Метаболизм
advertisement
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
