Что такое метаболиты

Метаболомика лекарственных растений

Метаболомика биологических объектов

Что такое метаболом?

Метаболом – это комплекс всех низкомолекулярных метаболитов с массой Что такое метаболомика?

Метаболомика – это технология, которая включает в себя набор аналитических и биоинформационных методов для количественного определения и идентификации низкомолекулярных метаболитов (метаболома), присутствующих в клетке, ткани или организме. Главная цель метаболомики заключается в определении изменений в биохимическом фенотипе организма, которые являются реакцией организма на его генетическую модификацию, или на любые изменения в окружающей среде.

В чем особенность и важность метаболомики?

Одним из приоритетных направлений биологической науки является изучение взаимосвязи генотипа и фенотипа живого организма. Однако, активное использование методов геномики, транскриптомики и протеомики показало, что эти технологии не дают всей необходимой информации, которая позволяет определить, как изменение в геноме, мРНК или белке связаны с изменением в биологической функции организма или в фенотипе. В связи с этим, для эффективного решения многих вопросов функциональной геномики, наряду с традиционными фенотипическими характеристиками организма (морфологическими и анатомическими) стали использовать анализ его биохимического фенотипа или метаболома. Информация об уровне внутриклеточных метаболитов, совместно со структурой метаболических путей, оказалась очень важной для понимания механизма регуляции метаболизма. Кроме того, в настоящее время она представляет большую ценность не только для функциональной геномики, но и для развития биохимической инженерии.

Области использования метаболомики

Применение метаболомики позволяет решать многие проблемы фундаментальной биологии и медицины, которые не могут быть решены с помощью других подходов.

Например:

  • сравнение метаболизма генетически модифицированного и исходного организмов
  • определение изменений в метаболизме биообъекта под действием какого-либо фактора окружающей среды
  • быстрый и эффективный контроль селекционного процесса растений
  • тщательный биохимический контроль пищевых и лекарственных растений и продуктов их переработки
  • выявление метаболитов-маркеров, изменение содержания которых тесно связано с различными патологическими процессами у растений и животных (включая человека)
  • и т.д

Основные услуги, оказываемые по метаболомике биообъектов

Полный цикл работы:

  • Дизайн и подготовка эксперимента
  • Отбор образцов и экстракция метаболитов. Оптимальное число повторности одной группы образцов растений (генотип или фенотип) 7-10. Вес сухого растительного образца – 10-30 мг. Оптимальное число повторности одной группы образцов человека или животных – до 20; размер образца, например плазма крови – 100-150 μл
  • Анализ метаболома образцов с применением газо-жидкостной хроматографии и ультра-эффективной жидкостной хроматографии с масс-спектрометрическим детекторованием (ГХ-МС и УЭЖХ-МС)
  • MetAlign обработка МС хроматограмм с полным сканированием (TIC, total ion chromatogram): корректировка базовой линии хроматограммы, обнаружение пиков метаболитов, нормализация относительно внутреннего стандарта, экстракция масс-спектров, выравнивание МС хроматограмм всех образцов
  • Формирование таблицы данных метаболома образцов и их нормализация относительно веса образца. Биоинформационная обработка данных с использование SIMCA-P+ анализа (PCA, НСА, OPLS и другие)
  • Определение метаболитов, которые вносят основной вклад в различие анализируемых групп биообъектов (S-plot)
  • МС идентификация метаболитов-маркеров с применением библиотек масс-спектров: «NIST-2008», MPIMPP (Германия) и МSDB (Университет Турку и ВИЛАР), HMDB, а также на основе измерения молекулярной массы метаболита с применением хроматографической системы Agilent 1200 УЭЖХ с BRUKER micrOTOF-Q-MS высокого разрешения
  • Анализ данных и получение биологической информации
  • Представление результатов работы в форме отчета

По желанию заказчика работа может быть ограничена выполнением только какого-то определенного этапа.

Стоимость работы

Стоимость работы в области метаболомики договорная и рассчитывается для каждого отдельного заказа с учетом типа биообъекта, объема работы, используемой хроматографической платформой (ГХ-МС или УЭЖХ-МС), общим количеством образцов и трудоемкостью подготовки образцов для экстракции. Она также включает стоимость расходных материалов, реагентов, стандартов и сервисное обслуживание хроматографических систем, что необходимо для получения достоверного конечного результата.

Оборудование, используемое при анализе метаболома


А, шаровая мельница MM200 (RETSCH) для гомогенизации образцов;
Б, система VORTEX Genie 2 для экстракции метаболитов
Установка для лиофильной сушки Lyophilizer CHRIST Alpha 2-4 (B. Braun Biotech, International)
Концентратор (Concentrator plus, Eppendorf AG)
Perkin Elmer газо-хроматорафическая система AutoSystem XL с масс-спектрометрическим детектором TurboMass Gold для анализа полярных и липофильных метаболитов
Waters Acquity УЭЖХ система с диодным и XEVO TQ МС детектором для анализа полярных и липофильных метаболитов
Agilent 1200 УЭЖХ система с масс-спектрометрическим детектором высокого разрешения BRUKER micrOTOF-Q-MS для идентификации метаболитов
Система Waters для препаративной ВЭЖХ. Используется для выделения и последующей идентификации метаболитов методами 1^H- и 13^C-ЯМР

Примеры анализа метаболитов


ГХ-МС профиль метаболитов экстракта растения
УЭЖХ-УФ-МС (TIC) профили метаболитов растения (УЭЖХ система Waters Acquity с диодным и XEVO TQ МС детектором)
УЭЖХ-УФ-МС идентификация метаболита растения (УЭЖХ система Agilent 1200 с масс-спектрометрическим детектором высокого разрешения BRUKER micrOTOF-Q-MS)

Метаболомика — Metabolomics

Центральная догма биологии, показывающая поток информации от ДНК к фенотипу. С каждой стадией является соответствующим инструментом системной биологии, от геномика к метаболомике.

Метаболомика является научное исследование химических процессов с участием метаболитов , небольшие промежуточные продукты и продукты метаболизма молекул. В частности, метаболомика является «систематическое изучение уникальных химических отпечатков пальцев , что специфические клеточные процессы оставляют позади», изучение их низкомолекулярных метаболитов профилей. Метабол представляет собой полный набор метаболитов в биологической клетке, ткани, органе или организме, которые являются конечными продуктами клеточных процессов. мРНК экспрессия генов данные и протеомика анализы показывают множество генных продуктов производятся в клетке, данные , которые представляют один из аспектов клеточной функции. И наоборот, метаболическое профилирование может дать мгновенный снимок физиологии этой клетки, и , таким образом, метаболомика обеспечивает прямое «функциональное считывание физиологического состояния» организм. Одна из задач системной биологии и функциональной геномики является интеграция геномики , транскриптомных , протеомические и метаболомики информации для обеспечения лучшего понимания клеточной биологии.

Метаболиты

Смотреть что такое «Метаболиты» в других словарях:

  • МЕТАБОЛИТЫ — промежуточные продукты обмена веществ в живых клетках. Многие из них оказывают регулирующее влияние на биохимические и физиологические процессы в организме … Большой Энциклопедический словарь

  • МЕТАБОЛИТЫ — МЕТАБОЛИТЫ, химические вещества, задействованные в метаболических процессах в клетках организмов. Эти вещества принимают участие в различных биологических обменах энергией, необходимых для роста организма, поддержания его жизнедеятельности и для… … Научно-технический энциклопедический словарь

  • метаболиты — вещества, образующиеся в клетке в процессе метаболизма. (Источник: «Микробиология: словарь терминов», Фирсов Н.Н., М: Дрофа, 2006 г.) … Словарь микробиологии

  • МЕТАБОЛИТЫ — см. Гормоны среды. Экологический энциклопедический словарь. Кишинев: Главная редакция Молдавской советской энциклопедии. И.И. Дедю. 1989 … Экологический словарь

  • метаболиты — – промежуточные продукты метаболитического пути или цикла … Краткий словарь биохимических терминов

  • метаболиты — (гр. metabole перемена) вещества, образующиеся в организме в процессе обмена веществ метаболизма ср. антиметаболиты). Новый словарь иностранных слов. by EdwART, , 2009. метаболиты [ Словарь иностранных слов русского языка

  • метаболиты — промежуточные продукты обмена веществ в живых клетках. Многие из них оказывают регулирующее влияние на биохимические и физиологические процессы в организме. * * * МЕТАБОЛИТЫ МЕТАБОЛИТЫ, промежуточные продукты обмена веществ в живых клетках.… … Энциклопедический словарь

  • метаболиты — metabolitai statusas T sritis chemija apibrėžtis Organizmo medžiagų apykaitos produktai. atitikmenys: angl. metabolites rus. метаболиты … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas

  • метаболиты — metabolitai statusas T sritis augalininkystė apibrėžtis Medžiagų apykaitos produktai, susidarantys ląstelėse, audiniuose bei organuose. atitikmenys: angl. metabolites rus. метаболиты … Žemės ūkio augalų selekcijos ir sėklininkystės terminų žodynas

  • метаболиты — (греч. metabole изменение, превращение) промежуточные продукты обмена веществ … Большой медицинский словарь

Энергетический обмен и общий путь катаболизма.

13.4.1. Реакции цикла Кребса относятся к третьей стадии катаболизма питательных веществ и происходят в митохондриях клетки. Эти реакции относятся к общему пути катаболизма и характерны для распада всех классов питательных веществ (белков, липидов и углеводов).

Главной функцией цикла является окисление ацетильного остатка с образованием четырёх молекул восстановленных коферментов (трёх молекул НАДН и одной молекулы ФАДН2), а также образование молекулы ГТФ путём субстратного фосфорилирования. Атомы углерода ацетильного остатка выделяются в виде двух молекул СО2.

13.4.2. Цикл Кребса включает 8 последовательных стадий, обращая особое внимание на реакции дегидрирования субстратов:

Рисунок 13.6. Реакции цикла Кребса, включая образование α-кетоглутарата

а) конденсация ацетил-КоА с оксалоацетатом, в результате которой образуется цитрат (рис.13.6, реакция 1); поэтому цикл Кребса называют также цитратным циклом. В этой реакции метильный углерод ацетильной группы взаимодействует с кетогруппой оксалоацетата; одновременно происходит расщепление тиоэфирной связи. В реакции освобождается КоА-SH, который может принять участие в окислительном декарбоксилировании следующей молекулы пирувата. Реакцию катализирует цитратсинтаза, это – регуляторный фермент, он ингибируется высокими концентрациями НАДН, сукцинил-КоА, цитрата.

б) превращение цитрата в изоцитрат через промежуточное образование цис-аконитата. Образующийся в первой реакции цикла цитрат содержит третичную гидроксильную группу и не способен окисляться в условиях клетки. Под действием фермента аконитазы идёт отщепление молекулы воды (дегидратация), а затем её присоединение (гидратация), но другим способом (рис.13.6, реакции 2-3). В результате данных превращений гидроксильная группа перемещается в положение, благоприятствующее её последующему окислению.

в) дегидрирование изоцитрата с последующим выделением молекулы СО2 (декарбоксилированием) и образованием α-кетоглутарата (рис. 13.6, реакция 4). Это – первая окислительно-восстановительная реакция в цикле Кребса, в результате которой образуется НАДН. Изоцитратдегидрогеназа, катализирующая реакцию, — регуляторный фермент, активируется АДФ. Избыток НАДН ингибирует фермент.

Рисунок 13.7. Реакции цикла Кребса, начиная с α-кетоглутарата.

г) окислительное декарбоксилирование α-кетоглутарата, катализируется мультиферментным комплексом (рис. 13.7, реакция 5), сопровождается выделением СО2 и образованием второй молекулы НАДН. Эта реакция аналогична пируватдегидрогеназной реакции. Ингибитором служит продукт реакции – сукцинил-КоА.

д) субстратное фосфорилирование на уровне сукцинил-КоА, в ходе которого энергия, освобождающаяся при гидролизе тиоэфирной связи, запасается в форме молекулы ГТФ. В отличие от окислительного фосфорилирования, этот процесс протекает без образования электрохимического потенциала митохондриальной мембраны (рис. 13.7, реакция 6).

е) дегидрирование сукцината с образованием фумарата и молекулы ФАДН2 (рис. 13.7, реакция 7). Фермент сукцинатдегидрогеназа прочно связан с внутренней мембраной митохондрии.

ж) гидратация фумарата, в результате чего в молекуле продукта реакции появляется легко окисляемая гидроксильная группа (рис. 13.7, реакция 8).

з) дегидрирование малата, приводящее к образованию оксалоацетата и третьей молекулы НАДН (рис.13.7, реакция 9). Образующийся в реакции оксалоацетат может вновь использоваться в реакции конденсации с очередной молекулой ацетил-КоА (рис. 13.6, реакция 1). Поэтому данный процесс носит циклический характер.

13.4.3. Таким образом, в результате описанных реакций подвергается полному окислению ацетильный остаток СН3-СО-. Количество молекул ацетил-КоА, превращаемых в митохондриях в единицу времени, зависит от концентрации оксалоацетата. Основные пути увеличения концентрации оксалоацетата в митохондриях (соответствующие реакции будут рассмотрены позднее):

а) карбоксилирование пирувата – присоединение к пирувату молекулы СО2 с затратой энергии АТФ; б) дезаминирование или трансаминирование аспартата – отщепление аминогруппы с образованием на её месте кетогруппы.

13.4.4. Некоторые метаболиты цикла Кребса могут использоваться для синтеза структурных блоков для построения сложных молекул. Так, оксалоацетат может превращаться в аминокислоту аспартат, а α–кетоглутарат – в аминокислоту глутамат. Сукцинил-КоА принимает участие в синтезе гема – простетической группы гемоглобина. Таким образом, реакции цикла Кребса могут участвовать как в процессах катаболизма, так и анаболизма, то есть цикл Кребса выполняет амфиболическую функцию (см. 13.1).

Первичные метаболиты

Ряд метаболитов клетки представляют интерес как целевые продукты ферментации. Их разделяют на первичные и вторичные.

Первичные метаболиты– это низкомолекулярные соединения (молекулярная масса менее 1500 дальтон), необходимые для роста микроорганизмов. Одни из них являются строительными блоками макромолекул, другие участвуют в синтезе коферментов. Среди наиболее важных для промышленности метаболитов можно выделить аминокислоты, органические кислоты, нуклеотиды, витамины и др.

Биосинтез первичных метаболитов осуществляют различные биологические агенты – микроорганизмы, растительные и животные клетки. При этом используются не только природные организмы, но и специально полученные мутанты. Чтобы обеспечить высокие концентрации продукта на стадии ферментации, необходимо создавать продуценты, противостоящие генетически свойственным их природному виду механизмам регуляции. Например, необходимо устранить накопление конечного продукта, репрессирующего или ингибирующего важный фермент для получения целевого вещества.

Производство аминокислот.

В процессе ферментаций, осуществляемых ауксотрофами (микроорганизмы, нуждающиеся для воспроизведения в факторах роста), производят многие аминокислоты и нуклеотиды. Распространенными объектами селекции продуцентов аминокислот являются микроорганизмы, относящиеся к родам Brevibacterium, Corynebacterium, Micrococcus, Arthrobacter.

Из 20 аминокислот, составляющих белки, восемь не могут синтезироваться в организме человека (незаменимые). Эти аминокислоты должны поступать в организм человека с пищей. Среди них особенное значение имеют метионин и лизин. Метионин производится химическим синтезом, а более 80% лизина – биосинтезом. Перспективным является микробиологический синтез аминокислот, так как в результате этого процесса получаются биологически активные изомеры (L-аминокислоты), а при химическом синтезе оба изомера получаются в равных количествах. Поскольку их трудно разделить, половина продукции оказывается биологически бесполезной.

Аминокислоты используют в качестве пищевых добавок, приправ, усилителей вкуса, а также как сырье в химической, парфюмерной и фармацевтической промышленности.

Разработка технологической схемы получения отдельной аминокислоты базируется на знании путей и механизмов регуляции биосинтеза конкретной аминокислоты. Необходимого дисбаланса метаболизма, обеспечивающего сверхсинтез целевого продукта, добиваются путем строго контролируемых изменений состава и условий среды. Для культивирования штаммов микроорганизмов при производстве аминокислот как источники углерода наиболее доступны углеводы – глюкоза, сахароза, фруктоза, мальтоза. Для снижения стоимости питательной среды используют вторичное сырье: свекловичную мелассу, молочную сыворотку, гидролизаты крахмала. Технология этого процесса совершенствуется в направлении разработки дешевых синтетических питательных сред на основе уксусной кислоты, метанола, этанола, н-парафинов.

Производство органических кислот.

В настоящее время биотехнологическими способами в промышленных масштабах синтезируют ряд органических кислот. Из них лимонную, глюконовую, кетоглюконовую и итаконовую кислоты получают лишь микробиологическим способом; молочную, салициловую и уксусную – как химическим, так и микробиологическим способами; яблочную – химическим и энзиматическим путем.

Уксусная кислота имеет наиболее важное значение среди всех органических кислот. Ее используют при выработке многих химических веществ, включая каучук, пластмассы, волокна, инсектициды, фармацевтические препараты. Микробиологический способ получения уксусной кислоты состоит в окислении этанола в уксусную кислоту при участии бактерий штаммов GluconobacterиAcetobacter:

Лимонную кислоту широко используют в пищевой, фармацевтической и косметической промышленности, применяют для очистки металлов. Самый крупный производитель лимонной кислоты – США. Производство лимонной кислоты является старейшим промышленным микробиологическим процессом (1893 г.). Для ее производства используют культуру гриба Aspergillus niger, A. wentii. Питательные среды для культивирования продуцентов лимонной кислоты в качестве источника углерода содержат дешевое углеводное сырье: мелассу, крахмал, глюкозный сироп.

Молочная кислота – первая из органических кислот, которую начали производить путем брожения. Ее используют в качестве окислителя в пищевой промышленности, как протраву в текстильной промышленности, а также при производстве пластмасс. Микробиологическим путем молочную кислоту получают при сбраживании глюкозы Lactobacillus delbrueckii.

Оставить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *