Metabolism/ja: Difference between revisions
Metabolism/ja
Created page with "新しい代謝経路が進化するメカニズムを説明するために、多くのモデルが提案されてきた。これらのモデルには、短い祖先経路に新規酵素が順次追加されるもの、経路全体が複製され、その後分岐するもの、既存の酵素を採用して新規反応経路に組み立てるものなどがある。 これらのメカニズムの相対的な重要性は不明だが、ゲノム研究によって、経路..." Tags: Mobile edit Mobile web edit |
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[[Amino acid/ja|アミノ酸]]は、タンパク質や他の生体分子を合成するために使われるか、エネルギーを生産するために[[urea/ja|尿素]]と二酸化炭素に酸化される。酸化経路は、[[transaminase/ja|トランスアミナーゼ]]によるアミノ基の除去から始まる。アミノ基は[[urea cycle/ja|尿素サイクル]]に供給され、脱アミノ化された炭素骨格が[[keto acid/ja|ケト酸]]の形で残る。これらのケト酸のいくつかはクエン酸サイクルの中間体であり、例えばα-[[alpha-Ketoglutaric acid/ja|ケトグルタル酸]]は[[glutamate/ja|グルタミン酸]]の脱アミノ化によって形成される。また、[[glucogenic amino acid/ja|糖原性アミノ酸]]は[[gluconeogenesis/ja|糖新生]]によってグルコースに変換されることもある(後述)。 | [[Amino acid/ja|アミノ酸]]は、タンパク質や他の生体分子を合成するために使われるか、エネルギーを生産するために[[urea/ja|尿素]]と二酸化炭素に酸化される。酸化経路は、[[transaminase/ja|トランスアミナーゼ]]によるアミノ基の除去から始まる。アミノ基は[[urea cycle/ja|尿素サイクル]]に供給され、脱アミノ化された炭素骨格が[[keto acid/ja|ケト酸]]の形で残る。これらのケト酸のいくつかはクエン酸サイクルの中間体であり、例えばα-[[alpha-Ketoglutaric acid/ja|ケトグルタル酸]]は[[glutamate/ja|グルタミン酸]]の脱アミノ化によって形成される。また、[[glucogenic amino acid/ja|糖原性アミノ酸]]は[[gluconeogenesis/ja|糖新生]]によってグルコースに変換されることもある(後述)。 | ||
<span id="Energy_transformations"></span> | |||
==エネルギー変換== | ==エネルギー変換== | ||
{{Anchor|Energy transformations}} | {{Anchor|Energy transformations}} | ||
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第三の可能性は、代謝の一部が「モジュール」として存在し、異なる経路で再利用され、異なる分子に対して同様の機能を果たすというものである。 | 第三の可能性は、代謝の一部が「モジュール」として存在し、異なる経路で再利用され、異なる分子に対して同様の機能を果たすというものである。 | ||
新しい代謝経路の進化だけでなく、進化によって代謝機能が失われることもある。例えば、いくつかの[[parasite/ja|寄生虫]]では生存に必須ではない代謝過程が失われ、代わりにあらかじめ形成されたアミノ酸、ヌクレオチド、炭水化物が[[host (biology)/ja|ホスト]]から回収されることがある。同様の代謝能力の低下は[[endosymbiont/ja|内部共生]]にも見られる。 | |||
==調査と操作== | |||
{{Anchor|Investigation and manipulation}} | |||
{{further|Protein methods|Proteomics|Metabolomics|Metabolic network modelling}} | {{further/ja|Protein methods/ja|Proteomics/ja|Metabolomics/ja|Metabolic network modelling/ja}} | ||
[[File:A thaliana metabolic network.png|thumb|upright=1.35|right| | [[File:A thaliana metabolic network.png|thumb|upright=1.35|right|''[[Arabidopsis thaliana/ja|シロイヌナズナ]]''[[citric acid cycle/ja|クエン酸サイクル]]の[[Metabolic network/ja|代謝ネットワーク]]。[[enzyme/ja|酵素]]と[[metabolite/ja|代謝物]]を赤い四角で示し、それらの間の相互作用を黒い線で示した。]] | ||
古典的には、代謝は単一の代謝経路に焦点を当てた[[reductionism/ja|還元]]アプローチによって研究される。 | |||
特に有用なのは、[[radioactive tracer/ja|放射性トレーサー]]を全組織、組織、細胞レベルで用いることである。このトレーサーは、放射性標識された中間体や生成物を同定することによって、前駆体から最終生成物までの経路を定義する。 | |||
そして、これらの化学反応を触媒する酵素を[[protein purification/ja|精製]]し、その[[enzyme kinetics/ja|動力学]]や[[enzyme inhibitor/ja|阻害剤]]に対する反応を調べることができる。 | |||
これと並行して、細胞や組織内の低分子を同定するアプローチもある。 | |||
全体として、これらの研究は単純な代謝経路の構造と機能をよく知ることができるが、完全な細胞の代謝のような複雑な系に適用するには不十分である。 | |||
何千種類もの酵素を含む細胞内の[[metabolic network/ja|代謝ネットワーク]]の複雑さは、右の43のタンパク質と40の代謝産物間の相互作用を示した図が示している。しかし現在では、このゲノムデータを使って生化学反応の完全なネットワークを再構築し、その挙動を説明・予測できるような、より[[Holism/ja|ホリスティック]]な数学モデルを作成することが可能になっている。これらのモデルは、[[proteomics/ja|プロテオミクス]]や[[DNA microarray/ja|DNAマイクロアレイ]]研究から得られた[[gene expression/ja|遺伝子発現]]のデータと、古典的な手法で得られたパスウェイや代謝物のデータを統合するために用いると、特に強力になる。これらの技術を用いて、ヒトの代謝モデルが構築され、将来の創薬や生化学研究の指針となる。これらのモデルは現在、[[:en:Network theory|ネットワーク分析]]に利用され、ヒトの病気を共通のタンパク質や代謝物を持つグループに分類している。 | |||
バクテリアの代謝ネットワークは、[[Bow tie (biology)/ja|ボウタイ]]組織の顕著な例であり、幅広い栄養素を投入し、比較的少数の中間共通通貨を使って多種多様な産物や複雑な高分子を生産できる構造である。 | |||
この情報の主要な技術的応用は[[metabolic engineering/ja|代謝工学]]である。ここでは、[[yeast/ja|酵母]]、植物、[[bacteria/ja|バクテリア]]などの生物を遺伝子組み換えして、[[biotechnology/ja|バイオテクノロジー]]においてより有用なものとし、[[antibiotic/ja|抗生物質]]などの[[drug/ja|医薬品]]や、[[1,3-Propanediol/ja|1,3-プロパンジオール]]や[[shikimic acid/ja|シキミ酸]]などの工業化学物質の生産を助ける。これらの遺伝子組み換えは通常、製品の生産に使われるエネルギーの量を減らし、収量を増やし、廃棄物の生産を減らすことを目的としている。 | |||
==歴史== | |||
{{Anchor|History}} | |||
{{further|History of biochemistry|History of molecular biology}} | {{further/ja|History of biochemistry/ja|History of molecular biology/ja}} | ||
''メタボリズム''という言葉は、[[:ja:古代ギリシャ語|古代ギリシャ語]]のμεταβολή - "Metabole"に由来する。 | |||
[[File:Aristotle's metabolism.png|thumb|right|upright=1.4|[[:en:Aristotle's metabolism|アリストテレスの代謝]]は、オープンフローモデルである。]] | |||
[[File:Aristotle's metabolism.png|thumb|right|upright=1.4|[[Aristotle's | |||
===ギリシャ哲学=== | |||
[[:ja:アリストテレス|アリストテレス]]の''[[:en:The Parts of Animals|動物の部位]]''には、[[:en:Aristotle's biology|代謝に関する見解]]の詳細が、開放流モデルを作るのに十分な程度に記されている。彼は、プロセスの各段階で食物からの物質が変換され、熱が火の[[:en:classical element|古典的要素]]として放出され、残留物質が尿、胆汁、または糞便として排泄されると考えた。 | |||
[[ | |||
[[:en:Ibn al-Nafis|イブン・アル=ナフィス]]は、西暦1260年に発表した[[:en:Al-Risalah al-Kamiliyyah fil Siera al-Nabawiyyah|Al-Risalah al-Kamiliyyah fil Siera al-Nabawiyyah]](預言者の伝記に関するカミルの論考)という著作の中で新陳代謝について述べており、その中に次のようなフレーズがある。"身体もその部分も、溶解と栄養補給の連続的な状態にあるため、必然的に永続的な変化を遂げている。" | |||
[[Ibn al-Nafis]] | |||
===科学的手法の応用と現代の代謝理論=== | |||
=== | 代謝の科学的研究の歴史は数世紀にわたっており、初期の研究では動物全体を調べることから、現代の生化学では個々の代謝反応を調べるようになった。ヒトの代謝における最初の対照[[experiment/ja|実験]]は、1614年に[[:en:Santorio Santorio|Santorio Santorio]]が著書''Ars de statica medicina''の中で発表した。彼は食事、[[sleeping/ja|睡眠]]、仕事、セックス、絶食、飲酒、排泄の前後に体重を測定した方法を記述した。彼は、摂取した食物のほとんどが"[[insensible perspiration/ja|不感蒸泄性発汗]]"と呼ばれるもので失われることを発見した。 | ||
[[File:SantoriosMeal.jpg|thumb|right|upright=0.7|[[:en:Santorio Santorio|サントリーオ・サントリーオ]]の天秤、''Ars de statica medicina''(1614年初版)より]] | |||
[[File:SantoriosMeal.jpg|thumb|right|upright=0.7|[[Santorio Santorio]] | |||
これらの初期の研究では、これらの代謝プロセスのメカニズムは特定されておらず、[[:en:vitalism|生命力]]が生体組織を動かしていると考えられていた。19世紀、[[yeast/ja|酵母]]による糖の[[ethanol/ja|アルコール]]への[[fermentation (food)/ja|発酵]]を研究していた[[:en:Louis Pasteur|ルイ・パスツール]]は、発酵は彼が「発酵物」と呼ぶ酵母細胞内の物質によって触媒されると結論づけた。 | |||
彼は「アルコール発酵は酵母細胞の生命と組織に関連した行為であり、細胞の死や腐敗に関連した行為ではない」と書いた。 | |||
この発見は、1828年に[[:en:Friedrich Woehler|フリードリッヒ・ヴェーラー]]が発表した[[urea/ja|尿素]]の化学合成に関する論文とともに、完全に無機前駆体から調製された最初の有機化合物として注目されている。これは、細胞内で見られる有機化合物や化学反応が、化学の他の部分と原理的に何ら変わらないことを証明した。 | |||
20世紀初頭に[[:en:Eduard Buchner|エドゥアルド・ブフナー]]によって[[enzyme/ja|酵素]]が発見され、代謝の化学反応の研究が細胞の生物学的研究から切り離され、[[biochemistry/ja|生化学]]の始まりとなった。生化学の知識は20世紀初頭を通じて急速に増大した。これらの近代生化学者の中で最も多作だったのが、代謝の研究に多大な貢献をした[[:en:Hans Adolf Krebs|ハンス・クレブス]]である。彼は尿素サイクルを発見し、後に[[:en:Hans Kornberg|ハンス・コーンバーグ]]と共同でクエン酸サイクルとグリオキシル酸サイクルを発見した。 | |||
== こちらも参照 == | |||
* {{annotated link|Anthropogenic metabolism/ja}} | |||
* {{annotated link|Anthropogenic metabolism}} | * {{annotated link|Antimetabolite/ja}} | ||
* {{annotated link|Antimetabolite}} | * {{annotated link|Calorimetry/ja}} | ||
* {{annotated link|Calorimetry}} | * {{annotated link|Isothermal microcalorimetry/ja}} | ||
* {{annotated link|Isothermal microcalorimetry}} | * {{annotated link|Inborn errors of metabolism/ja}} | ||
* {{annotated link|Inborn errors of metabolism}} | * {{annotated link|Iron–sulfur world hypothesis/ja}}, [[:en:origin of life|生命の起源]]についての「代謝第一」説である。 | ||
* {{annotated link|Iron–sulfur world hypothesis}}, | * {{annotated link|Metabolic disorder/ja}} | ||
* {{annotated link|Metabolic disorder}} | * [[Microphysiometry/ja]] | ||
* [[Microphysiometry]] | * {{annotated link|Primary nutritional groups/ja}} | ||
* {{annotated link|Primary nutritional groups}} | * {{Annotated link|Proto-metabolism/ja}} | ||
* {{Annotated link|Proto-metabolism}} | * {{annotated link|Respirometry/ja}} | ||
* {{annotated link|Respirometry}} | * {{annotated link|Stream metabolism/ja}} | ||
* {{annotated link|Stream metabolism}} | * {{annotated link|Sulfur metabolism/ja}} | ||
* {{annotated link|Sulfur metabolism}} | * {{annotated link|Specific dynamic action/ja|Thermic effect of food/ja}} | ||
* {{annotated link|Specific dynamic action|Thermic effect of food}} | * {{annotated link|Urban metabolism/ja}} | ||
* {{annotated link|Urban metabolism}} | * {{annotated link|Fluid balance|Water metabolism/ja}} | ||
* {{annotated link|Fluid balance|Water metabolism}} | * {{annotated link|Overflow metabolism/ja}} | ||
* {{annotated link|Overflow metabolism}} | *[[Oncometabolism/ja]] | ||
*[[Oncometabolism]] | * {{annotated link|Reactome/ja}} | ||
* {{annotated link|Reactome}} | * {{annotated link|KEGG/ja}} | ||
* {{annotated link|KEGG}} | |||
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== さらに読む == | |||
{{Library resources box | {{Library resources box | ||
|onlinebooks=yes | |onlinebooks=yes | ||
Line 335: | Line 308: | ||
|label=Metabolism | |label=Metabolism | ||
}} | }} | ||
''' | '''入門''' | ||
{{refbegin}} | {{refbegin}} | ||
* {{cite book | vauthors = Rose S, Mileusnic R | title = The Chemistry of Life. | publisher = Penguin Press Science | date = 1999 | isbn = 0-14-027273-9 }} | * {{cite book | vauthors = Rose S, Mileusnic R | title = The Chemistry of Life. | publisher = Penguin Press Science | date = 1999 | isbn = 0-14-027273-9 }} | ||
Line 341: | Line 314: | ||
* {{cite book | vauthors = Lane N | title = Oxygen: The Molecule that Made the World. | publisher = Oxford University Press | location= USA | date = 2004 | isbn = 0-19-860783-0 }} | * {{cite book | vauthors = Lane N | title = Oxygen: The Molecule that Made the World. | publisher = Oxford University Press | location= USA | date = 2004 | isbn = 0-19-860783-0 }} | ||
{{refend}} | {{refend}} | ||
'''高度''' | |||
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* {{cite book | vauthors = Price N, Stevens L | title = Fundamentals of Enzymology: Cell and Molecular Biology of Catalytic Proteins. | publisher = Oxford University Press | date = 1999 | isbn = 0-19-850229-X }} | * {{cite book | vauthors = Price N, Stevens L | title = Fundamentals of Enzymology: Cell and Molecular Biology of Catalytic Proteins. | publisher = Oxford University Press | date = 1999 | isbn = 0-19-850229-X }} | ||
* {{cite book | vauthors = Berg J, Tymoczko J, Stryer L | title = Biochemistry | publisher = W. H. Freeman and Company | date = 2002 | isbn = 0-7167-4955-6 }} | * {{cite book | vauthors = Berg J, Tymoczko J, Stryer L | title = Biochemistry | publisher = W. H. Freeman and Company | date = 2002 | isbn = 0-7167-4955-6 }} | ||
* {{cite book | vauthors = Cox M, Nelson DL | title = Lehninger Principles of Biochemistry. | publisher = Palgrave Macmillan | date = 2004 | isbn = 0-7167-4339-6 }} | * {{cite book | vauthors = Cox M, Nelson DL | title = Lehninger Principles of Biochemistry. | publisher = Palgrave Macmillan | date = 2004 | isbn = 0-7167-4339-6 }} | ||
* {{cite book | * {{cite book | vauthors = Brock TD, Madigan MR, Martinko J, Parker J | title = Brock's Biology of Microorganisms. | publisher = Benjamin Cummings | date = 2002 | isbn = 0-13-066271-2 }} | ||
* {{cite book | vauthors = Da Silva JJ, Williams RJ | title = The Biological Chemistry of the Elements: The Inorganic Chemistry of Life. | publisher = Clarendon Press | date = 1991 | isbn = 0-19-855598-9 }} | * {{cite book | vauthors = Da Silva JJ, Williams RJ | title = The Biological Chemistry of the Elements: The Inorganic Chemistry of Life. | publisher = Clarendon Press | date = 1991 | isbn = 0-19-855598-9 }} | ||
* {{cite book | vauthors = Nicholls DG, Ferguson SJ | title = Bioenergetics | publisher = Academic Press Inc. | date = 2002 | isbn = 0-12-518121-3 }} | * {{cite book | vauthors = Nicholls DG, Ferguson SJ | title = Bioenergetics | publisher = Academic Press Inc. | date = 2002 | isbn = 0-12-518121-3 }} | ||
* {{cite journal | vauthors = Wood HG | title = Life with CO or CO2 and H2 as a source of carbon and energy | journal = FASEB Journal | volume = 5 | issue = 2 | pages = 156–63 | date = February 1991 | pmid = 1900793 | doi = 10.1096/fasebj.5.2.1900793 | doi-access = free | s2cid = 45967404 }} | * {{cite journal | vauthors = Wood HG | title = Life with CO or CO2 and H2 as a source of carbon and energy | journal = FASEB Journal | volume = 5 | issue = 2 | pages = 156–63 | date = February 1991 | pmid = 1900793 | doi = 10.1096/fasebj.5.2.1900793 | doi-access = free | s2cid = 45967404 }} | ||
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== 外部リンク == | |||
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''' | '''一般情報''' | ||
* [https://web.archive.org/web/20050308172226/http://www.rpi.edu/dept/bcbp/molbiochem/MBWeb/mb1/MB1index.html The Biochemistry of Metabolism] (archived 8 March 2005) | * [https://web.archive.org/web/20050308172226/http://www.rpi.edu/dept/bcbp/molbiochem/MBWeb/mb1/MB1index.html The Biochemistry of Metabolism] (archived 8 March 2005) | ||
* [http://www.sparknotes.com/testprep/books/sat2/biology/ Sparknotes SAT biochemistry] Overview of biochemistry. School level. | * [http://www.sparknotes.com/testprep/books/sat2/biology/ Sparknotes SAT biochemistry] Overview of biochemistry. School level. | ||
* [http://www.sciencegateway.org/resources/biologytext/index.html MIT Biology Hypertextbook] Undergraduate-level guide to molecular biology. | * [http://www.sciencegateway.org/resources/biologytext/index.html MIT Biology Hypertextbook] Undergraduate-level guide to molecular biology. | ||
'''人間の代謝''' | |||
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* [http://library.med.utah.edu/NetBiochem/titles.htm Topics in Medical Biochemistry] Guide to human metabolic pathways. School level. | * [http://library.med.utah.edu/NetBiochem/titles.htm Topics in Medical Biochemistry] Guide to human metabolic pathways. School level. | ||
* [http://themedicalbiochemistrypage.org/ THE Medical Biochemistry Page] Comprehensive resource on human metabolism. | * [http://themedicalbiochemistrypage.org/ THE Medical Biochemistry Page] Comprehensive resource on human metabolism. | ||
'''糖尿病''' | |||
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* [http://www.expasy.org/cgi-bin/show_thumbnails.pl Flow Chart of Metabolic Pathways] at [[ExPASy]] | * [http://www.expasy.org/cgi-bin/show_thumbnails.pl Flow Chart of Metabolic Pathways] at [[ExPASy]] | ||
* [http://www.iubmb-nicholson.org/pdf/MetabolicPathways_6_17_04_.pdf IUBMB-Nicholson Metabolic Pathways Chart] | * [http://www.iubmb-nicholson.org/pdf/MetabolicPathways_6_17_04_.pdf IUBMB-Nicholson Metabolic Pathways Chart] | ||
* [http://bioinformatics.charite.de/supercyp/ SuperCYP: Database for Drug-Cytochrome-Metabolism] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20111103123642/http://bioinformatics.charite.de/supercyp/ |date=3 November 2011 }} | * [http://bioinformatics.charite.de/supercyp/ SuperCYP: Database for Drug-Cytochrome-Metabolism] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20111103123642/http://bioinformatics.charite.de/supercyp/ |date=3 November 2011 }} | ||
'''代謝経路''' | |||
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* [http://www.genome.ad.jp/kegg/pathway/map/map01100.html Metabolism reference Pathway] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20090223112439/http://www.genome.ad.jp/kegg/pathway/map/map01100.html |date=23 February 2009 }} | * [http://www.genome.ad.jp/kegg/pathway/map/map01100.html Metabolism reference Pathway] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20090223112439/http://www.genome.ad.jp/kegg/pathway/map/map01100.html |date=23 February 2009 }} | ||
* {{webarchive |url=https://web.archive.org/web/*/helios.bto.ed.ac.uk/bto/microbes/nitrogen.htm |date=* |title=The Nitrogen cycle and Nitrogen fixation }} | * {{webarchive |url=https://web.archive.org/web/*/helios.bto.ed.ac.uk/bto/microbes/nitrogen.htm |date=* |title=The Nitrogen cycle and Nitrogen fixation }} | ||
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