Метаболизм

реклама
Введение в Вычислительную
Системную Биологию
А.А. Сорокин
2
Метаболизм
Лекция II
3
Центральная догма
• Генетическая информация
передается молекулами
ДНК
• РНК копируется по ДНК
матрице
• РНК матрица используется
для синтеза белка
• Белки осуществляют
регуляцию и контроль
клеточных процессов
• Метаболизм связывает и
обеспечивает все уровни
3
• Генетическая информация
передается молекулами
ДНК
• РНК копируется по ДНК
матрице
• РНК матрица используется
для синтеза белка
• Белки осуществляют
регуляцию и контроль
клеточных процессов
• Метаболизм связывает и
обеспечивает все уровни
Метаболизм
Центральная догма
4
Классификация белков
Enzyme
5
Метаболизм
• Метаболизм – это совокупность химических
реакций в организме, которые обеспечивают
его веществами и энергией, необходимыми
для жизнедеятельности.
▫ Катаболизм – образование более простых
соединений из сложных
▫ Анаболизм – синтез сложных соединений из
более простых
6
Метаболизм
Метаболизм выполняет 4 функции:
▫ Снабжение организма химической энергией;
▫ Превращение пищевых веществ в
строительные блоки, которые используются в
клетке для биосинтеза макромолекул;
▫ Cборка биополимеров, пластическое и
энергетическое поддержание структуры
организма;
▫ Синтез биомолекул, необходимых для
выполнения функционирования клетки и
организма.
7
9
Tyrosine
Metabolism
11
Image Credits: Anna Dröfn Daníelsdóttir, Freyr Jóhannsson, Soffía Jónsdóttir, Sindri Jarlsson, Jón Pétur
Gunnarsson & Ronan M. T. Fleming from the University of Iceland.
12
Метаболизм
• Метаболический путь – это
последовательность химических
превращений конкретного вещества в
организме.
▫ Метаболиты
▫ Конечные продукты
• Метаболический цикл – это такой
метаболический путь, один из конечных
продуктов которого идентичен одному из
соединений вовлеченных в этот процесс
13
14
Метаболизм: ключевые игроки
• Метаболиты
• Реакции
• Ферменты
15
Реакции
• Эндотермические
▫ ΔH<0
• Экзотермические
ΔG
▫ ΔH>0
• ΔG отрицательно
▫ Реакция обратима:
0
ΔG ≤ 40
кДж/моль
ΔG 0 = ΔH 0 − TΔS 0
ΔG = ΔG 0 + RT ln ∏ Ci
• Клетка – открытая система
▫ Обмен энергией
▫ Обмен веществом
€
i
16
Макроэргические соединения
• Клетке нужна энергия
• Синтез полимеров
Ацетил-КоА ΔG=-34 кДж/моль
▫ ΔG пепдиной связи
~5.5÷1.8кДж/моль
• Поддержание состава
внутренней среды
• Утилизация и вывод
токсинов
АТФ ΔG=-32 кДж/моль
Фосфоенолпируват
ΔG=-54 кДж/моль
Креатинфосфат
ΔG=-42 кДж/моль
17
Ферменты
• Биополимеры облегчающие протекание
реакций
• Классифицируются
▫ Типу реакции
▫ Типу полимера
▫ Структуре активного центра
• Регуляция и контроль
ΔG
18
ЕС номенклатура
Код EC
Катализируемая реакция
Тип реакции
Подклассы
1.
Оксидоредуктазы
Окислительно-восстановительные реакции.
Перенос атомов H и O или электронов от
одного субстрата на другой
дегидрогеназа, оксидаза,
пероксидаза, редуктаза,
монооксидаза, диоксигеназа
2.
Трансферазы
Перенос функциональной группы
от одного субстрата на другой.
Это может быть метильная,
ацильная, фосфатная группа или
аминогруппа
AH + B → A + BH
(восстановленный)
A + O → AO (окисленный)
AB + C → A + BC
3. Гидролазы
Образование двух продуктов из
одного субстрата в результате
гидролиза.
AB + H2O → AOH + BH
AB + H2O → AOH + BH
4.
Лиазы
(синтазы)
Негидролитическое добавление
или удаление группы к или от
субстрата. Образование C-C, C-N,
C-O или C-S связи.
RCOCOOH → RCOH +
CO2
C-O-лиаза, C-S-лиаза, CN-лиаза, C-C-лиаза
5.
Изомеразы
Внутримолекулярная
перестановка, то есть
изомеризация молекулы
субстрата.
AB → BA
эпимераза, цис-трансизомераза,
внутримолекулярная
оксидоредуктаза и др.
6.
Лигазы
(синтетазы)
Соединение двух молекул в
результате синтеза новой C-O, CS, C-N или C-C связи, сопряжённое с
одновременным гидролизом АТФ
X + Y+ ATP → XY + ADP C-O-лигаза, C-S-лигаза,
C-N-лигаза, C-C-лигаз
+ Pi
аминотрансфераза,
фосфотрансфераза, C1трансфераза,
гликозилтрансфераза
19
Goltsov et al. Eur.J.Pharm.Sci 2009
COX и Vioxx
• Нестероидные
противовоспалительные
препараты
• Ингибируют COX
▫ простогландины
• Vioxx – привел к
~100,000 сердечных
осложнений
WARNER AND MITCHELL FASEB Journal 2004
Циклооксигеназа
20
Циклооксигеназа (COX) фермент, участвующий в синтезе простаноидов,
таких как простагландины, простациклины и тромбоксаны.
Фермент обладает двумя активностями:
Cyclooxygenase and Peroxidase
Arachidonic
acid
+ 2O2
PGG2 + H2O
PGG2
PGH2
1.13.11.33
15-HPETEALOX15
12-HPETE
1.13.11.31
ALOX12
O2
Arachidonate
Lecithin
3.1.1.4
PLA262D
1.11.1.7
5-HETE
LPO
O2
NSAID
2O2
AccH2
⊗
1.14.99.1
PTGS1
PGG2
5.3.99.4
Acc
NSAIDs ингибируют производство PGH2
PGH2
1.14.99.1
PTGS1
5.3.99.5
TBXAS1
PTGIS
1.13.11.34
ALOX5
5.3.99.3
PTGES2
5-HPETE
PGI2
PGE2
5.3.99.2
PGDS
NADPH
PGD2
TXA2
1.13.11.34
ALOX5
NADP
12-Keto-LTB4
NADP
LTB4
3.3.2.6
LTA4H
FpH2
Fp
LTA4
6-KetoPGF1α
Glutathione
1.14.13.30
CYP4F3
NADPH
1.1.1.184
DHRS4
4.4.1.20
LTC4S
6-KetoPGE1
1.1.1.189
CBR1
PGA2
PGF2α
PGC2
PGB2
20-OH-LTB4 LTC4
1.1.1.188
AKR1C3
PGJ2
TXB2
Dihydro-TXB2
Dihydro-PGJ2
2.3.2.2
GGT1
Glutamate
20-COOH-LTB4 LTD4
•PGI2 и PGD2 ингибируют агрегацию тромбоцитов;
•TXA2 стимулирует агрегацию тромбоцитов;
•PGE2 активирует тромбоциты
22
Сигнальная сеть простогландинов
Prostanoid
receptors
PGD2
DP1
PPARγ
PGF2α
DP2
PGE2
FP
G-proteins
EP1
EP3
EP4
Gi
Gq
Ras
IP
AC
Gs
EP2
PGI2
PLC
Prostanoid
ATP
p38
IP3
cAMP
PKA
Raf
PKC
GSK-3
CREB1
β-catenin
COX2
MEK
PLA2
Rac
MAPK
AA
Ca2+
PLD
signaling
pathways
PPARγ
TXA2
TP
Фермент циклооксигеназа:
Структура, как оснонвой источник информации о
механизме катализа COX
Гем, связанный с
сайтом POX:
Fe and PP
Tyr385
Сайт связывания
субстрата/
ингибиторов
Основную часть мономера COX составляют каталитический домен и
сайты связывания субстратов и NSAID
Kinetic model of Cox-1/2 catalytic cycle
Kinetic model of Cox-1/2 catalytic cycle
•Детальная кинетическая модель активности COX-1,2, параметры
которой получены из эксперимента
• Наиболее продвинутая модель такого рода, которую можно
рассматривать в качестве “in silico replica” фермента
Model validation. Inhibitory effects of different NSAIDs
Aspirin
0,8
0.8 mM
Relative COX
activity
1
0,6
0,2
1,2
60
1000
40
20
4.36
mM 4000
3000
0
2000
Ibuprofen
80
2.35
mM
0,4
0
100
Relative COX
activity
1,2
0
5000
0
200
0,8
1.4 µM
0,6
0,2
0
500
1000
1000
1200
Celecoxib
0.5
µM
1 µM
0,6
1500
800
0,8
2.2
3.8
µM
µM
5.4
µM
0,4
0
1
Rel COX-2
activity
Relative COX
activity
1
600
Ibuprofen
concentration, µM
Preincubation time, sec
Indomethaci
n
400
0,4
2 µM
0,2
2000
Preincubation time, sec
0
0
10
20
30
40
50
60
Preincubation time, sec
70
Model validation. Inhibitory effects of different NSAIDs
Aspirin
0,8
0.8 mM
Relative COX
activity
1
0,6
2.35
mM
0,4
0,2
0
1,2
1000
2000
Relative COX
activity
60
40
20
Константы связывания
NSAID
предсказания
4.36используются для
0
0
200COX400
600
mM 4000 ингибирования
3000
5000
1.4 µM
Indomethaci
n
0,6
800
1000
1200
симуляции
1 модели
Celecoxib
0,8
0,2
0
500
1000
0.5
µM
1 µM
0,6
2.2
3.8
µM
µM
5.4
µM
0,4
0
80
- Не использовался Ibuprofen
фитинг,
Preincubation time, sec
µM
результаты получены вconcentration,
результате
1
0,8
Ibuprofen
Rel COX-2
activity
0
100
Relative COX
activity
1,2
1500
0,4
2 µM
0,2
2000
Preincubation time, sec
0
0
10
20
30
40
50
60
Preincubation time, sec
70
Предсказание действия NSAID
-Для индивидуальных лекарств и их комбинаций:
-Aspirin, Ibuprofen, Naproxen, Celecoxib, Indomethacin, Diclofenac,…
High
dose
Aspirin
50%
inhibition
plane
High
dose
Coxib
Высокие дозы аспирина
побочные эффекты ЖКТ
Высокие дозы Celebrex
побочные эффекты ССС
RPL - Creating value through knowledge
Aspirin
безопасные опасные дозы
IC50 Aspirin
дозы Celebrex
Celebrex
In green
Безопасные комбинации лекарств могут быть предсказаны с помощью моделей
28
29
Реконструкция и аннотация
• Последовательность хромосомы
▫ Полный список возможных ферментов
• Аннотация
▫ Приписывание функции генам
▫ Биоинформатика
● Гомология
● Структурное подобие
• Реконструкция
▫ Список реакций
▫ Список метаболитов
• Проверка
▫ Моделирование
30
хемиинформатика
• Имена
▫ Номенклатурные (2-ацетилоксибензойная
кислота)
▫ Обычные – аспирин
• Синонимия (PEP, ATP)
• Изомерия
• Уникальный идентификатор вещества
▫ InChI
1S/C9H8O4/c1-6(10)13-8-5-3-2-4-7(8)9(11)12/h2-5H,1H3,(H,11,12)
31
chEBI
• Химические объекты биологического
интереса (ХОБИ) – бесплатный электронный
словарь молекулярных объектов на
английском языке.
▫ Онтология
● glucose (CHEBI:17234) is a aldohexose (CHEBI:33917)
● D-glucose (CHEBI:17634) is a glucose (CHEBI:17234)
● L-glucose (CHEBI:37624) is a glucose (CHEBI:17234)
● glucopyranose (CHEBI:37661) is a glucose (CHEBI:17234)
• Структура, синонимия, физ.-хим. свойства
http://www.ebi.ac.uk/chebi/
32
PubChem
• База данных структур хим. Соединений
▫ ~33 млн. веществ
• Поиск
▫ имени,
▫ структурному подобию
▫ Фармакологическим индексам
• Информация
▫ Литература
▫ Данные об активности
▫ Перекрестные ссылки
http://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/
The KEGG Pathway Database
• KEGG (http://www.genome.jp/kegg/) база данных генов
(KEGG GENES), метаболитов (KEGG LIGAND), и реакций
(KEGG PATHWAY)
• KEGG (Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes) поиск
можно проводить по адресу http://www.genome.ad.jp/kegg/
pathway.html
33
Метаболические
карты Kegg: гликолиз
Next slide
34
http://www.genome.jp/dbget-bin/www_bget?
pathway+map01110
Метаболические
карты Kegg: гликолиз
•
Различные базы
данных по-разному
представляют
метаболические путе
•
“KEGG” notation
EC 4.1.2.13 Aldolase
35
Метаболические
карты Kegg:
гликолиз
• Карточка KEGG:
EC 4.1.2.13
Fructose biphosphate
aldolase
36
MetaCyc
• MetaCyc база данных метаболических путей,
подтвержденных экспериментально.
• MetaCyc более 900 путей из более чем 900 организмов.
• Заполняется вручную данными из литературы.
http://metacyc.org/
37
Метаболические
карты MetaCyc:
гликолиз
EC 4.1.2.13 Aldolase
http://biocyc.org/META/NEW-IMAGE?type=PATHWAY&object=GLYCOLYSIS
38
Метаболические карты MetaCyc: гликолиз
39
http://biocyc.org/HUMAN/NEW-IMAGE?type=REACTION&object=F16ALDOLASE-RXN&orgids=%28HUMAN
+SCER-S28-01+%29
40
BioModelsDB
• Репозиторий моделей в формате SBML
• http://www.ebi.ac.uk/biomodels/
▫ 963 модели из литературы
▫ 142050 моделей биологических путей KEGG
41
BioModelsDB
• Полностью готовые к использованию
модели
42
Brenda
•
•
•
•
•
BRENDA (BRaunschweig ENzyme DAtabase)
Первый выпуск 1987г.
Ферменты
Кинетические параметры
http://www.brenda-enzymes.info/
43
Reactome
• Reactome открытая аннотируемая база
биологических путей
• Поиск в Reactome можно проводить по адресу
http://www.reactome.org/ReactomeGWT/entrypoint.html
•
44
Reactome
• Поддерживает стандарты
▫ SBGN
▫ SBML
▫ BioPAX
• Отдельные проекты
▫ Arabidopsis Reactome
▫ Gallus Reactome
▫ C. Elegans
45
45
46
SEED/RAST
• Независимая от GO классификация функций
белков
• Система автоматической аннотации геномов
RAST
• http://www.theseed.org/
47
Реконструкция метаболизма
•
•
•
•
•
•
Баланс массы
Баланс заряда
Баланс по элементам и группам
Контроль «висящих» метаболитов
Контроль обратимости
Контроль достижимости
48
Реконструкция метаболизма человека
• Два проекта
▫ Palsson: 1509 реагентов, 3673 реакций
● Duarte et al. Proc Natl Acad Sci USA 2007
▫ Edinburgh: 2704 реагентов, 3000 реакций
● Ma, Sorokin, et al. Mol Syst Biol, 2007.
• Консенсусная реконструкция закончена
▫ Swainston et al. Nature Biotechnology, 2013
● 2626 реагентов и 7440 реакций
• Карта метаболизма E. coli
▫ Orth et al. Mol Syst Biol. 2011
● 1136 метаболитов, 2251 реакций
49
Следующий уровень: микробиом
• Human Microbiome Project
▫ Nature 486, 207–214 (14 June 2012)
▫ http://hmpdacc.org/HMSMCP/
C Huttenhower et al. Nature 486, 207-214 (2012) doi:10.1038/nature11234
50
Биологически топливные ячейки
e
e
e
electric load
e
fuel in
OO
e
e
oxygen in
O
O
H
H
e
H
e
O
O
H
H
O
fuel out
H
O
H
anode
cathode
cation exchange membrane
Biological Systems Unit
H
oxygen and
water out
51
Биологические топливные ячейки (MFC)
• MFC состоит из двух
электрохимических ячеек:
анодной и катодной,
разделенные мембраной с
ионной проводимостью.
37
Biological Systems Unit
Color Key
and Histogram
Genus, All data, Source norm Range
40
0
20
Count
60
80
52
2 4 6 8
Value
Анализ метагеномов
различных участков
биологической
топливной ячейки
MFC1_p1
MFC1_p2
MFC2_p1
MFC2_p2
MFC2_a1
MFC2_a2
MFC1_a2
MFC1_a1
MFC3_a2
MFC3_a1
MFC4_a1
MFC4_a2
MFC3_p1
MFC3_p2
MFC4_p1
sIS_1
MFC4_p2
sIS_2
sMiz_2
sMiz_1
sSW_2
sSW_1
sSWS_2
sSWS_1
Faecalibacterium
Butyrivibrio
Roseburia
Enterococcus
Coprococcus
unclassified (derived from Lachnospiraceae)
Eggerthella
Veillonella
Blautia
unclassified (derived from Erysipelotrichaceae)
Bifidobacterium
Selenomonas
unclassified (derived from Ruminococcaceae)
Subdoligranulum
Oribacterium
Dorea
Mitsuokella
Lysinibacillus
Megasphaera
Coprobacillus
Abiotrophia
Phascolarctobacterium
Weeksella
Catenibacterium
Acholeplasma
Oscillochloris
unclassified (derived from Archaea)
unclassified (derived from Thermotogales)
Verrucomicrobium
Methanothermus
Pirellula
Chthoniobacter
Methanosaeta
Methanothermobacter
Erysipelothrix
Dietzia
Gardnerella
Solobacterium
Shuttleworthia
Weissella
Aerococcus
Succinatimonas
Taylorella
T4−like viruses
Streptococcus
Eubacterium
Lactobacillus
Ruminococcus
Prevotella
Acinetobacter
SBGN Process Description Language
• Основан на нотации Kitano’s Process Diagram
Notation
• A Process Description (PD) Diagram представлят все
молекулярные процессы и взаимодействия,
которые происходят в клетке
• Показывает механизм формирования продуктов
биохимических реакций
• Большинство метаболических путей (гликолиз,
ЦТК) в учебниках представлен в PD
• Сигнальные пути обычно рисуются по-другому, но
PD позволяет однозначно отобразить все
механизмы прохождения сигналов
Типы элементов (Entity Types)
Незаданный тип
Unspecified
entity
Метаболит
Simple
chemical
Макромолекула
Macromolecule
LABEL
LABEL
LABEL
Генетически элемент
Nucleic acid
feature
LABEL
Макромолекулы: полимерные молекулы образованные из
квазиподобных субъединиц.
Ключевые понятия: процессы
Association
• Процесс: превращение
молекул одного пула в другой
• Специальные случаи:
Dissociation
▫ Нековалентные связи
● Association
● Dissociation
▫ Не полная информация
● Uncertain process
● Omitted process
Process
Uncertain
process
Omitted
process
?
//
Арки
• Связь процессов с пулами
▫ Consumption/production
▫ Стехиометрия
• Регуляци скорости процесса
▫ Stimulation
▫ Inhibition
▫ Catalysis
• Необходимые условия
▫ Necessary stimulation
consumption
production
catalysis
stimulation
inhibition
necessary stimulation
modulation
2
Гликолиз
59
Вопросы
Скачать