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無益な回路は基質回路とも呼ばれ、2 つの代謝経路が同時に反対方向に実行され、熱の形でエネルギーを消散させる以外に全体的な効果がない場合に発生します。[1]この回路が「無益な」回路と呼ばれた理由は、この回路が生物にとって純粋な有用性なしに機能しているように見えたためです。そのため、これは代謝の奇妙な現象であると考えられ、無益な回路と名付けられました。さらに調査したところ、無益な回路は代謝物の濃度を調節するために非常に重要であることがわかりました。[2]たとえば、解糖と糖新生が同時に活性化すると、グルコースは解糖によってピルビン酸に変換され、次に糖新生によってグルコースに戻り、全体としてATPが消費されます。[3]無益な回路は代謝調節に役割を果たしている可能性があり、無益な回路は 2 つの状態の間を振動するシステムであり、関与する酵素の活動の小さな変化に非常に敏感です。[4]このサイクルは熱を生成し、例えば若い哺乳類の褐色脂肪組織で熱恒常性を維持するために、または例えば昆虫の飛翔筋や冬眠中の動物の冬眠からの周期的な覚醒時に急速に熱を生成するために使用されている可能性があります。グルコース代謝基質サイクルは無駄なサイクルではなく、調節プロセスであることが報告されています。たとえば、エネルギーが突然必要になると、ATPははるかに反応性の高いアデニンであるAMPに置き換えられます。
例
解糖と糖新生の同時実行は、次の式で表される無駄なサイクルの例です。
ATP + H 2 O ADP + P i + H
例えば、解糖系では、フルクトース-6-リン酸は、ホスホフルクトキナーゼ1 （PFK-1）酵素によって触媒される反応でフルクトース-1,6-ビスリン酸に変換されます。
ATP + フルクトース-6-リン酸 → フルクトース-1,6-ビスリン酸 + ADP
しかし、糖新生（ピルビン酸やその他の化合物からのグルコースの合成）の際には、フルクトース-1,6-ビスホスファターゼ（FBPase-1）によって触媒され、逆の反応が起こります。
フルクトース-1,6-ビスリン酸 + H 2 O → フルクトース-6-リン酸 + P i
全体的な反応は次のとおりです。
ATP + H 2 O → ADP + P i + 熱
つまり、有用な代謝作業を行わずにATPを加水分解するのです。明らかに、これら2つの反応が同じ細胞内で同時に高速で進行すると、大量の化学エネルギーが熱として消費されます。この非経済的なプロセスは、そのため無益なサイクルと呼ばれています。[5]
肥満と恒常性維持における無益な循環の役割
肥満を効果的に治療したり改善したりできる薬は多くありません。肥満は、糖尿病、高血圧、心血管疾患、さらには特定の種類の癌など、主に健康問題に関連する疾患のリスクを高める可能性があります。トランスジェニックマウスを使用して実験した肥満の治療と予防に関する研究では、miR-378 が人間の肥満の予防と治療に有望な薬剤である可能性があることを示唆する肯定的なフィードバックが報告されています。研究結果は、miR-378 を介した骨格筋のピルビン酸-PEP 無駄回路の活性化が、 miR-378 トランスジェニックマウスの脂肪組織における脂肪分解の増加の主な原因であり、筋肉と脂肪のクロストークを調整してマウスのエネルギー恒常性を制御するのに役立つことを示しています。[6]
一般的に、無益なサイクルは、2 つの重なり合う代謝経路が反対方向に走るときに発生する基質サイクルであると理解されています。このサイクルは、制御されないまま放置されると、すべての細胞のエネルギーが枯渇するまで、実際の生産なしに制御されずに継続します。ただし、この研究の背景にある考え方は、miR-378 活性化ピルビン酸-ホスホエノールピルビン酸無益なサイクルが制御上の利点を果たしていることを示唆しています。[6] miR-378 は脂肪分解の促進により体脂肪量を減少させるだけでなく、無益なサイクルが代謝を制御してエネルギー恒常性を維持すると推測されています。miR-378 は、筋肉と脂肪組織間の代謝コミュニケーションを制御して全身レベルでエネルギー恒常性を制御するという独自の機能を持っています。[6]
さまざまな種で機能する無駄なサイクルの例
一部の種において、無益回路の存在がどのようにして ATP レベルを低く維持し、熱を生成するのに役立っているのかを理解するために、解糖と糖新生の相互調節を扱う代謝経路を調べます。
多くの魚類、例えばゼブラフィッシュの浮き袋は、浮力に寄与するガスで満たされた器官です。これらのガス腺細胞は、毛細血管と神経がある場所にあります。代謝酵素の分析により、糖新生酵素フルクトース-1,6-ビスホスファターゼ（Fbp1）と解糖酵素グリセルアルデヒド-3-リン酸デヒドロゲナーゼ（Gapdh）がガス腺細胞で高度に発現していることが実証されました。[7]この研究は、ゼブラフィッシュの浮き袋の特性にはフルクトース-1,6-ビスホスファターゼ遺伝子の発現を含めるべきではないことを示しました。浮き袋の組織は糖新生活性が非常に高く、糖新生が欠如していることが知られていますが、Fbpが優位に発現していることがわかりました。この発見は、ガス腺細胞で、FbpがATP依存性の代謝無益回路を形成することを示唆しています。ATP が蓄積されるとプロセスが強く阻害されるため、 ガス腺細胞が乳酸を合成するには熱の発生が極めて重要です。
別の例では、フグの浮袋で発生した熱は発生場所から運び去られるものの、それでも浮袋の温度を体の他の部分よりも高く維持するために、 常に奇網を通して回収されている可能性が示唆されています。
無益なサイクルの全体的な正味反応には、次のように ATP の消費と熱の生成が含まれます。
ATP + H 2 O → ADP + P i + 熱
熱生成に有益な無駄回路のもう一つの例は、マルハナバチに見られます。マルハナバチはFbpとPfkを含む無駄回路を利用して飛翔筋で熱を生成し、低い周囲温度でも体をかなり温めます。[7]
参考文献
- ^ Schwender J、Ohlrogge J、Shachar - Hill Y (2004)。「植物の代謝ネットワークにおけるフラックスの理解」。Curr Opin Plant Biol。7 ( 3): 309–17。doi : 10.1016 /j.pbi.2004.03.016。PMID 15134752 。
- ^ H., Garrett, Reginald (2016-02-11).生化学. Grisham, Charles M. (第6版). ボストン, MA. p. 767. ISBN 9781305577206. OCLC 914290655.
{{cite book}}: CS1 maint: 場所、出版社不明 (リンク) CS1 maint: 複数の名前: 著者リスト (リンク) - ^ Boiteux A, Hess B (1981). 「解糖系の設計」Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci . 293 (1063): 5–22. Bibcode :1981RSPTB.293....5B. doi :10.1098/rstb.1981.0056. PMID 6115423.
- ^ Samoilov M、Plyasunov S、 Arkin A (2005)。「ノイズ誘起双安定性と振動による酵素の無駄なサイクルにおける確率的増幅とシグナル伝達」。Proc Natl Acad Sci USA。102 ( 7): 2310–5。Bibcode :2005PNAS..102.2310S。doi : 10.1073 / pnas.0406841102。PMC 548975。PMID 15701703。
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- ^ abc チャン、ヨン;リー・チャンイン。李、胡。ソン、イーペン。趙、宜夏。ザイ、リリ。王、海夏。チョン、ラン。タン、フイル。朱、大海 (2016-03-01)。 「miR-378はピルビン酸-PEP無益サイクルを活性化し、脂肪分解を強化してマウスの肥満を改善します。」eバイオメディシン。5：93-104。土井：10.1016/j.ebiom.2016.01.035。ISSN 2352-3964。PMC 4816830。PMID 27077116。
- ^ ab 宗像、慶次郎;大方佳代子土井裕之;ババ、オットー。寺島達夫；廣瀬重久加藤 章（2012 年 1 月） 「浮き袋のガス腺細胞におけるグルコーストランスポーター、フルクトース-1,6-ビスホスファターゼ、およびグリコーゲンの組織学的証明: 無駄な代謝サイクルが作動しているか?」生化学および生物物理学研究コミュニケーション。417 (1): 564–569。土井：10.1016/j.bbrc.2011.12.006。ISSN 0006-291X。PMID 22177956。
外部リンク
- 米国国立医学図書館医学件名標目表(MeSH)の無駄+サイクル