كمية iTRAQ في التميمة ، حيث تم تطبيق التطبيع لشدة مجمعة للتعويض عن الاختلاف المحتمل في مادة البداية. لمزيد من التفاصيل ، راجع http://www.matrixscience.com/help/quant_config_help.html. تم إجراء ثلاث دراسات iTRAQ لمقارنة زراعة الجالاكتوز والجلوكوز في الخلايا الليفية NHDF-1. أجريت الدراسات الثلاث في أوقات مختلفة وعلى الزراعة المستقلة. تم حساب نسبة iTRAQ لقيم الجالاكتوز إلى الجلوكوز لكل بروتين من الدراسات المستقلة الثلاث التي أعطت قيمًا ثلاثية مستقلة. تم الإبلاغ عن متوسط ​​نسب الجالاكتوز إلى الجلوكوز لكل بروتين على أنه يختلف اختلافًا كبيرًا عن 1.0 إذا اجتازوا اختبارين 1) اختبار عتبة ضعف الخطأ القياسي العالمي (2 × 0.055 = 0.11) و 2) اختبار T للطالب ثنائي الذيل للحصول على بيانات التباين المتساوي.


فرضية التخزين المؤقت الشبكي

وصف المؤلفون السابقون الذين ناقشوا العلاقة بين الانحطاط والمتانة كيف يمكن للعامل أن يعوض عن غياب أو خلل عامل آخر له وظيفة مماثلة ، وبالتالي يساعد في تثبيت سمة نظام واحدة. يتمثل أحد أهداف هذه الورقة البحثية في إظهار أنه عند ملاحظة الانحطاط داخل نظام ما ، فإن التركيز على قوة سمة واحدة يمكن أن يحول الانتباه عن شكل من أشكال قوة النظام التي تظهر تلقائيًا نتيجة لاستجابة متزامنة وموزعة تتضمن سلاسل من الانحطاط المتبادل. عملاء. ننظم هذه الحجج حول ما نسميه فرضية التخزين المؤقت الشبكي (NBH). يتم وصف المفاهيم المركزية لفرضيتنا بالإشارة إلى الصور المجردة للشكل 2 ، ومع ذلك ، فإن الظاهرة نفسها لا تقتصر على شروط النمذجة هذه كما سيتم توضيحه في القسم 5.

ضع في اعتبارك نظامًا يتألف من مجموعة من العوامل متعددة الوظائف. يؤدي كل وكيل عددًا محدودًا من المهام حيث يتم تقييد أنواع المهام التي يتم تنفيذها بواسطة القدرات الوظيفية للوكيل والمتطلبات البيئية للمهام ("الطلبات"). تتميز متانة النظام بالقدرة على تلبية المهام في ظل مجموعة متنوعة من الظروف. قد يؤدي وجود "شرط" جديد إلى فشل أو خلل في بعض العوامل أو تغيير في نطاق الطلبات البيئية. عندما يكون للنظام العديد من الوكلاء الذين يؤدون نفس المهمة ، فيمكن تعويض خسارة وكيل واحد من قبل الآخرين ، كما هو الحال بالنسبة للتغيرات في الطلبات لهذه المهمة. وبصورة مختلفة ، فإن وجود فائض من العوامل المتشابهة وظيفيًا (موارد النظام الزائدة) يمكن أن يوفر مخزنًا مؤقتًا ضد الاختلافات في طلبات المهام.

نموذج مفاهيمي لشبكة التخزين المؤقت. يتم تصوير كل وكيل بواسطة زوج من العقد المتصلة التي تمثل نوعين من المهام / الوظائف التي يمكن أن يؤديها الوكيل ، على سبيل المثال انظر الدائرة المتقطعة في اللوحة أ). تتوافق أزواج العقد التي تنشأ أو تنتهي في نفس مجموعة العقدة ("المجموعة الوظيفية") مع العوامل التي يمكنها تنفيذ نفس الوظيفة وبالتالي يمكن استبدالها بهذه الوظيفة. تشير العقد المظلمة إلى المهمة التي يقوم بها الوكيل حاليًا. إذا لم تكن هناك حاجة إلى هذه المهمة ، فإن الوكيل هو مورد فائض أو "مخزن مؤقت". اللوحة أ) الانحطاط في العوامل متعددة الوظائف. يتدهور الوكلاء عندما يكونون متشابهين فقط في نوع واحد من المهام. اللوحة ب) الحالة النهائية لتسلسل عمليات إعادة تخصيص المهام أو إعادة تكوين الموارد. تتم الإشارة إلى إعادة التخصيص بسهم أزرق مع رمز تبديل. يوضح الرسم التخطيطي سيناريو زادت فيه طلبات المهام في المجموعة الوظيفية Z وتناقصت طلبات المهام من النوع X. وبالتالي فإن موارد X أصبحت الآن زائدة. على الرغم من عدم وجود وكيل في النظام الذي يؤدي كلا من Z و X ، إلا أن هناك مسارًا لإعادة تعيين الموارد (X → Y ، Y → Z). يوضح هذا كيف يمكن للموارد الزائدة لنوع واحد من الوظائف أن تدعم الوظائف غير ذات الصلة بشكل غير مباشر. لوحة ج) اعتمادًا على مكان وجود الموارد الزائدة ، من المحتمل أن تكون خيارات إعادة التكوين كبيرة كما هو موضح بواسطة مسارات إعادة التخصيص المختلفة الموضحة. اللوحة د) لا يمكن أن يدعم تصميم النظام الاختزالي الذي يحتوي على مخازن نظام زائدة عن الحاجة خيارات واسعة لإعادة تشكيل الموارد. بدلاً من ذلك ، يمكن للوكيل فقط المشاركة في استجابات النظام المتعلقة بإمكانيات نوع المهمة. السادس

في الرسوم البيانية للشكل 2 ، من أجل التوضيح ، تم توضيح الوظائف المتعددة لعوامل CAS في "مساحة وظائف" مجردة. في هذا الفضاء ، تشكل العوامل ثنائية الوظائف (ممثلة بأزواج من العقد المتصلة) شبكة (من المهام أو الوظائف) مع كل عقدة تمثل قدرة مهمة. تتم الإشارة إلى المهمة التي يؤديها الوكيل حاليًا بواسطة عقدة مظلمة ، بينما يتم تمثيل المهمة التي لا يتم تنفيذها بشكل نشط بواسطة عقدة ضوئية. يتم تجميع العقد في مجموعات للإشارة إلى التشابه الوظيفي بين العوامل. على سبيل المثال ، يُقال أن الوكلاء الذين لديهم عقد تشغل نفس المجموعة متشابهة فيما يتعلق بنوع المهمة هذا. لكي نكون واضحين ، يشير تشابه المهام إلى أنه يمكن لأي وكيل أداء مهمة من هذا النوع بشكل مناسب مما يجعلهما قابلين للتبادل فيما يتعلق بهذه المهمة. في الشكل 2 د ، نوضح ما نسميه "التكرار الخالص" أو ببساطة "التكرار": العوامل الزائدة عن الحاجة دائمًا ما تكون متطابقة وظيفيًا في أيٍّ من نوعي المهام أو في كلا نوعي المهام التي يمكنها القيام بها. في جميع اللوحات الأخرى في الشكل 2 ، نعرض ما نسميه "الانحلال الخالص": العوامل المنحلة تمامًا إما لا يمكنها التعويض عن بعضها البعض أو يمكنها القيام بذلك في نوع واحد فقط من نوعي المهام اللذين يمكن لكل منهما القيام به.

يمكن توقع اختلافات مهمة في كل من المقياس وآليات تحقيق المتانة بين فئات النظام المتدهورة والفائضة عن الحاجة. كما هو مبين في الشكل 2 ب ، إذا كانت هناك حاجة إلى المزيد من الموارد (الوكيل) في مجموعة المهام السفلية وتوافر الموارد الزائدة في مجموعة المهام العليا ، فإن الانحطاط يسمح بإعادة تخصيص الوكلاء من المهام التي تكون فيها زائدة عن المهام التي تتطلبها . يحدث هذا من خلال سلسلة من عمليات إعادة التخصيص الناتجة عن تغيير في الظروف البيئية (كما هو موضح في الشكل 2 ب بواسطة الأسهم الكبيرة مع رموز التبديل) - وهي عملية مستقلة طالما يتم دفع الوكلاء لإكمال المهام غير المنجزة التي تطابق ذخيرتهم الوظيفية.

يوضح الشكل 2 ب عملية أساسية يمكن من خلالها للموارد المتعلقة بنوع واحد من الوظائف أن تدعم الوظائف غير ذات الصلة. هذه عملية يسهل التعرف عليها ويمكن أن تحدث في كل نظام من الأنظمة المختلفة المدرجة في الجدول 1. في الواقع ، تعد إمكانية التشغيل البيني المشروط شائعة جدًا في بعض المجالات لدرجة أن العديد من خبراء المجال قد يعتبرونها ميزة غير ملحوظة تمامًا. ما لا يتم تقديره بشكل عام هو أن عدد المسارات المتميزة التي يمكن من خلالها إعادة تكوين الموارد يمكن أن يكون هائلاً في الأنظمة المتدهورة للغاية ، اعتمادًا على مكان الحاجة إلى الموارد وحيث تكون زائدة (انظر الشكل 2 ج). على العكس من ذلك ، يشير هذا إلى أنه من الممكن نظريًا لموارد الوكيل الزائدة (المخازن المؤقتة) في مهمة واحدة أن تدعم بشكل غير مباشر عددًا هائلاً من المهام الأخرى ، وبالتالي زيادة التنوع الفعال لأي مخزن مؤقت واحد (يُرى إذا عكسنا تدفق عمليات إعادة التخصيص في الشكل 2 ج ). علاوة على ذلك ، نظرًا لأن المخازن المؤقتة في نظام متدهور مرتبطة جزئيًا ، فمن المحتمل أن يكون استقرار أي سمة من سمات النظام نتيجة استجابة موزعة شبكية داخل النظام. على سبيل المثال ، يمكن أن ينشأ توافر الموارد من خلال استجابة مجمعة من العديد من المسارات الموضحة في الشكل 2 ج. على الرغم من إمكانية ترجمة إمكانية التشغيل البيني للوكلاء ، إلا أن الموارد الإضافية يمكن أن توفر فرصًا ضخمة لإعادة التكوين على مستوى النظام.

هذه السمات الأساسية غير مجدية في الأنظمة الاختزالية المكونة من عوامل زائدة عن الحاجة (الشكل 2 د). بدون أي تداخل جزئي في القدرات ، يمكن للوكلاء في نفس المجموعات الوظيفية فقط دعم بعضهم البعض ، وعلى العكس من ذلك ، لا يمكن للموارد الزائدة دعم المهام غير ذات الصلة خارج المجموعة. وبالتالي يتم ترجمة المخازن المؤقتة. في المثال المحدد الموضح في الشكل 2 د ، ترتبط موارد الوكيل دائمًا بواحد من نوعين من المهام. على الرغم من أن هذا يضمن بقاء مستويات معينة من الموارد متاحة دائمًا داخل مجموعة معينة ، إلا أنه يعني أيضًا أنه من غير المحتمل استخدامها كثيرًا عندما تتباين متطلبات الموارد ، مما يقلل من كفاءة الموارد. بعبارة أخرى ، يتم عزل المخازن المؤقتة للموارد في الأنظمة الزائدة عن الحاجة عن بعضها البعض ، مما يحد من مدى تنوع النظام في إعادة تكوين هذه الموارد. في الواقع ، يحتاج كل نوع من التباين في متطلبات المهمة إلى تحقيق مطابق للتكرار. إذا كانت عمليات إعادة التكوين الواسعة مطلوبة (على سبيل المثال بسبب بيئة متقلبة) ، فستؤثر هذه القيود سلبًا على متانة النظام. على الرغم من أن مثل هذه العبارات ليست مفاجئة ، إلا أنها ليست تافهة إما لأن مجموع قدرات الوكيل داخل الأنظمة الزائدة عن الحاجة والمتحللة متطابقة.


سرطان الخلايا الكلوية الحليمي يعيد توصيل الجلوتاثيون وينقصه تخليق الجلوكوز الابتنائي

سرطان الخلايا الكلوية الحليمي (pRCC) هو سرطان خبيث في الكلى ينتشر بنسبة 7-20 ٪ من جميع أورام الكلى. تم استخدام ملفات تعريف البروتينات والأيض لـ 19 pRCC وضوابط الكلى الصحية المتطابقة مع المريض لتوضيح تنظيم مسارات التمثيل الغذائي والآليات الجزيئية الأساسية. تم زيادة الجلوتاثيون (GSH) ، وهو زبال رئيسي لأنواع الأكسجين التفاعلي (ROS) ، ويمكن اعتباره سمة مميزة جديدة في هذا الورم الخبيث. كشف تتبع النظائر لخطوط الخلايا المشتقة من pRCC عن زيادة من جديد معدل تخليق GSH ، بناءً على استهلاك الجلوتامين. علاوة على ذلك ، لوحظ إعادة توصيل المسارات الرئيسية المشاركة في تخليق الـ ATP والجلوكوز على مستوى البروتين. في المقابل ، لم يتم تنظيم ترميز النصوص للسلسلة التنفسية ، مما يؤدي إلى التنميط غير الجيني. الخصائص الجزيئية لـ pRCC هي زيادة تخليق GSH للتعامل مع إجهاد ROS ، وتخليق الجلوكوز الابتنائي الناقص ، والفسفرة المؤكسدة المعرضة للخطر ، والتي يمكن استغلالها في استراتيجيات مبتكرة لمكافحة السرطان.

بيان الأهمية طبقنا التنميط البروتيني والأيض لتوضيح السمات الجزيئية في سرطان الخلايا الكلوية الحليمي الخبيث. من خلال هذا التوصيف ، تم تحديد إعادة برمجة المسارات الأيضية الرئيسية ، مثل استحداث السكر واستقلاب الأحماض الدهنية والأحماض الأمينية. تم تقليل البروتينات المشاركة في السلسلة التنفسية والأنشطة الأنزيمية المقابلة بشدة في pRCC ، مما يدل على وجود ارتباط مضاد مقارنة بالنسخة. على غرار الأورام السرطانية الكلوية ، تم تحديد الجلوتاثيون الزبال لـ ROS كعلامة مميزة في pRCC. تشير نتائجنا إلى أن ضعف التمثيل الغذائي والميتوكوندريا المختلة وظيفيًا يحددان مصير pRCC. علاوة على ذلك ، نقترح أن التنظيم المحدد لسلسلة الجهاز التنفسي للميتوكوندريا يمكن أن يميز pRCCs الخبيثة المتشابهة للغاية عن الأورام السرطانية الكلوية الحميدة.


مناقشة

يتميز ضعف وظائف الكبد بوساطة النحاس بشكل جيد في مرضى ويلسون وفي Atp7b −/− نماذج حيوانية. أكثر الاختلالات التي يتم وصفها شيوعًا في مرضى داء ويلسون هي التنكس الدهني الكبدي وتليف الكبد. من المثير للدهشة أنه لا يُعرف سوى القليل عن استقلاب الجلوكوز والدهون لدى هؤلاء المرضى ، ولا تتفق تقارير الحالة المحدودة المتاحة بشأن تحمل الجلوكوز في مرضى مرض ويلسون (13 ، 14). مرض ويلسون هو اضطراب وراثي جسمي متنحي نادر (حدوث 1: 30000) ، ومن المحتمل أن يساهم هذا الحدوث المنخفض مع التباين البيئي والوراثي في ​​عدم وجود استنتاج واضح فيما يتعلق باستتباب الجلوكوز في مرضى مرض ويلسون (2). Atp7b −/− تقدم الفئران نموذجًا قويًا لدراسة التمثيل الغذائي لأن العوامل البيئية والوراثية يتم التحكم فيها بدقة أكبر.

قمنا بقياس معلمات التمثيل الغذائي المتعددة في Atp7b - / - تم الحفاظ على ضوابط الفئران وفضلات WT على نظام غذائي عادي أو نظام غذائي غربي. تشاو فيد Atp7b −/− أظهرت الفئران انخفاضًا طفيفًا في السمنة ووزن الجسم بحلول 14 أسبوعًا من العمر. على WD ، Atp7b −/− أظهرت الفئران انخفاضًا أكثر وضوحًا في وزن الجسم ، والسمنة ، والتنكس الدهني الكبدي مقارنةً بـ WT. قد يكون الانخفاض في التنكس الدهني الكبدي ثانويًا لانخفاض السمنة الملحوظ في WD-feed Atp7b - / - الفئران بالمقارنة مع ضوابط WT littermate. ATP7 ب −/− أكلت الفئران كمية أقل من الطعام وكانت أكثر نشاطًا ، مما قد يشير إلى وجود مكون مركزي في الاختلافات الأيضية الملحوظة. في الواقع ، كشفت بيانات المصفوفة الدقيقة وبيانات تفاعل البوليميراز المتسلسل في الوقت الفعلي عن زيادة أربعة أضعاف في الكبد Gdf15 التعبير عن طعام حمية الطعام Atp7b / - الفئران بالمقارنة مع ضوابط WT بعمر 3 شهور ، قبل اختلافات الوزن الملحوظة ، وتستمر خلال 6 أشهر من العمر. ظهر GDF15 مؤخرًا كمثبط لتناول الطعام (21) ، مما يشير إلى أن هذا الكبد القهمي قد يساهم في تقليل تناول الطعام الذي لوحظ في Atp7b - / - الفئران. تم رفع مستويات المصل GDF15 بالمثل لتغذية الطعام Atp7b - / - فئران من كلا المجموعتين العمريتين. أدت تغذية النظام الغذائي الغربي إلى زيادة مستويات GDF15 في المصل في الفئران WT ، مع مستويات أعلى في Atp7b - / - الفئران (الملحق SI، الشكل S10).

تدعم النتائج التي توصلنا إليها التقارير السابقة عن انخفاض نسبة الدهون في الكبد والمصل في الخلفية المختلطة Atp7b −/− الفئران (5 ، 6). ومع ذلك ، فإن انخفاض مستويات الدهون في البلازما في الكبد والصيام كان واضحًا فقط بالنسبة إلى WT Atp7b −/− الفئران عندما تم إطعامهم WD. قد يعكس هذا قابلية وراثية متغيرة لتخليق الدهون والأكسدة والتراكم بين سلالات الفئران منذ ذلك الحين Atp7b −/− لقد انخفضت مستويات الكوليسترول والدهون الثلاثية في مصل الدم والكبد الكبدي مقارنة بالفئران التي تستخدم وزن الجسم.

في الدراسات السابقة ، الأنسجة الدهنية البيضاء (WAT) في خلفية مختلطة Atp7b −/− أظهرت الفئران ارتباطًا بين مستويات النحاس وتحلل الدهون في النبات النباتى WAT (22) ، وكانت مستويات النحاس مرتبطة عكسيًا مع التنكس الدهني في مرضى الكبد الدهني غير الكحولي (NAFLD) (23 ، 24) ونماذج NAFLD للقوارض (25 ، 26). على الرغم من أننا لم نلاحظ أي تأثير على الأحماض الدهنية الخالية من البلازما أثناء الصيام ، فلا يزال يتعين تحديد ما إذا كانت نسبة السمنة المنخفضة التي لوحظت في Atp7b −/− ترجع الفئران الموجودة على خلفية C57BL / 6 جزئيًا إلى تغيير أولي في وظيفة الخلايا الشحمية أو إلى تأثير ثانوي لتراكم النحاس في الكبد أو في أي مكان آخر. ومن المثير للاهتمام ، الضربة القاضية الخاصة بالخلايا الكبدية Atp7b (Atp7b ΔHep ) أدى إلى زيادة السمنة وزيادة الوزن على الرغم من الالتهاب الكبدي المحدود ، ربما بسبب التغيرات في إشارات الخلايا في الخلايا غير المتني وزيادة التعبير الميتالوثيونين (إزالة معدن ثقيل من النحاس) في Atp7b ΔHep الفئران (27). بالإضافة إلى، Atp7b −/− ، لكن لا Atp7b ΔHep ، الفئران لديها شكل غير طبيعي للخلايا المعوية ، وتراكم قطرات الدهون المعوية ، وتجميع الكيلومكرون المعطّل (28) ، والذي قد يفسر الاختلافات في النمط الظاهري الأيضي بين Atp7b −/− و Atp7b ΔHep الفئران.

النتائج الأخيرة في Atp7b −/− نموذج الفئران (تهجين بين جرذ Long-Evans-Cinnamon وفأر Piebald Virol Glaxo ، معيب في ATPase الصنوبرية الخاص بالليل [PINA] و Atp7b [LPP rat]) أظهر زيادة في الدهون الحشوية ، ومحتوى الدهون الثلاثية في الكبد ، ووزن الكبد ، والتضخم الكبير استجابة لنظام غذائي عالي السعرات الحرارية (45٪ سعرة حرارية من الدهون و 722 سعرة حرارية / لتر من مياه الشرب المكملة بالفركتوز) ، والتي ارتبطت بزيادة الكبد. ضرر الميتوكوندريا (29). على عكس Atp7b −/− الفئران ، الفئران LPP لم يكن لديها انحرافات في الدهون الحشوية أو غيرها من معايير التمثيل الغذائي للدهون في النظام الغذائي العادي (29). هناك أسباب وراثية وفسيولوجية محتملة تكمن وراء هذه الاختلافات. يتم التعبير عن جين PINA من محفز intronic داخل Atp7b الجين ويتم حذفه في الفئران LPP ولكن ليس في Atp7b −/− فأر (30). نظرًا للدور المهم لإيقاع الساعة البيولوجية في عملية التمثيل الغذائي ، فقد تساهم الاضطرابات اليومية الناشئة عن نشاط PINA المعيب في نتائج التمثيل الغذائي المختلفة بين فئران LPP و Atp7b −/− الفئران. علاوة على ذلك ، فإن الفئران LPP تصاب بفشل كبدي مداهم يليه الموت ، بحيث تموت الحيوانات غير المعالجة بين 90 و 120 يومًا من العمر ، في حين Atp7b - / - الفئران أطول عمرا (31). أساس هذا الاختلاف في تطور المرض غير واضح لأن كلا النموذجين الحيوانيين لهما مستويات متشابهة من تراكم النحاس في الكبد.

أظهر كل من GTT و ITT ومشابك سكر الدم المفرطة الأنسولين وتفعيل AMPK للعضلات الهيكلية زيادة في تحمل الجلوكوز وحساسية الأنسولين في Atp7b −/− الفئران. ومع ذلك ، فإن نقص السكر في الدم الملحوظ أثناء ITTs ، وكذلك بيانات PTT ، يدعم أيضًا استجابة تنظيمية معيبة. تشير بيانات التعبير الجيني إلى التنظيم النازل الملحوظ للجينات المولدة للجلوكوز في كبد Atp7b - / - قد يتم أيضًا تقليل الفئران وتخزين الجليكوجين وتكوين الجليكوجين في Atp7b - / - الفئران ، مما يشير إلى أن إنتاج الجلوكوز قد يكون ضعيفًا في المرضى الذين يعانون من مرض ويلسون ويجعلهم أكثر عرضة لنوبات نقص السكر في الدم عند الصيام ، خاصة في ظل ظروف زيادة إفراز الأنسولين المحفز بالجلوكوز. حتى الآن ، أبلغت إحدى دراسات الحالة المنشورة عن نقص السكر في الدم ، والذي تم حله بالعلاج ، في مريض تم تشخيصه بمرض ويلسون (32). علاوة على ذلك ، غالبًا ما يُلاحظ تليف الكبد لدى مرضى مرض ويلسون ، وغالبًا ما يرتبط بحالة التغذية الشاذة. قد يصاب المرضى الذين يعانون من تليف الكبد بنقص كوليسترول الدم ، وضعف امتصاص الفيتامينات التي تذوب في الدهون ، واضطرابات تخزين الجليكوجين ، وضعف تكوين السكر ، وزيادة تقويض (33). لذلك ، فإن التحمل المحسن للجلوكوز في Atp7b −/− قد تعكس الفئران تلف الكبد التدريجي ، بدلاً من أحد مكونات التمثيل الغذائي الطبيعي / الصحي ، بسبب التأثيرات على إنتاج الجلوكوز. تشير نتائجنا إلى استجابة تنظيمية معاكسة للجلوكوز كآلية محتملة لنوبات سكر الدم في سياق Atp7b نقص.

الانحرافات الأيضية التي لاحظناها Atp7b - / - تتوافق الفئران مع ضعف نشاط المستقبلات النووية. التعبير عن بارا والعديد من أهدافها انخفضت في Atp7b −/− مقابل الفئران WT. Atp7b −/− كان لدى الفئران ضعف في التعبير عن العديد من الجينات المستهدفة للجلوكوجينيك التي تنظمها FXR ، بالاتفاق مع نشاط FXR المنخفض في نموذج الماوس هذا (7 ، 8). اقترح تحليل مواقع ارتباط عامل النسخ قبل الجينات الخاضعة للتنظيم التفاضلي زيادة نشاط AR. لقد ثبت أن التنشيط الكلاسيكي المعتمد على الترابط للواقع المعزز يحمي من مرض الكبد الدهني غير الكحولي ومقاومة الأنسولين في ذكور الفئران (34) ، في حين تبين أن التنشيط غير المعتمد على الترابط للواقع المعزز عبر إشارات MAPK يعزز تسرطن الكبد (35). علاوة على ذلك ، فإن انخفاض القدرة على تكوين الجلوكوز وتخليق الجليكوجين الكبدي يتماشى مع مستقبلات الجلوكوكورتيكويد (GR) ومستويات الجلوكوكورتيكويد المنتشرة التي لوحظت في Atp7b - / - الفئران (7). تم الإبلاغ عن التحكم المباشر في تعبير GR ونشاطه بواسطة نشاط FXR ، مما يؤثر على استجابات تكوين الجلوكوز الكبدية في حالة الصيام في الفئران (36). مزيد من تحليل تسلسل الترسيب المناعي للكروماتين (ChIP-seq) في Atp7b −/− وكبد التحكم ضروري لتحديد الأنماط العريضة لربط المستقبلات النووية استجابةً لزيادة حمل النحاس.

قد تكون زيادة تنشيط AMPK الكبدي مسؤولة عن انخفاض التعبير الجيني لتكوين الجلوكوز والشحوم. يعمل AMPK كمستشعر لحالة الطاقة ، بالإضافة إلى الإجهاد الخلوي (مثل إنتاج ROS) (37 ⇓ –40). يتميز الإنتاج الناجم عن النحاس لإنتاج أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS) جيدًا في مرضى مرض ويلسون والنماذج الحيوانية (2) وقد يوفر حافزًا لتنشيط AMPK في Atp7b /- الفئران. بدلاً من ذلك ، يتم تنشيط AMPK استجابةً لنضوب UCP2 بوساطة ATP الخلوي (41 ، 42). تم تحديد Ucp2 كهدف نسخي لكل من FOXM1 (43) و E2F4 (44 ، 45) ، عوامل النسخ مع أكثر مواقع الربط تنظيمًا التي تم تحديدها في دراستنا. تم الإبلاغ عن أن تعبير FOXM1 يتم تنظيمه بواسطة GDF15 ، ويتم تنشيطه بواسطة الإجهاد التأكسدي ، وللتنظيم السلبي للتعبير عن ناقل النحاس Ctr1، مما يشير إلى أن FoxM1 قد يلعب دورًا أكبر في التوسط في الاستجابة الخلوية للنحاس الزائد (46 ، 47). ستبحث الدراسات المستقبلية في الآليات الأساسية لتنشيط AMPK والتأثير على التمثيل الغذائي في Atp7b - / - الفئران فيما يتعلق بتوليد ROS.

ترافق انخفاض استحداث السكر والجلوكوز الكبدي والبيروفات واللاكتات مع زيادة كبيرة في المركبات الوسيطة حال السكر ، بالإضافة إلى زيادات غير متوقعة في العديد من المركبات الوسيطة لدورة TCA على الرغم من انخفاض AC-CoA. لدعم التدفق الأيضي لدورة TCA المنخفض ، وجدنا زيادة تعبير Pdk4 mRNA. الدراسات المستقبلية التي تقيس تدفق دورة TCA ضرورية لتحديد آلية زيادة وسيطة دورة TCA.

هنا نصف التغيرات الأيضية في Atp7b −/− الفئران التي من المحتمل أن تكون نتيجة لضعف وظيفة المستقبلات النووية الكبدية. لاحظنا تغييرات جذرية في توازن الجلوكوز ، والأيض ، وتفعيل AMPK في Atp7b −/− الفئران. Future studies to elucidate the mechanisms for decreased adiposity and altered whole-body glucose homeostasis have the potential to uncover therapeutic options for patients with Wilson’s disease, as well as for patients with metabolic disorders such as type 2 diabetes and fatty liver disease.


Metabolism of Sulphur-Containing Amino Acids | الكيمياء الحيوية

In this article we will discuss about the metabolism of sulphur-containing amino acids.

There are 3 sulphur-containing amino acids, methionine, cysteine and cystine, but since the last two are very easily interconvertible by oxidation-reduction, they may be taken as one. Methionine is an essential amino acid — for rat as well as man – while cysteine is not. However, when cysteine is supplied, methionine requirements decrease, which suggests that a part of methionine is utilized for forming cysteine this was confirmed by studies carried out with the help of radioactive isotopes.

Formation of Cysteine from Methionine:

In animals and man, the mechanism of this transformation, called transulphuration, implies two enzymes containing pyridoxal phosphate: the first, cys­tathionine synthetase (E1) catalyzes the formation of an intermediate compound, cystathionine, from serine and homocysteine (higher homologue of cysteine, formed by the demethylation of methionine).

Cystathionine syn­thetase first catalyzes a dehydration of serine (first substrate) according to the mechanism described in fig. 7-2, and then, on the double bond thus formed between α and β carbons, the addition of the homocysteine molecule (second substrate).

This cystathionine is then split by cystathionase (E2) giving on the one hand cysteine, formed from carbon and nitrogen atoms of serine and the sulphur of methionine, and on the other hand, homoserine which is not released from this second enzyme and undergoes a deamination (α-γ elimina­tion reaction whose mechanism is close to the one described for serine in fig. 7-2) which converts it into α-ketobutyric acid (see fig. 7-17).

a) Fate of the Homoserine Formed:

In bacteria, homoserine is a precursor of threonine and isoleucine as we will see while studying the amino acids deriving from aspartate. First a migration of the alcoholic hydroxyl leads from homoserine (or more exactly from its derivative phosphoryiated on the alcohol group) to threonine, then a deamination gives α- acetobutyric acid.

There are now two possibilities: either the formation of isoleucine, or the decarboxylation of α-ketobutyric acid to propionic acid (see fig. 7-17). But we have seer, (see fig. 5-13) that propionyl-coA can be transformed into succinyl-coA the carbon atoms of propionic acid can then follow this pathway and be present for example in glucose after neoglucogenesis.

b) Reversibility of Trans-Sulphuration:

In animals and man, trans-sulphuration is not reversible, but it is so in various organisms which can therefore form cystathionine from homoserine and cysteine under the action of a cys­tathionine synthetase (E1’) and split this cystathionine by a cystathionase (E2’) into homocysteine, pyruvate and ammonia (see fig. 7-22) in other words these organisms can (by this process) form homocysteine from cysteine and are thus capable of synthesizing methionine.

Methylation of Homocysteine into Methionine:

If the methyl groups of choline or betain are labeled, radioactivity is observed in CH3 of methionine. Methylation is therefore possible (it takes place thanks to N5-methyl-FH4 which brings the one-carbon unit) it is possible even in animals. Therefore, it is homocysteine rather than methionine, which is essential, and if it is fed to the animal it is methylated into methionine.

Metabolism of Methionine:

In addition to its role of amino acid constitutive of proteins and its part in the initiation of protein biosynthesis, methionine is mostly a supplier of methyl groups. It must be first activated by ATP to give S-adenosyl- methionine which is the real agent participating in the transmethylation process.

It can then yield its methyl group to very diverse compounds and be converted into S-adenosyl-homocysteine, as shown by figure 7-18 this is the mechanism involved for example in the biosynthesis of choline, creatine, adrenaline, in the methylation of some bases (called abnormal or rare) of tRNAs, etc.

Metabolism of Cysteine:

Let us first recall that cysteine is a constituent of glutathione (see fig. 1-12) whose mode of formation we discussed while studying the metabolism of glycine.

Moreover, one must remember the reversible oxidation cysteine ←→ cystine (thiol ←→ disulphide, i.e. 2R —SH ←→ R —S —S —R) which can take place in the free amino acid, in glutathione or in proteins. As for the decarboxylation of cysteine, it leads to mercaptoethylamine or cysteamine (H2N —CH2-CH2—SH) which is a constituent of coenzyme A (see fig. 2-18).

a) Transformation of Cysteine into Pyruvic Acid:

Two pathways are possible:

1. The first, which we already studied (see fig. 7-2), consists of a deamination catalyzed by cysteine desulphydrase

2. The second consists of an oxidation of cysteine to cysteine-sulphinic acid which loses its amino group by transamination and gives sulphinyl-pyruvic acid. The latter gives pyruvic acid by liberating sulphur which is found in the form of sulphite and then sulphate.

This sulphate is activated in the form of adenosine 3′-phosphate-5′-phos- pho-sulphate which can react with diverse compounds like phenols or steroids which are then eliminated in urine in the form of sulpho-conjugated derivatives (detoxication).

b) Formation of Taurine:

Cysteine-sulphinic acid whose formation by oxidation of cysteine we mentioned above can — instead of being transaminated — be decarboxylated to hypotaurine, which is then oxidized to taurine (there can also be, first oxidation to cysteic acid, then decarboxylation to taurine) as shown by figure 7-19. Taurine can — like glycine — be con­jugated with the bile acids (see fig. 5-7).

Figure 7-20 presents a recaptulative diagram of reactions of the metabolism of sulphur-containing amino acids.


خلفية

With the rapid growth in human population, industrialization, and urbanization, the pollution levels in rivers have increased drastically. The freshwater is required to meet the demands of the human population however, the dumping of domestic, industrial and agricultural wastes into the freshwater sources have led to its rapid deterioration. A wide variety of untreated organic and inorganic pollutants, including fecal wastes, industrial effluents, oils, grease, plastics, plasticizers, aromatics, pesticides and heavy metals are discharged into the rivers. Resultantly, many rivers have been converted into sewage carrying drains, which pose an immense threat to the ecosystem. A similar scenario exists in India, where several major rivers show high levels of pollution affecting the human population and the surrounding ecosystem [1,2,3,4,5].

The Yamuna, the longest tributary of river Ganga, is among the most polluted rivers in India [6, 7]. It originates from the Yamunotri glacier, flows through 1376 km before merging into the Ganges at Allahabad. Yamuna receives outfalls from 18 major drains in the Delhi region (Central Pollution Control Board (CPCB) 2015). The untreated discharge of urban runoffs consisting of fecal waste, hospital waste, and other domestic waste, and industrial effluents are the major contributors of pollution, causing an increase in the organic load, toxic chemicals, and heavy metals in the river [8, 9]. According to water assessment reports of Yamuna, 0.1–1.1 mg/l DO, 29–67 mg/l BOD and 230,000–160,000,000 MPN/100 ml coliform content were observed in 2016 at a site in New Delhi (CPCB 2017). The low levels of dissolved oxygen and very high levels of BOD are indicators of deteriorating quality of the river water.

Microbes are essential components of aquatic ecosystems and possess a vast array of metabolic genes and are the major agents of biogeochemical cycling [10]. However, the bacterial communities in a polluted river like Yamuna thrive on the accumulated organic load, toxic chemicals, xenobiotics and heavy metals present in the river. In such an environment, the bacterial microbiome is expected to possess genes capable of degrading various pollutants, including organic compounds, toxicants, and xenobiotics. Further, the urban discharge also leads to an accumulation of antibiotics in the receiving drains that merges into the Yamuna River [11,12,13,14,15]. Antibiotics such as Ampicillin, Ciprofloxacin, Gatifloxacin, Sparfloxacin, and Cepuroxime have been detected in the Yamuna river at different sites in the New Delhi region [15]. The detection of antibiotics and discharge of a large number of sewage drains into the river hints towards the presence of a pool of resistome residing in the Yamuna [16]. However, only a little is known about the prevalence of ARGs in the river, which is a major source of water for a large population in India.

Understanding the dynamics in community structure and function across contaminated freshwater sources, such as the Yamuna, helps in determining the impact of human practices on the water ecosystems. The unique environmental characteristics and the presence of eutrophication of the Yamuna river makes it a distinct study site for exploring the bacterial community structure, which is poorly characterized for this river. Thus, the present work identifies the bacterial communities present in the Yamuna River water using metagenomic approaches. The pollution levels in Yamuna shows drastic variations between the pre-monsoon and post-monsoon time. Therefore, to capture the bacterial diversity of the river and to understand the differences between the two seasons, the metagenomic assessments were carried at two time points: June (pre-monsoon) and November (post-monsoon). This is the first study to provide the glimpses into the functional characteristics along with bacterial diversity of the microbiome from the Yamuna river. Since this river is a freshwater source, which is being contaminated with sewage water, a comparative analysis of the Yamuna river metagenome with sewage and freshwater metagenomes were also performed.


المواد والأساليب

التجارب الميدانية

Fieldwork was conducted at Año Nuevo State Park, CA, USA (37°5′ N, 122°16′ W) on female northern elephant seals during the 2-month postbreeding foraging migration (February to May) from 2011 to 2018. Each seal was chemically immobilized with an intramuscular injection of Telazol (1 mg/kg tiletamine hydrochloride and zolazepam hydrochloride, Fort Dodge Animal Health, Fort Dodge, IA, USA) using a standard protocol (19) to attach the data loggers and to collect body mass and morphometric measurements at the end of the breeding season. Upon return from their foraging migration (and before the annual molt), seals were chemically immobilized to recover the data loggers and to collect mass and morphometric measurements. Forty-eight seals were equipped with a 0.5W ARGOS satellite transmitter (SPOT4, SPOT5, and MK10-AF: Wildlife Computers, Bellevue, WA, USA conductivity-temperature-depth satellite relay data logger (CTD-SRDL): Sea Mammal Research Unit, St. Andrews, Scotland) on the head, a very high frequency (VHF) transmitter (ATS, Isanti, MN, USA) on the back, and a smart mandible accelerometer (Kami Kami Logger, Little Leonardo Co., Tokyo, Japan) on the lower jaw (7) using 5-min epoxy with high-tension mesh netting and cable ties. Also, 15 seals were equipped with smart video systems (i.e., depth- and acceleration-triggered video cameras, Little Leonardo Co., Tokyo, Japan) on the head or jaw as described in (4).

Data summary

In total, we studied 48 seals that carried mandible accelerometers with/without smart video systems (table S1): 38 seals carried only mandible accelerometers and 10 seals carried both mandible accelerometers and smart video systems. An additional five seals carried only smart video systems. Thus, mandible accelerometers recorded the data throughout migrations for 48 seals, and smart video systems recorded 48.2 hours of underwater videos for 15 seals (table S1) (4). All seals carried satellite transmitters and recorded at-sea locations throughout migrations.

Quantifying daily number of feeding event

We quantified the number of feeding event by analyzing data from smart mandible accelerometers (Kami Kami logger) based on our previous study (26). The Kami Kami logger (“Kami Kami” is an onomatopoeia to describe biting behavior in Japanese) has a depth (pressure) sensor (recorded every 5 s) and a single-axis longitudinal accelerometer that records the number of feeding-related acceleration signals every 5 s based on measurements of mandible acceleration sampled at a high rate (32 Hz gain setting of ±3G). The mandible accelerometer has an onboard data-processing algorithm that processes 32 Hz raw acceleration data and records the number of feeding-related acceleration signals (i.e., feeding events) every 5 s, where the counts of feeding events range from 0 to 10 by programming the event duration threshold (0.5 s) (45). A depth threshold of >100 m was used when counting the number of feeding event in this study to focus on prey captures at depth, avoiding noise in the acceleration data that are potentially unrelated to feedings event near the surface (7). Last, we summed the number of feeding event on a daily basis, obtaining the daily number of feeding event (i.e., in units of ن day −1 e.g., Fig. 1). Overall, 2,481,041 data points included at least one feeding event per 5 s, and a total of 5,251,229 feeding events were recorded from 48 seals (table S1).

Quantifying foraging depth

We obtained foraging depth per feeding event. The foraging depth data were used, for example, to visualize two-dimensional (2D) kernel density distribution plots using the geom_density2d function in the ggplot2 package distributed via the open source software R (46) (Fig. 1, B and C) and time-series plots for each seal (fig. S1), together with corresponding bathymetric data that were obtained as described in the next section.

Obtaining bathymetric data along migration routes

We obtained bathymetric data based on the daily location of seals using the marmap package distributed via R (47). First, using the getNOAA.bathy function, we obtained all bathymetric information with the resolution of 6 min at longitudes of −180° to −100° and latitudes of 20° to 70°, which encompasses all seal locations. Then, we extracted the corresponding bathymetry using the get.depth function based on the daily locations of seals. The resulting bathymetric data were visualized with migration routes (Fig. 2B) and foraging depths (Fig. 1C and fig. S1).

Categorizing seals based on foraging strategies: Pelagic and benthic foraging

On the basis of Fig. 1C (2D kernel density distribution plot of 48 seals with mandible accelerometers) and fig. S1 (time-series plot per seal), we found that the majority of seals (45 of 48 seals) foraged in pelagic waters (corresponding bathymetry of >2000 m) (i.e., pelagic foraging Fig. 2, fig. S1, and table S1). Rare exceptions to this pelagic foraging were found in three seals, which extensively used the benthic foraging habitat in coastal regions (i.e., benthic foraging Fig. 2, fig. S1, and table S1). We confirmed that the two different foraging strategies were reflected in prey types, revealed by the smart video system as detailed in the next section.

Identifying prey size difference between pelagic and benthic foraging

We identified prey species by visually investigating videos from 15 seals that carried smart video systems (i.e., depth- and acceleration-triggered video cameras) as we recently described in (4). Here, we show more detailed results of two seals (2017_U20 and 2017_5712) from (4).

The two seals were identical in the technical aspects of study design and hence comparable in foraging behavior as follows: (i) both carried mandible accelerometers (table S1), (ii) both carried the same types of head-mounted video system with the same configurations as detailed in the next two paragraphs, and (iii) both recorded video data at the farthest points from the colony along the migration routes in the same study year of 2017 (Fig. 2B and table S1). However, the two seals foraged in different locations 2017_U20 foraged in pelagic waters (i.e., pelagic foraging) as most other seals did (i.e., 45 of 48 seals with mandible accelerometers), whereas 2017_5712 foraged in coastal waters (i.e., benthic foraging) (Fig. 2, fig. S1, and table S1).

The video camera has a depth (pressure) sensor (recorded every 5 s) and a single-axis longitudinal accelerometer that detects fast head movements related to feeding events at depth. Also, the video camera has 4 hours of video recording capacity at 30 frames per second with an LED infrared-light flash, which should not be visible to elephant seals that have short-wavelength sensitive rod opsin (48), allowing us to noninvasively view their prey captures even in the deep dark mesopelagic waters. Note that 4 hours of video recording capacity was allocated into batches of 1-min-long video files to achieve efficient data allocation and maximize prey encounters, as detailed below.

The video camera started a 1-min recording after three implemented triggers, (i) delay timer, (ii) depth trigger, and (iii) acceleration trigger, as detailed in our previous study (4) (also see Fig. 2A for examples). In the current study, the delay timer was set at 36 days to target the farthest migration locations from the breeding colony (see Fig. 2B). The depth trigger was set at 400 m to target mid-mesopelagic depths (400 to 600 m), where most feeding events occur (see Fig. 1C). Therefore, (i) after 36 days from departure, the video camera started video recordings only when (ii) seals reached depths deeper than 400 m and (iii) the first fast head movement was detected in each dive (Fig. 2A). Note that the triggers were valid only once in a single dive (i.e., only a 1-min video was recorded per dive, as shown in Fig. 2A).

We obtained 214 and 132 video files for 2017_U20 and 2017_5712, respectively (346 video files totaling approximately 6 hours). All prey footage lists for the two seals are available in the Supplementary Materials (movies S2 and S5) the lists with higher resolution images are also available in the ADS (Arctic Data archive System) of the National Institute of Polar Research (https://ads.nipr.ac.jp/dataset/A20210316-001). They have 1-s (i.e., 30 frames) clips of prey footages to play in slow motion on repeat, and each clip starts playing from a cueing frame that shows the clearest and most representative prey footage. Although it was difficult to identify detailed prey species due to halation and blurred prey footage in many cases, we identified the family (or genus) of several fish prey species based on previous reports of elephant seal prey (e.g., Myctophidae for pelagic foraging and Macrouridae and Sebastidae for benthic foraging) (4, 5, 43). Furthermore, prey identification was sufficient to classify prey as fish or cephalopods (with the rare exception of unidentified prey footage including bioluminescence in pelagic foraging) and importantly inform the general trend of prey size differences between pelagic and benthic foraging (movies S2 and S5). As highlighted in the supplementary videos, pelagic foraging is characterized by searching for prey in open mesopelagic deep waters to mainly forage on small fish (e.g., Myctophidae, i.e., myctophid or lanternfish) (Fig. 2 and movies S1 and S2). On the other hand, benthic foraging is characterized by searching for prey near the seafloor to forage on larger fish (e.g., Macrouridae) (Fig. 2 and movies S3 to S5). As complementary information, some squids (but rarely) were found in pelagic foraging (movie S2) as reported in our previous studies (4, 5).

The majority of seals adopted pelagic foraging (ن = 45 of 48 seals with mandible accelerometers Fig. 1C and fig. S1), confirming that small mesopelagic fish are the most important diet of female elephant seals as we recently reported (4, 5). Additional video footage and detailed information are available in our recent report (4).

Calculating dive cycle time per dive

Each dive was defined using a minimum depth of 10 m as in our previous study (45). Then, we calculated dive cycle time per dive as the sum of dive duration and post-surface time, where some (but rare) extended post-surface time over 300 s was rounded to 300 s, as in our previous study (26).

Calculating foraging time

From all dives, we extracted two distinctive types of dives with different purposes: (i) drift dives when seals are resting and/or sleeping (2022) and (ii) foraging dives (45). Drift dives were defined as detailed in the next section “Calculating daily changes in drift rate as the index of net energy balance”. Foraging dives were defined as the nondrift dives that included more than five feeding events (26). Then, we calculated “daily foraging time (%)” as follows Total foraging dive cycle time ( hours ) 24 hours × 100 where 100% indicates that seals allocated all day to foraging dive cycles (i.e., dive duration plus post-dive surface time). Note that the calculated foraging time does not include daily drift dive cycle time [i.e., resting or sleeping time that includes nonactive (probably sleeping) segments (7, 20)], which was relatively short (1.4 ± 0.3 hours daily for grand mean) but physiologically vital for animals (21).

Calculating daily changes in drift rate as the index of net energy balance

As an index of net energy balance as per our previous study (19), we calculated “drift rate change” as detailed below. We calculated the drift rate (in m s −1 the vertical rate of passive descent while drifting through the water column during the drift dives), which has strong correlations with animals’ buoyancy (i.e., body density) and hence with the amount of body lipid stores (i.e., % lipid tissue in animals’ body) (21, 24). Therefore, the daily change in drift rate (in m s −1 day −1 ) informs us of the net gain rate in body lipid stores, where the positive and negative values indicate lipid store increases (i.e., positive energy balance) and decreases (i.e., negative energy balance), respectively (19, 23, 25).

To calculate drift rate per drift dive, we applied a custom-written automated algorithm that processes time-series data of depth from mandible accelerometers based on our previous studies as follows (19, 22): A drift phase should (i) have no depths less than 100 m (to minimize the effect of gases in the lungs on buoyancy), (ii) be longer than 20% of the total duration of the drift dive, (iii) have little variance in depth change rate during the entire drift phase (i.e., mean squared residual should be less than 3 m 2 ), and (iv) have drift rates <−0.1 m s −1 [i.e., seals’ buoyancy stays negative in the 2-month postbreeding migrations based on our previous studies (19, 22)]. We visually confirmed that the automated algorithm effectively extracted actual drift phases and calculated drift rates (19, 22). Then, we fitted a cubic spline to the drift rate time-series data using a built-in function interpolate2 in IGOR Pro v. 6.04 (WaveMetrics Inc., Lake Oswego, OR, USA) to estimate the daily drift rate values and finally obtain daily changes in drift rate (m s −1 day −1 ) as daily net energy balance, as per our previous studies (19, 22).

Visualizing daily net energy balance against foraging activity in 3D

The daily values of foraging time, number of feeding event, and drift rate changes were integrated to visualize in 3D (Fig. 3B), showing how drift rate change (i.e., net energy balance) depends on foraging time and success. The 3D figure (Fig. 3B) was created based on the results from a generalized additive mixed model (GAMM), with drift rate change as a response variable and foraging time and number of feeding event as explanatory variables, including individual as a random effect (table S2), by using the gam function in the mgcv package distributed via R (49). We implemented a random effect by using the “re” smoother option, as suggested for simple, independent random effects (50). In Fig. 3B, the ض axis (i.e., drift rate changes) was plotted based on predicted values from the GAMM model with the lowest Akaike’s information criterion corrected for small samples (AICج) (table S2) projected onto observed x-ذ foraging coordinates (i.e., observed values of daily foraging time and number of feeding event in Fig. 3A).

Obtaining seawater temperature and oxygen concentration

We obtained seawater temperature and dissolved oxygen concentration data along depth through the World Ocean Database (https://www.nodc.noaa.gov/OC5/SELECT/dbsearch/dbsearch.html). From the database, we obtained all available profiling float data at longitudes of −160° to −120° and latitudes of 30° to 60° between February and May of 2011 to 2018, which corresponds to where and when the study seals migrated (Fig. 1A and table S1). We integrated all obtained data together and visualized them as a function of depth using a generalized additive model with 95% confidence intervals using the gam function in the mgcv package distributed via R (Fig. 1D) (49).

Obtaining maximum dive depth information of marine mammals in the North Pacific

We compiled maximum dive depth information [as an index of physiological diving capacities (15)] on as many diving marine mammals in the North Pacific as could be found in the published literature (15, 3234, 5168) based on the species lists from two previous studies (15, 60). We made our list based on two criteria: (i) We prioritized to use the maximum dive depth data from animal-borne electronic archival tags and (ii) we used the values in the previous lists (15, 60) even if the values are not from animal-borne electronic archival tags (but from other source such as radio tags) in the case where we could not find any updated reports by animal-borne electronic archival tags. Our lists of species, maximum dive depths, and references are available in table S3. For the value of female northern elephant seals, note that we used the maximum dive depth of 1557.5 m obtained from our 48 seals with mandible accelerometers that recorded depth throughout migrations (table S3).

Obtaining body mass information of marine mammals in the North Pacific

Along with the maximum dive depth described in the last section, we collected body mass information from a previous study (15) (table S3). For the value of female northern elephant seals, note that we used a mass of 365 kg based on the mean departure and arrival mass of our 48 seals with mandible accelerometers 365 = (325 + 406)/2 by rounding down to the nearest decimal (table S1 and S3).

Data presentation

Data are presented as arithmetic mean ± SD unless otherwise stated.


شاهد الفيديو: تسريع حرق الدهون. دكتور بيرج يشرح تنشيط الأيض بالتفصيل (كانون الثاني 2022).