無益なサイクル

無駄なサイクル（基質サイクルとも呼ばれる）は、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散逸させる以外に全体的な効果がないときに発生します。^[¹^]このサイクルが「無駄な」サイクルと呼ばれた理由は、このサイクルが生物にとって正味の効用を持たずに機能しているように見えたためです。そのため、これは代謝の特異性であると考えられ、無駄なサイクルと名付けられました。さらに調査した結果、無駄なサイクル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^]例えば、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、その後糖新生によってグルコースに戻され、全体としてATPが消費されます。^[³^]無駄なサイクルは代謝調節において役割を果たしている可能性があり、無駄なサイクルとは、2 つの状態の間を振動し、関与する酵素のいずれかの活性のわずかな変化に非常に敏感なシステムである。^[⁴^]このサイクルは熱を発生させ、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、あるいは例えば昆虫の飛翔筋や冬眠動物が周期的に休眠から覚醒する際に熱を急速に発生させるために利用される可能性がある。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と報告されている。例えば、エネルギーが突然必要になったとき、ATP ははるかに反応性の高いアデニンである AMP に置き換えられる。

例

解糖と糖新生が同時に行われることは、無駄なサイクルの一例であり、次の式で表される。

ATP + H₂O _⇌ ADP + Pi ₊ 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）という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る。

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（すなわち、ピルビン酸やその他の化合物からグルコースを合成する過程）では、フルクトース-1,6-ビスホスファターゼ（FBPase-1）によって触媒される逆反応が起こります。

フルクトース-1,6-ビスリン酸 + H₂O _→フルクトース-6-リン酸 + _Pi

全体的な反応としては、

ATP + H₂O _→ ADP + Pi ₊熱

つまり、有用な代謝活動を行わずにATPを加水分解するということである。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散逸する。そのため、この非効率的なプロセスは無駄なサイクルと呼ばれている。^[⁵^]

肥満と恒常性における役割

肥満を効果的に治療または改善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、健康問題に主に関連する疾患のリスクを高める可能性があります。遺伝子組み換えマウスを用いた肥満の治療と予防に関する研究では、miR-378がヒトの肥満の予防と治療に有望な薬剤となる可能性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。この研究結果は、miR-378を介した骨格筋におけるピルビン酸-PEP無益サイクルの活性化が、 miR-378遺伝子組み換えマウスの脂肪組織における脂肪分解亢進の主な原因であり、筋肉と脂肪間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^]

無駄なサイクルの一般的な理解は、2 つの重複する代謝経路が反対方向に進行するときに発生する基質サイクルであり、制御されないまま放置されると、すべての細胞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。しかし、この研究の背後にある考えは、miR-378 が活性化するピルビン酸-ホスホエノールピルビン酸無駄なサイクルが調節上の利点を担っていることを示しています。^{[ 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、無駄なサイクルが代謝を調節してエネルギー恒常性を維持するとも推測されています。miR-378 は、筋肉と脂肪組織間の代謝コミュニケーションを調節して全身レベルでエネルギー恒常性を制御する独自の機能を持っています。^{[ 6 ]}

さまざまな種で作用する無駄なサイクルの例

無駄なサイクルが存在することで、一部の種においてATPレベルを低く保ち、熱を発生させる仕組みを理解するために、解糖系と糖新生の相互調節に関わる代謝経路を考察します。

ゼブラフィッシュなど多くの魚の浮き袋は、内部にガスが満たされた器官で、浮力に寄与しています。これらのガス腺細胞は、毛細血管と神経が存在する場所に位置しています。代謝酵素の分析により、糖新生酵素であるフルクトース-1,6-ビスホスファターゼ（Fbp1）と解糖酵素であるグリセルアルデヒド-3-リン酸デヒドロゲナーゼ（Gapdh）がガス腺細胞で高発現していることが示されました。^[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が含まれていないことを示しました。浮き袋の組織はグリコーゲン活性が非常に高く、糖新生が欠如していることが知られていますが、Fbpが優勢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依存性の無駄な代謝サイクルを形成していることを示唆しています。乳酸を合成するためには、ガス腺細胞にとって熱の発生が極めて重要である。なぜなら、ATPが蓄積されると、このプロセスが強く阻害されるからである。

別の例としては、フグの浮き袋で発生した熱は発生部位から運び出されるものの、奇網を通して絶えず回収され、ガス腺の温度を体の他の部位よりも高く保つことができるということが示唆されている。

無駄なサイクルの全体的な正味反応は、ATPの消費と熱の発生を伴い、以下の通りである。

ATP + H₂O _→ ADP + Pi ₊熱

無駄なサイクルが熱の発生に役立つ別の例は、マルハナバチに見られます。FbpとPfkを含む無駄なサイクルは、マルハナバチが飛行筋で熱を発生させ、低い周囲温度で体を大幅に温めるために利用されています。^{[ 7 ]}

参考文献

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↑ H.、ギャレット、レジナルド（2016年2月11日）。生化学。グリシャム、チャールズ M.（第6版）。ボストン、マサチューセッツ州。767ページ。ISBN 9781305577206OCLC 914290655 {{cite book}}: CS1 maint: 発行元が見つかりません (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。
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1 2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の医学主題見出し（MeSH）における「無益なサイクル」

[1] Schwender J、Ohlrogge J、Shachar-Hill Y (2004)。「植物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 .

[2] H.、ギャレット、レジナルド（2016年2月11日）。生化学。グリシャム、チャールズ M.（第6版）。ボストン、マサチューセッツ州。767ページ。ISBN 9781305577206OCLC 914290655 {{cite book}}: CS1 maint: 発行元が見つかりません (リンク) CS1 maint: 複数の名前: 著者リスト (リンク)

[3] 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。

[4] Samoilov M 、Plyasunov S、Arkin A (2005)。「ノイズ誘発性振動による双安定性を介した酵素的無益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。

[5] Nelson, DL、Lehninger, AL、Cox, MM (2008)。Lehninger生化学原理（第5版、582-583頁）。ニューヨーク：WH Freeman。

[:0-6] 1 2 3張永。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 無駄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。

[ReferenceA-7] 1 2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。

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例

肥満と恒常性における役割

さまざまな種で作用する無駄なサイクルの例

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代謝経路が同時に反対方向に実行され、

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