4.10: Eine Einführung in den Zellstoffwechsel

Der Zellstoffwechsel bezieht sich auf die lebenswichtigen Stoffwechselreaktionen, die innerhalb einer Zelle ablaufen. Wenn die meisten Menschen an "Stoffwechsel" denken, Sie assoziieren es mit dem "Verbrennen" oder den Abbau von Nährstoffen. In der Zellbiologie umfasst der Stoffwechsel jedoch den "Katabolismus", Was ist der Abbau von Molekülen und der "Anabolismus"? das ist die Synthese neuer biologischer Verbindungen. Diese Prozesse versorgen die Zellen mit Energie und helfen beim Aufbau ihrer Bestandteile.

Dieses Video befasst sich mit den wichtigsten Entdeckungen, die zu unserem Verständnis des Zellstoffwechsels beigetragen haben. Im Anschluss daran untersuchen wir die wichtigsten Fragen auf diesem Gebiet und einige der Techniken, die derzeit zur Untersuchung von Stoffwechselwegen verwendet werden.

Tauchen wir ein in die reiche Geschichte des Zellstoffwechsels.

Zwischen 1770 und 1805 führten vier Chemiker Schlüsselexperimente durch, die dazu beitrugen, zu erklären, wie Pflanzen ?Masse? zu wachsen. Ihre Arbeit führte zur grundlegenden Photosynthesereaktion, die feststellte, dass Pflanzen im Sonnenlicht Kohlendioxid und Wasser aufnehmen und Sauerstoff und organisches Material produzieren. Später in den 1860er Jahren stellte Julius von Sachs fest, dass es sich bei diesem organischen Material um Stärke handelt, die sich aus dem Zucker Glukose zusammensetzt.

Pflanzen produzieren also Zucker. Aber wir konsumieren es. Was passiert also mit dem Zucker in unserem Körper? Eine mögliche Antwort kam in den 1930er Jahren, als Gustav Embden, Otto Meyerhof und Jacob Parnas die Glykolyse beschrieben, den Weg, der Glukose in Pyruvat aufspaltet. Wir wissen heute, dass bei der Glykolyse auch Adenosintriphosphat oder ATP produziert wird.

Die Struktur von ATP wurde 1935 im Laboratorium von Meyerhof von Karl Lohmann bestimmt. Meyerhof und Lohmann schlugen vor, dass ATP "lagern" könnte. Energie, die 1941 von Fritz Lipmann bestätigt wurde, der die energiereichen Bindungen in ATP identifizierte und eine Theorie aufstellte, mit der diese Bindungen während der Biosynthese nutzbar gemacht werden konnten.

Parallel dazu fand Hans Krebs heraus, dass die Oxidation von Glukose oder Pyruvat durch eine Reihe von Säuren stimuliert werden kann, die alle Teil zyklischer Reaktionen sind, die den Tricarbonsäurezyklus bilden, der als TCA-Zyklus abgekürzt wird. Sein Hauptbeitrag bestand darin, dass Oxalacetat und Pyruvat in Citrat umgewandelt werden konnten, was dieser Oxidationsreihe ihre zyklische Form verlieh.

Im Jahr 1946 klärten Lipmann und Nathan Kaplan mit ihrer Entdeckung des Coenzyms A die Reaktion zur Umwandlung von Pyruvat in Citrat weiter auf. Wir wissen heute, dass Pyruvat mit diesem Enzym interagiert, um Acetyl-Coenzym A zu bilden, das den TCA-Zyklus in Gang setzt.

Später, zwischen den 1950er und 1970er Jahren, stellten Forscher fest, dass Elektronen, die während des TCA-Zyklus freigesetzt werden, "getragen" werden können. zu Proteinkomplexen, die sich in Mitochondrien auf einem Weg befinden, der als Elektronentransportkette bezeichnet wird. Wichtig ist, dass Peter Mitchell 1961 vorschlug, dass der Transfer von Elektronen zwischen diesen Komplexen einen Protonengradienten erzeugt. was die Produktion des Großteils des ATP einer Zelle antreiben könnte.

Zusammengenommen bildeten die Entdeckungen der Photosynthese, der Glykolyse, des TCA-Zyklus und der Elektronentransportkette die Grundlage, auf der die heutigen Studien zum Zellstoffwechsel ruhen.

Obwohl diese historischen Entdeckungen immense Einblicke in die Stoffwechselwege geliefert haben, haben sie auch einige Fragen aufgeworfen. Schauen wir uns einige von denen an, die unbeantwortet bleiben.

Heute untersuchen Forscher, wie Stoffwechselwege durch Umweltstressoren wie Toxine oder Strahlung beeinflusst werden. Insbesondere besteht Interesse daran, wie solche Faktoren zu einer abnormalen Produktion von reaktiven Sauerstoffspezies wie freien Radikalen führen, die ungepaarte Elektronen an Sauerstoffatomen besitzen, was sie hochreaktiv macht. Diese Moleküle können andere zelluläre Bestandteile schädigen und zu oxidativem Stress führen.

Oxidativer Stress wurde mit der Seneszenz und dem Tod von Zellen sowie mit der Entstehung und dem Fortschreiten von Krebs in Verbindung gebracht. Daher sind Zellbiologen daran interessiert herauszufinden, wie diese reaktiven Spezies die normalen physiologischen Prozesse einer Zelle, wie z. B. die Zellteilung, beeinflussen. Mit diesen Informationen können sie weiter auf die Rolle dieser Spezies bei pathologischen Ereignissen schließen.

Schließlich interessieren sich mehrere Forscher für Stoffwechselstörungen, also Zustände, bei denen bestimmte Stoffwechselreaktionen gestört sind. Dazu gehören Krankheiten wie Diabetes, bei denen der Körper nicht in der Lage ist, Zucker zu verstoffwechseln. Forscher versuchen derzeit, Faktoren wie Gene oder Umwelteinflüsse zu identifizieren, die zu solchen Krankheiten beitragen. Dies wird ihnen letztendlich helfen, wirksamere Therapien für Patienten zu entwickeln.

Nachdem Sie nun einige drängende Fragen auf dem Gebiet des Zellstoffwechsels gehört haben, lassen Sie uns einen Blick auf die experimentellen Techniken werfen, die Wissenschaftler verwenden, um sie zu beantworten.

Das ultimative Ziel vieler kataboler Prozesse in lebenden Zellen ist die Erzeugung von ATP, dem primären Energiespeichermolekül, das von den Zellen verwendet wird. Daher können Techniken wie der ATP-Biolumineszenz-Assay, der ATP in einer Probe mit Hilfe einer Lumineszenzreaktion quantifiziert, Einblicke in Zellen geben? metabolische Aktivität.

Andere Methoden konzentrieren sich auf bestimmte Stoffwechselwege. Zum Beispiel können Forscher den Stoffwechsel von Glykogen zu seinem Monomer Glukose bewerten. Eine Möglichkeit, dies zu tun, besteht darin, aus Glykogen gewonnene Glukose zu Produkten zu verarbeiten, die mit Detektionssonden reagieren und eine Farbänderung oder Fluoreszenz induzieren. Auf diese Weise können Forschende berechnen, wie viel Glykogen ursprünglich in ihren Proben vorhanden war.

Im Gegensatz dazu kann ein abnormaler Stoffwechsel durch die Messung reaktiver Sauerstoffspezies nachgewiesen werden. In der Regel verwenden Forscher eine Sonde, die fluoresziert, nachdem sie "angegriffen" wurde. von einem Mitglied dieser Spezies. Diese Assays quantifizieren direkt die Menge an reaktiven Sauerstoffmetaboliten und helfen somit beim Nachweis von oxidativem Stress.

Schließlich analysieren die Forscher den Stoffwechsel auf organismischer Ebene, indem sie ? Metabolisches Profiling.? Mit Hilfe fortschrittlicher Methoden wie Hochleistungsflüssigkeitschromatographie oder HPLC und Massenspektrometrie oder MS können Wissenschaftler Metaboliten in biologischen Proben quantifizieren und feststellen, ob bestimmte Stoffwechselwege blockiert oder überaktiv sind.

Mit all diesen Werkzeugen, die ihnen zur Verfügung stehen, wollen wir sehen, wie Wissenschaftler sie experimentell einsetzen.

Einige Wissenschaftler wenden diese Methoden an, um neue Wege zur Diagnose von Stoffwechselstörungen zu entwickeln. Hier wurde ein Protokoll entwickelt, um mononukleäre Zellen des peripheren Blutes (PBMCs) aus Blutproben von Patienten zu isolieren, um deren Glykogengehalt zu bestimmen. Durch die Verwendung eines Glykogenstoffwechsel-spezifischen Färbeassays erhielten die Forscher Einblicke in die Menge an Glykogen, die in diesen Proben vorhanden war. In zukünftigen Anwendungen könnte diese Technik helfen, Patienten mit Glykogen-Stoffwechselerkrankungen zu diagnostizieren.

Andere Forscher nutzen diese Werkzeuge, um die Auswirkungen von Umweltstress auf den Stoffwechsel zu untersuchen. In diesem Experiment maßen die Wissenschaftler reaktive Sauerstoffspezies in Zebrafischembryonen, die mit einer Chemikalie namens Rotenon behandelt wurden, oder nach einer Schädigung ihrer Schwänze. Dies geschah mit Hilfe einer Sonde, die rot fluoresziert, wenn sie von reaktiven Sauerstoffspezies angegriffen wird. Die anschließende Untersuchung ganzer Embryonen ergab eine erhöhte Produktion dieser Moleküle als Reaktion auf Verletzungen und chemische Exposition, was auf eine schützende Rolle dieser Metaboliten hindeutet.

Schließlich untersuchen Zellbiologen auch die metabolischen Eigenschaften von Krebszellen. Hier sammelten die Forscher den Inhalt menschlicher Darmkrebszellen und unterzogen diesen Extrakt einem metabolischen Profiling mittels HPLC und MS. Dies ermöglichte es den Forschern, Metaboliten zu identifizieren, die in diesem erkrankten Gewebe vorhanden sind.

Sie haben gerade das Einführungsvideo von JoVE zum Zellstoffwechsel gesehen. Viele komplexe Stoffwechselwege beschreiben die Stoffwechselaktivität von Zellen, und jetzt wissen Sie, wie diese Wege entdeckt wurden und wie die Forschung immer noch versucht, die unbekannten Komponenten zu entschlüsseln. Denken Sie daran, dass der Stoffwechsel gut ist, aber ein Übermaß an irgendetwas schädlich sein kann. Wie immer vielen Dank fürs Zuschauen!