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Welche Abfallprodukte sezernieren Zellen in Kultur und mit welcher Geschwindigkeit?

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Ich entwerfe mikrofluidische Chips für die Zellkultur von Säugetieren. Ein Aspekt, der mich bei der Modellierung interessiert, ist die Geschwindigkeit, mit der ich Medien erneuern muss, um sicherzustellen, dass:

  1. Zellen erhalten genügend Nährstoffe
  2. Zytotoxische Abfallprodukte werden entfernt, bevor sie Konzentrationen erreichen, die für die Zellen schädlich wären.

Nummer 1 ist ziemlich einfach. Zahlen für die Glukoseaufnahmerate sind beispielsweise für viele Zelltypen verfügbar. Nummer 2 erweist sich als schwieriger. Ich kann keine Artikel finden, die sekretierte Metaboliten detailliert beschreiben, einschließlich ihrer Sekretionsrate und der Beziehung zwischen ihrer Konzentration in Medien und toxischen (oder anderen) Wirkungen auf Zellen.

Gibt es Ressourcen zur quantitativen Bewertung von sezernierten Stoffwechselschlacken?


Unterschied zwischen Egestion und Ausscheidung

Der Vorgang des Ausscheidens der unverdauten Nahrung aus dem Körper des Tieres wird als bezeichnet egestion.

Verschiedene Tiergruppen nehmen die ungenutzte Nahrung auf unterschiedliche Weise auf. Bei den Einzellern wird die unverdaute Nahrung zur Zellmembran transportiert und aus dem Körper abgegeben. Einige mehrzellige Tiere haben kein spezialisiertes Verdauungssystem. Zum Beispiel wird in der Hydra die Nahrung im Magensack verdaut und die unverdaute Nahrung wird durch den Mund ausgeschieden.

Bei den höheren Tieren gibt es ein gut entwickeltes und spezialisiertes Verdauungssystem. Nach der Verdauung und der Resorption im Dünndarm gelangt die Nahrung, die noch nicht verdaut und nicht resorbiert wird, in den Dickdarm. Im Dickdarm werden das restliche Wasser, Elektrolyte und einige Vitamine resorbiert. Der Dickdarm hat keine Verdauungsfunktion. Hier leben viele Bakterien. Sie synthetisieren bestimmte Vitamine, indem sie einige unverdaute Substanzen abbauen.

Ein Teil der Nahrung bleibt noch unverdaut und nicht resorbiert. Es muss aus dem Körper entfernt werden. Die unverarbeiteten Nahrungsreste sammeln sich im Dickdarm an. Sie werden regelmäßig aus dem Körper über den Dickdarm und den Anus (oder die Kloake) ausgeschieden. Peristaltische Wellen drücken den Inhalt zum Anus. Die ausgestoßenen ungenutzten Futterpartikel sind halbfest oder dick, da der größte Teil des Wassers im Tierkörper verwertet wird.


Die wichtigsten Ausscheidungsorgane des menschlichen Körpers sind die Nieren, die Harnleiter und die Harnblase, die an der Bildung und Ausscheidung von Urin beteiligt sind. Durch diese Organe wird ein Großteil der stickstoffhaltigen Abfälle des Körpers, insbesondere Harnstoff, ausgeschieden. Auch andere Organe wie Leber, Dickdarm und Haut sind für die Ausscheidung bestimmter Stoffwechselschlacken notwendig.

Nieren

Die Nieren sind paarige, bohnenförmige Organe, die sich im Unterleib auf beiden Seiten der Wirbelsäule unter dem Zwerchfell befinden. TSie bestehen aus einer großen Anzahl von strukturellen und funktionellen Untereinheiten, die Nephrone genannt werden. Diese Nephrone haben die Hauptaufgabe, Blut zu filtern und Abfallprodukte zu entfernen. Jedes Nephron schlängelt sich zwischen der äußeren Rinde der Niere und der inneren Medulla, wobei an jeder Stelle unterschiedliche Aktivitäten auftreten.

Das obige Bild zeigt Teile von zwei Nephronen mit ihren relativen Positionen innerhalb der Niere. Jedes Nephron beginnt mit einer kugelförmigen Struktur, die als Bowman-Kapsel bezeichnet wird und sich in der Nierenrinde befindet. Diese Struktur erhält Blut aus dem Nierenkreislauf durch eine afferente Arteriole, die sich weiter teilt, um ein Kapillarbüschel zu bilden, das Glomerulus genannt wird. Die Niere ist reich vaskularisiert mit Kapillarbetten, die jedes Nephron umgeben (intertubuläre Kapillaren) sowie Blutgefäßen, die zwischen den Nierenlappen verlaufen (interlobuläre Arterien und Venen).

Nierenfunktion

Ein Verfahren der Ultrafiltration erzeugt das glomeruläre Filtrat aus Blut, das in seiner Zusammensetzung dem Blutplasma bemerkenswert ähnlich ist. Wasser, kleine Moleküle und Proteine ​​mit einer Größe von weniger als 30 Kilodalton können ungehindert in das Lumen der Bowman-Kapsel gelangen. Die Anatomie jedes Nephrons wird unten diskutiert.

Bowman’s Kapsel zum PCT

Die Bowman-Kapsel dreht sich und bildet einen Hals, der sich dann in die erste längliche röhrenförmige Struktur namens erstreckt proximalen Konvolut oder PCT. Der PCT ist der Ort für die Sekretion einiger Säuren und für die Resorption von fast zwei Dritteln des glomerulären Filtrats. Es entfernt auch alle Glukose und Aminosäuren. Das Vorhandensein von Glukose oder anderen organischen gelösten Stoffen im Urin ist ein Zeichen für eine Nierenschädigung, insbesondere der Rinde. Einige stickstoffhaltige Abfallstoffe werden auch aus dem Körper entfernt, da Ammoniak von den Zellen abgesondert wird, die das PCT bilden. Viele Medikamente werden an dieser Stelle auch entgiftet.

PCT zur Henle-Schleife

Der PCT führt in eine U-förmige Struktur namens Henle-Schleife, erstreckt sich bis in die Medulla der Niere. Dieser hat zwei funktionell und anatomisch unterschiedliche Arme – die aufsteigenden und absteigenden Gliedmaßen. Zwischen diesen beiden Armen der Henle-Schleife wird durch eine Reihe von Elektrolytpumpen eine hohe Harnstoffkonzentration im Nierenmark aufrechterhalten.

Der PCT führt zunächst in die absteigende Schleife, die für Wasser frei durchlässig und für Ionen – insbesondere Harnstoff – weitgehend undurchlässig ist. Die hohe Osmolarität der Markregion der Niere zieht Wasser aus der absteigenden Schlinge, wodurch der Urin konzentriert werden kann.

Darauf folgt die dünne aufsteigende Schleife, die die entgegengesetzte Eigenschaft hat, ionendurchlässig und wasserundurchlässig zu sein. Gelöste Stoffe wie Natriumionen werden aktiv resorbiert, wodurch die Konzentration des Urins reduziert wird. Zu diesem Zeitpunkt ist jedoch das am Glomerulus gefilterte Flüssigkeitsvolumen auf einen Bruchteil seiner Menge reduziert.

Henle-Schleife zum DCT

Die aufsteigende Extremität führt dann in den distalen gewundenen Tubulus oder DCT, auch bekannt als der zweite gewundene Tubulus. Das DCT ist der Ort für die Aktivität der meisten Hormone, die die Nierenfunktion regulieren. Dazu gehören das antidiuretische Hormon (ADH) und Angiotensin II (AT II). Dieser Bereich reguliert das Ionen- und pH-Gleichgewicht. Aus dem DCT gelangt der Urin durch Sammelrohre, die schließlich durch die Harnleiter aus der Niere herausführen.

Dieses Bild ist eine zusammengesetzte Darstellung des Nephrons, mit Details zu den an jeder Stelle resorbierten Substanzen, der Osmolarität des Filtrats an verschiedenen Stellen des Nephrons und der Wirkung verschiedener Hormone oder Medikamente.

Harnblase

Die Harnblase ist eine sackartige Struktur mit muskulösen Wänden, die den Urin zurückhält, bis er während des Harnlassens aus dem Körper ausgeschieden wird. Die Blase erhält Urin durch zwei Harnleiter – einen von jeder Niere –, die durch Öffnungen, die Ureteröffnungen genannt werden, eintreten. Diese Öffnungen befinden sich am konvexen Fundus des Organs. Urin verlässt die Blase durch die Harnröhre.

Die Wände der Blase bestehen aus glatter Muskulatur und die innere Epithelauskleidung dieses Organs besteht aus einem bemerkenswerten Gewebe, das Übergangsepithel genannt wird. Die Zellen dieses geschichteten Gewebes ändern ihre Form je nachdem, ob die Blase leer oder voll ist, sodass sie elastisch bleibt. bis zu einem halben Liter Urin aufnehmen.

Bei Männern liegt die Blase auf dem Beckenboden vor dem Mastdarm. Bei Frauen befindet es sich in der Nähe der Gebärmutter, was zu einer Reihe von Veränderungen des Miktionsmusters während der Schwangerschaft führt. Während der Schwangerschaft kommt es zu starken Veränderungen des Blutvolumens und einer Erhöhung der glomerulären Filtrationsrate. Während die Blase selbst an Größe zunimmt und sich bis zum Ende des dritten Trimesters fast verdoppelt, kann die vergrößerte Gebärmutter mit dem Gewicht des Fötus, des Fruchtwassers, der Plazenta und anderer Gewebe zu Stressinkontinenz führen.

Leber

Die Leber ist das wichtigste Entgiftungsorgan des Körpers, insbesondere für stickstoffhaltige Abfälle. Die Zellen der Leber sind Gastgeber biochemischer Prozesse, die aus Aminosäuren Ammoniak erzeugen. Da Ammoniak extrem giftig ist, wird es schnell in Harnstoff umgewandelt, bevor es im Blut zur Niere transportiert wird.

Die meisten Tiere entscheiden sich je nach Verfügbarkeit von Wasser zwischen Ammoniak, Harnstoff und Harnsäure als bevorzugte Methode für die Ausscheidung von stickstoffhaltigen Abfällen. Obwohl Ammoniak giftig ist, kann es mit reichlich Wasser schnell verdünnt und aus dem Körper entfernt werden und bleibt daher die Chemikalie, die von Wassertieren verwendet wird. Landtiere mit regelmäßigem Zugang zu Wasser neigen dazu, Harnstoff zu verwenden, der eine geringere Toxizität aufweist. Vögel und andere Tiere, die eine minimale Wasseraufnahme haben, verbrauchen Energie, um Harnstoff in Harnsäure umzuwandeln, die eine minimale Wassermenge benötigt, um sie bis zur Ausscheidung sicher zu speichern.

Dickdarm

Die Leber ist auch für die Entfernung des zersetzten Hämoglobins, einiger Medikamente, überschüssiger Vitamine, Sterole und anderer lipophiler Substanzen erforderlich. Diese werden zusammen mit der Galle ausgeschieden und schließlich über den Kot aus dem Körper entfernt. Der Dickdarm ist daher spielt eine Rolle bei der Ausscheidung, insbesondere für hydrophobe Partikel.

Die Haut ist ein sekundäres Ausscheidungsorgan, da Schweißdrüsen in der Dermis Entfernen Sie Salze und etwas überschüssiges Wasser. Die Haut hat auch Talgdrüsen, die wachsartige Lipide absondern können.

Lunge oder Kiemen

Ein wichtiges Produkt, das von allen Tieren ausgeschieden werden muss, ist Kohlendioxid. Bei der aeroben Atmung entsteht in den Zellen Kohlendioxid. Dieses Abfallprodukt wird aus den Zellen entfernt und in den Blutkreislauf überführt. Wenn das Blut die Kiemen oder Lunge erreicht, es wird gegen Sauerstoff ausgetauscht und in die Atmosphäre abgegeben. Fische verwenden ihre Kiemen auch, um eine Reihe anderer Abfallprodukte auszuscheiden.


Wie wir atmen

Die Atmung ist ein komplexer physiologischer Prozess, der von Strukturen des Atmungssystems durchgeführt wird. Beim Atmen spielen viele Facetten eine Rolle. Luft muss in die Lunge ein- und ausströmen können. Gase müssen zwischen Luft und Blut sowie zwischen Blut und Körperzellen ausgetauscht werden können. All diese Faktoren müssen streng kontrolliert werden und das Atmungssystem muss in der Lage sein, bei Bedarf auf sich ändernde Anforderungen zu reagieren.

Ein- und Ausatmen

Durch die Tätigkeit der Atemmuskulatur wird Luft in die Lunge gebracht. Das Zwerchfell hat die Form einer Kuppel und hat im entspannten Zustand seine maximale Höhe. Diese Form reduziert das Volumen in der Brusthöhle. Wenn sich das Zwerchfell zusammenzieht, bewegt sich das Zwerchfell nach unten und die Interkostalmuskeln bewegen sich nach außen. Diese Aktionen erhöhen das Volumen in der Brusthöhle und senken den Luftdruck in den Lungen. Durch den geringeren Luftdruck in der Lunge wird Luft durch die Nasengänge in die Lunge gesaugt, bis sich die Druckunterschiede ausgleichen. Wenn sich das Zwerchfell wieder entspannt, verkleinert sich der Raum in der Brusthöhle und die Luft wird aus der Lunge gepresst.

Gasaustausch

Luft, die aus der äußeren Umgebung in die Lunge gebracht wird, enthält Sauerstoff, der für das Körpergewebe benötigt wird. Diese Luft füllt winzige Luftsäcke in der Lunge, die Alveolen genannt werden. Pulmonalarterien transportieren sauerstoffarmes, kohlendioxidhaltiges Blut in die Lunge. Diese Arterien bilden kleinere Blutgefäße, die Arteriolen genannt werden, die Blut zu Kapillaren schicken, die Millionen von Lungenbläschen umgeben. Lungenbläschen sind mit einem feuchten Film überzogen, der Luft auflöst. Der Sauerstoffgehalt in den Alveolensäcken ist höher als der Sauerstoffgehalt in den die Alveolen umgebenden Kapillaren. Als Ergebnis diffundiert Sauerstoff über das dünne Endothel der Alveolensäcke in das Blut innerhalb der umgebenden Kapillaren. Gleichzeitig diffundiert Kohlendioxid aus dem Blut in die Lungenbläschen und wird über die Atemwege ausgeatmet. Das sauerstoffreiche Blut wird dann zum Herzen transportiert, wo es in den Rest des Körpers gepumpt wird.

Ein ähnlicher Gasaustausch findet an Körpergeweben und -zellen statt. Der von Zellen und Geweben verwendete Sauerstoff muss ersetzt werden. Gasförmige Abfallprodukte der Zellatmung wie Kohlendioxid müssen entfernt werden. Dies wird durch den Herz-Kreislauf-Kreislauf erreicht. Kohlendioxid diffundiert von den Zellen ins Blut und wird über die Venen zum Herzen transportiert. Sauerstoff im arteriellen Blut diffundiert aus dem Blut in die Zellen.

Kontrolle des Atmungssystems

Der Atmungsprozess steht unter der Leitung des peripheren Nervensystems (PNS). Das autonome System des PNS steuert unwillkürliche Prozesse wie die Atmung. Die Medulla oblongata des Gehirns reguliert die Atmung. Neuronen in der Medulla senden Signale an das Zwerchfell und die Interkostalmuskeln, um die Kontraktionen zu regulieren, die den Atmungsprozess einleiten. Die Atemzentren in der Medulla steuern die Atemfrequenz und können den Prozess bei Bedarf beschleunigen oder verlangsamen. Sensoren in Lunge, Gehirn, Blutgefäßen und Muskeln überwachen Veränderungen der Gaskonzentrationen und machen die Atemzentren auf diese Veränderungen aufmerksam. Sensoren in Luftwegen erkennen das Vorhandensein von Reizstoffen wie Rauch, Pollen oder Wasser. Diese Sensoren senden Nervensignale an Atemzentren, um Husten oder Niesen auszulösen, um die Reizstoffe auszuscheiden. Auch die Atmung kann durch die Großhirnrinde willkürlich beeinflusst werden. Dies ermöglicht es Ihnen, Ihre Atemfrequenz freiwillig zu beschleunigen oder den Atem anzuhalten. Diese Aktionen können jedoch durch das autonome Nervensystem außer Kraft gesetzt werden.


Welche Abfallprodukte sezernieren Zellen in Kultur und mit welcher Geschwindigkeit? - Biologie

Die Methanfermentation ist eine vielseitige Biotechnologie, die in der Lage ist, unter anaeroben Bedingungen fast alle Arten von Polymermaterialien in Methan und Kohlendioxid umzuwandeln. Dies wird durch den konsekutiven biochemischen Abbau von Polymeren zu Methan und Kohlendioxid in einer Umgebung erreicht, in der eine Vielzahl von Mikroorganismen, zu denen fermentative Mikroben (Acidogene), wasserstoffproduzierende, acetatbildende Mikroben (Acetogene) und methanbildende Mikroben gehören (Methanogene) wachsen harmonisch und produzieren reduzierte Endprodukte. Anaerobier spielen eine wichtige Rolle bei der Schaffung einer stabilen Umgebung in verschiedenen Stadien der Methanfermentation.

Die Methanfermentation bietet ein wirksames Mittel zur Reduzierung der Umweltverschmutzung, das der durch konventionelle aerobe Verfahren erreichten überlegen ist. Obwohl seit Jahrzehnten praktiziert, hat sich das Interesse an der anaeroben Fermentation erst in jüngster Zeit auf ihre Verwendung zur wirtschaftlichen Gewinnung von Brenngas aus industriellen und landwirtschaftlichen Überschüssen konzentriert.

Die Biochemie und Mikrobiologie des anaeroben Abbaus von Polymermaterialien zu Methan und die Rolle der verschiedenen beteiligten Mikroorganismen werden hier diskutiert. Aktuelle Fortschritte in der Molekularbiologie von Methanogenen werden besprochen, neue Fermenter beschrieben und Verbesserungen beim Betrieb verschiedener Arten von Bioreaktoren diskutiert.

Die Methanfermentation ist die Folge einer Reihe von metabolischen Interaktionen zwischen verschiedenen Gruppen von Mikroorganismen. Eine Beschreibung der an der Methanfermentation beteiligten Mikroorganismen, basierend auf einer Analyse von Bakterien, die aus Klärschlammfaulen und aus dem Pansen einiger Tiere isoliert wurden, ist in Abb. 4-1 zusammengefasst. Die erste Gruppe von Mikroorganismen sondert Enzyme ab, die polymere Materialien zu Monomeren wie Glucose und Aminosäuren hydrolysieren, die anschließend in höher flüchtige Fettsäuren, H 2 und Essigsäure umgewandelt werden (Abb. 4-1 Stufe 1). In der zweiten Stufe wandeln wasserstoffproduzierende acetogene Bakterien die gebildeten höherflüchtigen Fettsäuren, z. B. Propion- und Buttersäure, in H 2 , CO 2 und Essigsäure um. Schließlich wandeln die methanogenen Bakterien der dritten Gruppe H 2 , CO 2 und Acetat in CH 4 und CO 2 um.

Polymere Materialien wie Lipide, Proteine ​​und Kohlenhydrate werden hauptsächlich durch extrazelluläre Hydrolasen hydrolysiert, die von Mikroben in Stufe 1 ausgeschieden werden (Abb. 4-1). Hydrolytische Enzyme (Lipasen, Proteasen, Cellulasen, Amylasen usw.) hydrolysieren ihre jeweiligen Polymere zu kleineren Molekülen, hauptsächlich monomeren Einheiten, die dann von Mikroben verbraucht werden. Bei der Methanfermentation von Abwässern mit hohen Konzentrationen an organischen Polymeren ist die für jedes Polymer relevante hydrolytische Aktivität von größter Bedeutung, da die Polymerhydrolyse ein geschwindigkeitsbestimmender Schritt für die Herstellung einfacherer bakterieller Substrate werden kann, die in nachfolgenden Abbauschritten verwendet werden können .

Lipasen wandeln Lipide in langkettige Fettsäuren um. Es wurde eine Populationsdichte von 10 4 - 10 5 lipolytischen Bakterien pro ml Fermenterflüssigkeit berichtet. Clostridien und Mikrokokken scheinen für die meisten extrazellulären Lipase-Produzenten verantwortlich zu sein. Die produzierten langkettigen Fettsäuren werden durch p-Oxidation weiter abgebaut, um Acetyl-CoA zu produzieren.

Proteine ​​werden im Allgemeinen durch Proteasen, die von Bacteroides, Butyrivibrio, Clostridium, Fusobacterium, Selenomonas und Streptococcus sezerniert werden, zu Aminosäuren hydrolysiert. Die produzierten Aminosäuren werden dann zu Fettsäuren wie Acetat, Propionat und Butyrat und zu Ammoniak abgebaut, wie es in Clostridium, Peptococcus, Selenomonas, Campylobacter und Bacteroides vorkommt.

Polysaccharide wie Cellulose, Stärke und Pektin werden durch Cellulasen, Amylasen und Pektinasen hydrolysiert. Die Mehrheit der mikrobiellen Cellulasen besteht aus drei Spezies: (a) Endo-(3-l,4-Glucanasen (b) Exo-pl,4-Glucanasen (c) Cellobiase oder p-Glucosidase. Diese drei Enzyme wirken synergistisch auf Cellulose die Kristallstruktur effektiv hydrolysiert, um Glukose zu produzieren Mikrobielle Hydrolyse von Rohstärke zu Glukose erfordert amylolytische Aktivität, die aus 5 Amylase-Spezies besteht: (a) a-Amylasen, die a-±1-4-Bindungen endospalten (b) p-Amylasen, die a . exospalten ±1-4-Bindungen (c) Amyloglucosidasen, die eine ±l-4- und eine ±l-6-Bindung exospalten (d) entzweigende Enzyme, die auf eine ±l-6-Bindung einwirken (e) Maltase, die auf Maltose einwirkt und Glucose freisetzt Pektine werden durch Pektinasen abgebaut, einschließlich Pektinesterasen und Depolymerasen.Xylane werden mit einer ²-Endoxylanase und einer ²-Xylosidase abgebaut,um Xylose zu produzieren.

Hexosen und Pentosen werden im Allgemeinen über gemeinsame Wege in C 2 - und C 3 -Zwischenprodukte und in reduzierte Elektronenträger (z. B. NADH) umgewandelt. Die meisten anaeroben Bakterien unterliegen dem Hexose-Metabolismus über den Emden-Meyerhof-Parnas-Weg (EMP), der neben NADH als Zwischenprodukt Pyruvat produziert. Das so erzeugte Pyruvat und NADH werden durch andere enzymatische Aktivitäten, die je nach Mikrobenspezies stark variieren, in Fermentationsendprodukte wie Lactat, Propionat, Acetat und Ethanol umgewandelt.

So werden bei der Hydrolyse und Acidogenese (Abb. 4-1 Stufe 1) Zucker, Aminosäuren und Fettsäuren, die durch mikrobiellen Abbau von Biopolymeren entstehen, sukzessive durch Fermentationsendprodukte wie Laktat, Propionat, Acetat und Ethanol durch andere enzymatische Aktivitäten, die je nach Mikrobenspezies stark variieren.

So werden bei der Hydrolyse und Acidogenese (Abb. 4-1 Stufe 1) Zucker, Aminosäuren und Fettsäuren, die durch mikrobiellen Abbau von Biopolymeren entstehen, sukzessive von Bakteriengruppen verstoffwechselt und primär zu Acetat, Propionat, Butyrat, Lactat, Ethanol, Kohlendioxid und Wasserstoff (2).

Obwohl ein Teil Acetat (20 %) und H 2 (4%) direkt durch acidogene Fermentation von Zuckern und Aminosäuren hergestellt werden, stammen beide Produkte hauptsächlich aus der Acetogenese und Dehydrierung von höher flüchtigen Fettsäuren (Abb. 4-1 Stufe 2 ).

Obligat H 2 produzierende acetogene Bakterien sind in der Lage, Acetat und H 2 aus höheren Fettsäuren zu produzieren. Nur Syntrophobacter wolinii, ein Propionatzersetzer (3) und Sytrophomonos wolfei, ein Butyratzersetzer (4), wurden aufgrund technischer Schwierigkeiten bei der Isolierung reiner Stämme bisher isoliert, da das produzierte H 2 das Wachstum dieser Stämme stark hemmt. Der Einsatz von Co-Kulturtechniken unter Einbeziehung von H 2 -Verbrauchern wie Methanogenen und sulfatreduzierenden Bakterien kann daher die Aufklärung des biochemischen Abbaus von Fettsäuren erleichtern.

Die Gesamtabbaureaktionen für langkettige Fettsäuren sind in den Tabellen 4-1 und 4-2 dargestellt. Die H 2 -Produktion durch Acetogene ist aufgrund des hohen Bedarfs an freier Energie im Allgemeinen energetisch ungünstig ( a ”G o, > 0 Tabelle 4-1 und 4-2). Mit einer Kombination von H 2 -verbrauchenden Bakterien (Tabelle 4-2, 4-3) bieten Kokultursysteme jedoch günstige Bedingungen für den Abbau von Fettsäuren zu Acetat und CH 4 oder H 2 S ( a ”G o , < 0). Neben der Zersetzung langkettiger Fettsäuren werden auch Ethanol und Lactat durch ein Acetogen bzw. Clostridium formicoacetum in Acetat und H 2 umgewandelt.

Der Einfluss des Partialdrucks von H 2 auf die freie Energie bei der Umwandlung von Ethanol, Propionat, Acetat und H 2 /CO 2 während der Methanfermentation ist in Abb. 4-2 dargestellt. Ein extrem niedriger Partialdruck von H 2 (10 –5 atm) scheint ein signifikanter Faktor beim Propionatabbau zu CH 4 zu sein. Ein so niedriger Partialdruck kann in einer Co-Kultur mit H 2 -verbrauchenden Bakterien wie zuvor beschrieben erreicht werden (Tabelle 4-2, 4-3).

Methanogene sind in der anaeroben Vergärung als Methanproduzenten physiologisch vereint (Abb. 4-1 Stufe 3). Obwohl Acetat und H 2 /CO 2 die wichtigsten in der natürlichen Umgebung verfügbaren Substrate sind, werden auch Formiat, Methanol, Methylamine und CO in CH 4 umgewandelt (Tabelle 4-3).

Tabelle 4-1 Vorgeschlagene Reaktionen beim Fettsäurekatabolismus durch Syntrophomonas wolfei

+ 2 H 2 O 2 CH 3 COO - + 2H 2 + H +

CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 COO -

+ 4 H 2 O 3 CH 3 COO - + 4H 2 + 2H +

CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 COO -

+ 6 H 2 O 4 CH 3 COO - + 6H 2 + 3H +

+1 H 2 O CH 3 CH 2 COO - + CH 3 COO - +2 H 2 + H +

CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 COO -

+ 4 H 2 O CH 3 CH 2 COO - + 2 CH 3 COO - +4 H 2 + 2H +

CH 3 CHCH 2 CH 2 CH 2 COO -
|
CH 3

+ 2 H 2 O CH 3 CHCH 2 COO - + CH 3 COO - + 2H 2 + H +
|
CH 3

Tabelle 4-2 Änderungen der freien Energie für Reaktionen mit anaerober Oxidation in Reinkulturen oder in Co-Kulturen mit H 2 -verwendenden Methanogenen oder Desulfovibrio spp.

1. Protonenreduzierende (H 2 -produzierende) acetogene Bakterien

A. CH 3 CH 2 CH 2 COO – + 2H 2 O 2 CH 3 COO – + 2H 2 + H +

B. CH 3 CH 2 COO – + 3H 2 O CH 3 COO – + HCO 3 – + H + + 3H 2

2. H 2 -unter Verwendung von Methanogenen und Desulfovibrios

C. 4H 2 + HCO 3 - + H + CH 4 + 3 H 2 O

D. 4H 2 + S0 4 2- + H + HS - + 4 H 2 O

A + C 2 CH 3 CH 2 CH 2 COO - + HCO 3 - + H 2 O 4 CH 3 COO - + H + + CH 4

A + D 2 CH 3 CH 2 CH 2 COO - + S0 4 2- 4 CH 3 COO - + H + + HS -

B + C 4 CH 3 CH 2 COO - + 12H 2 4 CH 3 COO - + HCO 3 - + H + + 3 CH 4

B + D 4 CH 3 CH 2 COO - + 3 S0 4 2 " 4 CH 3 COO - + 4 HCO 3 - + H + + 3 HS -

Tabelle 4-3 Energieliefernde Reaktionen von Methanogenen

CO 2 + 4 H 2 ®. CH 4 + 2H 2 O

HCO 3 - + 4 H 2 + H + ®. CH 4 + 3 H 2 O

CH 3 COO – + H 2 O ®. CH 4 + HCO 3 –

HCOO - + H + ® 0,25 CH 4 + 0,75 CO 2 + 0,5 H 2 O

CO + 0,5 H 2 O ® 0,25 CH 4 + 0,75 CO 2

CH 3 OH ® 0,75 CH 4 + 0,25 CO 2 + 0,5 H 2 O

CH 3 NH 3 + + 0,5 H 2 O ® 0,75 CH 4 + 0,25 CO 2 + NH 4 +

(CH 3 ) 2 NH 2 + + H 2 O ® 1,5 CH 4 + 0,5 CO 2 + NH 4 +

(CH 3 ) 2 NCH 2 CH 3 H + + H 2 O ® 1,5 CH 4 + 0,5 CO 2 + + H 3 NCH 2 CH 3

(CH 3 ) 3 NH+ 1,5 H 2 O ® 2,25 CH 4 + 0,75 CO 2 + NH 4 +

Da Methanogene als obligate Anaerobier ein Redoxpotential von weniger als -300 mV zum Wachstum benötigen, war ihre Isolierung und Kultivierung aufgrund technischer Schwierigkeiten bei der Handhabung unter vollständig O 2 -freien Bedingungen etwas schwer fassbar. Als Ergebnis einer stark verbesserten Methanogen-Isolierung, die von Hungate entwickelt wurde (6), wurden jedoch inzwischen mehr als 40 Stämme reiner Methanogene isoliert. Methanogene lassen sich in zwei Gruppen einteilen: H 2 /CO 2 - und Acetat-Verbraucher. Obwohl einige der H 2 /CO 2 -Verbraucher in der Lage sind, Formiat zu verwerten, wird Acetat von einer begrenzten Anzahl von Stämmen verbraucht, wie z. B. Methanosarcina spp. und Methanothrix spp. (jetzt Methanosaeta), die kein Formiat verwenden können. Da in der natürlichen Umgebung eine große Menge Acetat produziert wird (Abb. 4-1), spielen Methanosarcina und Methanothrix eine wichtige Rolle bei der Vervollständigung der anaeroben Vergärung und bei der Anreicherung von H 2 , das Acetogene und Methanogene hemmt. H 2 verbrauchende Methanogene sind auch wichtig, um niedrige Niveaus von atmosphärischem H 2 aufrechtzuerhalten.

H 2 /CO 2 -verbrauchende Methanogene reduzieren CO 2 als Elektronenakzeptor über die Formyl-, Methenyl- und Methylniveaus durch Assoziation mit ungewöhnlichen Coenzymen zu CH 4 (7) (Abb. 4-3). Die acetoklastische Gesamtreaktion kann wie folgt ausgedrückt werden:

Da ein kleiner Teil des CO 2 auch aus Kohlenstoff der Methylgruppe gebildet wird, wird vermutet, dass das reduzierte Potential der Methylgruppe CO 2 zu CH 4 reduzieren kann (8).

Auf der Grundlage der homologen Sequenzanalyse von 16S rRNAs wurden Methanogene in eines der drei Hauptreiche lebender Organismen eingeordnet: die Archaeen (Archaebacteria). Die Archaea umfassen auch wichtige Organismengruppen wie Thermophile und Halophile. Obwohl Archaea eine prokaryontische Zellstruktur und Organisation besitzen, haben sie gemeinsame Merkmale mit Eukaryonten: homologe Sequenzen in rRNA und tRNA, das Vorhandensein von inn-ones in ihren Genomen, ähnliche Organisation der RNA-Polymerase-Untereinheiten, immunologische Homologien und Translationssysteme.

Die rekombinante DNA-Technologie ist eine der leistungsfähigsten Techniken zur Charakterisierung der biochemischen und genetischen Regulation der Methanogenese. Dies erfordert als Voraussetzung die Auswahl genetischer Marker, ein effizientes genetisches Transformationssystem und ein Vektorsystem zur genetischen Rekombination.

Voraussetzung für genetische Studien sind genetisch markierte Stämme: Mit diesen Stämmen lässt sich ein genetisches Austauschsystem in Methanogenen aufbauen, das auf einem effizienten Selektionssystem basiert. Da das Wachstum von M. thermoautotrophicum durch Fluorouracil gehemmt wird, wurden analog-resistente Stämme durch spontane Mutation isoliert. Andere Mutanten, die gegen DL-Ethionin oder 2-Bromethansulfonat (Coenzym-M-Analogon) resistent sind, wurden neben autotrophen Mutanten durch mutagene Behandlung erhalten. Auch für das acetoklastische Methanogen M. voltae wurden mehrere autotrophe Stämme erhalten. Diese Mutantenstämme sind in Tabelle 4-4 aufgelistet.

Obwohl einige Methanogen-Gene wie Aminosäure- und Purin-Biosynthesegene, Gene der Transkriptions- und Translationsmaschinerie und Strukturproteingene kloniert wurden, wurden hier Gene, die Enzyme kodieren, die an der Methanogenese beteiligt sind, als "Methan-Gene" ausgewählt.

Methyl-CoM-Reduktase (MR Abb. 4-3) macht etwa 10 % des Gesamtproteins in methanogenen Kulturen aus. Die Bedeutung und Häufigkeit der MR lenkte unweigerlich die Aufmerksamkeit zunächst auf die Aufklärung ihrer Struktur und der Mechanismen, die ihre Synthese und Regulation steuern. MR-kodierende Gene wurden aus Methanococcus vanielli, M. voltae, Methanosarcina barkeri, Methanobacterium thermoautotrophicum und M. fervidus kloniert und sequenziert.

Formylmethanofuran-Transferase (FTR) katalysiert die Übertragung einer Formylgruppe von Formylmethanofuran (MFR) auf Tetrahydromethanopterin (H 4 MPT) (Abb. 4-3, 4-2). Das FTR-kodierende Gen von M. thermoautotrophicum wurde in E. coli kloniert, sequenziert und funktionell exprimiert. Formiatdehydrogenase (FDH) kann manchmal 2 bis 3% der gesamten löslichen Proteine ​​in methanogenen Kulturen ausmachen. Die beiden Gene, die für die a±- und a²-Untereinheiten von FDH kodieren, wurden kloniert und aus M formicicum sequenziert. Außerdem wurden auch die Gene kloniert, die F 420 -reduzierende Hydrogenase (Fig. 4-3), Ferredoxin und ATPase codieren.

Tabelle 4-4 Auxotrophe und arzneimittelresistente Mutanten, die auf Gentransfer-Experimente anwendbar sind


Pathogenese

Die Pathogenität von B anthrazit hängt von zwei Virulenzfaktoren ab: einer Poly-y-D-Glutaminsäure-Polypeptid-Kapsel, die sie vor Phagozytose durch die defensiven Fresszellen des Wirts schützt, und einem Toxin, das in der logarithmischen Wachstumsphase produziert wird. Dieses Toxin besteht aus drei Proteinen: Schutzantigen (PA) (82,7 kDa), Letalfaktor (LF) (90,2 kDa) und Ödemfaktor (EF) (88,9 kDa). Wirtsproteasen im Blut und auf der eukaryotischen Zelloberfläche aktivieren das schützende Antigen, indem sie ein 20-kDa-Segment abschneiden, wodurch eine Bindungsstelle für LF und EF freigelegt wird. Das aktivierte 63 kDa PA-Polypeptid bindet an spezifische Rezeptoren auf der Wirtszelloberfläche, wodurch eine sekundäre Bindungsstelle entsteht, um die LF und EF konkurrieren. Der Komplex (PA+LF oder PA+EF) wird durch Endozytose internalisiert und nach Ansäuerung des Endosoms passieren die LF oder EF die Membran über PA-vermittelte ionenleitende Kanäle in das Zytosol. Dies ist analog zum A-B-Struktur-Funktions-Modell des Cholera-Toxins, wobei sich PA als B-(Bindungs-)Einheit verhält (Fig. 15-3). EF, verantwortlich für das charakteristische Ödem von Milzbrand, ist eine Calmodulin-abhängige Adenylatzyklase. (Calmodulin ist der wichtigste intrazelluläre Calciumrezeptor in eukaryontischen Zellen.) Die einzige andere bekannte bakterielle Adenylatcyclase wird von Bordetella pertussis (siehe Kapitel 31), aber die beiden Toxine weisen nur geringe Homologien auf. LF scheint eine zinkabhängige Metalloprotease zu sein, obwohl ihr Substrat und ihre Wirkungsweise noch aufgeklärt werden müssen.

Abbildung 15-3

Wirkmechanismus des Anthrax-Toxins. Das Toxin besteht aus drei Proteinen. Schutzantigen (PA) bindet an eine geeignete Stelle auf der Wirtszellmembran. Eine Zelloberflächen-Protease spaltet ein 20-kDa-Stück vom schützenden Antigen ab und (mehr.)

Das Toxin und die Kapsel von B anthrazit werden auf zwei großen Plasmiden kodiert, die pXO 1 (110 MDa) bzw. pX02 (60 MDa) genannt werden. Stämme, denen eines dieser Plasmide fehlt, haben eine stark reduzierte Virulenz (Fig. 15-4). Dem 1937 von Sterne entwickelten abgeschwächten Lebendimpfstamm, der immer noch die Grundlage der meisten Milzbrandimpfstoffe für Nutztiere darstellt, fehlt pX02 und ist daher Cap – Tox + . Der durch solche Impfstoffe gebotene Schutz bezieht sich offensichtlich hauptsächlich auf Antikörper, die für die schützende Antigenkomponente des Toxins spezifisch sind. Im Gegensatz dazu wurden die von Pasteur vor 110 Jahren entwickelten abgeschwächten Impfstoffstämme versehentlich von pXO1 geheilt (durch Subkultivierung bei 42° bis 43ଌ). Diese Pasteur-Stämme sind daher Cap + Tox – . Stämme dieses Typs induzieren keine schützende Immunität, die teilweise Wirksamkeit von Pasteurs Impfstoffen wird heute angenommen, dass sie auf die verbleibenden unausgeheilten (Cap + Tox + ) Zellen zurückzuführen ist, die sie enthielten, und dies würde auch die teilweise Virulenz dieser Stämme erklären.

Abbildung 15-4

Genetik der Virulenzfaktorproduktion von B. anthrazit. Die Plasmide pX01 und pX02 kodieren jeweils das Milzbrandtoxin und die Kapsel. Das Aushärten der Bakterien von pX01 erzeugt einen eingekapselten, nichttoxigenen Stamm, der nicht schützend ist. Aushärtung von pX02 produziert (mehr. )

Der einzige andere Bazillus Arten, für die Virulenzfaktoren identifiziert wurden, ist B cereus. In Tiermodellen wurde gezeigt, dass ein 38 bis 46 kDa großer Proteinkomplex Nekrose der Haut oder Darmschleimhaut verursacht (Abb. 15-5), eine Flüssigkeitsansammlung im Darm induziert und ein tödliches Toxin ist. Es wird angenommen, dass dieses Protein für die nekrotische und toxische Natur von schweren B cereus Infektionen und für die Durchfallform der Lebensmittelvergiftung. Bacillus cereus produziert auch zwei Hämolysine, eines davon, Cereolysin (58 kDa), ist ein starkes nekrotisches und tödliches Toxin. Obwohl dieses Toxin durch Serumcholesterin neutralisiert wird, trägt es wahrscheinlich zur Pathogenese von B cereus Infektionen. Über das andere Hämolysin ist derzeit wenig bekannt. Phospholipasen produziert von B cereus können als verschlimmernde Faktoren wirken, indem sie die Wirtszellmembranen nach Exposition ihrer Phospholipid-Substrate in Wunden oder anderen Infektionen abbauen. Der für den Brechmitteltyp verantwortliche Agent B cereus Eine Lebensmittelvergiftung wurde nicht eindeutig festgestellt. Das Erbrechen kann durch Abbauprodukte ausgelöst werden, die aus der Wirkung eines oder mehrerer B cereus Enzyme auf der Nahrung.

Abbildung 15-5

Nekrose der Ileumschleimhaut von Kaninchen 4 Stunden nach Einführung eines toxigenen zellfreien Kulturfiltrats von B cereus. (A) Grobes Aussehen der luminalen Oberfläche des Ileums im Vergleich zu einem Abschnitt des Kontroll-Ileums. (B) Histologisches Erscheinungsbild eines Querschnitts (mehr. )


Aminosäurestoffwechsel [Zurück nach oben]

Der Aminosäurestoffwechsel findet in der Leber statt und besteht aus drei Stufen:

Bei dieser Reaktion wird eine Aminogruppe von einer Aminosäure auf eine Ketosäure übertragen, um eine andere Aminosäure zu bilden.

Aminosäure 1 + Ketosäure 2 Ketosäure 1 + Aminosäure 2

Auf diese Weise können aus den reichlich vorhandenen Aminosäuren knappe Aminosäuren hergestellt werden. Beim erwachsenen Menschen können nur 11 der 20 Aminosäuren durch Transaminierung hergestellt werden. Die anderen heißen essentielle Aminosäuren, und sie müssen mit der Nahrung zugeführt werden.

Bei dieser Reaktion wird eine Aminogruppe von einer Aminosäure entfernt, um Ammoniak und eine Ketosäure zu bilden. Das bekannteste Beispiel ist die Glutamat-Deaminierung:

Diese Reaktion wird durch das Enzym katalysiert Glutamatdehydrogenase. Die meisten anderen Aminosäuren werden zunächst zu Glutamat transaminiert, das dann desaminiert wird. Das produzierte NADH wird in der Atmungskette verwendet, das a-Ketoglutarat tritt in den Krebs-Zyklus ein und das Ammoniak wird im Harnstoff-Zyklus in Harnstoff umgewandelt.

Bei dieser Reaktion wird Ammoniak in Harnstoff umgewandelt, der von der Niere ausgeschieden werden kann.

Ammoniak ist aufgrund der Umkehrung der Glutamat-Dehydrogenase-Reaktion, die das gesamte a-Ketoglutarat verbrauchen und so den Krebs-Zyklus stoppen würde, hochgiftig. Harnstoff ist weniger giftig als Ammoniak, daher ist es sicherer, ihn im Blut zu haben. Der Nachteil ist, dass die Herstellung eines Harnstoffmoleküls 3 ATP-Moleküle „kostet“. Dabei handelt es sich nicht um eine einzelne Reaktion, sondern um eine Zusammenfassung eines anderen cyclischen Reaktionswegs, der als bezeichnet wird Harnstoffzyklus (oder orthnthine Zyklus). Es war der erste entdeckte zyklische Weg.


Schlussfolgerungen und weitere Fragen

Eine Reihe von wegweisenden Berichten im letzten Jahrzehnt haben die engen Verbindungen zwischen Onkogenen und dem Glukosestoffwechsel in Tumoren gefestigt und gezeigt, dass das Vertrauen transformierter Zellen auf den Warburg-Effekt experimentell genutzt werden könnte, um das Tumorwachstum zu unterdrücken. Die nächste Welle des Interesses am Tumormetabolismus wird wahrscheinlich verstärkte Aufmerksamkeit auf den Umgang mit zellulärem Glutamin richten und sollte die Frage neu bewerten, ob der von Tumoren gezeigte Appetit auf Glutamin gegen sie verwendet werden kann. Die vielfältigen Beiträge von Glutamin zum intermediären Stoffwechsel, Zellsignalisierung, Genexpression und Kachexie sprechen dafür, rationale Strategien zu entwickeln, um die Glutaminaufnahme von Tumoren zu begrenzen und den Glutaminstoffwechsel in Tumoren abzubilden. Vermutlich wären solche Manöver besonders nützlich bei Tumoren, die eine erhöhte c-Myc-Aktivität enthalten.

Es gibt auch eine Reihe grundlegender biologischer Fragen, die einer weiteren Untersuchung bedürfen. Wie schaffen es Zellen beispielsweise, Glutamin den zahlreichen Stoffwechselwegen, die es verwenden, angemessen zuzuordnen? Gibt es Mechanismen, um Glutamin zu den Enzymen und Zellkompartimenten zu leiten, die es am meisten brauchen, und reagieren diese Systeme auf Stress, der das zelluläre Muster des Glutaminkonsums verändert? Die Beobachtung, dass einige Zellen einen Glutaminexport benötigen, um den mTOR-Signalweg zu aktivieren, wirft die Frage auf, wie diese Zellen erkennen können, wenn Glutamin reichlich vorhanden ist, um seine Sekretion zu ermöglichen. Es wird auch interessant sein zu bestimmen, wie Signale im Zusammenhang mit der Glutamin-Abundanz an den Zellkern übertragen werden, um die Genexpression zu beeinflussen. Ein tieferes Verständnis dieser Probleme sollte helfen zu erklären, warum Glutamin so viele Aspekte der Zellbiologie durchdringt, und sollte zukünftige Bemühungen unterstützen, den Glutaminstoffwechsel bei Krebs und anderen Krankheiten zu manipulieren.


‘Tracking Bugs’ enthüllt Geheimnis des Krebszellstoffwechsels

Eines der Kennzeichen von Krebs ist eine Veränderung des Zellstoffwechsels, eine Reihe von chemischen Reaktionen, die so grundlegend für das Leben sind, dass ihre Veränderung Krebszellen unheimlich bösartig erscheinen lässt.

Gesunde Zellen nehmen Blutzucker (Glukosemoleküle) auf, den sie abbauen, um Energie zu gewinnen. Dies geschieht in zwei Phasen – einer Phase, die im Zytoplasma stattfindet, und einer nachfolgenden Phase, die in Zellkompartimenten, den sogenannten Mitochondrien, stattfindet.

Es wird angenommen, dass Krebszellen meistens die energiereiche mitochondriale Phase überspringen und die Energie, die ihnen entgangen ist, kompensieren, indem sie die erste Phase hochfahren und Glukose schnell abbauen, um große Mengen an Laktat abzusondern – eine Form von teilweise verdauter Glukose, die seit langem angesehen wird als „Abfallprodukt“.

Einige Teile dieser Hypothese müssen wahr sein, da Krebszellen mehr Glukose aufnehmen als gesunde Zellen.

Auf der anderen Seite war es schwer zu verstehen, wie es sich Zellen leisten konnten, den größten Teil der Energie und Substanz, die aus Glukose hergestellt werden kann, zu verwerfen, wie beispielsweise königliche Lebensmitteltester, die nur einen Bissen von jedem „Gericht“ nehmen.”

„Es war lange Zeit ein sehr verwirrendes Thema in der Krebsforschung – scheinbar paradox –, dass Krebszellen so verschwenderisch sein können“, sagte Gary J. Patti, außerordentlicher Professor für Chemie in Arts & Sciences an der Washington University in St. Louis.

In der Online-Vorabausgabe von Nature Chemical Biology vom 12. September beschreiben Patti und die damalige Doktorandin Amanda (Ying-Jr.) Chen die überraschenden Ergebnisse eines scheinbar einfachen Experiments. Ursprünglich unternommen, um eine neue Methodik zu testen, stellten ihre Ergebnisse unerwartet diese Vorstellung des Krebsstoffwechsels in Frage.

Durch die Untersuchung von Laktat zeigten sie, dass Krebszellen ihre Energieproduktion anders steuern können als gedacht. Sie haben die Fähigkeit, das „Abfallprodukt“ Laktat in die Mitochondrien zu importieren, wo der Rest der Glukoseenergie dann extrahiert werden kann.

„Wenn Sie in unserem Lehrbuch für Biochemie nach Laktat suchen, heißt es, dass Laktat als Abfallprodukt ausgeschieden wird“, sagte Patti, „aber unsere Forschung zeigt, dass es nicht unbedingt sein muss, es kann produktiv verwendet werden.“

Das Warburg-Puzzle

Der größte Teil der Energie, die Zellen zum Leben benötigen, wird in den Mitochondrien, dem sogenannten Kraftwerk der Zelle, produziert. Nur 5 Prozent der Energie von Glukose können im Zytoplasma extrahiert werden, während 95 Prozent in den Mitochondrien extrahiert werden können. Um in den Mitochondrien Energie zu produzieren, wird Sauerstoff benötigt.

1924 entdeckte der deutsche Physiologe Otto Warburg, dass Krebszellen auch in Gegenwart von Sauerstoff dazu neigen, Glukose zu Laktat zu vergären. Sie verlagern sich offenbar vom Abbau von Glukose in den Mitochondrien hin zum Abbau der meisten Glukose im Zytoplasma.

Diese Beobachtung, die als Warburg-Effekt bezeichnet wird, hat Krebsforscher lange Zeit verwirrt. Warum sollten schnell wachsende Zellen auf einen Stoffwechsel umstellen, der weniger Energie erzeugt? Welchen Vorteil bietet es?

Trotz vieler Bemühungen, dieses Problem zu lösen, ging es nie wirklich weg. „Wenn man sich metabolische Karten in der Literatur ansieht“, sagte Patti, „gibt es normalerweise nur einen Pfeil, der zeigt, dass Laktat aus der Zelle heraustritt. Es ist nur ein einzelner Pfeil, aber er macht einen großen Unterschied in unserem Denken.“

Eine Sackgasse, die es nicht war

Um den Stoffwechsel unvoreingenommen zu untersuchen, versieht Pattis Labor Nährstoffe mit Tags (Isotopenetiketten), damit sie verfolgen können, was aus ihnen wird, wenn sie von Zellen verstoffwechselt werden.

„Wir haben diese Technologie entwickelt“, sagt Patti. „Und wir dachten: ‚Okay, woran sollten wir es als erstes testen?‘ Wir entschieden, dass ein offensichtliches Molekül für den Anfang Laktat war, das oft als Sackgasse bezeichnet wird. Wir erwarteten, dass die Verabreichung dieses Tags an Krebszellen zeigen würde, dass unsere Technologie funktioniert, da wir nicht viel davon in andere Moleküle umgewandelt sehen würden.“

Aber als Chen das Experiment durchführte, verlief es nicht wie erwartet. "Wir haben Tausende von gekennzeichneten Signalen gesehen", sagte sie. „Fast jedes Lipid in der Zelle wurde markiert. Es war sehr unerwartet und aufregend.“ Die Zellen extrahierten nicht nur zusätzliche Energie aus Laktat, sondern nutzten seine Atome, um andere wichtige Bausteine ​​herzustellen, die für das Wachstum von Krebszellen unerlässlich sind.

„Es ist eine große Umstellung“, sagte Patti. "Wir sagen, dass etwas weggeworfen wird, um zu sagen, dass es verwendet wird, um effektiv eine ganze Klasse von Molekülen in Krebszellen herzustellen."

Da der Befund so verblüffend war, führte das Team eine Reihe von Experimenten durch, um sicherzustellen, dass das Laktat tatsächlich in die Mitochondrien gelangt. Die Experimente bestätigten nicht nur, dass Laktat in die Mitochondrien transportiert werden kann, sondern zeigten auch, dass ein Enzym innerhalb der Mitochondrien Laktat verstoffwechselt, um Energie und Zellbausteine ​​zu produzieren.

Ihren Kuchen haben und ihn auch essen

Warum also die Mühe verschwenden, Glukose in Laktat umzuwandeln, wenn sie sowieso nur in die Mitochondrien transportiert wird?

Wenn Zellen Glukose im Zytoplasma metabolisieren, produziert es Elektronen. Sie müssen die Elektronen irgendwo hinbringen, sonst hören die streng regulierten Stoffwechselreaktionen auf. Gesunde Zellen transportieren die Elektronen in die Mitochondrien, aber Krebszellen produzieren Elektronen schneller, als der Transport mithalten kann. Dies zwingt Krebszellen, die Elektronen an Laktat zu binden und es auszuscheiden, so wurde zumindest angenommen.


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