Качественная и количественная оценка метаболизма

Обмен веществ складывается из множества преимущественно катализируемых ферментами реакций. Так в простейшей эукариотической клетке дрожжей (Saccharomyces cerevisiae), происходит около 1500 биохимических реакций, включающих примерно 850 метаболитов и кофакторов. Анализ обмена веществ включает два этапа: качественная идентификация активно протекающих реакций метаболических путей и количественная оценка потока через метаболические пути.

Качественная оценка метаболических путей включает: 1) выявление тех ферментативных реакций, которые функционируют в данном метаболическом пути в анализируемых клетках живого организма; 2) если определена последовательность нуклеотидов в геноме организма, то возможен компьютерный анализ генов, кодирующих ферменты метаболических путей; 3) в процессе анализа ферментативных превращений веществ в клетке оценивается потребность в кофакторах; 4) с помощью изотопных технологий оценивают распределение атомов метаболитов (например, с помощью хроматографического и масс-спектрометрического анализа судьбы ¹³С-меченых органических метаболитов оценивают превращения углеродных скелетов на протяжении линейных и разветвленных метаболических путей).

После выявления компонентов метаболических путей количественно оценивают метаболические потоки. Чаще всего используют концепцию метаболического баланса по концентрациям метаболитов в устойчивом состоянии (steady state). Этот подход оказался наиболее полезным для описания метаболизма у микробов. Важную роль в количественной оценке метаболических путей играет баланс кофакторов (никотинамидных, адениловых и др. нуклеотидов) и баланс включения меченых атомов в метаболиты этого пути.

Если метаболические процессы происходят в разных отделах (компартментах) клеток оценивают ферментативные пути транспорта метаболитов в эти отделы и дают им количественную характеристику. Исследование ведут в рамках камерных компьютерных моделей, согласно которым в отдельных камерах-компартментах происходят метаболические превращения связанные потоками метаболитов, интенсивность которых можно оценить коэффициентами.

Контроль метаболических потоков включает несколько уровней: регуляция транскрипции генов, скорости деградации мРНК, трансляции, посттрансляционной модификации белков, белок-белковых взаимодействий, аллостерической регуляции ферментов и взаимодействий в системе метаболит-фермент. Суммируя вышесказанное, можно выделить общий контроль на уровне регуляции синтеза белков и локальный контроль на уровне системы метаболит-фермент. По B.Christensen и J. Nielsen (1999) контроль метаболизма описывается уравнением ν=f(e)g(c), согласно которому оборот ферментативных реакций является функцией концентрации ферментов е и концентрации всех метаболитов (показанных через вектор (с).